物聯網滑坡監測系統設計與實現

何銳利，莫 劍，吳斌暉

湖南省地質礦產勘查開發局402隊，湖南 長沙 410000

我國國土遼闊，地形復雜，滑坡等自然災害多發。根據歷年統計資料，我國每年平均發生崩塌、滑坡和泥石流等地質災害近3萬起，其中有很多特大型、重大型災害，因災死亡或失蹤人數平均每年近800人，造成的直接經濟損失超過40億元。隨著近年來我國對地質災害危害程度認識的提升和防災治災水平的提高，災害的破壞影響得到了顯著的控制。鑒于此，文章基于物聯網技術構建滑坡監測預警平臺，整合各類滑坡資料，結合GIS技術、大數據技術、云計算技術研究數理模型，構建一套集B/S、C/S、移動端App為一體的滑坡監測預警系統。

1 滑坡監測系統的主要工作內容

滑坡檢測系統總體結構分為感知采集層、網絡傳輸層、接收應用層三個部分，如圖1所示。

圖1 基于物聯網的滑坡監測系統架構圖

感知采集層：現場布設物聯網設備，包括GPS、全站儀、位移計、雨量計、孔隙水壓力計等，通過數據采集儀自動采集數據并記錄，附帶太陽能電池板或者干電池等提供設備能源。

網絡傳輸層：該系統以ZigBzz無線傳感網絡、無線通信技術為核心，通過布設在滑坡上的傳感器節點采集數據，利用ZigBzz協議和互聯網將設備數據傳輸到監測中心；采用先進的通信設備確保數據在傳送過程中的可靠性、穩定性、持續性、實時性、長期性。

接收應用層：主要負責對感知層獲取的監測數據進行存儲、管理和分析，其中數據中心包括基礎地理數據庫、監測數據庫和預案決策支持庫；應用管理是指具體應用服務，包括監測管理、應急指揮等；分析層面提供專家決策、應急救援等功能。

2 業務流程設計

2.1 數據基礎

該系統以天地圖作為底圖，結合接入的省氣象、水文數據，依托數據庫技術構建大數據管理中心。監測的數據具有實時、高精度、全天候監測、不受氣候影響等特點，系統中可以實時查看錄入信息，建立管理數據模塊，做到后期結果有據可查、有理可依，確保數據正確、合理。

2.2 滑坡監測及預測管理

監測預警主要是利用物聯網設備采集到的數據分析地表地下等土層結構變化情況，當受力加大、滑坡物體加速變化時做出預警。位移是滑坡變形演化最直觀的反映，因而監測位移也是監測滑坡時最容易、最常用的手段。結合降水預警模型（I-E）可得到最終的預警等級。系統還通過接入氣象、水文數據，提供實時查看天氣信息服務，根據雨量站點日報、衛星雷達反射圖創建降水等值面分析，結合數理模型對可能發生災害的地區提前做出預警。

2.3 預警預報管理

建立預警預報管理體系，從而對專業監測預警信息、降水監測預警信息進行管理，生成災情速報表，可視化設置數理模型參數，同時結合GIS技術（空間分析）、趨勢分析，科學、合理、準確地做出預警提示，并將各類預警信息通過短信等方式發送至監測人員，以便做好人員、財產的撤離、搬遷。監測人員也可將現場情況通過短信等方式反饋給控制中心，由此，建立災情速報機制，快速上報上級災情。

2.4 應急指揮

對于災后應急救援指揮，系統提供決策支持。通過航拍、無人機拍攝創建三維模型，分析（淹沒分析、土方計算）受災地區災情，快速查詢附近救援可調度資源，規劃出最佳救援路線，生成應急指揮和救援報告。

2.5 運行維護

站點在建設完成后，每日定時將監測數據傳遞給控制中心，系統也會在每天17：00（或其他時間）自動發送當前的監測結果簡報，描述當前監測情況。若站點監測設備出現異常或者監測數據出現異常，發生丟包、傳送中斷等情況，監測站將會及時發出故障預警信息，便于工作人員掌握了解監測點情況，及時對監測站進行檢修維護。

2.6 移動端App

移動端App在人機交互方面更加便捷，能夠快速提供相關人員想要的信息，查詢站點數據，采用圖表結合的方式展示。同時，可接收預警信息，發送監測結果，等等。

3 功能設計與實現

按照工作內容及技術流程，該系統模塊主要包括地質災害管理、雨情監測管理、專業監測管理、預警預報管理、應急指揮管理、系統管理、移動端App。系統設計流程如圖2所示。

圖2 設計流程圖

3.1 地質災害管理

地質災害管理實現對災害點、監測人、責任人、防災明白卡、調查信息等信息的管理，便于對數據進行統計、檢索與分析。系統結合數據類型與特征，分別采用不同的方式進行可視化處理，如用表格、曲線及圖示等方式表達數據，能夠快速導入詳查數據，災害點通過坐標能快速成圖，可視化表達災害隱患點，并能在地圖上進行查詢、定位和顯示。

3.2 雨情監測管理

通過共享接入省氣象、水文數據，可快速查看全省的紅外云圖、實時降水，以及雷達和天氣預報信息，并生成降水等值線圖，根據監測到的滑坡當日降水量及前15d的連續降水數據進行相關性分析，采用降水強度-前期有效降水擬合方法（I-E），通過擬合數據得到預警線，當降水量超過警戒線時，滑坡可能發生，生成滑坡預警圖。

3.3 專業監測管理

通過安裝GPS位移站、深部位移計、裂縫計、地下水位計、土壓應力計、雨量計等具有靈敏度的地質災害監測設備，可獲取災害體變形的監測數據，創建監測曲線，從而分析其災害點位移的穩定性和變化趨勢。研究發現，滑坡體變形破壞是階段性的，滑坡變形位移曲線分三個階段，即初始變形階段、穩定變形階段、加速變形階段。一旦滑坡隱患進入加速變形階段，下滑的可能性就增大，應予以高度重視，當超過設定閾值會發出預警提示。

3.4 預警預報管理

滑坡預警分析是滑坡實時監測預警系統中的主要功能，通過該模塊可查看與分析滑坡實時預警過程、各個預警指標的變化趨勢（如獲取到的雨情監測數據、專業監測數據）、滑坡時間預警，通過設置對應級別的預警閾值，進行預警模型分析，生成預警分布圖。預警信息的發布與解除也是預警系統的主要組成部分。

3.5 應急指揮管理

當災害發生以后，如何快速地開展實施救援也是滑坡監測中的一部分。系統能快速調出應急處理預案，通過無人機拍攝的傾斜攝影三維模型，融合各類圖層進行疊加，并根據地形坡度、土方計算、淹沒模型等分析受災情況，可視化進行地圖標繪，查詢周邊可調配救援資源，快速生成應急指揮救援圖及救援報告。

3.6 系統管理

系統管理主要包括日志管理、用戶管理、權限管理，實現系統操作日志的記錄；用戶權限的管理能實現專人專職，責權明確。

3.7 移動端App

移動端涵蓋Web端的主要功能，并且結合GPS定位可在App中實現定位、畫點、畫線、測距等功能，方便監測人員現場巡查。

4 結束語

基于物聯網技術建立的混合架構的滑坡監測預警系統為分析決策提供了較好的解決方案，為監測預警、地質救災提供了方便。物聯網滑坡監測系統能夠快速地感知滑坡前兆信息，為人員、財產轉移爭取寶貴的時間。此外，由于物聯網具有實時性傳送、大范圍布設、全天候監測、自動化監測等特點，能收集大量數據，為進一步開展滑坡監測與研究提供數據基礎。