陳 榮

(1.廈門城市職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)與管理系，福建 廈門 361008；2.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430072)

0 引言

地質(zhì)滑坡監(jiān)測技術(shù)作為地理信息查找的一部分，被逐漸重視起來?；卤O(jiān)測利用專門的監(jiān)測機(jī)器對(duì)該地質(zhì)區(qū)域的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行勘察，根據(jù)滑坡的滑動(dòng)角度及地面的形變程度推斷滑坡的穩(wěn)定性，便于在發(fā)生異?，F(xiàn)象時(shí)進(jìn)行安全維護(hù)操作。針對(duì)地質(zhì)滑坡監(jiān)測中產(chǎn)生的滑坡數(shù)據(jù)收集缺失問題，不少研究學(xué)者強(qiáng)化地質(zhì)監(jiān)測手段，對(duì)地質(zhì)滑坡現(xiàn)象進(jìn)行完善處理[1-3]。

目前的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)借用不同的監(jiān)測軟件對(duì)地質(zhì)信息進(jìn)行集中性研究，并不斷通過對(duì)地質(zhì)信息的數(shù)據(jù)匹配檢驗(yàn)地質(zhì)滑坡產(chǎn)生的可能性及發(fā)生位置。傳統(tǒng)基于WSN的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)利用WSN技術(shù)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過不同的監(jiān)測模式檢驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)的操作合理性，由此獲取效果良好的監(jiān)測數(shù)據(jù)。基于LPC2103的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取內(nèi)嵌式芯片LPC2103對(duì)主控器進(jìn)行系統(tǒng)控制，并隨時(shí)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)參數(shù)狀態(tài)，確保監(jiān)測環(huán)境的安全穩(wěn)定，同時(shí)匹配內(nèi)部傳輸系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)完整傳輸至監(jiān)測中心，取得系統(tǒng)所需結(jié)果數(shù)據(jù)[4-5]。上述研究雖在一定程度上提升了監(jiān)測的性能，但由于其對(duì)于地質(zhì)信息勘測的力度依舊無法達(dá)到操作需求，導(dǎo)致其最終獲取的地質(zhì)位移數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度較差，監(jiān)測耗費(fèi)時(shí)間較長。為此，針對(duì)上述問題，本文提出一種新式基于WEBGIS技術(shù)的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)以上問題進(jìn)行分析與解決。

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，建立完善的監(jiān)測模塊，具有良好的監(jiān)測性能，地質(zhì)數(shù)據(jù)勘測準(zhǔn)確。

1 基于WEBGIS技術(shù)的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

WEBGIS技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與地理信息傳感技術(shù)的結(jié)合，能夠在網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上查找地理信息，具備更強(qiáng)的信息查找性能，利于對(duì)地質(zhì)信息的勘察研究。本文利用WEBGIS技術(shù)對(duì)地質(zhì)滑坡現(xiàn)象進(jìn)行測量與實(shí)時(shí)監(jiān)測，構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)。在監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的同時(shí)匹配WEBGIS收集的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)地質(zhì)信息中滑坡現(xiàn)象產(chǎn)生的位置及條件[6-8]。

本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中根據(jù)不同監(jiān)測板塊設(shè)置硬件操作模塊。

利用功能性存儲(chǔ)器對(duì)采集的地質(zhì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并連接I/O接口，轉(zhuǎn)化內(nèi)部接頭，該存儲(chǔ)器的可控范圍在系統(tǒng)監(jiān)控的范圍內(nèi)，能夠及時(shí)反映地質(zhì)周邊環(huán)境情況，調(diào)取完整的環(huán)境信息。并構(gòu)建存儲(chǔ)器內(nèi)部電路圖如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)器內(nèi)部電路圖

存儲(chǔ)器的工作溫度在-40℃至30℃之間，同時(shí)連接不同的內(nèi)部轉(zhuǎn)化器接口，隨時(shí)匹配空間數(shù)據(jù)。在將收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，內(nèi)部釋放信息管理信號(hào)，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)全部集中于統(tǒng)一的操作區(qū)間內(nèi)，防止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的外泄，保證其操作完整度。可自主轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器接頭的接口模式，隨時(shí)連接信號(hào)接收能力更強(qiáng)的外部系統(tǒng)，更新輔助存儲(chǔ)功能信息，在標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上將空間內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息傳送至傳輸器中，等待傳輸處理[9-10]。

