朱海銘，林廣發(fā)，2，3，張明鋒，2，3，張潤川，曾念霖，蔡文欣

(1.福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007；2.福建省陸地災害監(jiān)測評估工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350007；3.海西地理國情動態(tài)監(jiān)測與應急保障研究中心，福建 福州 350007)

《“十四五”國家綜合防災減災規(guī)劃》[1]指出我國自然災害易發(fā)頻發(fā)，多災種集聚和災害鏈特征日益凸顯，需要加強對災害鏈的理論研究和預警監(jiān)測能力。臺風是具有典型的災害鏈特征[2]，其伴生、衍生的次生災害往往導致巨大的人員財產(chǎn)損失并破壞自然與社會環(huán)境，如2021年的6號臺風“煙花”導致河南 “7.20”特大暴雨災害[3]，引發(fā)的臺風-暴雨-洪澇災害鏈，導致河南省因災死亡失蹤398人，受災人口1 478.6萬人，直接經(jīng)濟損失1 200.6億元[4]。

災害鏈的概念最早由郭增建[5]提出，史培軍[6]將災害鏈進一步定義為由某一種致災因子或生態(tài)環(huán)境變化引發(fā)的一系列災害現(xiàn)象，是災害系統(tǒng)復雜性的一種基本形式。關(guān)于災害鏈在的表現(xiàn)形式根據(jù)研究目的和研究需要多種多樣：文本[7-8]、樹狀圖[9-10]、過程流程圖[6，11]和基于災害系統(tǒng)的三要素系統(tǒng)模式[12-13]、表[14-15]、數(shù)據(jù)庫[16]。這些方法在反映災害鏈方面有不同的優(yōu)點，但難以客觀反映災害系統(tǒng)的復雜性和混沌性。近年來隨著復雜網(wǎng)絡(luò)的概念的提出和在災害鏈領(lǐng)域中的應用，許多學者以復雜網(wǎng)絡(luò)的方法構(gòu)建災害鏈，研究災害事件的演化過程和災害的綜合風險分析[17-18]。地理知識圖譜(Geographic Knowledge graph)的發(fā)展為災害鏈的構(gòu)建提供了一種全新的手段[19-21]，知識圖譜(Knowledge Graph)與地理大數(shù)據(jù)的結(jié)合，則使地理信息的分析得以縱深擴展[22-23]。

知識圖譜是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是一種結(jié)構(gòu)化的知識表示形式，以符號形式描述物理世界中的概念、實體和事件及其相互關(guān)系[24]，目前廣泛應用于醫(yī)學、經(jīng)濟學和管理學等領(lǐng)域[25-26]。知識圖譜的基本組成單位是“實體-關(guān)系-實體”三元組和實體及其相關(guān)屬性-值對，實體間通過關(guān)系相互聯(lián)結(jié)，構(gòu)成網(wǎng)狀的知識結(jié)構(gòu)[27]。不少研究以知識圖譜的形式表達和分析災害鏈或災害事件[19，28-29]，其中LIU等[30]將知識圖譜的方式應用在臺風災害鏈的表達與構(gòu)建中，提出以Web本體語言(Web Ontology Language)和五元組本體結(jié)構(gòu)(Ontology = {Con，Prop，Rel，Rule，Ins})來表示臺風災害鏈，其中包含了臺風實例、災害事件本體模型、災害暴露本體模型和應急響應本體模型等要素，該方法對分析臺風災害的演化過程及其對人類社會的影響有重要意義。但從災害鏈角度而言[6]，LIU等[30]構(gòu)建的臺風災害鏈過于繁雜甚至超出災害鏈的定義范疇，災害事件本體模型和應急響應本體模型等要素并不應該包含在臺風災害鏈中，臺風災害鏈應只考慮孕災環(huán)境、致災因子和承災體的之間的聯(lián)系，這種方法稱之為臺風災害事件鏈的表達與構(gòu)建更為恰當。

