基于信息融合与深度学习的区域干旱致灾预警方法研究

杜 栋，刘梦雨

（河海大学系统工程与管理创新研究中心，江苏 常州 213022）

1 引言

干旱是一种比较特殊的自然灾害，持续时间长、涉及范围广、治理难度大是其主要特点。中国大部分地区处于季风气候影响区，降水的年际变化和年内分布不均，使得干旱灾害成为影响中国经济社会发展的主要自然灾害之一。自20世纪70年代以来，全球每年因干旱所造成的经济损失高达上千亿元人民币。干旱灾害问题越来越受到政府决策部门和公众的广泛关注。

干旱与旱灾严格来讲是两个不同的概念，只不过常常被人们混用而已。干旱是一种涉及自然、经济和社会的现象。它对人类社会的生产、生活及生态环境造成的不良后果就是旱灾。干旱现象的出现并不一定导致干旱灾害的发生，两者之间不一定存在必然联系。旱灾是否形成，关键看干旱是否造成危害以及危害程度有多大。为此，本研究引出“干旱致灾”概念。

目前，大部分学者将干旱归纳为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱4种类型。气象干旱和水文干旱是从大气、水科学的角度关注干旱问题；农业干旱是从农业生产的角度出发，且很多是从土壤的墒情角度考虑干旱问题。这里强调第四种干旱——社会经济干旱，即注重干旱对社会经济及生态环境等的影响。更具体地说，特别关注旱灾带来的直接经济损失和间接经济损失。

需要说明的是，干旱预警与干旱灾害预警也是两回事。前者多是从气象、水文、农业等不同干旱视角做出的干旱风险预测；而后者是在前者的基础上展开的，其更加强调旱灾造成的损失。目前，干旱预警方法已有不少研究成果，但是如何将干旱风险预测与旱灾经济损失预估相结合，形成干旱致灾预警方法，是摆在我们面前亟待解决的课题。

2 研究现状及发展动态分析

近50 a来，全球变暖趋势明显，极端气候事件频发，全球范围内的旱灾发生范围扩大，干旱程度和旱灾损失也趋于严重，防灾减灾及灾害预警工作得到了世界各国的高度重视。

在国外，世界各国政府及相关国际组织在灾害问题研究方面，实施了多项研究项目。比如，美国联邦紧急事务所联合国家建筑科学研究所等科研机构共同研制了一套自然灾害损失评估系统——Hazards U.S.系统，形成了较为成熟的灾情评估技术方法体系（Schneider P.J.，2006年）；日本中央防灾委员会组织成立灾害教训技术调查组，该组织将灾害损失状况、当局应急、对人们生活条件和社会经济影响等信息进行了分类归档（Yao G.，2009年）；澳大利亚应急管理部门和气象部门共同开发了一套灾害直接经济损失和间接经济损失系统（Emergency Ma-nagement of Australia，EMA）等。可见，国外很早就重视灾害评估及其造成的损失研究。

在国内，政府及相关专家学者对干旱灾害问题也组织了大量的研究，包括国家重点基础研究发展计划项目“气候变暖背景下我国南方旱涝灾害的变化规律、机理、影响和对策（2013CB430206）”、水利部重大基建前期项目“全国干旱区划及旱灾风险评估研究”（200901026）、国家自然科学基金项目“中国雨养农业典型区农业旱灾风险形成机制研究（41001059）”“区域干旱过程模拟和农业干旱风险评价及应对研究（51279072）”“区域水文干旱问题的研究与应用（49901003）”等。可见，国内非常重视干旱风险的研究，但对旱灾造成的损失研究明显不足。

从近年来国内对干旱灾害的研究成果看，主要集中在以下几个方面。

（1）干旱灾害的特点与成因。黄会平（2010年）对1949—2007年全国干旱灾害特征、成因进行了研究；吕娟、高辉、孙洪泉（2011年）对21世纪以来我国干旱灾害特点及成因进行了分析。

