基于物聯(lián)網(wǎng)三維GIS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)研究

賈進(jìn)科，馬　輝，蔡習(xí)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(zāi)害監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)研究

賈進(jìn)科1，馬輝2，蔡習(xí)文1，陳蓓青3，申邵洪3

（1．長(zhǎng)江巖土工程總公司，武漢430010；2．水利部水文局，北京100053；3．長(zhǎng)江科學(xué)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(kù)技術(shù)為核心技術(shù)，從地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析和表達(dá)等角度出發(fā)，深入開(kāi)展了大型水庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)研究。首先，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)參數(shù)，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；然后，在網(wǎng)絡(luò)三維真實(shí)地理環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果網(wǎng)絡(luò)三維表達(dá)和交互應(yīng)用、以及災(zāi)害模擬分析。選擇丹江口庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)管理開(kāi)展典型應(yīng)用，驗(yàn)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(xué)支撐地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理，具備良好的應(yīng)用前景。

物聯(lián)網(wǎng)；地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)；地質(zhì)災(zāi)害；預(yù)警分析

1　研究背景

滑坡、崩塌等類(lèi)型地質(zhì)災(zāi)害是大型水庫(kù)興建、運(yùn)行時(shí)形成的自然災(zāi)害，容易導(dǎo)致房屋倒塌、河道堵塞，帶來(lái)重大自然災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。采用物聯(lián)網(wǎng)、空間信息、模型預(yù)警等高新技術(shù)有效開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警研究是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正處于飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用時(shí)期，已經(jīng)在水文監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)品運(yùn)管管理監(jiān)測(cè)等多方面得到了廣泛應(yīng)用［1］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為推進(jìn)水利智能化發(fā)展的一個(gè)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(dá)、分析功能，在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中也得到深入應(yīng)用［3］。網(wǎng)絡(luò)三維GIS是當(dāng)前該領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)能夠與各行業(yè)無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)各種專(zhuān)業(yè)屬性數(shù)據(jù)在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)三維環(huán)境下的表達(dá)和交換應(yīng)用［4-6］。

本文主要綜合應(yīng)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(jì)算技術(shù)，研究大型水庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，旨在：地質(zhì)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)采集、動(dòng)態(tài)發(fā)布，科學(xué)模擬分析地質(zhì)災(zāi)害演變趨勢(shì)，實(shí)時(shí)發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息，進(jìn)一步提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理工作的科學(xué)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(dòng)下，建立基于WebGIS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，在大數(shù)據(jù)量的支持下構(gòu)建類(lèi)似Google Earth數(shù)字地球模式的真實(shí)場(chǎng)景，將各類(lèi)信息在三維場(chǎng)景中進(jìn)行可視化管理和分析，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)方式提供遠(yuǎn)程應(yīng)用。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(chǔ)管理層、應(yīng)用支持層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

傳感器網(wǎng)絡(luò)層：傳感器層由多類(lèi)型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)站組成，分別對(duì)位移、沉降、溫度、水位、雨量等與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層：該層是采用Oracle對(duì)監(jiān)測(cè)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(lèi)型海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成和綜合應(yīng)用。

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

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要提供面向最終用戶(hù)使用的各類(lèi)服務(wù)，包括三維GIS子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)子系統(tǒng)。

3　系統(tǒng)應(yīng)用功能與實(shí)現(xiàn)

3．1地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理信息網(wǎng)絡(luò)三維表達(dá)

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(chǎng)景展示方式，集成了丹江口地區(qū)影像和地形，并疊加各類(lèi)矢量數(shù)據(jù)，以及地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(gè)滑坡和庫(kù)岸監(jiān)測(cè)點(diǎn)整個(gè)區(qū)域的高精度影像、地形和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，客戶(hù)端可通過(guò)瀏覽器進(jìn)行瀏覽、查詢(xún)和分析。整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)以樹(shù)狀圖方式組織，包括基本圖層控制、監(jiān)測(cè)點(diǎn)控制和興趣點(diǎn)（POI）控制。其中POI控制為31個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，可以通過(guò)點(diǎn)擊直接在三維場(chǎng)景中跳轉(zhuǎn)到各個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)位置；監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖層同樣為31個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，以樹(shù)狀圖方式分別顯示了觀測(cè)點(diǎn)、圖元、剖面、控制點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)站、傳感器等各類(lèi)信息，如圖1所示。

圖1　三維場(chǎng)景瀏覽與目標(biāo)標(biāo)識(shí)Fig．1　Three-dimensional scene browsing and target identification

