(1.福建省晉江市氣象局，福建 晉江 362200； 2.南京信息工程大學 環(huán)境科學與工程學院，南京 210044；3.福建省泉州市氣象局，福建 泉州 362000)

0 引言

GIS又叫“地理信息系統(tǒng)”或“地學信息系統(tǒng)”，是一種只在特定環(huán)境下，發(fā)揮指向定義功能的空間型信息系統(tǒng)。在軟、硬件計算機結構的支持下，GIS系統(tǒng)可采集整個地球表層空間中的所有地理分布數(shù)據(jù)，并通過后期的存儲、分析、運算、管理、顯示與描述處理，將這些數(shù)據(jù)整合成分散的技術型應用信息。LBS作為GIS系統(tǒng)的核心元件，可按照地理信息中各類位置數(shù)據(jù)所屬類型結構，處理經(jīng)緯度坐標及一系列環(huán)境參量條件[1]。在震裂坡地及其它特定狀態(tài)環(huán)境中，單純的經(jīng)緯度坐標只能表示一個獨立的地點或方位，但在不發(fā)生其它特殊標志處理的情況下，定位系統(tǒng)中的用戶很難直接認識這些位置節(jié)點。因此，在降雨量超過額定限度標準的汛期階段，震裂帶及一些地質(zhì)密集區(qū)域極易出現(xiàn)明顯的山體崩塌行為。

為避免上述情況的發(fā)生，引入WebApp構件等一系列硬件設備元件，在確保震裂坡地質(zhì)環(huán)境、氣象水文特征條件不發(fā)生改變的前提下，統(tǒng)計GIS體系的組成結構及巡檢操作功能，再聯(lián)合具體的應用性能統(tǒng)計結果，設計一種基于GIS的震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)。在實際測試環(huán)境中，統(tǒng)一約束應用標準，通過數(shù)值分層記錄的方式，確定該新型監(jiān)測預警系統(tǒng)的實際應用價值。

1 震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)概要設計

震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)包含GIS平臺、WebApp構件等多個硬件開發(fā)模塊，其具體搭建方法可按如下步驟進行。

1.1 GIS平臺開發(fā)

GIS平臺可實現(xiàn)對震裂坡地質(zhì)信息及降雨量數(shù)據(jù)的規(guī)劃與管理，可在指定地質(zhì)災害節(jié)點的情況下，獨立統(tǒng)計某一固定位置出現(xiàn)山體崩塌行為的可能性，并將其作為后續(xù)構件與硬件設備結構的基本連接依據(jù)。完整的GIS平臺結構包含GIS瀏覽器、降雨監(jiān)測終端、系統(tǒng)客戶三類起始開發(fā)元件。其中，GIS瀏覽器可按照震裂坡地所處的地形條件，檢測周圍環(huán)境中可能引起降雨量增加的物理因素，并將這些檢測信息整合成獨立的記錄數(shù)據(jù)包，借助傳入信道輸送至系統(tǒng)的各級硬件消耗單元。降雨監(jiān)測終端是統(tǒng)計系統(tǒng)應用環(huán)境中總降雨數(shù)量信息的物理元件，可跟隨外界水文特征條件的改變，而選擇接入系統(tǒng)終端設備的具體數(shù)量，進而使整個硬件執(zhí)行環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)客戶由大量監(jiān)測預警節(jié)點組成，可根據(jù)現(xiàn)有降水量的數(shù)值結果，控制WebApp構件中可參與系統(tǒng)執(zhí)行信息的固定流量寬度條件。GIS網(wǎng)絡是GIS平臺的核心處理組織，向下附屬了WebApp構件、預測模塊與預警模塊，可根據(jù)GIS主機中震裂坡地降雨量參數(shù)的變化情況，轉(zhuǎn)變網(wǎng)絡主體所面臨的選擇性接入現(xiàn)狀，進而達到控制區(qū)域性降雨量空間插值的目的。

