学术科研

科研动态

当前位置: 首页 -> 学术科研 -> 科研动态 -> 正文

技术前沿—《新一代信息技术与防洪减灾》

作者: 来源: 阅读次数: 日期:2023-09-11

新一代信息技术应用信息技术快速升级、融合或分裂,形成新的技术形态,即新一代信息技术,但其并无明确的定义和范畴,本文的新一代信息技术主要指近几年获得快速发展或者新出现的相关技术。

1)物联网(信息感知)。

物联网概念1999年源于美国麻省理工学院自动识别中心,是把所有物品通过信息传感设备与互联网连接,进行信息交换和通信,实现智能化识别与管理的一种技术。基于物联网概念,水利专家提出水联网:通过各种信息传感设备,测量水文、水质等水利要素,传递到互联网上,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控、计算、模拟、预测和管理的一种涉水网络。

我国水利系统建立了庞大的水文和水质监测系统,近年提出的“数字黄河”“数字长江”,都能看到物联网的影子。物联网作为防汛管理对象的感知与控制技术,是“数字防汛”“互联网+防汛”的基础,在防汛抗旱信息化建设中广泛应用。在水雨情感知方面,山洪灾害非工程措施防治项目、中小河流治理项目,建设了大量水雨情信息采集站点;防汛工程安全方面,建立了大坝安全感知监测系统;城市防汛方面,与智慧城市相结合,提高了城市应对洪涝风险的应对能力和管理水平。

物联网作为一种基础支撑手段,应加强其在防洪减灾中的进一步深入应用,建立防汛减灾智能识别体系,与大数据、人工智能相结合,支撑防洪减灾智慧应用。

2)大数据(数据基础)。

大数据是指无法在一定时间内用常规软件工具提取、存储、搜索、共享、分析和处理的海量的、复杂的数据集合,具有体量大、种类多、变化快、价值密度低的特征。大数据成功应用于投资、金融、出行、消费、安全等领域,包括在新型冠状病毒疫情防治中也发挥了重要作用。水利数据是大数据概念范畴当中的极具代表性的应用。

防洪减灾相关大数据包括物联网监测数据、社会经济数据、人口数据、互联网数据(手机信令、实时导航数据)、工程调度数据、舆情数据等。大数据从应用模式、应用平台架构、交互模式等多层面影响着防洪减灾工作。应用模式方面,北京市构建基于大数据的“互联网+智能防汛”信息平台,提出了指挥决策大数据模式、预报预警大数据模式、社会动员大数据模式等应用场景。海南省利用大数据提升协同防灾效率和应急救援能力。南京市利用微博大数据收集暴雨内涝灾情和公众情绪。在应用平台架构方面,深圳市智慧水务建设中融入了水务大数据分析平台,杭州市搭建了基于大数据架构的城市防汛决策支持系统。在交互模式方面,受微软、阿里、京东等公司启发,大数据展示模式(“驾驶舱”)在防洪减灾中的应用越来越多,如北京市、深圳市均采用了大屏展示模式,从界面布局、软件功能组织等均采用了全新设计模式。

大数据是提高防洪减灾的科学化、智慧化水平的重要基础性保障。需要从技术、制度等方面加强对监测体系、信息汇集、共享机制等方面的支持。

3)数据挖掘(知识发现)。

数据挖掘是指从大量的数据中通过算法提取隐含其中事先不知又潜在有用信息或知识的过程,相关算法包括关联分析、聚类分析、分类、预测、时序模式等。近年随着数据积累,神经网络、机器学习等算法成为海量数据挖掘的新手段,主流统计分析软件和时空数据分析软件均提供相应算法支持。

基于持续规范的数据积累,气象、水文数据挖掘应用较为成熟。随着洪水灾害相关数据的积累,出现了一些创新应用,如利用地理学分析方法挖掘山洪灾害规律、综合多元时空数据研究山洪灾害格局及驱动力、基于长序列降雨数据利用机器学习方法研究城市暴雨典型模式、利用STARMA模型进行城市积水预测,另外,利用数据模型、知识图谱等方法快速发现数据关系以支持实际应用,也可视为数据挖掘范畴。

防洪减灾数据挖掘的最大机遇是数据不断丰富,问题是数据规律与专业知识结合不够,随着相关时空大数据的积累,基于深度学习、复杂网络的复杂非线性规律挖掘,会成为防洪减灾数据挖掘的重要方向。

4)遥感技术(数据采集)。

遥感技术发展起源于20世纪60年代,国外遥感技术在重访期、多源化、开放性等方面较为完善,我国遥感事业虽起步较晚,但发展迅速,以高分卫星为引领形成了气象、海洋、陆地、环境等国家卫星系列,商用或行业卫星也蓬勃发展,如“北京一号”“北京二号”“吉林一号”“珠海一号”“珞珈一号”等。

遥感技术成熟应用于防洪减灾。从20世纪80年代的防洪遥感试验开始,先后在1994年、1995年、1998年、2003年特大洪水监测中发挥了重大作用。李纪人系统总结了目前遥感技术在防洪减灾中五大应用方向:洪涝灾害监测评估、水利工程安全监测、洪水灾害预警、洪水风险图、防洪规划。目前每年汛期,依托GF-3、RadarSat-2、COSMOSkyMed等多种雷达卫星和GF1、GF2、BJ2等光学卫星等多源遥感数据,可在1~3d实现洪水监测,基本实现业务化运行,并形成较为规范的突发涉水灾害技术流程。

