何銳利，莫 劍，吳斌暉

湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊(duì)，湖南 長沙 410000

我國國土遼闊，地形復(fù)雜，滑坡等自然災(zāi)害多發(fā)。根據(jù)歷年統(tǒng)計(jì)資料，我國每年平均發(fā)生崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害近3萬起，其中有很多特大型、重大型災(zāi)害，因?yàn)?zāi)死亡或失蹤人數(shù)平均每年近800人，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過40億元。隨著近年來我國對地質(zhì)災(zāi)害危害程度認(rèn)識的提升和防災(zāi)治災(zāi)水平的提高，災(zāi)害的破壞影響得到了顯著的控制。鑒于此，文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建滑坡監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)，整合各類滑坡資料，結(jié)合GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)研究數(shù)理模型，構(gòu)建一套集B/S、C/S、移動(dòng)端App為一體的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

1 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容

滑坡檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為感知采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、接收應(yīng)用層三個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知采集層：現(xiàn)場布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括GPS、全站儀、位移計(jì)、雨量計(jì)、孔隙水壓力計(jì)等，通過數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并記錄，附帶太陽能電池板或者干電池等提供設(shè)備能源。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層：該系統(tǒng)以ZigBzz無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)為核心，通過布設(shè)在滑坡上的傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，利用ZigBzz協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心；采用先進(jìn)的通信設(shè)備確保數(shù)據(jù)在傳送過程中的可靠性、穩(wěn)定性、持續(xù)性、實(shí)時(shí)性、長期性。

接收應(yīng)用層：主要負(fù)責(zé)對感知層獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和分析，其中數(shù)據(jù)中心包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和預(yù)案決策支持庫；應(yīng)用管理是指具體應(yīng)用服務(wù)，包括監(jiān)測管理、應(yīng)急指揮等；分析層面提供專家決策、應(yīng)急救援等功能。

2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

該系統(tǒng)以天地圖作為底圖，結(jié)合接入的省氣象、水文數(shù)據(jù)，依托數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建大數(shù)據(jù)管理中心。監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)、高精度、全天候監(jiān)測、不受氣候影響等特點(diǎn)，系統(tǒng)中可以實(shí)時(shí)查看錄入信息，建立管理數(shù)據(jù)模塊，做到后期結(jié)果有據(jù)可查、有理可依，確保數(shù)據(jù)正確、合理。

2.2 滑坡監(jiān)測及預(yù)測管理

監(jiān)測預(yù)警主要是利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)分析地表地下等土層結(jié)構(gòu)變化情況，當(dāng)受力加大、滑坡物體加速變化時(shí)做出預(yù)警。位移是滑坡變形演化最直觀的反映，因而監(jiān)測位移也是監(jiān)測滑坡時(shí)最容易、最常用的手段。結(jié)合降水預(yù)警模型（I-E）可得到最終的預(yù)警等級。系統(tǒng)還通過接入氣象、水文數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)查看天氣信息服務(wù)，根據(jù)雨量站點(diǎn)日報(bào)、衛(wèi)星雷達(dá)反射圖創(chuàng)建降水等值面分析，結(jié)合數(shù)理模型對可能發(fā)生災(zāi)害的地區(qū)提前做出預(yù)警。

2.3 預(yù)警預(yù)報(bào)管理

建立預(yù)警預(yù)報(bào)管理體系，從而對專業(yè)監(jiān)測預(yù)警信息、降水監(jiān)測預(yù)警信息進(jìn)行管理，生成災(zāi)情速報(bào)表，可視化設(shè)置數(shù)理模型參數(shù)，同時(shí)結(jié)合GIS技術(shù)（空間分析）、趨勢分析，科學(xué)、合理、準(zhǔn)確地做出預(yù)警提示，并將各類預(yù)警信息通過短信等方式發(fā)送至監(jiān)測人員，以便做好人員、財(cái)產(chǎn)的撤離、搬遷。監(jiān)測人員也可將現(xiàn)場情況通過短信等方式反饋給控制中心，由此，建立災(zāi)情速報(bào)機(jī)制，快速上報(bào)上級災(zāi)情。

2.4 應(yīng)急指揮

對于災(zāi)后應(yīng)急救援指揮，系統(tǒng)提供決策支持。通過航拍、無人機(jī)拍攝創(chuàng)建三維模型，分析（淹沒分析、土方計(jì)算）受災(zāi)地區(qū)災(zāi)情，快速查詢附近救援可調(diào)度資源，規(guī)劃出最佳救援路線，生成應(yīng)急指揮和救援報(bào)告。

2.5 運(yùn)行維護(hù)

站點(diǎn)在建設(shè)完成后，每日定時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給控制中心，系統(tǒng)也會(huì)在每天17：00（或其他時(shí)間）自動(dòng)發(fā)送當(dāng)前的監(jiān)測結(jié)果簡報(bào)，描述當(dāng)前監(jiān)測情況。若站點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)異?；蛘弑O(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，發(fā)生丟包、傳送中斷等情況，監(jiān)測站將會(huì)及時(shí)發(fā)出故障預(yù)警信息，便于工作人員掌握了解監(jiān)測點(diǎn)情況，及時(shí)對監(jiān)測站進(jìn)行檢修維護(hù)。