總體上，目前對臺風災害鏈研究存在兩個不足：①沒有全面總結(jié)以往的臺風災害案例以構(gòu)建一個完整的臺風災害鏈[29]；②忽略了其中由臺風災害衍生但影響程度較小的次生災害以及在構(gòu)建臺風災害鏈時準確表達致災因子節(jié)點和承災體節(jié)點、不同承災體節(jié)點之間的關(guān)系[31-32]。本文根據(jù)災害鏈的定義及前人構(gòu)建的臺風災害鏈模型，以全國首次自然災害綜合風險普查項目提供的大量技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)知識，補充已有的大量臺風災害知識、經(jīng)驗和事實案例，構(gòu)建“節(jié)點-關(guān)系-節(jié)點” 三元組，用Neo4j圖形數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、存儲臺風災害鏈知識圖譜并進行可視化分析，為自然災害學領(lǐng)域知識和知識圖譜技術(shù)的結(jié)合提供一個方法案例。

1 臺風災害鏈知識圖譜構(gòu)建方法

1.1 知識圖譜構(gòu)建模式

知識圖譜建立在語義網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究成果之上，是結(jié)構(gòu)化的語義知識庫。在基于知識圖譜構(gòu)建的臺風災害鏈中，三元組是基本元素，而構(gòu)成三元組的實體和關(guān)系中，謂詞能很好地反映兩個實體之間的關(guān)系，包括時間關(guān)系、空間關(guān)系、因果關(guān)系等[33]。常見的謂詞包括動詞和形容詞，其包含豐富的信息，能夠反映論元的關(guān)系、狀態(tài)和程度[34]。

知識圖譜通過從現(xiàn)實世界產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)中抽取已有概念、事件、實體和關(guān)系構(gòu)建基礎(chǔ)三元組結(jié)構(gòu)，反映現(xiàn)實世界中的客觀關(guān)系。知識圖譜的構(gòu)建目前有三種模式，①模式層的建立，這是一種自頂向下(top-down)的模式，先為知識圖譜定義好概念實體及其屬性、層級語義關(guān)系與約束規(guī)則等，構(gòu)建準確、結(jié)構(gòu)層次分明的概念體系架構(gòu)，再將實體加入到知識庫；②數(shù)據(jù)層的建立，這是一種自底而上(button-up)的模式，對數(shù)據(jù)庫、文獻報告、互聯(lián)網(wǎng)泛文本等不同的置信度較高數(shù)據(jù)，利用自然語言處理技術(shù)(Natural Language Processing)抽取文本中的實體信息及語義關(guān)聯(lián)，對不同來源知識進行對齊與融合，形成知識體系；③模式層與數(shù)據(jù)層相結(jié)合，即自頂而下和自底而上兩種方式相結(jié)合，這也是目前知識圖譜研究各領(lǐng)域的主要模式[19，35]。

本文利用現(xiàn)有與臺風災害鏈相關(guān)的規(guī)范文本資料、概念和術(shù)語，從中找尋實體與關(guān)系，結(jié)合本體論和語義學相關(guān)知識概念，梳理其概念體系與關(guān)系，構(gòu)建三元組，自頂而下構(gòu)建臺風災害鏈的知識圖譜模式層，構(gòu)建全面且普遍適用的臺風災害鏈。

1.2 數(shù)據(jù)來源

臺風災害相關(guān)領(lǐng)域的研究以及互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為臺風災害積累了大量的互聯(lián)網(wǎng)文本和文獻資料數(shù)據(jù)。

本文構(gòu)建臺風災害鏈知識圖譜的資料數(shù)據(jù)來源于三個方面：①相關(guān)文獻中已構(gòu)建的臺風災害鏈及其相關(guān)災害子鏈；②《自然災害分類與代碼：GB/T 28921-2012》[36]和《自然災害承災體分類與代碼：GB/T 32572-2016》[37]，對篩選其中的自然災害和承災體作為實體，并對其含義進行解讀；③全國第一次自然災害綜合風險普查提供的調(diào)查技術(shù)規(guī)范和各災種風險評估技術(shù)規(guī)范；④已有臺風災害案例庫，解析出臺風災害鏈的災害節(jié)點及其之間的關(guān)系。

2 臺風災害鏈知識圖譜表達與圖數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 致災因子和承災體節(jié)點構(gòu)建