相对于某些行业,遥感技术防洪减灾应用需要加强,尤其是防洪减灾信息实时获取、城市洪涝灾害遥感监测等。随着智能化水利信息提取、知识化的遥感大数据管理、水利遥感云的发展,遥感大数据在洪涝灾害预测、应急管理、多灾种监测等方面具有巨大的应用价值。

5)无人机技术(决策支持)。

我国无人机产业起步较晚,但发展迅速,以深圳大疆为代表的消费级无人机处于全球技术领先。无人机遥感是无人机最重要的应用领域,其特点是机动性好、数据精度高、成本低、数据实时性强等,已广泛应用到许多领域。

无人机在防洪减灾领域的应用主要包括灾情监测、高清数据采集、应急指挥支持等。早在2008—2009年黄河凌汛期间,利用无人机采集CCD(ChargeCoupledDevice)高分辨率照片及视频,进行黄河宁蒙河段凌情监测;在全国山洪灾害调查工作中,无人机技术应用于获取复杂山丘区小流域基础信息资料;近年的无人机防汛应急指挥调度系统、无人机应急指挥车、空中测验报汛平台等,可在山洪或泥石流等灾害造成通信网络中断的情况下,建立前线与后方移动会商系统,为指挥决策提供支持。

无人机防洪减灾应用中主要存在问题:①技术发展快,缺少标准规范,如应急监测流程、硬件指标等;②监管方面需要完善;③覆盖面较小。随着“中科天网”无人机综合管理系统建成及各相关企业努力,无人机在防洪减灾方面有很好的应用前景。

6)虚拟现实技术(情景模拟、洪水推演)。

虚拟现实技术是一种利用计算机模拟环境给人以环境沉浸感的技术,在影视、教育、设计、医学、军事等领域取得了巨大成功,并逐步成为一个新的科学技术领域,三维GIS、全景图像、全息现实、增强现实等都可归于虚拟现实的范畴。

虚拟现实技术在防洪减灾中有很多应用,包括溃坝洪水模拟、山洪灾害模拟、洪水情景推演、应急推演等。主要应用流程为:虚拟场景构建→防洪减灾信息融入→人机交互。虚拟场景构建已比较成熟,如2007—2008年建成了全国及七大流域三维电子沙盘,目前很多商业软件平台(Skyline、Unity3D、Vrp、Locaspace等)可支持三维场景搭建;目前三维平台中融入的防洪减灾信息以静态数据为主,如预案信息、洪水信息、模型计算结果等,也有研究尝试在虚拟场景中整合专业模型,但由于模型计算效率、数据融合等方面的问题,导致效果不太理想;人机交互目前以高清大屏或专业屏幕为主流,视听设备在应急推演等方面有少量应用。

目前来看,防洪减灾对虚拟现实技术并无很大“黏性”,主要是增加了一种信息展示方式,未来随着全息现实、VR设备、数字孪生、BIM(BuildingInformationModeling)等相关技术的发展,可探索在应急推演、调度指挥等方面的深入应用。其中,BIM技术在建筑、工业设计、制造等行业应用多年,近年来在水利工程建设管理、工程安全管理、城市洪水仿真等方面有成功应用。在2020年全国水利工作会议上,鄂竟平强调,充分运用BIM等技术,推动信息技术与水利业务的深度融合。在防洪减灾工作中,利用GIS+BIM与洪水计算模型、工程调度等相结合,可为城市防汛、闸坝工程调度、应急演练、人员培训等提供支撑。

7)新媒体(信息表达)。

本文所指新媒体,是指报刊、广播、电视等传统媒体之外新的媒体形态,通过互联网、宽带局域网、无线通信网等渠道,以及电脑、手机、数字电视等终端,向用户提供信息的传播形态。如微信、微博、自媒体、抖音、今日头条等,其突出特点是交互性较强、信息碎片化、资源可共享、传播迅速等。

北京、上海、湖南等省(直辖市)防汛部门将微信、微博、QQ等手段应用于防汛工作。北京市在防汛社会动员工作中,利用微信、移动方式进行信息发布。2017年6月22日至7月初,湖南多地出现重大汛情,充分利用直播、短视频、航拍等新媒体技术,以亮点引领社会舆论、维护了社会稳定。2018年“上海防汛”微信公众号推送信息600余条,并自动同步到澎湃新闻、网易新闻、今日头条等客户端,向公众提供准确及时的防汛新闻、汛情动态、预报预警等信息,在防御历史罕见台风和进博会安全保障工作中发挥了重要作用。

新媒体作为一种新的信息传播手段,对防洪减灾工作是一把双刃剑,网络谣言传播极快,容易造成防洪减灾不利局面,面对防汛突发事件网络舆情,应利用权威新闻媒体第一时间发声,及时辟谣,及时释疑解惑,回应社会关切。


Baidu
sogou