圖1 震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)GIS平臺結構

1.2 WebApp構件

WebApp構件是GIS平臺中最大的附屬性元件結構，以WTN6040芯片和CDMA芯片作為核心搭建設備。WTN6040芯片完全符合WebApp構件的Clemens建連方式，是一個具有獨立部署能力的第三方合成性單元式結構。在芯片內(nèi)任意硬件執(zhí)行設備未達到額定執(zhí)行功率的情況下，該項設備結構都能保持長時間的穩(wěn)定運行狀態(tài)[2]。標準的WTN6040芯片由一個WTN6040核心執(zhí)行器、多個接入管腳、一個預警電阻和多個實控連接桿組成。其中，接入管腳始終附著在WTN6040核心執(zhí)行器的外側，可跟隨WebApp構件接入行為的改變，而自主選擇與核心監(jiān)測預警模塊間的連接狀態(tài)，并驅(qū)使暫存于傳輸通道內(nèi)的降雨量信息快速轉(zhuǎn)存至單獨的數(shù)據(jù)庫結構中。預警電阻是一個可自行改變接入阻值的滑動變阻設備，當阻值無限接近原始變阻條件的二倍時，系統(tǒng)中的流通電流量無限縮小，而震裂坡地降雨量的預測精準性則得到穩(wěn)定提升；當阻值無限縮小直至等于原始變阻條件的二分之一時，系統(tǒng)中的流通電流量無限增大，但震裂坡地降雨量的預測精準性卻出現(xiàn)異常波動。

CDMA芯片是WebApp構件中另一個硬件調(diào)節(jié)設備，由數(shù)據(jù)連接面板、監(jiān)測處理結構、調(diào)節(jié)控制結構和一個定量接入節(jié)點組成。震裂坡地處于持續(xù)降雨的環(huán)境中時，傳輸信道可承擔WTN6040芯片與CDMA芯片間的物理連接請求，通過接入節(jié)點將信息數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)連接面板中，進而促使監(jiān)測處理結構與調(diào)節(jié)控制結構，同時由“閉合”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑B接”狀態(tài)[3]。監(jiān)測處理結構與調(diào)節(jié)控制結構同時附屬于CDMA芯片，是數(shù)據(jù)連接面板中兩個重要的物理執(zhí)行結構，隨著系統(tǒng)內(nèi)降雨量數(shù)據(jù)信息的不斷累積，接入節(jié)點承擔的數(shù)據(jù)傳輸限度條件也隨之增加，為避免監(jiān)測預警系統(tǒng)陷入不合理的應用執(zhí)行狀態(tài)，這兩類物理結構必須保持不間斷的轉(zhuǎn)化行為，直至系統(tǒng)中不再產(chǎn)生與震裂坡地降雨量相關的數(shù)據(jù)信息參量。

1.3 系統(tǒng)模塊設計

系統(tǒng)硬件執(zhí)行模塊主要包含降雨量監(jiān)測、降雨量預警、數(shù)據(jù)傳輸促進三類物理結構。降雨量監(jiān)測模塊下端附屬大量的監(jiān)測接觸探針，可通過并列分連的方式與其它硬件設備保持連接狀態(tài)，并借助傳輸連接線，將這些有關震裂坡地降雨量的數(shù)據(jù)信息傳輸至各級應用設備中。監(jiān)測接觸探針直接與數(shù)據(jù)處理單元相連，可在獲取降雨量監(jiān)測信息的同時，分析關聯(lián)并發(fā)行為的觸及可能性，并將分析結果傳輸至監(jiān)測調(diào)配器中。監(jiān)測調(diào)配器是降雨量監(jiān)測模塊的核心控制設備，下端包含一個監(jiān)測指針，可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)預警指令的運輸現(xiàn)狀，選擇是否執(zhí)行數(shù)據(jù)處理單元中的降雨量信息提取操作。

圖2 降雨量監(jiān)測模塊結構示意圖

降雨量預警模塊是一個完整的殼狀體結構，常規(guī)情況下位于監(jiān)測模塊的上端或下端，借助監(jiān)測指針與監(jiān)測模塊相連。殼狀體下端由6個預警調(diào)節(jié)按鈕、一個接入按鈕、一個斷開按鈕組成。其中，4個預警調(diào)節(jié)按鈕保持完整的樹列排布狀態(tài)，負責在降雨量過大的情況下，疏導系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)執(zhí)行壓力；另外兩個預警調(diào)節(jié)按鈕分別位于接入/斷開按鈕的前端與后端，可控制降雨量預警模塊在系統(tǒng)中的連通接入狀態(tài)[4]。通常情況下，完全占用表示額定預警狀態(tài)；部分占用表示單一性預警狀態(tài)；空白占用表示徹底不預警狀態(tài)。為使系統(tǒng)保持良好的控制調(diào)節(jié)狀態(tài)，三類預警行為之間存在自由性切換的可能，但只有獨立預警行為才能觸發(fā)最真實的系統(tǒng)監(jiān)測結果。

