王毅鵬,張永志,趙超英,李宇磊,張騰飛
(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)
隨著衛(wèi)星空間技術(shù)、電子信息及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,各種與空間信息密切相關(guān)的信息資源需要即時(shí)被計(jì)算和加工。傳統(tǒng)平臺由于數(shù)據(jù)計(jì)算能力和處理用戶服務(wù)請求的局限性,已逐漸不能滿足用戶和企業(yè)的需求;云計(jì)算平臺通過云計(jì)算技術(shù)來合理分配計(jì)算機(jī)的實(shí)體資源,避免因并發(fā)訪問量的劇增所帶來的平臺崩潰問題,以及低訪問量計(jì)算資源大量浪費(fèi)的問題,同時(shí)可以同步處理大量的地理空間信息,從而為用戶提供高效、快捷、高性能的空間地理信息服務(wù)[1-2]。
云平臺即云計(jì)算平臺,它是一種借助云計(jì)算技術(shù),以數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理為目的的綜合服務(wù)信息平臺,其資源以虛擬化的形式存在,并借助互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供服務(wù)。在實(shí)際的云服務(wù)應(yīng)用中,終端用戶不需要了解云平臺中的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建過程,只需具備基本的IT專業(yè)知識,同時(shí)關(guān)注自己需要什么樣的資源及如何通過網(wǎng)絡(luò)得到相應(yīng)的服務(wù)即可[3]。
IaaS(infrastructure as a service)為用戶提供所有的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的利用,包括處理計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他基本的計(jì)算資源,使用者不管理或控制任何云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施,只控制操作系統(tǒng)、存儲空間、部署的應(yīng)用,并進(jìn)行選擇[2]。
PaaS(platform as a service)為用戶提供開發(fā)語言和工具,將開發(fā)或收購的應(yīng)用程序部署到供應(yīng)商的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施上,客戶不但能控制部署的應(yīng)用程序,也可以控制運(yùn)行應(yīng)用程序的托管環(huán)境和托管環(huán)境的配置。
SaaS(software as a service)為用戶提供建構(gòu)在云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施層上的各類應(yīng)用服務(wù),用戶可以通過各種瀏覽器在各類設(shè)備上訪問并使用這些應(yīng)用服務(wù)。
平臺管理層主要負(fù)責(zé)用戶的身份認(rèn)證、用戶計(jì)費(fèi)、提供軟件應(yīng)用環(huán)境的配置、平臺安全防護(hù)以及開發(fā)平臺接口等工作。如圖1所示。
在平臺的建立過程中,具體以海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、虛擬化技術(shù)、并行編程及云平臺管理技術(shù)最為關(guān)鍵[3-4]。
目前滑坡等地質(zhì)災(zāi)害仍采用傳統(tǒng)的人工檢測模式,這種模式過多依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn),缺乏科學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)方法,而且對復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)難以把握,存在著檢測不出、檢測不準(zhǔn)、分析困難等問題,經(jīng)常耗費(fèi)了大量的時(shí)間和精力卻難以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。災(zāi)害監(jiān)測云平臺是借助于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的一種新型應(yīng)用云平臺,它主要用于各類地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測服務(wù)和災(zāi)害發(fā)生后的救援信息服務(wù)[5]。與傳統(tǒng)平臺和傳統(tǒng)的人工檢測模式相比,災(zāi)害監(jiān)測云平臺的實(shí)時(shí)性、高效性、可靠性顯而易見。本文在設(shè)計(jì)滑坡監(jiān)測云平臺的過程中,結(jié)合滑坡災(zāi)害自身的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了位于平臺服務(wù)層和軟件服務(wù)層之間的數(shù)據(jù)存儲分析層。該層負(fù)責(zé)對不同類型的滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)做模塊化的數(shù)據(jù)庫存儲,然后借助于相應(yīng)軟件和算法對其進(jìn)行處理,最終根據(jù)不同滑坡的設(shè)計(jì)模型,結(jié)合權(quán)重對不同類型數(shù)據(jù)的處理結(jié)果做出綜合分析,最終得出滑坡形變分析的結(jié)果。