3．2地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集管理

3．2．1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集

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

3．2．2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)獲取位移、溫度、水位、雨量等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心部署監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收軟件，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，開(kāi)發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢(xún)統(tǒng)計(jì)和交互應(yīng)用服務(wù)。

軟件采用傳感器參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一體化管理的模式，并通過(guò)圖表的形式，對(duì)傳感器和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可視化表達(dá)，分為傳感器參數(shù)列表區(qū)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖標(biāo)區(qū)。整個(gè)操作界面如圖2所示，主要分為傳感器列表區(qū)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖表區(qū)。

表1　地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)參數(shù)信息Table 1　Monitoring parameters of geological hazard

圖2　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用Fig．2　Application of monitoring data

3．2．3地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析以地理信息系統(tǒng)為分析平臺(tái)，集成遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸?shù)牡刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析模型，將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型與GIS平臺(tái)相結(jié)合，實(shí)時(shí)接收氣象、水文等數(shù)據(jù)，以行政村作為最小預(yù)警點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)快速預(yù)警。

在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析軟件功能方面，主要是分為服務(wù)器和客戶(hù)端2大部分。服務(wù)器端主要是實(shí)時(shí)獲取地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析模型，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入至預(yù)警分析模型，開(kāi)展模擬分析計(jì)算，獲得預(yù)警分析結(jié)果。預(yù)警分析模型研究重點(diǎn)對(duì)滑坡變形預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了深入研究和有效集成，分別對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)模型、勻速加速變化型灰色模型和多因素灰色預(yù)測(cè)模型的有效性、實(shí)用性，以及模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論。

客戶(hù)端通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警和區(qū)域預(yù)警的參數(shù)設(shè)置、結(jié)果查詢(xún)以及提供手動(dòng)發(fā)送信息的功能，功能操作如圖3所示。具體而言，主要實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警狀態(tài)的設(shè)置和查詢(xún)、預(yù)警模型管理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和區(qū)域預(yù)警計(jì)算功能。

在區(qū)域預(yù)警功能中，首先要對(duì)丹江口地區(qū)進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)度劃分。本項(xiàng)目共劃分了4級(jí)危險(xiǎn)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(guò)傳感器傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)計(jì)算獲得有效降雨值，將有效降雨值數(shù)據(jù)與地災(zāi)危險(xiǎn)性區(qū)劃進(jìn)行疊加分析，形成最終的區(qū)域預(yù)警值，以柵格數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行渲染和展現(xiàn)。

圖3　監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警功能操作Fig．3　Prewarning information of monitoring points

4結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)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(kù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理的實(shí)際需要，建立了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)模擬分析和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)采集和傳輸。根據(jù)大型水庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，建設(shè)位移、溫度、水位、雨量等多類(lèi)型監(jiān)測(cè)站，形成監(jiān)測(cè)層傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的遠(yuǎn)程智能化、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)采集；利用互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理、服務(wù)系統(tǒng)，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享優(yōu)勢(shì)，建立多用戶(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交互應(yīng)用機(jī)制。

（2）構(gòu)建了基于3D WebGIS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)。采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)和基于多用戶(hù)并發(fā)的WEB異步服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模擬分析、監(jiān)測(cè)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)三維表達(dá)和交換應(yīng)用，智能、科學(xué)、高效支撐地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理工作。

（3）選擇丹江口庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)管理為實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和科學(xué)輔助決策作用。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水利專(zhuān)題數(shù)據(jù)，集成地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析模型，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析和預(yù)測(cè)預(yù)警，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供了信息管理科學(xué)化，應(yīng)急響應(yīng)快速化，輔助決策高效化的支撐平臺(tái)。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出需要不斷累積監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化和改善預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、區(qū)域預(yù)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(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)研究［J］．地學(xué)前緣，2007，14（6）：160-165．

［2］張?jiān)?，蔡彬彬．基于物?lián)網(wǎng)架構(gòu)的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，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(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22（6）：67-70．

［4］ 談樹(shù)成，金艷珠，馮龍，等．基于RIA的WebGIS斜坡地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．地球?qū)W報(bào)，2014，35（1）：119-125．

［5］王威，王水林，湯華，等．基于三維GIS的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)用［J］．巖土力學(xué)，2009，30（11）：3379-3385．

［6］任濤，吳悅，郝文杰．基于InfoEarth iTelluro的地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防三維GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，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(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAB05B01；水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201201051）；長(zhǎng)江科學(xué)院院所長(zhǎng)基金項(xiàng)目（CKSF2015019/KJ）

賈進(jìn)科（1974-），男，湖南岳陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量、GPS測(cè)量和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，（電話(huà)）027-82927475（電子信箱）cjwjjk@126．com。