馮童 綦亮 盛有錫 劉翥 梁琴琴 楊法東 李敏

摘要：以某地區(qū)建立的地質災害風險預警預報系統(tǒng)為例介紹了物聯網與地理信息系統(tǒng)技術在地質災害中的應用。系統(tǒng)根據該地區(qū)歷史地災發(fā)生時間、地點、降雨觀測分析資料等歷史數據，結合該地區(qū)地災易發(fā)程度分區(qū)制定了地災發(fā)生的閾值，利用實時監(jiān)測的降雨量與位移數值對比閾值進行統(tǒng)計分析，超閾值及時發(fā)布預警信息，提高了相關部門地質災害防治工作的行政效率。

關鍵詞：物聯網；地理信息系統(tǒng)；地質災害；預警等級

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）26-0198-04

Abstract： The application of Internet of things and geographic information system technology in geological hazards is described with the example of a geological hazard risk warning and forecasting system established in a certain area. Based on the time， location， and rainfall observation and analysis data of historical hazards in this region， the system developed a threshold for the occurrence of hazard in combination with the map of geological hazard susceptibility degree division， and used real-time monitoring values of rainfall and displacement to compare、count 、analyze，and then release warning information timely. The application improves the administrative efficiency of the relevant departments in the prevention and control of geological disasters.

Key words： Internet of Things； Geographic Information System（GIS）； geological hazards； warning Level

1 概述

地質災害（以下簡稱地災）是在地球內動力、外動力或人為地質動力作用下，地球發(fā)生異常能量釋放、物質運動、巖土體變形位移以及環(huán)境異常變化等的現象或過程，嚴重危害著人類生命財產、生活與經濟活動，破壞人類賴以生存與發(fā)展的資源、環(huán)境。地質災害預警預報對減少地質災害帶來的損失十分重要，越來越受到政府部門和社會各界的重視。

由于本研究區(qū)地質主要類型為崩塌、滑坡和泥石流，其致災因子主要是降水，因此本研究采用物聯網監(jiān)測手段，通過對地災點現場調查、測繪和勘察，選擇地災監(jiān)測設備安裝點位，傳感器動態(tài)采集研究區(qū)內地災隱患點位移、降雨量的實時變化情況，通過無線網卡上傳到數據庫；同時，建立短時（臨近）氣象預報預警模型與B/S架構軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測數據，及時發(fā)布預警信息，適時應急指揮，實現地質災害風險的預警預報。

2 理論基礎

2.1 氣象預報預警

研究區(qū)為山東省內縣級行政區(qū)級別范圍，具有降雨型地質災害即雨即發(fā)的特征，因此，開展短時（臨近）氣象地質災害預警[1]，在此應用中可行有效，不僅可提高預警精度，也是降雨型地災防治工作的進一步深化。

地災風險預警預報的對象為區(qū)域性群發(fā)型或單發(fā)型的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害。

地災風險預警預報工作期設定為24小時全天候，主要為每年的汛期，具體日期為每年的6月1日-9月30日；氣象預警預報時段為2～24小時。

地災預警等級分為四級，由弱到強一次分為四級、三級、二級、一級，分別表示氣象因素致地質災害發(fā)生有一定風險、風險較高、高和很高，其中三級、二級、一級分別對應國土資源部門的地質災害黃色、橙色和紅色預警（圖1）[2]。

相對應地災預警工作措施表如表1。

2.2 自動化監(jiān)測硬件設備

自動化監(jiān)測設備分雨量監(jiān)測站與位移監(jiān)測站兩種，雨量監(jiān)測站均勻分布在研究區(qū)范圍內，每隔1h采集實時降雨量數據；位移監(jiān)測站主要分布在地災隱患點處，同時滿足現場供電條件，每隔1h測量位移偏移數據。

