基于北斗卫星系统的地质灾害监测系统软件设计与实现

罗 腾,白征东,朱永辉

(清华大学土木工程系,北京 100084)

0 引 言

众所周知,我国幅员辽阔、地质类型丰富,境内包含有滑坡、泥石流、地面沉降等众多地质灾害类型地区,每年因为地质灾害所造成的人员伤亡和经济损失十分巨大。因此,我国急需对典型地质灾害地区进行研究,建立起地质灾害监测预警示范系统,并逐步向全国推广。国家发展和改革委员会批准了国土资源部的《基于北斗一号卫星系统的地质灾害监测示范工程》项目,并委托清华大学土木工程系地球空间信息研究所负责该项目的系统总体设计和软件开发。

1 基于北斗卫星系统的地质灾害监测系统介绍

基于北斗一号的地质灾害监测系统的主要建设内容为:在全国选择有代表性的滑坡、崩塌、地面沉降、地应力区作为地质灾害监测示范区,共四类13个示范区。项目充分利用北斗卫星系统的信息传输功能,建立三级(地质灾害监测总中心、地区级地质灾害监测分中心和野外监测站)管理、分布式、模块化、自动化地质灾害监测示范系统。系统的总体结构框架如图1所示,整个系统分成三个层次:

最底层是设在各省或地区的地质灾害频发地点的野外监测站,负责采集该监测站上各种传感器获取的数据,并将这些数据集成、编码、然后通过北斗用户机发送给各自的分中心;

第二层是设在各省或地区的地质灾害监测分中心,负责该地区的地质灾害的监测、分析和处理。分中心利用北斗指挥机直接接收所辖监测站的数据并进行分析、存储、管理和处理。监测数据只传输到分中心,并不向总中心发送,分中心只需按要求定期向总中心汇报工作状况;

最上层是设在中国地质环境监测院的地质灾害监测总中心。总中心从北斗民用管理平台直接获取该系统内各监测站设备工作状况,并从各分中心了解地质灾害发生和发展状况。

整个系统依托北斗卫星系统的信息传输功能,实现监测数据和指令的传输、监测站的管理以及分中心的管理。在权限管理方面,总中心监控所有的分中心以及分中心管辖下的各测站,分中心监控其管辖下的监测站。本系统包含1个监测总中心和13个监测分中心,因此信息系统包括总中心数据管理软件和分中心数据处理软件。

图1 系统总体结构框架图

2 总中心软件

2.1 软件的结构和功能分析

由于整个系统包括四种地质灾害类型示范区,具有众多特征,如所处地理位置、结构特征、环境地质条件、监测数据类型等,而对于监测系统而言,管理的最终目标是通过数据监测和数据分析,确定示范区的稳定性状况,以达到预警作用。因此在进行设计时,总中心软件主要包括数据的接收、录入和维护,数据的查询、分析和处理,系统预警,建立数据库以及为示范区和监测站提供基于位置的GIS服务等功能。至于其它一些特征,则只在备注文字中根据需要或详或略地进行说明。总中心软件的主要功能结构如图2所示。

图2 总中心软件功能结构示意图

2.2 软件的实现

总中心软件是在Microsoft Windows Server 2008+Oracle 9i+My Eclipse平台下开发而成的,客户端支持Microsoft Windows 2000、XP等系统,客户端需要在IE Explorer 6.0环境下运行。具体实现结果如图3所示。

图3 总中心软件主界面

3 分中心软件

3.1 软件的结构和功能分析

分中心软件是集数据通信、数据管理、野外监测点监控等功能为一体的地质灾害实时监测管理软件。分中心软件一方面需要实现地质灾害的实时监测,另一方面需要实现对地质灾害数据、分中心及其下属监测站的信息管理。实时监测和数据管理是分中心软件的两大基本需求。分中心软件以数据库系统为核心,根据系统实际需求分为系统通信控制、监测站管理、数据分析处理、数据库维护四个基本模块(如图4所示)。

图4 分中心软件系统模块划分示意图

3.2 软件的实现

分中心软件是在Windows平台下采用串口通信、多线程、ORACLE数据库、ADO 、MAPX 控件、TEECHART控件等技术手段集成开发而成的,主要实现系统通信控制、监测站点管理、数据分析处理、数据库维护等功能;具有简洁、实用、友好的软件界面。分中心软件主要包括接收数据、发送指令、扫描数据和控制系统发送指令四个流程,详细实现过程如下:

1)首先分中心软件把接收到的数据保存到数据缓存区中,然后根据一定的规则对缓存区中的数据进行处理。如果缓存区存在数据,则调用北斗卫星通信解析模块对其进行解析,在解析正确的前提条件下,判断接收到的数据类型。接收数据流程如图5所示。

图5 接收数据流程图

2)分中心不断的扫描每个监测站的发送标志位,如果存在某一监测站的标志位为1,则说明该监测站的北斗用户终端目前处于开机状态,能够接收系统的控制指令,反之,则继续扫描系统其它监测站的发送标志位。发送指令流程如图6所示。

图6 发送指令流程图

3)分中心软件按照一定的定时机制扫描数据库中的数据,一般情况下,每天扫描前三天的数据,如果发现某个监测站的数据在记录号上不连续,则把丢失数据的记录号写入查询数据指令缓存中,直至完成所有监测站数据的扫描。

(4)分中心软件判断是否收到监测站发送的实时数据,如果收到,则表明该监测站处于工作状态,可以接收指令,并且会在系统可以预见的时间内(延时时间)关闭北斗用户终端,此时,设置该监测站的发送标志位为1,同时启动一个等待定时器,等待的时长为监测站的延时时间,判断等待定时器是否到时,如果到时,表明监测站的北斗用户终端已经关机,此时设置该监测站的发送标志位为0。

4 结 论

本项目的目标是在传统的地质灾害监测系统基础上,利用“北斗一号”卫星系统作为信息传输系统,选择有代表性的典型滑坡、崩塌和地面沉降区作为示范区,建立我国滑坡、崩塌和地面沉降实时监测系统,提高对重点地区地质灾害的监测效率和预警能力。而总中心和分中心软件就是对整个系统中野外监测站所采集到的数据进行收发、存储、管理、显示、分析和处理等操作。它们是整个示范工程的运行平台,是整个项目的核心和枢纽,它使得地质灾害监测管理变得更加实时和高效。目前,整个项目已经通过验收,两部分软件已经在监测总中心和各监测分中心安装使用,运行情况良好。

[1]地质灾害普查与灾害动态监测防治新技术新标准应用宝典[M].北京:中国科学文化音像出版社,2006.

[2]赵 宇.雅安峡口滑坡力学分析及灾害模式预测[J].工程地质学报,2001,9(2):188-193.

[3]过静珺,李冬航,周百胜,丁志刚,肖 健.四川雅安滑坡自动化远程监测系统示范工程[J].测绘通报,2006(4):54-57.

[4]张春山,吴满路,谬椿庭,等.西藏羊八井-康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析[J].地球物理学报,2007,50(2):517-522.

[5]韩 波.北斗卫星导航定位系统[J].中国计量,2004(3):22-23.

[6]求是科技.Visual C++6.0数据库开发技术与工程实践[M].人民邮电出版社,2004.