（2）干旱灾害评估。李芬等人（2011年）从干旱指标、干旱评估理论、干旱评估方法以及干旱评估类型等方面对国内外干旱灾害评估研究进展进行了较为全面的分析。分析表明，现有干旱评估研究多侧重于农业干旱和单品种干旱灾情的特征研究，干旱评估模型不能反映干旱带来的系统影响，今后应逐步重视灾害的社会经济影响评估；谷红波、刘芷好（2015年）从农业干旱的视角探析湖南省干旱灾害的时空分布、社会经济影响及形成机理，区分了干旱和干旱灾害，并注意到农业干旱灾害对社会经济的影响。

（3）干旱灾害的风险评估。风险评估是干旱灾害评估的主要类型。姚玉璧等人（2013年）对干旱灾害风险做了科学解读，指出干旱灾害评估与干旱灾害风险评估是不同的，认为干旱灾害评估主要是指灾后评估，干旱灾害风险评估主要是预评估，带有预测性质；王莺等（2015年）对我国南方干旱灾害风险做了评估，认为干旱灾害风险评估就是对干旱灾害风险发生的强度和形式进行评定和估计。目前干旱灾害风险研究多采用传统概率统计方法，且主要以区域农业为评估对象。

（4）干旱灾害的经济损失评估。经济损失评估是干旱灾害评估的另一个重要内容。王珍、段孟辰（2015年）总结了目前研究中干旱灾害经济损失（包括直接经济损失和间接经济损失）的指标体系和评估方法，特别指出干旱灾害的间接经济损失的界定和定量研究亟待研究；徐洋（2013年）分析了黑龙江各省市因干旱造成的直接经济损失风险，指出由于干旱造成的经济损失是多方面的，所以此方面的研究报道很少。

（5）干旱灾害的预警。陈怀亮等人（2009年）对中国农业干旱的监测、预警与灾损评估的研究与业务状况进行了综述，补充说明的是这里的灾损评估是指灾后评估（即后期影响评价）；孙丽等人（2014年）建立了基于生物产量变化率的农业旱灾预警模式，也就是将干旱指数与生物量损失量构建关系模型来进行监测预警；张强等人（2015年）讨论了我国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术，主要是从气象干旱的视角展开，并强调了干旱气候变化对农业生产的影响。

概括地看，国内外对干旱灾害问题虽然做了大量研究，但干旱灾害问题异常复杂，依然是涉及气象、水文、水利、农业、经济、管理等多学科交叉研究课题的热点和难点。总的来说，分析整个国家干旱灾害特点及成因的不少，研究区域干旱灾害问题及其治理的不多；从气象、水文和农业视角研究干旱风险的不少，从社会经济视角研究旱灾造成损失的不多；对干旱风险预测方法研究的很多，对干旱灾害预警方法研究的不多。

具体地看，受项目的研究目的和应用领域不同的影响，已有的干旱灾害预警研究仍然存在以下2个方面的问题。

一是偏重于单品种干旱风险预测。广大学者虽然从不同视角（气象、农业、水利等）研究干旱问题，并形成了许多干旱风险预测方法，但是针对具体区域而言，如何从跨学科的高度耦合这些方法，从而形成区域干旱风险预测方法，是摆在我们面前的难题。

二是对于干旱灾害损失评估体系的研究较为缺乏。对旱灾经济损失的研究也偏重于事后评价，而事前预估的研究很少。也就是说，对旱灾可能造成的经济损失缺乏预估方法。而且，之前对旱灾经济损失的定性分析和实证描述较多，而定量和建模分析较少。

3 研究的理论意义和实践价值

干旱实时灾情和发展态势的监测预警，不但是有关部门制定防灾预案和减灾措施的依据，也是人民群众应对干旱灾害和开展生产自救的重要参考。为了精细化管理和实用性的目的，以区域为研究尺度（不同于以往的大尺度、大范围研究），针对上述2个问题，开展跨学科的干旱灾害预警研究，形成区域干旱致灾预警方法，包括干旱风险预测模型、旱灾经济损失预估模型以及将以上两者联系起来的干旱致灾预警模型。

（1）理论意义。基于社会经济干旱视角，即特别强调干旱带来的经济损失，把干旱风险预测与旱灾经济损失结合起来考虑，探讨干旱致灾预警方法，可以丰富干旱灾害预警研究的理论，有利于提高干旱灾害预警方法的科学性和合理性。