臺風災害鏈主要發(fā)生及影響我國陸域的廣大南部和中東部地區(qū)及少部分東北部地區(qū)，以及臺灣和海南等島嶼[38]，在這些區(qū)域范圍內(nèi)部分致災因子并不與臺風致災因子有時空的交集和成因關(guān)系，如沙塵暴、海冰和寒潮等致災因子，因此僅考慮以上范圍內(nèi)可能會由臺風致災因子導致的致災因子。根據(jù)收集的臺風災害事件案例，從《自然災害分類與代碼：GB/T 28921-2012》[36]中篩選出共25種作為臺風的次生致災因子(表1)。

表1 自然災害節(jié)點表(據(jù)文獻[36])

《自然災害承災體分類與代碼：GB/T 32572-2016》[37]將自然災害承災體分三類：人、財產(chǎn)和資源與環(huán)境，其中在財產(chǎn)類別中存在少數(shù)承災體概念重復，根據(jù)概念含義梳理出34種承災體作為臺風災害鏈上的承災體節(jié)點(表2)。

表2 自然災害承災體節(jié)點表(據(jù)文獻[37])

2.2 節(jié)點關(guān)系構(gòu)建

本文以“實體-關(guān)系-實體”三元組為基礎(chǔ)構(gòu)建臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)，其中的實體為自然災害致災因子和自然災害承災體兩種，兩兩組合得到4種三元組：致災因子-關(guān)系-致災因子、致災因子-關(guān)系-承災體、承災體-關(guān)系-致災因子和承災體-關(guān)系-承災體。

災害系統(tǒng)動力學是災害形成“機理”與災害形成“過程”共同耦合而成的一種復雜的系統(tǒng)動力學過程[39]，致災因子時空變化的動態(tài)演化以“機理”和“過程”展現(xiàn)，可以構(gòu)建臺風災害鏈之間“致災因子-致災因子”和“承災體-致災因子”之間的關(guān)系。臺風災害鏈每個致災因子的發(fā)生都有其時間和空間分布，根據(jù)事件發(fā)生的時刻、時段和時段的前內(nèi)后三部分等概念共分出13種時態(tài)拓撲關(guān)系，根據(jù)事件之間發(fā)生的交疊情況共分出8種空間拓撲關(guān)系[40]。

地理知識圖譜的實體存在時間、位置、屬性、關(guān)系、狀態(tài)和變化六個核心方面[41]，災害鏈的原生災害導致次生災害發(fā)生定義了原生災害的發(fā)生時間早于次生災害，從13種時態(tài)拓撲關(guān)系中選擇8種存在原生災害先發(fā)生的時態(tài)關(guān)系。兩種致災因子之間存在多種時態(tài)發(fā)生的可能，本文從災害瞬時破壞力和社會應急能力出發(fā)考慮，認為當兩種自然災害事件或承災體引發(fā)災害事件發(fā)生時，二者發(fā)生時刻和持續(xù)時間的瞬發(fā)破壞力對社會應急能力和承災體暴露性造成極大的挑戰(zhàn)；當二者并發(fā)的破壞力也會對社會應急能力和承災體暴露性造成巨大的挑戰(zhàn)，且并發(fā)的時間越長挑戰(zhàn)越大；當二者發(fā)生時間相接也會對社會應急能力和承災體暴露性造成較大的挑戰(zhàn)；當二者發(fā)生的時間間隔越長，對社會應急能力和承災體暴露性造成的挑戰(zhàn)也就相對越小。本文對時態(tài)拓撲關(guān)系依據(jù)兩種自然災害之間的發(fā)生時刻和持續(xù)時間關(guān)系對8種時態(tài)拓撲關(guān)系進行重要性排序，即：equal>starts=started>contain>finished>overlays>meets>before，構(gòu)建時態(tài)拓撲關(guān)系表(表3)。當兩種自然災害事件有多可能時態(tài)發(fā)生時，依據(jù)時態(tài)拓撲關(guān)系重要性選擇。

表3 時態(tài)拓撲關(guān)系表

致災因子作為一種地理現(xiàn)象或空間對象，可以從文本數(shù)據(jù)中提取出致災因子的地理空間信息[42]，在知識圖譜中表現(xiàn)出實體之間的空間關(guān)系[43]；致災因子的地理邊界在災中是動態(tài)變化和模糊的[44]，無法確定其確切邊界位置，但可以確定其大致范圍。本文在不考慮相切的空間拓撲關(guān)系的情況下，選擇5種空間關(guān)系{ Disjoint、Overlaps、Contains、Equal、Inside }作為空間拓撲關(guān)系(表4)。