滑坡是坡體在自然因素或人為活動影響下無法維持自身的力學(xué)極限平衡狀態(tài)而發(fā)生的一種地質(zhì)現(xiàn)象,其組成因素主要包括滑體、滑坡壁、滑動面、滑動帶、滑坡床、滑坡舌等。滑坡多發(fā)生于地質(zhì)構(gòu)造帶(如地震帶、斷裂帶),暴雨多發(fā)區(qū)或異常的強(qiáng)降雨地區(qū),江、河、湖、海、溝的岸坡地帶,山區(qū)的公路、鐵路、工程建筑物的邊坡地段,以上所有地帶的疊加區(qū)域也是滑坡的密集發(fā)生區(qū)。滑坡發(fā)生的時(shí)間主要與導(dǎo)致滑坡的因素有關(guān),如地震、降水、凍融及人類活動等。影響滑坡的因素主要有5類:地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及地震和暴雨等。對于陜西涇陽地區(qū)的滑坡來說,黃土是構(gòu)成滑坡的主要物質(zhì)基礎(chǔ),黃土土質(zhì)松軟、多孔隙、無層理等特性,極易剝落或受到各種侵蝕,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受降雨及不合理的灌溉方式影響較大。
陜西涇陽地區(qū)的滑坡多發(fā)區(qū)域位于涇陽縣南塬沿涇河右岸的塬邊上,坡面呈不規(guī)則四邊形。滑坡體相對高程為65 m,長100 m,厚30~35 m,體積約2×105m3。此外,區(qū)內(nèi)的黃土滑坡大都具有多期次、高速遠(yuǎn)程的特點(diǎn),危險(xiǎn)性大,嚴(yán)重困擾當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展,如圖2所示。
根據(jù)云計(jì)算技術(shù)的理論及陜西涇陽滑坡的實(shí)際特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了滑坡監(jiān)測云計(jì)算平臺(如圖3所示),云平臺由五層構(gòu)成,分別為IaaS層、平臺服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲分析層、SaaS層及云平臺管理層。從平臺功能上來說,IaaS層為用戶提供基本的硬件服務(wù),它通過虛擬化技術(shù)將硬件資源進(jìn)行劃分,盡可能避免硬件資源的浪費(fèi);平臺服務(wù)層負(fù)責(zé)進(jìn)行硬件資源的分配、平臺任務(wù)負(fù)載和資源的均衡調(diào)度,除此之外它還為應(yīng)用程序的進(jìn)一步開發(fā)、測試、安裝及部署提供了基礎(chǔ);數(shù)據(jù)存儲分析層負(fù)責(zé)對各種傳感器或用戶所上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化存儲,并對這些數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析處理,得出軟件應(yīng)用所需的結(jié)果;SaaS層主要提供各種具體的軟件模塊化服務(wù),如監(jiān)測滑坡的形變變化、在災(zāi)害發(fā)生前提前預(yù)警、面積量測及救援路線的確定等具體的應(yīng)用服務(wù);平臺管理層主要負(fù)責(zé)用戶的身份認(rèn)證、部分用戶資料數(shù)據(jù)的上傳、軟件應(yīng)用環(huán)境的配置及平臺的信息安全等功能。
IaaS層位于云平臺架構(gòu)的最下端,負(fù)責(zé)提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施。硬件基礎(chǔ)設(shè)施是搭建云平臺必備的物質(zhì)條件,這些基礎(chǔ)設(shè)施由平臺提供給用戶租用。另外,IaaS層還是構(gòu)建其他服務(wù)層的基礎(chǔ),軟件服務(wù)層應(yīng)用的部署及平臺服務(wù)層上應(yīng)用程序的開發(fā)都離不開IaaS層的基礎(chǔ)硬件設(shè)施[5-6]。
滑坡災(zāi)害監(jiān)測云平臺服務(wù)層主要利用Hadoop來實(shí)現(xiàn),其中HDFS及MapReduce是Hadoop系統(tǒng)的核心,HDFS為海量數(shù)據(jù)的存儲提供了基礎(chǔ),而MapReduce為海量數(shù)據(jù)的計(jì)算處理提供基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)平臺來說,借助于Hadoop對云計(jì)算資源進(jìn)行管理,可以對眾多的災(zāi)害應(yīng)用進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,維持平臺運(yùn)行時(shí)并發(fā)操作的負(fù)載均衡等。在本層中用戶可以通過平臺的軟件接口獲得相應(yīng)的服務(wù),在用戶經(jīng)過身份認(rèn)證后,借助于平臺管理層中的應(yīng)用程序開發(fā)接口進(jìn)入平臺服務(wù)層進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)工作。