數(shù)據(jù)傳輸促進模塊以MSR-2021 DPRS DTU設備作為核心搭建裝置，整個元件內(nèi)部至包含一個完整的DTU芯片，且其中配置大量的節(jié)點感觸裝置，可深度感知震裂坡地降雨量的具體變化情況，并根據(jù)信息參量在系統(tǒng)中的傳輸變化情況，更改必要指令操作的執(zhí)行設置行為。MSR-2021 DPRS DTU設備表明包含一定數(shù)量的傳輸控制接口，可連接大量的控制數(shù)據(jù)線，在降雨量信息總量較為龐大時，首尾接口中的數(shù)據(jù)線可被替換為接口探針，并以此提升系統(tǒng)內(nèi)部監(jiān)測預警行為的應用準確度[5]。MSR-2021 DPRS DTU設備右下端由一個傳輸旋鈕組成，可按照降雨量預警模塊、降雨量監(jiān)測模塊中數(shù)據(jù)信息的存儲現(xiàn)狀，更改旋鈕控制下傳輸導線中數(shù)據(jù)流的流量條件，進而達到緩解控制接口數(shù)據(jù)傳輸壓力的目的。

2 監(jiān)測預警需求分析

在震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)硬件設備的支持下，按照地質(zhì)環(huán)境條件、氣象水文特征、其它性能統(tǒng)計的深入流程，完成監(jiān)測預警系統(tǒng)的應用需求分析。

2.1 震裂坡地質(zhì)環(huán)境條件

震裂坡地質(zhì)環(huán)境主要指自地表層下的堅硬殼體結構，也就是巖石圈，該類物理信息隸屬于地球的演化行為產(chǎn)物，可影響降雨量信息在監(jiān)測預警系統(tǒng)中的基礎應用處理結果。在震裂坡環(huán)境中，巖石可跟隨太陽能作用或降雨沖刷而出現(xiàn)一定程度的風化轉(zhuǎn)變，進而使已經(jīng)固結的物質(zhì)得到完全解放，并以巖石小分子的形式參與到地質(zhì)環(huán)境中去，實現(xiàn)促進震裂坡地質(zhì)循環(huán)傳輸速度的初衷。完整的震裂坡地質(zhì)環(huán)境由巖石、水、浮土、大氣等地球物質(zhì)組成，包含整個巖石圈及各類相關性風化產(chǎn)物。在汛期過程中，震裂坡地需要依靠周圍地質(zhì)條件，才能保證生物體生命活動的正常進行，故隨著降雨時間的不斷增加，震裂坡地內(nèi)的結構特征及物化成分也會發(fā)生改變，即降雨量監(jiān)測模塊中的記錄結果可能偏離原始限定條件。地質(zhì)環(huán)境可為震裂坡內(nèi)的所有生物提供棲息場所及活動空間，而適當?shù)慕涤陝t會為這些生命體提供充足的空氣、水分和微量營養(yǎng)元素。由于震裂坡地理分化條件的不同，整個坡體地質(zhì)會出現(xiàn)明顯的區(qū)域性差異，這也是導致降雨量存在偏差分布的主要原因。綜上，震裂坡地降雨量監(jiān)測與預警處理必須建立在良好地質(zhì)環(huán)境條件的基礎上，即一切GIS體系行為都應該得到震裂坡地質(zhì)環(huán)境條件的支持。

2.2 氣象與水文特征

氣象與水文特征是監(jiān)測預警系統(tǒng)中的重要記錄信息，可影響數(shù)據(jù)傳輸促進模塊在GIS體系中的接入狀態(tài)，進而達到控制系統(tǒng)降雨量預警行為的目的?？偟膩碚f，流通于系統(tǒng)中的氣象與水文特征屬于一種保持促進屬性的連接性信息協(xié)議，能夠分別建立WebApp構件與降雨量監(jiān)測模塊、WebApp構件與降雨量預警模塊間的傳輸途徑，從而使監(jiān)測接觸探針以部分重疊的狀態(tài)接入預警模塊中的調(diào)節(jié)接口，提升系統(tǒng)預警裝置對于降雨量信息的監(jiān)測敏感程度，達到頻繁預警的目的[6-7]。當系統(tǒng)中流通的氣象與水文特征信息不足以支撐模塊的監(jiān)測預警行為時，降雨量監(jiān)測模塊、降雨量預警模塊會自發(fā)加速對震裂坡地降雨量信息的收集速率，并適當縮減MSR-2021 DPRS DTU設備傳輸旋鈕的接入深度，從而提升數(shù)據(jù)傳輸促進模塊的傳導能力。