設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模塊，選取KP24傳輸器，將傳輸器的接觸端與存儲(chǔ)器的傳出端相連接，確保數(shù)據(jù)錄入的完整性。并在接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成功后簡化內(nèi)部傳輸結(jié)構(gòu)，拓展傳輸通道，添加輔助裝置加大傳輸數(shù)據(jù)間的距離，避免數(shù)據(jù)間的接連狀況。按照中心傳輸模式傳導(dǎo)傳輸器內(nèi)部的數(shù)據(jù)，在倆端連接口同時(shí)處于開合狀態(tài)的情況下對(duì)傳輸通道內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，掃除與操作不相符的數(shù)據(jù)信息[11]。時(shí)刻檢驗(yàn)傳輸通道內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸狀況，將傳輸器的監(jiān)控元件與預(yù)警信號(hào)元件相結(jié)合，在產(chǎn)生異?；卢F(xiàn)象時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警示意圖如圖2所示。

圖2 預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警示意圖

在得到報(bào)警信號(hào)后，監(jiān)測元件自動(dòng)啟動(dòng)監(jiān)測模式，進(jìn)行高強(qiáng)度的滑坡狀態(tài)監(jiān)測，經(jīng)過上述操作后，達(dá)到監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的目的。

2 基于WEBGIS技術(shù)的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)中注重對(duì)用戶的分析及數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，選用WEBGIS技術(shù)中通用網(wǎng)關(guān)接口開發(fā)技術(shù)將用戶信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中，并匹配相應(yīng)的內(nèi)部操作檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。在保證滑坡數(shù)據(jù)的完整收集的前提下進(jìn)行體系監(jiān)測與管控操作。降低內(nèi)部滑坡數(shù)據(jù)的冗余度，同時(shí)結(jié)合與網(wǎng)絡(luò)連接性較強(qiáng)的中心調(diào)配系統(tǒng)追蹤滑坡的位移與方向[12]。利用WEBGIS模式將不同區(qū)域的地質(zhì)條件集中反映在地圖模塊中，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的相同用戶操作，構(gòu)建地質(zhì)條件收集圖如圖3所示。

圖3 地質(zhì)條件收集圖

及時(shí)更新地質(zhì)狀態(tài)，加大對(duì)地質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的研究力度。并調(diào)配地質(zhì)動(dòng)向數(shù)據(jù)，綜合網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)信息與連網(wǎng)操作信息改造軟件操作界面。添加空間數(shù)據(jù)查詢功能，按照網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)建地質(zhì)信息監(jiān)管空間，并設(shè)置構(gòu)建公式如下：

(1)

式中，Z表示為信息監(jiān)管空間參數(shù)，n為未知地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，r為內(nèi)部查詢功能查詢準(zhǔn)確率系數(shù)。在經(jīng)過上述操作后，轉(zhuǎn)化此時(shí)的滑坡信息狀態(tài)，將滑坡信息錄入軟件監(jiān)測處理系統(tǒng)中等待軟件數(shù)據(jù)庫調(diào)整操作[13-14]。進(jìn)行如下步驟的數(shù)據(jù)庫改造操作：

1)將滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫劃分為圖像顯示數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建滑坡坡體三維模型圖，并時(shí)刻監(jiān)測滑坡坡體的變化情況，將此些數(shù)據(jù)收集至圖像顯示數(shù)據(jù)庫中，并匹配此些數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模式，經(jīng)過圖像化描述將此些地質(zhì)滑坡信息的地質(zhì)環(huán)境及滑坡地點(diǎn)錄入監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中等待數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建滑坡數(shù)據(jù)庫處理圖如圖4所示。

圖4 滑坡數(shù)據(jù)庫處理圖

2)在完善圖像顯示數(shù)據(jù)庫操作的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)屬性數(shù)據(jù)庫的管理力度，檢驗(yàn)屬性數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建檢驗(yàn)方程式如下：

(2)

