山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院 劉汝濤 張 弛

基于北斗定位系統(tǒng)的泥石流災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)研究

山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院 劉汝濤 張 弛

基于泥石流災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理，建立一種快速準(zhǔn)確的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，對于預(yù)防泥石流災(zāi)害的發(fā)生、保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)具有重要的意義。本文結(jié)合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自動化程度高、通信時(shí)延低以及預(yù)警科學(xué)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用路由及終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)依據(jù)北斗終端進(jìn)行相對定位改正來獲得更全面的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，在經(jīng)過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總與融合后經(jīng)北斗終端發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)而應(yīng)用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的評估。該系統(tǒng)能降低泥石流對人們造成的危害，為泥石流防震減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

北斗終端；泥石流；無線傳感技術(shù)；預(yù)警

0　引言

泥石流災(zāi)害是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，因其成災(zāi)條件、環(huán)境以及誘發(fā)條件的不確定性，決定了泥石流災(zāi)害在進(jìn)行監(jiān)測時(shí)的復(fù)雜性［1］。目前國內(nèi)外提出了一系列對泥石流的監(jiān)測方法［2］，比如地表位移監(jiān)測法、近景攝影測量法，以及遙感技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合等方法，也取得了一定的研究成果。泥石流災(zāi)害是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，因其成災(zāi)條件、環(huán)境以及誘發(fā)條件的不確定性，決定了泥石流災(zāi)害在進(jìn)行監(jiān)測時(shí)的復(fù)雜性［1］。目前國內(nèi)外提出了一系列對泥石流的監(jiān)測方法［2］，比如地表位移監(jiān)測法、近景攝影測量法，以及遙感技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合等方法，也取得了一定的研究成果。但上述技術(shù)難免存在一定的缺點(diǎn)，例如地表位移監(jiān)測法主要通過布設(shè)GPS控制網(wǎng)，然后進(jìn)行基線結(jié)算求取不同時(shí)間內(nèi)的坐標(biāo)差進(jìn)行位移判斷，結(jié)合位移量對研究區(qū)做出相應(yīng)的預(yù)警調(diào)整，但GPS控制網(wǎng)的布設(shè)范圍較小，控制點(diǎn)的密度較低，時(shí)間周期也較短。而應(yīng)用遙感技術(shù)手段雖然可獲得大范圍的地面變形狀況，但在采樣過程中易受噪聲影響，同時(shí)天氣狀況以及植被覆蓋度也會對觀測結(jié)果產(chǎn)生影響［3］。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，利用我國自主研制的北斗全球定位系統(tǒng)所具有的定位精度高、時(shí)延小以及短報(bào)文通信等優(yōu)點(diǎn)，通過與傳感器技術(shù)相關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)了一種能進(jìn)行大范圍監(jiān)測的同時(shí)，具備自動化以及自適應(yīng)的高精度泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，并在硬件和軟件方面進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)，同時(shí)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了更適用于泥石流災(zāi)害預(yù)警的算法，對于科學(xué)的指導(dǎo)相關(guān)部門進(jìn)行泥石流災(zāi)害的監(jiān)測及預(yù)防工作具有重要的意義。

1. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

泥石流災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由北斗定位終端、路由與傳感節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、電源以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成。硬件系統(tǒng)主要是完成外業(yè)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取。在本研究中，根據(jù)目前泥石流災(zāi)害的誘發(fā)機(jī)理，共選取了水平與垂直位移量、降雨量、孔隙水壓力等共7個探測量。外業(yè)數(shù)據(jù)收集將按照如下幾個步驟進(jìn)行：

第一步：無線傳感節(jié)點(diǎn)、北斗定位終端以及通信網(wǎng)絡(luò)的布置。

第二步：無線傳感網(wǎng)絡(luò)布設(shè)與實(shí)現(xiàn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)將負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與連接，并與北斗終端建立直接聯(lián)系。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)，協(xié)調(diào)器首先會向通訊協(xié)議提出建網(wǎng)請求，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議只允許FFD設(shè)備且不在其他網(wǎng)絡(luò)的終端充當(dāng)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)建立成功后協(xié)調(diào)器將等待接受其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求。

第三步：數(shù)據(jù)采集。由北斗定位系統(tǒng)以及各無線傳感器嵌入組成的路由與終端節(jié)點(diǎn)，在得到協(xié)調(diào)器傳來的喚醒指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并上傳至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)再傳遞給北斗終端系統(tǒng)，利用北斗終端短報(bào)文功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