云平臺管理層是實(shí)現(xiàn)云平臺的必備環(huán)節(jié),主要負(fù)責(zé)用戶的身份認(rèn)證、用戶計(jì)費(fèi),提供軟件應(yīng)用環(huán)境的配置、平臺安全防護(hù)及開發(fā)平臺接口等[7-8]。具體的平臺層服務(wù)以瀏覽器為接口,借助于網(wǎng)站的形式呈現(xiàn),用戶通過注冊賬號密碼的形式登錄訪問,數(shù)據(jù)的上傳及其他保密性數(shù)據(jù)的傳輸可以通過網(wǎng)絡(luò)加密、防火墻隔離等手段進(jìn)行防護(hù)。
陜西涇陽滑坡災(zāi)害監(jiān)測云平臺GPS數(shù)據(jù)采集部分主要由監(jiān)測模塊、無線傳輸模塊及服務(wù)器處理模塊3個(gè)部分組成。監(jiān)測模塊由兩個(gè)模塊組成:一個(gè)模塊是太陽能電池板、蓄電池、接收機(jī)和相對應(yīng)的接收天線組成的控制網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),利用該監(jiān)測系統(tǒng)可以接收來自GPS、北斗、GLONASS等衛(wèi)星的位置信息;另一個(gè)模塊是太陽能電池板及帶有精密傳感器的位移計(jì)所組成的地裂縫監(jiān)測系統(tǒng)。這兩套監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天候工作,自動化管理。其次,由于接收機(jī)和位移計(jì)接收到的數(shù)據(jù)信息相比于InSAR圖像、傳統(tǒng)光學(xué)遙感圖像等其他數(shù)據(jù)信息來說,數(shù)據(jù)所占空間較小,可以借助電信、聯(lián)通或移動的無線基站將接收機(jī)接收到的點(diǎn)位信息和地裂縫監(jiān)測的結(jié)果及時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器組中。最后,在服務(wù)器組中,對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化存儲,然后利用相關(guān)GPS解算軟件,對GPS、北斗等衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)解算等操作,從而獲取滑坡控制網(wǎng)上各點(diǎn)的水平垂直變化量、變化速率、測量精度及監(jiān)測點(diǎn)所在地裂縫的位移變化,并將所測量的結(jié)果以圖像形式展示。GPS數(shù)據(jù)采集傳輸與分析具體模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。
InSAR數(shù)據(jù)處理需要多時(shí)段的InSAR圖像進(jìn)行比對才能得出結(jié)果,因數(shù)據(jù)存儲量較大,大多數(shù)用戶不具備自主拍攝的能力,因此在InSAR數(shù)據(jù)的采集傳輸中,由用戶自發(fā)訪問提供InSAR數(shù)據(jù)下載服務(wù)的相關(guān)網(wǎng)站,下載相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)站接口以有線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨疗脚_服務(wù)器。與GPS數(shù)據(jù)的存儲方式類似,InSAR數(shù)據(jù)也要進(jìn)行模塊化存儲,然后利用Gamma或其他解算軟件進(jìn)行InSAR時(shí)序分析、地面監(jiān)測分析等,從而獲取一個(gè)與時(shí)間序列相關(guān)的滑坡面狀位移,并將數(shù)據(jù)結(jié)果以對比圖的形式輸出。InSAR數(shù)據(jù)采集分析處理模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。
如圖6所示,涇陽滑坡災(zāi)害監(jiān)測云平臺的傳統(tǒng)光學(xué)遙感數(shù)據(jù)采集一般通過兩種方式來實(shí)現(xiàn):①用戶利用無人機(jī)、航空飛機(jī)等設(shè)備對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行航拍測量;②從相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載或購買商業(yè)數(shù)據(jù)。與InSAR數(shù)據(jù)類似,傳統(tǒng)光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的傳輸也要由用戶利用計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)站接口上傳至服務(wù)器,然后在服務(wù)器中進(jìn)行模塊化存儲及進(jìn)一步的處理。傳統(tǒng)光學(xué)遙感數(shù)據(jù)借助于ArcGIS軟件進(jìn)行配準(zhǔn)、裁剪、矯正等圖像處理之后,可以實(shí)現(xiàn)滑坡的識別及專題地圖的制作等功能。除此之外,傳統(tǒng)光學(xué)遙感圖像數(shù)據(jù)還可以結(jié)合該地區(qū)的數(shù)字高程模型,建立滑坡的三維模型圖,幫助用戶進(jìn)一步分析滑坡體三維結(jié)構(gòu)的變化情況。