式中，N表示為檢驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)，c表示為內(nèi)部數(shù)據(jù)庫操作參數(shù)，k表示為管理力度指數(shù)，p表示為中心空間監(jiān)控信息數(shù)據(jù)。由此，獲取屬性數(shù)據(jù)庫檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)信息。推動(dòng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的融合，并控制不同屬性檢驗(yàn)空間的參數(shù)整合程度，將地質(zhì)滑坡數(shù)據(jù)信息的屬性全部傳輸至屬性檢驗(yàn)通道中，利用通道中的監(jiān)控裝置調(diào)整經(jīng)過傳輸?shù)幕聰?shù)據(jù)性質(zhì)[15]。

3)執(zhí)行數(shù)據(jù)庫改造指令，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)顳部數(shù)據(jù)庫的管理力度，及時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)庫的信息存儲(chǔ)位置，并按照中心存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至內(nèi)部數(shù)據(jù)庫空間中，設(shè)置轉(zhuǎn)移公式如下所示：

(3)

將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)s集中傳輸至信息存儲(chǔ)位置系數(shù)l中，并時(shí)刻調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫空間因素j的信息含量，按照轉(zhuǎn)移規(guī)則a將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至內(nèi)部數(shù)據(jù)庫空間，得到轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)J。檢驗(yàn)此刻的信息結(jié)構(gòu)，對(duì)滑坡數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)診斷，轉(zhuǎn)變滑坡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)方式，獲取最終的滑坡數(shù)據(jù)，設(shè)置滑坡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 滑坡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)后，將軟件程序中的管理空間數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)移至外部通道中。利用滑坡數(shù)據(jù)的自主流動(dòng)性擴(kuò)充流通通道空間范圍。選取監(jiān)測范圍設(shè)定參數(shù)，利用監(jiān)測算法對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)信息進(jìn)行計(jì)算，添加結(jié)構(gòu)簡化裝置，減少不必要的操作浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)操作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

構(gòu)建對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)測性能進(jìn)行檢驗(yàn)，以基于WSN的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及基于LPC2103的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，分析在相同條件下，本文系統(tǒng)的監(jiān)測性能與傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測性能間的對(duì)比情況。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選取信號(hào)良好的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)過程中注重對(duì)信號(hào)信息的收取調(diào)整，確保數(shù)據(jù)信號(hào)的接收完整性。按照網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，將收集的數(shù)據(jù)全部集中于相同的操作區(qū)域內(nèi)等待后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)表如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表1

按照設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并規(guī)范數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式，將處于同一區(qū)域的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于相同的數(shù)據(jù)集合中，匹配地圖服務(wù)信息平臺(tái)，將地質(zhì)信息完整的反映在平臺(tái)系統(tǒng)中，進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn)操作：

1)利用ArcGIS管理地圖服務(wù)平臺(tái)信息，同時(shí)將反映出的地質(zhì)數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)相匹配，并進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)管理。及時(shí)檢測與實(shí)驗(yàn)研究操作不相符的數(shù)據(jù)信息，劃分操作區(qū)域，將所有的待監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至管理空間中等待實(shí)驗(yàn)研究處理。對(duì)地圖信息做出及時(shí)的放大、縮小、平移處理，時(shí)刻保持平臺(tái)信息的更新狀態(tài)，構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)E-R圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)E-R圖

2)在獲取地質(zhì)信息后，提取地質(zhì)信息的周邊區(qū)域數(shù)據(jù)，選用解析軟件對(duì)該區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。在解析結(jié)果中標(biāo)記與滑坡信息相關(guān)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)管理此些數(shù)據(jù)信息的傳輸通道位置，時(shí)刻檢驗(yàn)通道中數(shù)據(jù)的狀態(tài)，控制數(shù)據(jù)處于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的可操作范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)變此時(shí)的監(jiān)測系統(tǒng)模式，將監(jiān)測系統(tǒng)全部調(diào)節(jié)至同一操作頻道中，監(jiān)管操作頻道的信號(hào)接收類別。