2.3 預警閾值設定

位移計閾值設定在2cm以上自動報警，若超出這個范圍自動短信通知，通知相關負責人實地考察，確定位移計移動原因，區(qū)分人為或者大型車輛經過或者真正由于地災原因引起的位移移動。位移計以一個小時為時間間隔進行位移偏移值監(jiān)測，將數值與2cm閾值進行對比，即時發(fā)布預警預報信息。

降水發(fā)生的統(tǒng)計主要集中在24h降水，但突發(fā)強降水也是引發(fā)地質災害的主要因子，因此，本應用設計了一個基于24h降水閾值判斷法、逐小時滾動更新的地災風險等級預警防范：利用研究區(qū)歷史地質災害樣本數據與災害易發(fā)區(qū)分布圖（2013-2025年），統(tǒng)計得出地災發(fā)生24h雨量閾值（災害易發(fā)程度和雨量等級結合的預警組合閾值），支撐軟件系統(tǒng)預警預報工作[3-4]。

3 總體架構

基于物聯網的地理信息系統(tǒng)方面的應用，從信息生成、傳輸、采集、處理和應用將物聯網分為四層：基礎層、數據層、邏輯服務層和應用層。

3.1 基礎層

基礎層是指系統(tǒng)建設的地災監(jiān)測點以及系統(tǒng)運行所需的軟硬件、網絡以及通信環(huán)境，如雨量與位移監(jiān)測站、短信貓、GPRS無線通訊等。

3.2 數據層

數據層，為整個系統(tǒng)提供地理信息空間數據、監(jiān)測數據、業(yè)務數據等數據服務。集成空間數據、管理數據、業(yè)務數據、資料圖件和監(jiān)測數據，依托數據庫管理和GIS技術，按照統(tǒng)一的標準，按照集中與分布建設模式，建立系統(tǒng)數據庫，構建地質災害風險預警預報系統(tǒng)綜合數據庫的組織、管理、維護和更新體系。

3.3 邏輯服務層

邏輯服務層是系統(tǒng)架構中體現核心價值的部分，是對整個系統(tǒng)業(yè)務功能進行后臺實現的過程，在整個系統(tǒng)架構中起著承上啟下的連接作用。

3.4 應用層

應用層位于最外層，是離用戶最近的表現層。為用戶提供系統(tǒng)的應用接口，以及對系統(tǒng)邏輯服務層進行輸出展示的平臺。

4 主要技術

4.1 地理信息系統(tǒng)技術

地理信息系統(tǒng)技術，作為一門空間信息分析技術與基于計算機的技術，目前在軟件領域內應用愈發(fā)廣泛。GIS是以地理空間數據庫為基礎，在資源與環(huán)境應用領域中，發(fā)揮著技術先導的作用。不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，對資源環(huán)境管理，便于制定決策、進行科學和政策的標準評價，而且可以有效地對多時期的資源環(huán)境狀況及生產活動變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數據收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經濟效益，為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術支持。

4.2 B/S運行模式

軟件系統(tǒng)B/S運行模式是瀏覽器/服務器模式（Browser/Server），是目前普遍使用的一種網絡化應用系統(tǒng)結構。B/S模式定義了客戶機如何與服務器相連以實現數據和應用的共享，并利用臺式機的處理能力將數據和應用分布到多個處理機上，克服了原來只有主機執(zhí)行操作、計算和存儲數據的集中管理方式帶來的弊端，使得客戶機能夠承擔一部分計算和操作功能，大大減輕了服務器的運行負荷。同時，B/S結構的優(yōu)點在于客戶端無須安裝軟件，只要有瀏覽器即可和服務器端數據相連，實現共享，從而能很好的提高系統(tǒng)的性能。

4.3 面向服務的軟件架構（SOA）的應用

系統(tǒng)軟件架構采用面向服務的軟件架構，系統(tǒng)設計與開發(fā)過程中盡可能將系統(tǒng)提供對外服務的應用程序功能封裝和發(fā)布為Web服務（Web Service），通過服務注冊和服務目錄，向服務消費者（各種組件或部門的應用系統(tǒng)）提供Web服務，使系統(tǒng)的功能可以采用松耦合的方式實現集成，并使平臺提供功能服務具有可擴展性。