（2）实践价值。预期研究成果可以促使干旱灾害综合应对的思路转变和能力提升，将会在区域干旱防灾减灾、抗旱应急响应和水资源利用与保护等领域具有良好的应用前景。

4 研究框架

本研究的主要内容有以下几个方面。

（1）基础研究。对干旱风险预测、干旱灾害损失预估、干旱灾害预警及其相关概念进行界定和辨析。通过文献检索和实地调研，对国内外干旱灾害预警相关理论研究成果与实践应用经验进行分析总结。

（2）干旱致灾预警的理论分析框架。对旱灾的研究，既要分析其成因，也要分析其后果，而且要把干旱成因与灾害损失结合起来考虑。干旱灾害的形成有自然地理因素，也受人类活动的影响。另一方面，干旱灾害将导致一系列自然的、经济的和社会的危害，必须对此有清醒的认识和预见。具体内容包括：影响干旱的自然因素识别和社会因素（这里主要指对水的利用）识别；干旱致灾机理分析（基于系统科学思想和原理的致灾条件分析和致灾过程研究，把区域干旱致灾问题作为一个系统问题来对待，主要用于揭示干旱致灾的机理）；干旱灾害对社会经济及生态环境的危害分析（为了便于研究，最后归结为直接经济损失和间接经济损失）；给出干旱致灾预警的理论分析框架，即对应于“干旱风险—→致灾—→灾害损失”的“干旱风险预测—→干旱致灾预警—→旱灾经济损失预估”。从而不仅把干旱与旱灾区分开来，而且把干旱风险预测与旱灾经济损失预估结合起来，以便开展干旱致灾预警。

（3）干旱致灾预警方法研究。干旱致灾预警是指通过选择一组相应的干旱致灾预警指标，对目标区域内的水文和气象因子变化以及供水和用水状况进行监测，对干旱灾害进行早期识别，并对干旱带来的损失进行预估，及时将干旱灾害信息发布出去，以便提早做好应对准备，达到最大限度地减轻旱灾损失的目的。具体内容包括：干旱致灾预警指标体系的构建（干旱风险和灾害损失的综合反映）；干旱风险的预测方法（基于气象、水文、农业干旱风险预测的信息融合形成）；干旱灾害经济损失的预估方法（基于对历史旱灾经济损失数据的深度学习形成）；干旱致灾预警模型的构建（把干旱强度和旱灾经济损失程度联系起来），这里主要包括预警指标体系、预警指标预测预估方法和预警模型三部分。预警指标体系是预警研究的核心内容；预警之前应对预警指标进行预测、预估；预警模型是综合预警指标给出预警信息。

其中，主要采用了以下4种方法。

第一种，关键因素分析法。用来筛选干旱致灾关键因子，从而形成干旱致灾预警指标体系。干旱致灾有很多因素，既涉及干旱成因，也要考虑到旱灾损失情况。预警指标需要满足3个条件：①能够客观定量地反映区域干旱实际状况；②能够对区域水量供需变化进行模拟预测；③能够对旱灾损失进行预估分析。因此，对区域各种致灾因子进行筛选、分类和组合，科学建立干旱致灾预警的指标体系，是构建干旱致灾早期预警方法研究的基础。

第二种，信息融合方法。信息融合已成为现代信息处理的一种通用工具和思维模式。它针对多源数据或信息，并主要集中在融合算法上。其目的是通过对信息的优化组合导出更多的有效信息。这里，主要用于干旱风险预测模型构建。选择该方法的理由是：目前干旱预测主要采用经验法、统计学方法和系统科学方法等，但是不同干旱视角选取的干旱预测指标不同，得出的干旱预测结果也不尽相同。采用信息融合方法主要就是考虑到来自气象、水文、农业等多源数据或信息的融合问题，从而综合性地建立干旱风险预测模型，并得出受灾地区的某一时间段的干旱等级。需要说明的是，信息融合通常划分为数据层融合、特征层融合和决策层融合。这里，由于从不同干旱视角已经做了特征提取，并有相应的干旱等级判定规则，所以主要通过关联处理进行决策层的融合判决，最终获得联合推断结果。在比较各种信息融合方法的基础上，采用模糊逻辑推理法来进行不同干旱视角的信息融合。其逻辑思路，如图1所示。