表4 空間拓撲關(guān)系表

根據(jù)8種時態(tài)拓撲關(guān)系和5種空間拓撲關(guān)系之間兩兩組合，構(gòu)建出共40種災害節(jié)點之間的時空關(guān)系(表5)。

在臺風災害鏈中，承災體受災的形式有兩種：①致災因子直接導致承災體受損；②一種承災體受災間接導致另一種與其有災害鏈關(guān)系的承災體也受災，如泥石流災害可以直接導致人員傷亡，也可以通過沖毀房屋間接導致房屋內(nèi)的人員傷亡。本文收集了有關(guān)臺風災害的微博、新聞報道等文本數(shù)據(jù)，以自然語言處理技術(shù)的分詞技術(shù)提取出其中的263個動詞，再參考《自然災害災情統(tǒng)計 第1部分：基本指標》[45]和《自然災害災情統(tǒng)計 第2部分：擴展指標》[46]兩份災情統(tǒng)計指標文件，結(jié)合《自然災害承災體分類與代碼(GB/T 32572-2016)》[37]中提取的8類承災體，從中總結(jié)出描述各承災體類別受災的關(guān)系謂詞(表6)。

表6 描述承災體受災關(guān)系詞表

2.3 三元組基本鏈構(gòu)建

臺風災害鏈知識圖譜依托已有臺風災害案例和形式邏輯構(gòu)建，具體體現(xiàn)在三元組的構(gòu)建中。三元組有兩種類型：“實體-關(guān)系-實體”和“實體-屬性-屬性值”，本文構(gòu)建臺風災害鏈時僅從形式邏輯上使用“實體-關(guān)系-實體”表達臺風災害鏈的三元組。

以表1中的致災因子和表2中的承災體作為三元組的實體，以表3中的時空拓撲關(guān)系和表4中的關(guān)系詞作為三元組的關(guān)系，依據(jù)現(xiàn)實臺風災害事件內(nèi)在邏輯和案例，構(gòu)建了臺風災害鏈關(guān)系表的“致災因子-關(guān)系-致災因子”三元組100個(表7)、“致災因子-關(guān)系-承災體”三元組512個、“承災體-關(guān)系-致災因子”三元組50個以及“承災體-關(guān)系-承災體”三元組125個，共787個三元組。

表7 致災因子-承災體的災害鏈關(guān)系表(部分)

2.4 臺風災害鏈圖數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

利用Neo4j圖數(shù)據(jù)庫將787個三元組以實體聯(lián)結(jié)和顯示，得到完整的臺風災害鏈知識圖譜。本文對臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)的分類基于參與臺風災害鏈的致災因子的類別劃分成6類，即：臺風-氣象災害鏈(圖1a)、臺風-水文災害鏈(圖1b)、臺風-地質(zhì)災害鏈(圖1c)、臺風-生物災害鏈(圖1d)、臺風-海洋災害鏈(圖1e)和臺風-生態(tài)環(huán)境災害鏈(圖1f)，根據(jù)不同致災因子種類及對應分布空間內(nèi)的承災體分布做出臺風災害鏈子鏈類圖(以下展示部分災害鏈)。

圖1 臺風災害鏈注：A={所有承災體}；B=A-土地資源-礦產(chǎn)資源；C=A-土地資源-礦產(chǎn)資源-水資源-生物資源；D=A-土地資源-礦產(chǎn)資源-水資源；E=A-礦產(chǎn)資源-水資源-生物資源；F=A-礦產(chǎn)資源-生物資源；G=A-礦產(chǎn)資源-生物資源；H=A-漁業(yè)設(shè)施、設(shè)備-漁業(yè)產(chǎn)品-土地資源-礦產(chǎn)資源-水資源；I={所有致災因子}-臺風-大風。

3 結(jié)論與討論

本文以災害系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，利用災害普查知識庫、互聯(lián)網(wǎng)歷史臺風災害案例庫和論文文獻資料為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，確定臺風災害鏈的致災因子和承災體，以時空拓撲關(guān)系和描述承災體受災的謂詞來描述致災因子和承災體的四種三元組關(guān)系，構(gòu)建臺風災害鏈知識圖譜，將知識圖譜以Neo4j圖形數(shù)據(jù)庫進行可視化，共構(gòu)建了59個節(jié)點、49種關(guān)系和787個三元組。

