基于物聯網和GIS 技術的測量標志監測保護系統設計

劉國鵬

（廈門四維科圖信息科技有限公司，福建 廈門 361000）

測量標志是地球物理勘探、大地測量、水利工程等領域的重要基礎，可以為這些領域的相關研究和工程提供關鍵數據支持，在維護國家測繪基準安全，服務經濟建設、國防建設、生態文明建設等方面發揮著重要作用。然而，由于測量標志通常位于偏遠的地域或者復雜的環境中，因此其監測和保護面臨較大挑戰。2020年11月25 日，自然資源部辦公廳印發了《關于加強測量標志保護工作的通知》，從高度重視測量標志保護工作、認真履行保護責任、實行分類保護制度、完善委托保管機制和提升測量標志管理信息化水平、不斷探索創新工作舉措6 個方面來加強和完善測量標志的保護工作[1-2]。

傳統的測量標志監測和保護方式主要依靠人工巡查和管理，效率低、排查難度大，已無法滿足現代化高效可靠多元化發展的需要。因此，亟需基于現代化技術手段的測量標志監測保護系統來解決相關痛點。本文將物聯網和地理信息系統（Geographic Information System，GIS） 技術結合，將野外各種數據和測量信息以統一的方式管理，實現了數據共享和信息利用，并在數字地圖上實現了空間分析和決策支持，以期能加強測量標志實時監測能力，提升測量標志的管理保護水平、測量數據的準確性和可靠性，從而更好地為勘探事業發展提供強有力的技術保障。

1 硬件傳感器設備安裝

此次測量標志監測保護系統設計主要面向的對象為一等水準、二等水準、B 級GPS、C 級GPS 測量標志點，傳感器主要是傾角傳感器，將傾角傳感器安裝在測量標志上。當傳感器水平角度或垂直角度超過設定的閾值時，傳感器自動報警。

傳感器的外業安裝流程如下。首先，根據測量標志的位置和需要測量的參數，確定傳感器的安裝位置。一般來說，傾角傳感器應安裝在桿塔底部，并保持垂直安裝，以便測量標志的傾角。其次，需要根據測量參數的不同，對傾角傳感器進行現場校準調整，以達到更高的精度。然后，在將傳感器安裝在桿塔底部之前，需要進行安全檢查，確保桿塔及附屬設備穩定可靠，防止在安裝過程中發生意外事故。最后，應選擇合適的數據采集系統和數據處理工具，以收集、處理和分析測量數據。在現場進行數據處理和分析時，還要注意防潮和防塵，保證數據采集系統的穩定運行[3-5]。圖1 為傳感器及其安裝效果。

圖1 傳感器及其安裝效果

在安裝過程中，還需特別注意安全事項，遵守當地規定和安全操作規程，才能確保實驗測量數據的準確性和可靠性。

2 測量標志監測保護系統設計

為了實現通過傳感器實時監測上報測量標志情況，及時發現測量標志異常，實現測量標志信息化、智能化管理，首先需要將滿足監測條件的傾角傳感器安裝到指定的測量標志點上，然后開發測量標志在線監測管護系統，從而實現測量標志智能化管理。

2.1 需求及技術分析

測量標志在線監測預警系統平臺建設內容包括監測傳感器設備的安裝、測量標志在線監測管護系統（也稱為“智慧測量標志系統”） 的建設。采用了智能傳感、實時定位、物聯網和云計算技術對測量標志進行在線監測與維護管理。將專業的傾角傳感器設備與GIS、天地圖平臺等成熟平臺相結合，需實現監測點位、測量標志、人員、裝備資產可視化管理以及實時動態監測和預警等功能。因此本系統的主要實現內容有以下方面：一是監測點位管理，包括在線動態監測、測量標記信息管理等；二是傳感器設備管理，包括設備狀態管理（如分布、正常、異常等）、設備位移管理；三是異常報告，包括保護設備位移警告、異常上報處理；四是其他幾個主要功能[6]。

2.2 系統整體架構設計

系統整體架構設計方案具備明顯的實用性、經濟性、先進性和開放性等特征，遵循統一的標準規范，支持信息與服務高度共享。測量標志在線監測管護系統主要包括硬件和軟件兩個方面，其中硬件方面主要包括傳感器、硬件通信模塊等設備，軟件方面則包括數據采集、數據處理以及實時數據監測和預警等多個層面的設計。系統采用面向服務的體系架構（Service-Oriented Architecture，SOA）。系統整體架構設計采用面向對象方法，系統的體系架構組成基于客戶/服務器（B/S） 結構，使用ArcGIS For JavaScript 技術，使用Axure 模塊設計工具進行模塊設計。使用PowerDesigner 進行數據庫設計，充分利用PowerDesigner 對代碼和數據庫正向轉換、逆向轉換的能力，同時降低了系統設計與文檔同步變更工作量[7]。圖2 為系統整體架構示意圖。