第三种，深度学习方法。深度学习是机器学习研究中的一个新的领域。深度学习的概念源于人工神经网络的研究，其动机在于建立模拟人脑进行分析学习的神经网络。这里，主要用来构建干旱灾害经济损失预估模型。选择该方法的理由是：目前灾害损失分析很多是结合观测资料，依据统计分析和损益分析等方法建立干旱灾害损失评估模型，但这往往只是适合灾后评估，而不能解决灾前预估。而深度学习方法可以对受灾区域的干旱等级、持续时间、直接经济损失、间接经济损失等历史资料很好地进行学习。可以说，旱灾经济损失模型实际上是建立起了干旱强度（干旱等级×持续时间）与旱灾经济损失（直接经济损失+间接经济损失）之间的关系。需要说明的是，传统的神经网络是一种浅层机器学习，而深度学习是传统神经网络发展下的新一代神经网络。机器学习最常见的就是监督学习和无监督学习。无监督学习主要用于网络模型的预训练，监督学习用于提高网络学习能力。本研究采用半监督学习的方法（它不是简单的无监督学习和监督学习的叠加，而是将两者的网络结构相结合），并采用BP神经网络（目前应用最广泛的神经网络模型之一。它能学习和存储大量的输入—输出模式映射关系，而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程）来构建模型。其深度学习网络模型，如图2所示。

图1 多源信息融合

图2 基于BP神经网络的深度学习模型

第四种，图解法和可视化技术。选择图解法和可视化技术的理由是为了更好地分析和表达干旱强度和旱灾经济损失程度的定性关系。采用图解法建立干旱致灾预警模型，实际上是将干旱风险预测模型预测出来的干旱等级结果，带入旱灾经济损失预估模型（已经学习好的神经网络），得出该干旱等级持续时段的旱灾经济损失预估值；而采用辅助的可视化技术来呈现和展示，可清晰地看到什么时间进入什么干旱等级以及该干旱等级持续时间段的可能经济损失程度，即可凭几何直觉推导出后果。

概括地说，采用的关键技术有：运用信息融合方法建立干旱风险预测模型，运用深度学习方法建立干旱灾害经济损失预估模型，最后用图解法和可视化技术综合形成区域干旱致灾预警方法。

补充说明的是，从气象干旱、水文干旱、农业干旱单视角对干旱风险进行预警已经取得了丰硕的研究成果，为运用信息融合方法开展系统综合的干旱风险预测奠定了良好的基础。另外，尽管关于旱灾经济损失评估的研究不多，但是相关的灾害经济损失评估有许多可借鉴的方法，而且目前深度学习也有许多工具软件可以选用，为开展旱灾经济损失预估方法研究提供了有利条件。

5 结语

归纳起来，本研究主要做了以下工作。

（1）从分析区域干旱成因出发，并考虑可能造成的灾害损失，辨识区域干旱灾害的致灾因子；然后，通过合理筛选、分类和组合干旱灾害的致灾因子，构建干旱致灾预警的指标体系。换句话说，建立干旱致灾预警模型的前提是构建干旱致灾预警指标体系，包括气象、水文、农业干旱等特征指标的梳理、直接与间接经济损失指标的界定等。这部分也是对干旱灾害预警理论体系的完善。

（2）基于信息综合方法和深度学习方法分别形成区域的干旱风险预测方法、干旱灾害经济损失预估方法，并在此基础上构建干旱致灾预警模型，从而形成干旱致灾预警方法。这部分是对干旱致灾预警方法的创新。

简要地说，本研究的创新之处主要包括以下几点。

（1）区别于以往的气象干旱、水文干旱、农业干旱这些单品种干旱视角研究干旱灾害预警指标体系，强调从社会经济干旱视角研究，探讨系统综合的干旱灾害预警指标体系。这是对现有研究的创新性补充。

（2）基于信息融合方法对多源干旱信息进行融合形成干旱风险预测方法，基于深度学习方法对旱灾历史资料进行深度学习形成旱灾经济损失预估方法，这些在现有研究中属于创新性研究内容。

（3）把干旱风险预测、旱灾经济损失预估有机地联系在一起，形成区域干旱致灾预警方法，是本研究的主要创新之处。