地质灾害实时监测预警系统（3.0版）,让滑坡灾害提前“说话”

地质灾害监测预警是主动防范、减少重大人员伤亡的重要手段。实验室自2010年自主研发完成“地质灾害实时监测预警系统（1.0版）”以来，至今已更新升级至“地质灾害实时监测预警系统（3.0版）”。

据统计，截至日前该预警系统在四川、山西、甘肃、贵州、重庆等地区已成功预警地质灾害220余起，保障了数万人的生命财产安全。

例如2022年2月26日晚10时成功预警的甘肃黑方台焦家7号滑坡，已是该系统在甘肃黑方台第10次成功预警！这一“黑科技”保障该地区至今未因滑坡而造成人员伤亡！也正是它的存在，让许强等“地灾医生”在与滑坡等地质灾害“抢占时间”时，有了十足的底气。

预警系统，始于滑坡机理研究之垒土

滑坡发生的背后一定存在其演化规律和机理。只有搞清楚滑坡的演化机理及普适性规律，才能实现准确的预警。

“好比医生看病大多会通过看气色、量体温、测血压、抽验血等方式，诊断病因、分析病理、确定病情，判断是否该下病危通知书。”汤明高教授向记者解释道，“而滑坡活动与生命静止却恰恰相反，滑坡是从静止到活动，滑坡发生过程中最直接的‘症状’就是变形和破裂，为什么发生变形和破裂就是其内在机理。”但是变形和破裂到什么程度该下“病危通知书”，却是世界难题！

实验室十分重视滑坡机理研究，19世纪80年代即形成了“地质过程机制分析-量化评价”的学术思想。2001年，在三峡库区地质灾害防治期间，许强教授带领汤明高等学术骨干正式组建“地质灾害监测预警团队”，开启了滑坡预警模型和判据研究，至今已取得一系列滑坡机理及预警预报方面的重大突出成果：先后获得“国土资源科学技术进步奖二等奖（2007）、四川省科学技术进步奖一等奖（2012）、国家科学技术进步奖二等奖（2019）”等。

此外，团队出版的专著《大型滑坡监测预警与应急处置》已再版；编制的《三峡库区滑坡灾害预警预报手册》被作为技术要求执行，在三峡库区成功预报和处置了400多处滑坡险情，撤离近10万人，保证了连续18年“零死亡”，得到了三峡工程验收专家组和中国工程院第三方独立评估课题组的充分肯定。也正是这一系列科技成果支撑着“地质灾害实时监测预警系统”更新换代，屡试不爽！

人们常说“十年磨一剑”，实验室滑坡预警之剑从“起步—成形—实用”整整磨了二十年。

在最初的年代，国内外学者主要是依靠滑坡裂缝等宏观现象进行预警，但是出现裂缝并不代表会产生滑坡。此后，应用数学方法进行滑坡变形的拟合外推预警预报，但是滑坡预警成功率还是不尽人意。实际上，滑坡过程相当复杂，简单的现象预警和数值预警只能是形似而神不似！

为此，实验室将其与滑坡机理有机结合，发现了滑坡时空演化规律，三阶段变形演化过程及其变形破坏的内在行为机理。并将“一刀切”式的阈值预警转变为过程预警，形成了以过程预警为主、以阈值预警为辅的多模型多判据综合预警预报理论和方法。

如果说三峡库区滑坡监测预警国家需求是团队出发的“起点”，那么汶川地震后大规模滑坡预警国家迫切需求则是团队启航的“助推剂”。

作为滑坡预警模型研究设计的负责人，许强、汤明高教授及团队从滑坡演化规律和机理入手，抓住规律和机理这条主线，结合降雨和人类工程活动等影响因素，建立了一套滑坡实时预警预报方法体系，提出了与《中华人民共和国突发事件应对法》四级预警级别“蓝、黄、橙、红”相匹配的预警判据，通过计算机实现了实时、自动、智能化预警，并将预警信息实时发送给相关部门及保护对象。

在这个过程中，我国地质灾害监测预警也从人工监测发展到了自动化监测，从群测群防过渡到了人防+技防，实验室的系统也从单一功能的模块化软件进化为地质灾害综合信息管理与预警决策支持平台。

2020年6月24日，贵州省晴隆县安谷乡前进村团坡组大寨发生滑坡前，该预警系统自动实时发布橙色预警，相关责任人第一时间启动防灾预案，滑坡威胁对象及附近居民紧急撤离避险，未造成一人伤亡。

仅2020年7-8月，该系统在贵州省“成功预警31次，避免人员伤亡3724人，避免直接经济损失10762万元。”

从机理到算法，迈向智能化预警的道路

实验室大厅一楼的LED屏上，首先映入眼帘的满屏的1.4万余处监测点以及四川省3D版地图。大屏不停地实时闪烁“满屏尽是黄金甲”，这是预警系统正在实时分析预警。看似简单的屏幕效果，背后工作却是错综复杂、环环相扣。

首先需要研发地质灾害背景信息的可视化。地质灾害涉及复杂地质背景、多源监测数据等，欲将其清晰明了地呈现给普通用户，需要多重技术的加持。最开始是利用微软的Virtual Earth（虚拟地球）开发呈现三维可视化，但是Virtual Earth功能扩展的研发难度较大、具有局限性，无法满足地质灾害数据的展示与分析需求。并非计算机科班出生的团队骨干何朝阳等另觅佳径，先后尝试了国内外多种三维平台，最后基于相关开源软件架构和资源，不断地进行二次开发，建立全球范围高精度的数字高程模型，研发漫游、影像分析、高程剖面及地质分析等多种功能，实现了“天-空-地”多元立体数据一体化综合展示。

