賈進科，馬　輝，蔡習文，陳蓓青，申邵洪

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基于物聯(lián)網(wǎng)三維GIS的地質(zhì)災害監(jiān)測管理系統(tǒng)研究

賈進科1，馬輝2，蔡習文1，陳蓓青3，申邵洪3

（1．長江巖土工程總公司，武漢430010；2．水利部水文局，北京100053；3．長江科學院空間信息研究所，武漢430010）

doi：10．11988/ckyyb．20150245

采用物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為核心技術(shù)，從地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析和表達等角度出發(fā)，深入開展了大型水庫地質(zhì)災害監(jiān)測管理系統(tǒng)研究。首先，根據(jù)地質(zhì)災害監(jiān)測參數(shù)，構(gòu)建地質(zhì)災害監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，遠程獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后，在網(wǎng)絡(luò)三維真實地理環(huán)境下，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果網(wǎng)絡(luò)三維表達和交互應用、以及災害模擬分析。選擇丹江口庫區(qū)滑坡監(jiān)測管理開展典型應用，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、有效性和智能性，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠快速、高效、科學支撐地質(zhì)災害監(jiān)測管理，具備良好的應用前景。

物聯(lián)網(wǎng)；地質(zhì)災害監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)；地質(zhì)災害；預警分析

1　研究背景

滑坡、崩塌等類型地質(zhì)災害是大型水庫興建、運行時形成的自然災害，容易導致房屋倒塌、河道堵塞，帶來重大自然災害，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。采用物聯(lián)網(wǎng)、空間信息、模型預警等高新技術(shù)有效開展地質(zhì)災害實時監(jiān)測和預警研究是當前研究熱點。當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正處于飛速發(fā)展和廣泛應用時期，已經(jīng)在水文監(jiān)測、火災監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、危險品運管管理監(jiān)測等多方面得到了廣泛應用［1］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利信息自動監(jiān)測中的廣泛應用，已經(jīng)成為推進水利智能化發(fā)展的一個重要舉措［2］。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）具備優(yōu)越的數(shù)據(jù)管理、表達、分析功能，在自然災害監(jiān)測預警系統(tǒng)中也得到深入應用［3］。網(wǎng)絡(luò)三維GIS是當前該領(lǐng)域中的研究熱點，已經(jīng)能夠與各行業(yè)無縫集成，實現(xiàn)各種專業(yè)屬性數(shù)據(jù)在真實網(wǎng)絡(luò)三維環(huán)境下的表達和交換應用［4-6］。

本文主要綜合應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)值模擬計算技術(shù)，研究大型水庫地質(zhì)災害監(jiān)測管理系統(tǒng)，旨在：地質(zhì)監(jiān)測信息的實時采集、動態(tài)發(fā)布，科學模擬分析地質(zhì)災害演變趨勢，實時發(fā)布地質(zhì)災害預警信息，進一步提高地質(zhì)災害監(jiān)測管理工作的科學性和智能性。

2　系統(tǒng)體系構(gòu)架

本文研究的系統(tǒng)是在空間信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，建立基于WebGIS的地質(zhì)災害監(jiān)測管理系統(tǒng)，在大數(shù)據(jù)量的支持下構(gòu)建類似Google Earth數(shù)字地球模式的真實場景，將各類信息在三維場景中進行可視化管理和分析，并通過互聯(lián)網(wǎng)方式提供遠程應用。

地質(zhì)災害監(jiān)測管理系統(tǒng)分為傳感器網(wǎng)絡(luò)層、互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸層、數(shù)據(jù)存儲管理層、應用支持層和業(yè)務(wù)應用層。

傳感器網(wǎng)絡(luò)層：傳感器層由多類型地質(zhì)災害監(jiān)測站組成，分別對位移、沉降、溫度、水位、雨量等與地質(zhì)災害相關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)測。

互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸層：該層的核心作用是通過GPRS通訊鏈路，將傳感器網(wǎng)絡(luò)層采集的信號按照固定的編碼、頻率，通過GPRS傳輸至監(jiān)測中心。

數(shù)據(jù)存儲管理層：該層是采用Oracle對監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)等多類型海量數(shù)據(jù)實現(xiàn)無縫集成和綜合應用。

應用支持層：三維地理信息系統(tǒng)可視化軟件skyline、災害分析模型、Oracle數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)編程語言（C#．net）等軟件環(huán)境。

業(yè)務(wù)應用層：業(yè)務(wù)應用層主要提供面向最終用戶使用的各類服務(wù)，包括三維GIS子系統(tǒng)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，預警與應急響應子系統(tǒng)。