2.3 其它性能統(tǒng)計

震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)的其它性能統(tǒng)計主要針對操作軟、硬件結構進行，包括安全性能提升、可靠性整合、異常錯誤處理、適應性調(diào)節(jié)等多個應用環(huán)節(jié)，對增強系統(tǒng)對于降雨量信息的預警敏感程度具有極強促進作用[8]。從執(zhí)行性角度來看，針對于震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)軟件的性能統(tǒng)計主要應包含如下幾方面：

1)GIS網(wǎng)絡必須時刻保持暢通，與震裂坡地降雨量相關的數(shù)據(jù)信息需保持高頻率的傳輸強度；

2)系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)測模塊與預警模塊需要保持良好的穩(wěn)定屬性，以促進降雨量信息的可靠性傳輸；

3)系統(tǒng)客戶應該與核心主機保持友好的交互關系；

4)GIS體系內(nèi)部的震裂坡地降雨量信息，只能從WebApp構件傳輸至其它系統(tǒng)硬件執(zhí)行模塊，不能因?qū)牖驅(qū)С鲂袨榈某霈F(xiàn)，而允許反向傳輸操作的存在。

針對震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)硬件的性能統(tǒng)計，則可以依照表1所示參數(shù)執(zhí)行。

表1 監(jiān)測預警系統(tǒng)硬件性能統(tǒng)計標準

3 GIS關鍵技術研究

根據(jù)相關硬件模塊的應用需求標準，分析系統(tǒng)內(nèi)部組成條件及GIS體系的巡檢操作功能，完成震裂坡地降雨量預警監(jiān)測系統(tǒng)設計。GIS關鍵技術的難點在于初步預警單元的“列”狀集群的模塊結構是否兼容與合理，這決定著其內(nèi)部的節(jié)點組織能否保持兼發(fā)性連接觸連狀態(tài)，從而實現(xiàn)監(jiān)測預警行為。

3.1 監(jiān)測預警系統(tǒng)組成

在GIS體系的支持下，震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知、信息傳輸、降雨信息預測、初步預警、預警處理五部分結構組成。從分級執(zhí)行的層面來看，所有系統(tǒng)操作結構均保持平行化分布狀態(tài)，且每條結構組織最多只能被兩類操作結構占用。位于最上層的數(shù)據(jù)感知組織中僅包含與震裂坡地降雨量相關的數(shù)據(jù)參量，能夠按照GIS平臺內(nèi)，WebApp構件的接入形式，而自主控制系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測預警指令的傳輸速率。信息傳輸組織位于數(shù)據(jù)感知組織的下級，由數(shù)據(jù)節(jié)點和連接節(jié)點組成，這些物理節(jié)點保持“行”式集群分布狀態(tài)，可增強震裂坡地降雨量信息在GIS平臺內(nèi)的響應強度，進而達到維持核心計算機監(jiān)測預警行為的目的[9]。初步預警單元和降雨信息預測單元處于同一操作結構層內(nèi)部。其中，初步預警單元包含三類“列”狀集群的信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳導和系統(tǒng)預警功能結構，可調(diào)度系統(tǒng)GIS體系內(nèi)降雨量信息的傳輸促進行為，進而觸發(fā)更為精準的監(jiān)測預警行為模式。降雨信息預測單元包含數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)統(tǒng)計兩類結構處理方式，在GIS體系內(nèi)部，這兩類節(jié)點組織既能同時傳導震裂坡地降雨量數(shù)據(jù)信息，又能保持兼發(fā)性連接觸連狀態(tài)，因此處于末層的預警處理單元始終能夠獲取到足量的降雨量數(shù)據(jù)信息。預警處理單元由數(shù)據(jù)傳導處理和用戶預警兩類物理節(jié)點組成，能夠感知系統(tǒng)內(nèi)震裂坡地降雨量信息的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，并以此作為提醒各類設備結構實現(xiàn)監(jiān)測預警行為的重要條件。