▲三维可视化

（高分2号影像，地质灾害实时监测预警系统桌面应用端）

其次需要科学处理海量的监测数据。数据的收发与管理等后台运行工作十分关键。随着数据类型及数据量的不断增加，原有数据库管理效率降低。

何朝阳博士等开始基于MQTT协议自主研发监测设备物联网云平台。“这套平台相当于我们建的一座邮局。”各个厂家的设备将采集的监测数据装入“信封”，通过MQTT协议将“信件”寄到“邮局”，总服务器收到后拆开“信封”，将数据解析后放进数据库。这个“拆信、读信”的解码过程，就是平台的主要功能。该平台给各个监测单位及厂家提供统一的数据接入平台，保证了数据传输的一致性、实时性。从而保证了数据接收的有效性及实时性，这样才能保证预警分析处理的可靠度。

▲监测设备物联网平台，实现设备与平台的双向通讯

此外，最关键一环就是预警模型的算法实现。

2009年，实验室“地质灾害监测预警团队”，一改国内外普遍采用的阈值预警模式，创新性地提出“过程预警”，进行滑坡变形演化阶段识别及动态跟踪预警，可极大地提升预警成功率。

这一先进理论和预警模型的应用需要计算机算法予以实现。例如如何自动判断滑坡变形演化拐点，从而准确计算切线角判据，是过程预警理论的灵魂与核心。“最难的就是算法，怎么去研究这个算法，这个过程是很漫长且需要死磕的。”何朝阳说道。“压力最大的时候，天天都在想这些算法模型，睡觉做梦都在写代码、编程序。梦里有了灵感，在凌晨4点我立马起床把那段代码写了出来。”向记者谈及这段“玄乎”的回忆时，何朝阳笑了。

▲过程预警的可视化展示（2019年2月17日贵州兴义滑坡成功预警案例）

另外，多模型多判据的预警调度策略也甚为关键。

在系统研发初期，预警模型的调度主要采用时间驱动方式，这种方式实现起来简单，通过一定的时间间隔，定期处理监测数据可以进行地质灾害预警，但不能保证预警的实时性。为此引入了数据驱动方式，即在平台收到监测数据时立即启动预警计算，这种方式计算量很大，但是能够保证预警的实时性。为此，采用两种方式，优劣互补，解决了不同预警场景的需求。

理论结合实践，预警系统不断“出圈”

有了这把斩妖除魔之剑，才能在“江湖上”行侠仗义。但是，在监测预警平台大规模应用过程中又遇到了新的问题和挑战。

从2019年开始，地质灾害实时监测预警系统开始应用于四川省，随着全省上万套监测设备的接入，面对大规模大量级的预警服务需求，系统运行和预警分析速度明显降低，用户体验感下降。

为了解决这一问题，巨能攀教授带领何朝阳等不断思考和尝试，终于找到了优化计算机算法的“良药”——从单节点的运行到分布式的部署、从单线程到多线程进行执行程序和计算调度的优化，引入时序数据库、消息队列等技术，以及智能预警策略、优化缓存更新机制等。此前，四千余套监测设备进行一次预警需要耗时3~5分钟，通过算法的不断优化，时间缩短到5秒内，系统运行效率得到了极大的提升。

目前，地质灾害实时监测预警平台已广泛应用于四川、山西、重庆等省市以及大渡河流域等重大工程区的地质灾害监测预警工作，实现了地质灾害日常管理、实时监测与动态预警的业务化运行。

▲四川省地质灾害实时监测预警系统

▲山西省地质灾害实时监测预警系统

▲重庆市地质灾害实时监测预警系统

▲大渡河流域地质灾害预测预警平台

如果说滑坡预警模型判据是“地质灾害实时监测预警系统”的“里子”，那么监测预警平台就是“面子”，而实际应用就是里子和面子的“纽带”。

2021年，“地质灾害实时监测预警系统（3.0版）”正式上线。

该系统整合物联网、大数据、5G等新技术，增强了数据传输控制、分析应用、融合展示能力，实现了“卫星遥感+无人机测绘+钻探分析”的新的“空-天-地”一体化“三查体系”的应用，引进和吸收创新了高分辨率航天遥感、无人机测绘、多孔电磁波层析成像等新技术。

地质灾害监测预警团队主要负责人之一巨能攀教授分享道：“从2007年左右至今，预警研究及系统开发者已历经 3代更迭， 这其中不乏老一辈的成理地质工作者。面对未来，除了传承，我们还有很多发力点。 ”历经十余年开发的“一球两库”，即数字地球和地灾数据库、空间数据库，两库数据互相印证，支持地质灾害监测预警决策工作。经多位院士、专家鉴定，“地质灾害实时监测预警系统（3.0版）”所展现的技术已居于世界领先水平。

谈及地质灾害监测预警发展趋势，许强教授认为基于深度学习和人工智能的预警将是团队努力的方向之一。

例如，区域地质灾害气象预警方面，可以将其从比较“粗、泛”模式，发展为精细化预警模式。智能化预警通过研究算法，进行海量数据的智能化分析，以期实现更大范围、更加精准的地质灾害预警。

地质灾害实时监测预警系统，从机理到算法、再到应用，环环相扣、缺一不可，每一个环节都需要不断探索、实验和钻研，系统也将一代代更迭，一步步升级。从张倬元教授等老一辈工程地质学家到黄润秋教授，再到许强、巨能攀、汤明高、何朝阳等中青年专家学者，地灾国重室将防灾减灾国家需求深深地刻进了传承的基因中，赓续传递地质灾害防治与地质环境保护的“接力棒”。

地球为你而转！

欢迎关注：赛杰奥（sci_geo）

科学出版社地球科学订阅号