1.2協(xié)調(diào)器硬件及接口設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)建立之后進(jìn)行采集數(shù)據(jù)指令的發(fā)出與數(shù)據(jù)的收集工作，同時(shí)與北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建立連接。因此其需要比其他傳感節(jié)點(diǎn)擁有更大容量的存儲器與各種接口。本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件主要包括無線傳輸與處理單元、接口單元、人機(jī)交互單元、電源模塊單元與北斗終端單元。其硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

2. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1軟件處理流程

監(jiān)測中心系統(tǒng)主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)采集時(shí)序向監(jiān)測區(qū)北斗終端發(fā)送傳感器喚醒、數(shù)據(jù)采集等命令，北斗終端通過協(xié)調(diào)器發(fā)送給無線傳感網(wǎng)絡(luò)，繼而喚醒各終端及路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與上傳。而在非采集時(shí)序內(nèi)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)處于休眠狀態(tài)，電池只需維持必要的能量消耗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)上傳完畢后，協(xié)調(diào)器向各節(jié)點(diǎn)傳遞休眠。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理流程框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件工作流程圖

2.2軟件各模塊組成

（1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為北斗終端傳送的數(shù)據(jù)存儲、管理和共享提供一個平臺，是泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)在進(jìn)行通信控制、節(jié)點(diǎn)管理以及數(shù)據(jù)分析時(shí)都必須訪問數(shù)據(jù)庫。

（2）系統(tǒng)通信控制模塊

該模塊的主要作用是監(jiān)測中心服務(wù)器與外界的無線通信，主要涉及到接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，該功能是通過對北斗終端通訊編碼與解碼實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)查詢北斗終端及各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并發(fā)送響應(yīng)的控制指令。

（3）監(jiān)測點(diǎn)管理模塊

該模塊除了具備新建、刪除、查詢、修改監(jiān)測點(diǎn)信息的基本功能外，還可以把監(jiān)測點(diǎn)的位置與監(jiān)測區(qū)地圖進(jìn)行投影改化，從而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示監(jiān)測點(diǎn)位置，并進(jìn)行相關(guān)操作，如獲取該監(jiān)測點(diǎn)的基本信息、查詢分析該監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)等。

（4）數(shù)據(jù)分析及預(yù)警模塊

該模塊主要包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)分析及預(yù)警四個功能。用戶可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行條件查詢和簡單的分析。為了更準(zhǔn)確的描述泥石流與各參數(shù)間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，本文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其中以各參數(shù)的危害等級作為訓(xùn)練樣本，對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真即可得到相應(yīng)的預(yù)警級別，結(jié)合具體的北斗坐標(biāo)對研究區(qū)域指定位置開展相關(guān)的預(yù)防工作。

2.3軟件界面設(shè)計(jì)

本文的軟件處理界面如圖3所示，軟件用C#語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)了前文提到了四大模塊的功能，但由于技術(shù)所限，目前軟件調(diào)試仍存在很多問題，正處于不斷優(yōu)化階段。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面

3. 結(jié)論

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在救災(zāi)減災(zāi)的過程中發(fā)揮了重大的作用，在發(fā)生重大自然災(zāi)害導(dǎo)致地面通訊鏈路中斷時(shí)，其所具有的短報(bào)文功能，不依賴于地面固定系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)的傳輸效率較高。但泥石流災(zāi)害需要監(jiān)測的參數(shù)較多，同時(shí)觀測的范圍較廣，地形也較為復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)，不僅利用了北斗定位系統(tǒng)定位及無線通信的功能，還利用了無線傳感網(wǎng)絡(luò)短距離傳輸?shù)奶匦裕约盁o線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息采集、融合、發(fā)送接收等功能，極大地提升了北斗導(dǎo)航指揮系統(tǒng)的工作能力。為了加大觀測范圍及災(zāi)害監(jiān)測的準(zhǔn)確度，本文應(yīng)用北斗終端對傳感節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行了坐標(biāo)相對改正，使得大范圍、高精度、低成本的監(jiān)測工作成為可能。同時(shí)本文應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了預(yù)警算法，使得預(yù)警更加科學(xué)與準(zhǔn)確，對未來應(yīng)急救災(zāi)指揮工作有著重大的意義。

［1］范本堯，李祖洪，劉天雄.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在汶川地震中的應(yīng)用及建議［J］.航天器工程，2008，20（4）：6-1.

［2］梁山，胡穎，王可之.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（8）：118-120.

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