3　系統(tǒng)應用功能與實現(xiàn)

3．1地質(zhì)災害監(jiān)測管理信息網(wǎng)絡(luò)三維表達

地質(zhì)災害監(jiān)測管理信息服務(wù)功能是在網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以數(shù)字地球的三維場景展示方式，集成了丹江口地區(qū)影像和地形，并疊加各類矢量數(shù)據(jù)，以及地質(zhì)災害實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、傳感器相關(guān)信息等屬性數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)將研究范圍內(nèi)的31個滑坡和庫岸監(jiān)測點整個區(qū)域的高精度影像、地形和激光點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，客戶端可通過瀏覽器進行瀏覽、查詢和分析。整個場景的數(shù)據(jù)以樹狀圖方式組織，包括基本圖層控制、監(jiān)測點控制和興趣點（POI）控制。其中POI控制為31個監(jiān)測地點，可以通過點擊直接在三維場景中跳轉(zhuǎn)到各個監(jiān)測地點位置；監(jiān)測點圖層同樣為31個監(jiān)測地點，以樹狀圖方式分別顯示了觀測點、圖元、剖面、控制點、現(xiàn)場站、傳感器等各類信息，如圖1所示。

圖1　三維場景瀏覽與目標標識Fig．1　Three-dimensional scene browsing and target identification

3．2地質(zhì)災害實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集管理

3．2．1監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集

根據(jù)滑坡和崩塌體監(jiān)測特點，以地表變形監(jiān)測和深部位移監(jiān)測為主，輔以地下水監(jiān)測和氣象監(jiān)測等，監(jiān)測參數(shù)信息如表1所示。

3．2．2監(jiān)測數(shù)據(jù)應用

傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測站點現(xiàn)場獲取位移、溫度、水位、雨量等地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心，監(jiān)測中心部署監(jiān)測數(shù)據(jù)接收軟件，將數(shù)據(jù)寫入Oracle數(shù)據(jù)庫，同時，開發(fā)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)應用軟件，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計和交互應用服務(wù)。

軟件采用傳感器參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)一體化管理的模式，并通過圖表的形式，對傳感器和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)可視化表達，分為傳感器參數(shù)列表區(qū)和監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析圖標區(qū)。整個操作界面如圖2所示，主要分為傳感器列表區(qū)和監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析圖表區(qū)。

表1　地質(zhì)災害監(jiān)測參數(shù)信息Table 1　Monitoring parameters of geological hazard

圖2　監(jiān)測數(shù)據(jù)應用Fig．2　Application of monitoring data

3．2．3地質(zhì)災害預警分析

地質(zhì)災害預警分析以地理信息系統(tǒng)為分析平臺，集成遠程實時傳輸?shù)牡刭|(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)災害預警分析模型，將地質(zhì)災害預警模型與GIS平臺相結(jié)合，實時接收氣象、水文等數(shù)據(jù)，以行政村作為最小預警點，實現(xiàn)地質(zhì)災害的實時快速預警。

在地質(zhì)災害預警分析軟件功能方面，主要是分為服務(wù)器和客戶端2大部分。服務(wù)器端主要是實時獲取地質(zhì)災害遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)，開發(fā)地質(zhì)災害預警分析模型，將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入至預警分析模型，開展模擬分析計算，獲得預警分析結(jié)果。預警分析模型研究重點對滑坡變形預測模型進行了深入研究和有效集成，分別對非線性動力學模型、勻速加速變化型灰色模型和多因素灰色預測模型的有效性、實用性，以及模型的優(yōu)缺點進行了分析和討論。

客戶端通過瀏覽器實現(xiàn)對實時監(jiān)測預警和區(qū)域預警的參數(shù)設(shè)置、結(jié)果查詢以及提供手動發(fā)送信息的功能，功能操作如圖3所示。具體而言，主要實現(xiàn)了監(jiān)測點預警狀態(tài)的設(shè)置和查詢、預警模型管理、預測預報和區(qū)域預警計算功能。

在區(qū)域預警功能中，首先要對丹江口地區(qū)進行區(qū)域地質(zhì)災害危險度劃分。本項目共劃分了4級危險區(qū)，綜合考慮了地形、植被、土壤、人口和地質(zhì)條件等因素。降雨值通過傳感器傳入數(shù)據(jù)庫，根據(jù)計算獲得有效降雨值，將有效降雨值數(shù)據(jù)與地災危險性區(qū)劃進行疊加分析，形成最終的區(qū)域預警值，以柵格數(shù)據(jù)的方式進行渲染和展現(xiàn)。