如前文所述,影響滑坡的因素有5種,但在進(jìn)行具體的滑坡監(jiān)測時(shí),應(yīng)根據(jù)不同的滑坡類型采取不同的滑坡監(jiān)測方案,如圖7所示。對于涇陽地區(qū)的滑坡監(jiān)測來說,除了所觀測滑坡本身的形變之外,還應(yīng)對以下的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測。
(1) 氣象數(shù)據(jù):主要包括溫度、降雨量、風(fēng)向等。其中降雨是誘發(fā)滑坡發(fā)生的一個(gè)重要因素,它不但能影響滑坡的自重,還會使土體軟化,抗滑力減少,進(jìn)而加劇滑坡的變形,因此降雨量的實(shí)時(shí)觀測對于滑坡災(zāi)害的檢測來說尤為重要。氣象數(shù)據(jù)一般借助于在滑坡上布設(shè)傳感器來獲取,也可以通過登錄中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥www.data.com.cn)并注冊會員來使用相關(guān)的氣象資料。
(2) 土壤含水量數(shù)據(jù):土壤含水量對于滑坡來說尤為重要,它通過各種水的作用來影響滑坡體自重、土壤的黏聚力及土壤的抗剪強(qiáng)度,當(dāng)滑坡體自重及其變形達(dá)到結(jié)構(gòu)所能承受的極限時(shí),滑坡災(zāi)害也就自然發(fā)生。在滑坡監(jiān)測過程中,主要通過土壤水分測定儀進(jìn)行測量,利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,并在服務(wù)器組中予以存儲。涇陽滑坡多為黃土滑坡,因此其滑動受土壤含水量的影響較大,故在實(shí)際實(shí)施過程中,土壤含水量數(shù)據(jù)是應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)之一。
(3) 水位數(shù)據(jù):分為地下水?dāng)?shù)據(jù)和地面水位數(shù)據(jù)。對于涉水滑坡來說,水位數(shù)據(jù)是滑坡穩(wěn)定性重要影響因素之一。水位數(shù)據(jù)可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境選擇水位計(jì),或利用鋼尺和水準(zhǔn)儀測量。
(4) 坡度數(shù)據(jù):滑坡的坡度與高差越大,滑坡滑動時(shí)所攜帶的能量越大,所帶來的危害也就越大。可利用傾斜儀來觀測滑坡坡度,以便能夠快速獲取滑坡的實(shí)時(shí)坡度數(shù)據(jù)。
(5) 巖石土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù):巖石和土質(zhì)結(jié)構(gòu)也是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素之一,組成滑坡的巖土力學(xué)強(qiáng)度越高、越完整,滑坡災(zāi)害相對發(fā)生的概率就越低。在檢測巖石和土壤結(jié)構(gòu)特性時(shí),可以取樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析,除此之外,還可以在滑坡上布設(shè)一些土壓力計(jì)傳感器,隨時(shí)觀測滑坡土壤結(jié)構(gòu)壓力的變化。
軟件服務(wù)層是利用互聯(lián)網(wǎng)把服務(wù)器端應(yīng)用程序推送至遠(yuǎn)程終端用戶來提供軟件服務(wù)的一種應(yīng)用模式。在本文中,滑坡災(zāi)害監(jiān)測云平臺設(shè)計(jì)了5個(gè)應(yīng)用服務(wù)模塊:滑坡形變實(shí)時(shí)監(jiān)測、氣象信息展示、量測及臨近救援查詢、災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布、災(zāi)情損失預(yù)估服務(wù)。
滑坡形變實(shí)時(shí)監(jiān)測主要是實(shí)現(xiàn)對滑坡情況的實(shí)時(shí)了解,在其發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出對應(yīng)的預(yù)警。除了可以借助各類形變位移數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果以外,在涇陽滑坡的實(shí)際監(jiān)測中,還可以通過安裝有線攝像頭、紅外攝像機(jī),以及無人機(jī)來獲取滑坡的實(shí)時(shí)影像信息。