4.4 關鍵技術

系統(tǒng)開發(fā)采用關鍵技術有：基于GIS的二次開發(fā)技術、Webservice、Java、jQuery、Ajax等技術。

5 地質災害風險預警預報系統(tǒng)的實現

5.1 地圖定位功能的實現

地圖定位模塊提供了地災隱患點、地災監(jiān)測點、易發(fā)區(qū)分布的定位查詢，用戶通過鼠標點擊查看相關屬性信息，如圖5所示。

5.2 在線監(jiān)測功能的實現

位移和雨量傳感器等設備監(jiān)測的地質災害點的數據通過GPRS無線傳輸模塊，傳輸到服務器分析系統(tǒng)中。系統(tǒng)對接收的數據進行分析，生成統(tǒng)計圖表或報表，并且支持導出報表功能。

5.3 預警設置（閾值與預警信息接收人聯系方式設置）

系統(tǒng)在閾值設置時做了面向用戶的實際應用的個性化開發(fā)，把閾值的設定為可編輯狀態(tài)。隨著歷史地質災害樣本數據的逐年積累，閾值的計算數值趨于準確化，平臺中具有管理員權限的人員即可根據實際計算結果進行編輯。

5.4 地災預警信息統(tǒng)計分析與落圖

按照不同的統(tǒng)計類型，如預警類型、預警地址、預警數據等統(tǒng)計已發(fā)生的地災預警信息，生成報表或圖表。同時，系統(tǒng)每產生一條地災預警信息，自動生成預警預報信息。

5.5 預警處置（針對各級預警自動生成相應處置方案）

制定區(qū)域地質災害處置方案，一級、二級、三級預警分別對應處置方案信息，方案可供填寫地災發(fā)生詳細信息：預警起始與結束時間、預警地區(qū)，同時，自動導出生成處置方案（HTML、Word、PDF三種格式），用于國土部門對外發(fā)布預警信息使用，有效提高工作效率簡化工作流程。

5.6 信息群發(fā)

一旦地質災害預警消息被平臺監(jiān)測到（雨量或者位移監(jiān)測數值超過閾值后），此功能模塊可實現，相關部門給下級部門以及地災發(fā)生區(qū)域人員及時發(fā)送相關地災防治的信息和應急救援工作開展的信息（短信形式，內容可編輯），提高政府部門執(zhí)行效率。

6 結束語

本研究以某區(qū)正在使用的地質災害預警預報系統(tǒng)為例，通過歷史地質災害與降水監(jiān)測的統(tǒng)計制定了24h地質災害發(fā)生的閾值，同時，結合地質災害點位移監(jiān)測值與閾值的對比，闡述了地理信息系統(tǒng)與物聯網技術在地質災害短時臨近預警預報方面的實際應用。目前，平臺運行穩(wěn)定，在一定程度上提高政府部門在地質災害防治工作的效率，具有一定的現實意義。隨著物聯網技術的發(fā)展，地質災害的監(jiān)測技術也會逐步提高，相關研究也會更加趨于成熟。由于地質災害發(fā)生綜合因素較多，存在一定的不確定性，僅能通過多種監(jiān)測方式結合的手段進行地災防治工作。

參考文獻：

[1] 劉傳正， 劉艷輝. 地質災害區(qū)域預警原理與顯式預警系統(tǒng)設計研究[J]. 水文地質工程地質， 2007， 34（6）：109-115.

[2] 劉云香，何如意，張東，等.廣東省地質災害短時臨近氣象風險預警業(yè)務的技術[J].廣東氣象，2015，37（ 5）：68-71.

[3] 山東省地質環(huán)境監(jiān)測總站.2016年度濟南市地質災害風險預警預報工作報告[R]. 2016.

[4] 魏平新， 楊森林. 廣東省短時氣象地質災害預警的實現及意義[J]. 地質災害與環(huán)境保護， 2011.

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