圖3　監(jiān)測點預警功能操作Fig．3　Prewarning information of monitoring points

4結(jié)語

本文重點采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)三維地理信息技術(shù)，結(jié)合大型水庫地質(zhì)災害監(jiān)測管理的實際需要，建立了地質(zhì)災害監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)模擬分析和地質(zhì)災害監(jiān)測管理一體化的信息系統(tǒng)。主要取得了以下成果：

（1）構(gòu)建地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)，實現(xiàn)了各類型地質(zhì)災害監(jiān)測信息的遠程、實時、精準采集和傳輸。根據(jù)大型水庫地質(zhì)災害監(jiān)測的實際需要，建設(shè)位移、溫度、水位、雨量等多類型監(jiān)測站，形成監(jiān)測層傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)地質(zhì)災害監(jiān)測信息的遠程智能化、自動化、實時采集；利用互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理、服務(wù)系統(tǒng)，充分發(fā)揮監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享優(yōu)勢，建立多用戶監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交互應用機制。

（2）構(gòu)建了基于3D WebGIS的地質(zhì)災害監(jiān)測管理信息系統(tǒng)。采用先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)和基于多用戶并發(fā)的WEB異步服務(wù)技術(shù)，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬分析、監(jiān)測管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)三維表達和交換應用，智能、科學、高效支撐地質(zhì)災害監(jiān)測管理工作。

（3）選擇丹江口庫區(qū)地質(zhì)災害監(jiān)測管理為實際應用，驗證系統(tǒng)的有效性和科學輔助決策作用。根據(jù)地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水利專題數(shù)據(jù)，集成地質(zhì)災害預警分析模型，實現(xiàn)了地質(zhì)災害預警分析和預測預警，為地質(zhì)災害預警提供了信息管理科學化，應急響應快速化，輔助決策高效化的支撐平臺。通過系統(tǒng)的實際應用，總結(jié)出需要不斷累積監(jiān)測數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化和改善預測預報、區(qū)域預警功能，有待深入研究和探討。

［1］侯圣山，李昂，周平根．四川雅安市雨城區(qū)地質(zhì)災害預警系統(tǒng)研究［J］．地學前緣，2007，14（6）：160-165．

［2］張云，蔡彬彬．基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的水文監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］．水資源與水工程學報，2012，23（3）：173-175．

［3］譚德寶，張煜，孫家柄．滑坡區(qū)域的真三維數(shù)字仿真［J］．長江科學院院報，2005，22（6）：67-70．

［4］ 談樹成，金艷珠，馮龍，等．基于RIA的WebGIS斜坡地質(zhì)災害氣象預報預警信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．地球?qū)W報，2014，35（1）：119-125．

［5］王威，王水林，湯華，等．基于三維GIS的滑坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)及應用［J］．巖土力學，2009，30（11）：3379-3385．

［6］任濤，吳悅，郝文杰．基于InfoEarth iTelluro的地質(zhì)災害群測群防三維GIS系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］．長江科學院院報，2013，30（7）：111-116．

（編輯：姜小蘭）

本刊電子信箱：cjkb@163．net

Geohazard Monitoring and Management System Based on IoT and 3D GIS

JIA Jin-ke1，MA Hui2，CAI Xi-wen1，CHEN Bei-qing3，SHEN Shao-hong3
（1．Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan 430010，China；2．Hydrological Bureau of the Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China；3．Department of Spatial Information Technology Application，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In this paper，a geohazard monitoring and management system for large-scale reservoir involving the obtaining，management，analysis and expression of geohazard monitoring data，is constructed based on IoT（Internet of

Things），3D WebGIS and spatial database technology．Firstly，we construct a sensor network for geohazard monitoring according to monitoring parameters and get remote monitoring data．Secondly，in true geographical environment of 3D network，we can realize 3D network expression and interactive application of real-time monitoring results，as well as simulation analysis of geohazard．Landslide monitoring and management in Danjiangkou reservoir area are taken as examples．The results show that，the system is stable，effective and intelligent，and the system can support landslide monitoring and management in the reservoir area and it has a good application prospect．

IoT；geohazard monitoring；3D WebGIS；geological disaster；prewarning analysis

TP79

A

1001-5485（2016）07-0142-03

2015-04-02；

2015-05-18

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2013BAB05B01；水利部公益性行業(yè)科研專項（201201051）；長江科學院院所長基金項目（CKSF2015019/KJ）

賈進科（1974-），男，湖南岳陽人，高級工程師，研究方向為工程測量、GPS測量和地質(zhì)災害監(jiān)測，（電話）027-82927475（電子信箱）cjwjjk@126．com。