本文所構(gòu)建的臺風災害鏈知識圖譜因其獨特的三元組基本鏈結(jié)構(gòu)而具有著以下優(yōu)勢和特點：

1)根據(jù)三元組的節(jié)點，快速連接起節(jié)點的前后三元組，并依據(jù)新構(gòu)建的三元組鏈的首尾節(jié)點連續(xù)不斷地連接起節(jié)點的前后三元組，從而構(gòu)建出一個全面的臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)。

2)當臺風災害發(fā)生時，通過社交媒體等數(shù)據(jù)源快速收集、分析致災因子節(jié)點和承災體節(jié)點特征詞，構(gòu)建基本三元組表，能快速建立該場臺風災害事件的臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)，為提前和及時的應急管理提供理論依據(jù)。

3)基于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)并將其可視化，以更為具體形象的方式展示了臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)。相較于其他災害鏈的表現(xiàn)形式，該種方法更為直觀地反映臺風災害鏈的每種次生災害及承災體之間的關(guān)系；每個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中僅出現(xiàn)一次，極大減少在表達上的冗余。

4)臺風災害鏈知識圖譜具備知識圖譜和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，為進一步的臺風災害網(wǎng)絡(luò)分析和知識推理奠定了基礎(chǔ)，也為臺風災害鏈綜合風險評估奠定了基礎(chǔ)。

5)基于我國境內(nèi)及周邊海域范圍的臺風相關(guān)數(shù)據(jù)所構(gòu)建的臺風災害鏈知識圖譜對我國境內(nèi)和周邊海域具有普遍的適用性。

臺風災害鏈知識圖譜作為一種表達災害鏈的方法，為災害鏈的研究提供一種新的方法和視角。但臺風災害鏈知識圖譜依舊有以下局限：

1)前期準備的工作量大并且時間長。三元組的構(gòu)建包含了實體數(shù)據(jù)和實體關(guān)系的收集和確定，涉及到大量領(lǐng)域和行業(yè)的專業(yè)知識，當對致災因子和承災體的劃分更加細致，則對實體關(guān)系的數(shù)量增加越多，對實體關(guān)系的確認越加困難。

2)構(gòu)建時存在邏輯判斷問題。臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)不僅存在三元組間的邏輯判斷，也存在三元組構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)間的邏輯判斷。通過Neo4j構(gòu)建的臺風災害鏈知識圖譜是基于實體將三元組首尾相連，以此構(gòu)建出臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)，但這種基于形式邏輯的算法機制帶來了無法保證臺風災害鏈網(wǎng)絡(luò)中每一條臺風災害鏈都是事實存在的。

3)后期應用有人員成本。正如在上面一條局限所言，臺風災害鏈知識圖譜可能在構(gòu)建中存在邏輯判斷問題，無法適用于非相關(guān)專業(yè)背景的人，在使用臺風災害鏈知識圖譜時依然需要專業(yè)知識背景來進行判斷，這無疑增加了臺風災害鏈知識圖譜應用的成本。這需要應用知識推理技術(shù)，研發(fā)集成軟件，為非專業(yè)用戶提供便捷的功能接口。

綜上，臺風災害鏈知識圖譜有快速檢索致災因子，辨析上下級致災因子之間的關(guān)系的優(yōu)點，可為自然災害綜合風險普查數(shù)據(jù)提供了一種全新的利用方式，將普查大數(shù)據(jù)應用在臺風災害防災救災減災和知識服務等領(lǐng)域。在臺風災害鏈知識圖譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，運用自然語言處理(NLP)及機器學習等多算法，加入“實體-屬性-屬性值”三元組對災害知識加以補充，可以構(gòu)建關(guān)于臺風災害及其相關(guān)知識領(lǐng)域和災害事件的網(wǎng)狀知識結(jié)構(gòu)。臺風災害鏈知識圖譜可以進一步研究臺風災害鏈的成災機制和斷鏈減災機理，為實際生產(chǎn)生活和防災減災救災提供依據(jù)，宣傳臺風安全知識提供幫助。