圖3 監(jiān)測預警系統(tǒng)組成結構

3.2 GIS體系結構與巡檢操作功能

GIS體系由監(jiān)測預警中心、服務器、主體結構、基站及客戶設備共同組成。其中巡檢操作功能只發(fā)生在服務器與基站結構中，當震裂坡地降雨量信息沿系統(tǒng)信道傳輸時，預警中心會對GIS體系發(fā)出明確的調(diào)度指令，此時服務器設備會由“斷開”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑B接”狀態(tài)，基站也會隨之接受來自監(jiān)測預警中心的震裂坡地降雨量信息，再通過各級GIS主體消耗這些數(shù)據(jù)參量，在確保體系物理結構不發(fā)生改變的前提下，將這些信息分散至客戶設備中，進而實現(xiàn)一次震裂坡地降雨量監(jiān)測預警的巡檢操作處理，完成GIS體系結構的建立[10]。

圖4 GIS體系結構圖

4 系統(tǒng)測試

利用GIS體系架構，驗證震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)的實用性，聯(lián)合FTP主機，模擬某震裂坡地區(qū)域在汛期過程中的降雨行為，通過截取降雨量空間插值的方式，確定降雨區(qū)域的危險性等級參數(shù)，實現(xiàn)精準性的監(jiān)測預警報告，解決由過量降雨引發(fā)的震裂帶山體崩塌問題。

4.1 系統(tǒng)測試環(huán)境

選取如圖5所示的震裂坡區(qū)域作為監(jiān)測對象，在汛期過程中，多次記錄該地區(qū)的降雨量信息，再將實際監(jiān)測裝置放置在震裂坡區(qū)域內(nèi)，利用FTP主機模擬在此降雨強度下，應用監(jiān)測預警系統(tǒng)后，實測裝置所檢測到的降雨量空間插值結果。

圖5 目標震裂坡區(qū)域

4.2 系統(tǒng)測試方法

在FTP主機中模擬震裂坡地的降雨量監(jiān)測預警現(xiàn)狀，如圖6所示，分析經(jīng)過GIS體系轉(zhuǎn)接后，由預警裝置告警量不同而引發(fā)的降雨量空間插值轉(zhuǎn)變情況。

圖6 模擬實測圖

4.3 實際測試用例

圖7反應了應用震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)前、后，降雨量空間插值模擬結果及降雨區(qū)域危險性等級系數(shù)的變化情況。

圖7 模擬檢測圖

圖7中，“Y”代表應用震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)結果的變化情況；“N”代表應用震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)前，數(shù)據(jù)結果的變化情況。右側柱狀圖表示降雨量空間插值模擬結果，左側表格表示降雨區(qū)域危險性等級系數(shù)。隨記錄次數(shù)的增加，“Y”結果的數(shù)值水平始終低于“N”結果，最大值僅能維持在3.5×1017T左右，而降雨區(qū)域危險性等級在出現(xiàn)小幅度增加后，穩(wěn)定保持為Ⅱ級(默認Ⅴ級以下不會引發(fā)震裂帶山體崩塌行為)?！癗”指標的降雨區(qū)域危險性等級在檢測初期就已經(jīng)達到Ⅲ級，檢測中期更是達到Ⅴ級，符合震裂帶山體崩塌行為標準。綜上可知，在汛期階段，隨著基于GIS震裂坡地降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)的應用，由預警裝置告警行為引發(fā)的降雨量空間插值轉(zhuǎn)變趨勢得到有效控制，在一定程度上降低了震裂帶山體崩塌事件的發(fā)生幾率。

5 結束語

隨著GIS體系的不斷完善，震裂坡降雨量監(jiān)測預警系統(tǒng)中的WebApp構件得以穩(wěn)定運行，各類硬件執(zhí)行設備可在不出現(xiàn)交叉并聯(lián)行為的前提下，促進降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)的快

速傳輸，進而使預警裝置的告警準確性水平出現(xiàn)大幅提升。從預警需求分析的角度來看，地質(zhì)環(huán)境條件、氣象水文特征等信息的穩(wěn)定輸入，不僅穩(wěn)固了信道內(nèi)各類軟、硬件指標協(xié)議的連接行為，也使監(jiān)測模塊在短時間內(nèi)達到了額定執(zhí)行速率，對控制由預警裝置告警行為引發(fā)的降雨量空間插值轉(zhuǎn)變具有極強促進作用。