在涇陽滑坡災(zāi)害的監(jiān)測過程中,可以通過登錄中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取涇陽地區(qū)的降雨量分布、降雨量數(shù)值預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖等信息。當(dāng)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的精度或預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性不能滿足要求時(shí),還可以在滑坡上布設(shè)溫度、雨量傳感器,自動實(shí)時(shí)觀測。
量測是指結(jié)合底圖數(shù)據(jù)提供的地形信息,提供地圖上多種方式的距離、面積、位置測量的信息,為滑坡災(zāi)害救援提供幫助。臨近救援查詢是指在災(zāi)害發(fā)生時(shí),通過地圖查詢,尋找一條最短的、可行的救援路線給救援人員,并通過計(jì)算給出實(shí)時(shí)的救援距離和預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等信息。
災(zāi)害預(yù)警信息的發(fā)布是當(dāng)滑坡的某些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測值接近或超過滑坡預(yù)報(bào)模型中的所設(shè)閾限值時(shí),平臺的報(bào)警系統(tǒng)就會啟動,通知用戶滑坡的實(shí)時(shí)狀況,并采取應(yīng)急預(yù)警模式,通過電視、短信、互聯(lián)網(wǎng)、廣播等方式通知相關(guān)受災(zāi)區(qū)域人員,以減少滑坡對廣大人民群眾的財(cái)產(chǎn)生命安全帶來的危害。
在滑坡災(zāi)害發(fā)生后,對災(zāi)情的精準(zhǔn)估計(jì)對于實(shí)施及時(shí)的救援和救災(zāi)有重要意義。通過對光學(xué)遙感圖像的處理,可以對滑坡滑動前后的地圖影像作對比,進(jìn)行重疊緩沖區(qū)的面積計(jì)算,然后得出滑坡滑動面積與原有其他地物面積的重疊面積,并將其乘以相應(yīng)地物的維護(hù)單價(jià),最終得到一個(gè)災(zāi)情的預(yù)估值。
為了增加云平臺的開放性,使平臺的應(yīng)用服務(wù)能夠在用戶使用中不斷完善,本文在災(zāi)害監(jiān)測云平臺管理層中預(yù)留了一個(gè)開發(fā)接口,用戶可以通過該接口使用外部程序,以增加SaaS層軟件應(yīng)用系統(tǒng)的功能,或通過該接口,在已有軟件服務(wù)源代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā),擴(kuò)展原軟件系統(tǒng)不具備的功能。借助于災(zāi)害云平臺應(yīng)用開發(fā)接口,用戶可以開發(fā)滿足其他應(yīng)用服務(wù)功能的軟件,并利用滑坡災(zāi)害監(jiān)測云平臺的服務(wù)模式、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行環(huán)境等資源獨(dú)立運(yùn)行,使滑坡災(zāi)害監(jiān)測云平臺可以應(yīng)用于地面沉降、泥石流、巖石膨脹或其他類型的自然災(zāi)害監(jiān)測云平臺中。
滑坡災(zāi)害監(jiān)測云計(jì)算平臺所涉及的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都具有極高的安全性和保密性,因此在設(shè)計(jì)過程中,用戶信息及平臺存儲數(shù)據(jù)的安全性必須得到保障。
本文所設(shè)計(jì)的滑坡災(zāi)害監(jiān)測云平臺屬于私有云平臺,它可以通過專有或私有的密鑰進(jìn)行加密。在平臺使用過程中,通過給予不同級別用戶不同的訪問權(quán)限來限制他們的軟件應(yīng)用服務(wù)功能及數(shù)據(jù)信息獲取功能。具體來說,首先平臺可以使用各種平臺組件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)提供驗(yàn)證、授權(quán),提供安全的訪問控制;其次平臺還可借助于獨(dú)立API保證網(wǎng)絡(luò)通信的安全;最后,通過制定云平臺系統(tǒng)的安全管理方式,使用基于角色訪問控制的方法給不同等級的用戶授予不同權(quán)限,從而保證用戶數(shù)據(jù)的安全。
本文分析了云計(jì)算平臺的軟件架構(gòu)及產(chǎn)生滑坡的主要因素,并結(jié)合陜西涇陽地區(qū)滑坡的實(shí)際特點(diǎn),設(shè)計(jì)了滑坡災(zāi)害監(jiān)測云計(jì)算平臺,同時(shí)對平臺的每一層功能模塊和軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。因本文所設(shè)計(jì)的滑坡監(jiān)測云平臺缺乏實(shí)際運(yùn)行結(jié)果檢驗(yàn),故其安全性、使用效率和費(fèi)用等問題都有待更為全面的評估和論證。