3)將接收的信號(hào)按照信號(hào)強(qiáng)弱的高低順序排列，清除尾部信號(hào)較弱的信號(hào)數(shù)據(jù)，保留信號(hào)較強(qiáng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而避免無關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的影響。調(diào)整此時(shí)的操作信息，將操作信息規(guī)整至統(tǒng)一的監(jiān)測通道中，并傳輸通道中的數(shù)據(jù)，獲取所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

在完成上述實(shí)驗(yàn)研究操作后，將獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較，得到的實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖如圖7所示。

在圖7中，本文系統(tǒng)的滑坡位移差異率小于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)，基于WSN的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的滑坡位移差異率較小，基于LPC2103的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)滑坡位移差異率較大?；赪SN的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建了縝密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集中加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)滑坡數(shù)據(jù)的獲取，具有較高的滑坡數(shù)據(jù)精確率，其滑坡位移差異率較小。而基于LPC2103的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖調(diào)整了其對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的收集方式，但收集力度依舊較小，無法達(dá)到系統(tǒng)操作標(biāo)準(zhǔn)，造成其獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高，滑坡位移差異率較大。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)在操作的過程中注重對(duì)外部參數(shù)的選擇，同時(shí)加強(qiáng)內(nèi)部的信息管理，數(shù)據(jù)的收集力度較大，因此能夠獲取精準(zhǔn)度較強(qiáng)的滑坡數(shù)據(jù)，掌控內(nèi)部信息，使得最終獲取的滑坡位移差異率較小。

為更好的檢驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測性能，構(gòu)建二次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能判斷，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表2

在表2中，結(jié)合了不同的實(shí)驗(yàn)信息，將地質(zhì)數(shù)據(jù)完整的劃分至同一操作空間中，避免外來因素的入侵，保證實(shí)驗(yàn)操作的真實(shí)可靠性。在檢驗(yàn)地質(zhì)信息的基礎(chǔ)上調(diào)配內(nèi)部監(jiān)控裝置，監(jiān)視地質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化情況，并隨變化狀況做出信息數(shù)據(jù)調(diào)整操作。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)比不同系統(tǒng)監(jiān)測所耗費(fèi)的時(shí)間，構(gòu)建監(jiān)測消耗時(shí)間對(duì)比圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)測消耗時(shí)間對(duì)比圖

根據(jù)圖8可以分析出，基于WSN的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測消耗時(shí)間較長，基于LPC2103的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)較短，本文基于WEBGIS技術(shù)的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測消耗時(shí)間均短于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)。造成此種差異的主要原因在于本文系統(tǒng)構(gòu)建了算法調(diào)節(jié)模塊，對(duì)初始監(jiān)測算法進(jìn)行整合，并歸類相同的算法信

圖7 滑坡位移差異率對(duì)比圖

息，將此些信息清除，簡便計(jì)算程序，節(jié)省操作所需時(shí)間。基于LPC2103的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)利用內(nèi)嵌芯片的傳輸能力提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，?yōu)化內(nèi)部系統(tǒng)的傳輸空間，縮減傳輸時(shí)間，因此其監(jiān)測消耗時(shí)間較短?；赪SN的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)雖降低了操作的龐雜程度，但對(duì)于內(nèi)部信息的管理控制消耗較多，系統(tǒng)信息的審核程序較為繁雜，導(dǎo)致其最終監(jiān)測消耗時(shí)間較長。

綜上所述，所設(shè)計(jì)基于WEBGIS技術(shù)的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的滑坡位移差異率及監(jiān)測消耗時(shí)間均小于傳統(tǒng)系統(tǒng)，能夠更好地進(jìn)行地質(zhì)滑坡的監(jiān)測操作，獲取更加精準(zhǔn)的操作結(jié)果，有利于后續(xù)研究的開展與進(jìn)行。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了一種新式基于WEBGIS技術(shù)的地質(zhì)滑坡測量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在地質(zhì)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行滑坡條件分析，并針對(duì)滑坡位置的信息數(shù)據(jù)推斷滑坡的具體位移方向與距離，進(jìn)一步構(gòu)建監(jiān)測檢驗(yàn)系統(tǒng)，確保監(jiān)測過程的安全性以及可操控性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的監(jiān)測效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)測效果，具有精準(zhǔn)的監(jiān)測性能。