2.6 移動(dòng)端App

移動(dòng)端App在人機(jī)交互方面更加便捷，能夠快速提供相關(guān)人員想要的信息，查詢站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用圖表結(jié)合的方式展示。同時(shí)，可接收預(yù)警信息，發(fā)送監(jiān)測結(jié)果，等等。

3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按照工作內(nèi)容及技術(shù)流程，該系統(tǒng)模塊主要包括地質(zhì)災(zāi)害管理、雨情監(jiān)測管理、專業(yè)監(jiān)測管理、預(yù)警預(yù)報(bào)管理、應(yīng)急指揮管理、系統(tǒng)管理、移動(dòng)端App。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

3.1 地質(zhì)災(zāi)害管理

地質(zhì)災(zāi)害管理實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害點(diǎn)、監(jiān)測人、責(zé)任人、防災(zāi)明白卡、調(diào)查信息等信息的管理，便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、檢索與分析。系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)類型與特征，分別采用不同的方式進(jìn)行可視化處理，如用表格、曲線及圖示等方式表達(dá)數(shù)據(jù)，能夠快速導(dǎo)入詳查數(shù)據(jù)，災(zāi)害點(diǎn)通過坐標(biāo)能快速成圖，可視化表達(dá)災(zāi)害隱患點(diǎn)，并能在地圖上進(jìn)行查詢、定位和顯示。

3.2 雨情監(jiān)測管理

通過共享接入省氣象、水文數(shù)據(jù)，可快速查看全省的紅外云圖、實(shí)時(shí)降水，以及雷達(dá)和天氣預(yù)報(bào)信息，并生成降水等值線圖，根據(jù)監(jiān)測到的滑坡當(dāng)日降水量及前15d的連續(xù)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用降水強(qiáng)度-前期有效降水?dāng)M合方法（I-E），通過擬合數(shù)據(jù)得到預(yù)警線，當(dāng)降水量超過警戒線時(shí)，滑坡可能發(fā)生，生成滑坡預(yù)警圖。

3.3 專業(yè)監(jiān)測管理

通過安裝GPS位移站、深部位移計(jì)、裂縫計(jì)、地下水位計(jì)、土壓應(yīng)力計(jì)、雨量計(jì)等具有靈敏度的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備，可獲取災(zāi)害體變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，創(chuàng)建監(jiān)測曲線，從而分析其災(zāi)害點(diǎn)位移的穩(wěn)定性和變化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，滑坡體變形破壞是階段性的，滑坡變形位移曲線分三個(gè)階段，即初始變形階段、穩(wěn)定變形階段、加速變形階段。一旦滑坡隱患進(jìn)入加速變形階段，下滑的可能性就增大，應(yīng)予以高度重視，當(dāng)超過設(shè)定閾值會(huì)發(fā)出預(yù)警提示。

3.4 預(yù)警預(yù)報(bào)管理

滑坡預(yù)警分析是滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的主要功能，通過該模塊可查看與分析滑坡實(shí)時(shí)預(yù)警過程、各個(gè)預(yù)警指標(biāo)的變化趨勢（如獲取到的雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)、專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)）、滑坡時(shí)間預(yù)警，通過設(shè)置對應(yīng)級別的預(yù)警閾值，進(jìn)行預(yù)警模型分析，生成預(yù)警分布圖。預(yù)警信息的發(fā)布與解除也是預(yù)警系統(tǒng)的主要組成部分。

3.5 應(yīng)急指揮管理

當(dāng)災(zāi)害發(fā)生以后，如何快速地開展實(shí)施救援也是滑坡監(jiān)測中的一部分。系統(tǒng)能快速調(diào)出應(yīng)急處理預(yù)案，通過無人機(jī)拍攝的傾斜攝影三維模型，融合各類圖層進(jìn)行疊加，并根據(jù)地形坡度、土方計(jì)算、淹沒模型等分析受災(zāi)情況，可視化進(jìn)行地圖標(biāo)繪，查詢周邊可調(diào)配救援資源，快速生成應(yīng)急指揮救援圖及救援報(bào)告。

3.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要包括日志管理、用戶管理、權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作日志的記錄；用戶權(quán)限的管理能實(shí)現(xiàn)專人專職，責(zé)權(quán)明確。

3.7 移動(dòng)端App

移動(dòng)端涵蓋Web端的主要功能，并且結(jié)合GPS定位可在App中實(shí)現(xiàn)定位、畫點(diǎn)、畫線、測距等功能，方便監(jiān)測人員現(xiàn)場巡查。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的混合架構(gòu)的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)為分析決策提供了較好的解決方案，為監(jiān)測預(yù)警、地質(zhì)救災(zāi)提供了方便。物聯(lián)網(wǎng)滑坡監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速地感知滑坡前兆信息，為人員、財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移爭取寶貴的時(shí)間。此外，由于物聯(lián)網(wǎng)具有實(shí)時(shí)性傳送、大范圍布設(shè)、全天候監(jiān)測、自動(dòng)化監(jiān)測等特點(diǎn)，能收集大量數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步開展滑坡監(jiān)測與研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。