用戶層以下的系統整體架構從上至下分別為：應用層、服務層、數據層、基礎設施層。體系結構層層支持，從而實現系統可靠運行。以下分別予以介紹。

1） 應用層。應用層是測量標志在線監測管護系統的應用表現層，為用戶提供系統終端，用戶通過應用層直接訪問管理測量標志信息和監測信息。

2） 服務層。為方便系統擴展和后期維護，服務層設計了12 種相關服務。

3） 數據層。數據層依托于系統支撐，是數據的存儲層。

4） 基礎設施層。基礎設施層是為應用層、服務層提供各種系統應用和數據訪問的功能組件、中間件，包括服務器資源、Web 服務組件、GIS 服務組件、數據庫組件、應用緩存組件等。

2.3 功能設計

測量標志在線監測管護系統共設計了8 個主要功能模塊，見圖3[8]。以下分別予以介紹。

圖3 系統主要功能模塊示意圖

1） 監測點位圖形可視化。該功能主要依托天地圖平臺，實現對測量標志位置、傳感器位置以及實時監測信息的可視化展示和反饋、信息查詢與顯示、測量標志點位信息發布等功能。

2） 實時動態監測。該功能首先將采集到的數據以實時數據流的形式傳輸到服務器進行分析和處理，并實現在線數據共享與管理等功能；其次采取圖像處理和數字信號處理技術，進行數據過濾、整理和清洗等預處理操作；然后在分析部分，主要采用機器學習和數據挖掘技術，對數據進行分類和統計分析，以實現測量標志的監測和預警；最后當檢測到測量標志的異常情況時，系統將通過預置好的規則和流程進行處理。

3） 測量標志信息管理。該功能可以完成對測量標志的添加、刪除、修改和查找，并且還可以將在管轄區域內的測量標志進行落圖顯示，從而構成一個多層次的測量標志圖層，為測量標志的在線監控提供基本的數據支持。

4） 傳感器設備管理。該功能主要對傳感器的物理狀態（裝置ID、信號強度、健康狀況、離線狀態、電池電量等基本信息） 建立檔案并實時展示，支持對設備的上線狀態進行實時的在線查看，可實現信息預警和歷史數據分析等功能。

5） 保護裝置位移管理。該功能主要實現對監測點傳感器監測報警信息的管理，通過傳感器監測結果對所監測的測量標志保護裝置狀態進行預警，并對預警級別、預警信息以及預警記錄進行管理。此外在對異常狀態進行預警提醒時，預警方式包含顏色標識提醒、系統消息提醒、廣播提醒以及短信提醒等。其中短信提醒主要實現將異常信息以短信形式直接發送至指定管理員和受托管的巡查員的手機，通知巡查員迅速到達實地進行查看。

6） 異常上報管理。該功能主要實現對狀態異常的測量標志巡查結果的上報和管理功能。當系統后臺接收到測量標志變動異常警告信號時，需要安排檢查員親自到現場檢查。檢查員根據檢查的結果，在登錄該系統之后，提交上傳檢查報告，報告的內容應該至少包含測量標志完好、保護裝置完好、傳感器完好等信息，待相關部門進行審閱和進一步處理。

7） 報表管理。該功能根據日常管理需求開發工作報表，例如監測信息歷史明細表等，配合強大的查詢統計以及分析功能，可以為不同部門、不同人員提供各種數據和報表支持。

8） 用戶管理。該功能主要通過用戶管理功能，實現測量標志在線監測預警系統用戶的增刪改查以及用戶使用權限的設置，用戶包括普通管理員用戶以及巡查員用戶。其中，巡查員用戶應與測量標志相關聯，支持直接對巡查員所負責的測量標志進行綁定，巡查員只能看到以及接收到指定測量標志的相關信息，同時支持查看和上傳巡查委托協議。

3 天地圖平臺對接設計

天地圖平臺是新一代地圖服務平臺，具有高精度和高性能的特點，在地圖應用領域擁有廣泛的市場和應用前景。因此，將該系統和天地圖平臺進行對接，可以充分發揮兩者的優勢，為用戶提供更加完善的地理信息服務。該系統與外部平臺的對接方式以Web Service 方式進行。其中在接口標準上，該系統采用SOA 體系架構，通過服務總線技術實現數據交換以及實現各業務子系統之間、外部業務系統之間的信息共享和集成，因此采用的是SOA體系架構標準。

在具體實現方法上，通過分類管理和數據接口開發兩種方式進行。一是將該系統中的所有數據按照一定的分類（如地理位置分類、用途分類、面積分類等），導入天地圖平臺數據庫中，結合天地圖平臺的地圖應用，用戶可以在地圖上選擇不同的分類，進行數據查詢和展示。二是通過數據接口開發，然后再通過Web Service 實現該系統數據與天地圖平臺數據的交換和共享，進而實現兩者之間的實時數據交互、數據維護管理，并在地圖應用中實時展示數據。通過這種方式，可以實現地理信息數據的共享和交互，從而提高地理信息服務的質量和效率。

4 結束語

GIS 與物聯網技術的結合，可以實現測量標志的實時監測和空間管理，為有關部門提供重要基礎數據，幫助測量標志得到保護，進而為野外探測和勘測事業的發展提供堅實的技術支撐。未來，還可以進一步完善系統功能和技術，增強系統的擴展性和實用性，實現對環境因素（包括溫度、濕度、風向、風力、降雨量等） 的智能感知和預測，為測量標志監測提供更精準、準確的數據支持。