基于物联网与GIS的地质灾害风险预警预报系统的实现

冯童 綦亮 盛有锡 刘翥 梁琴琴 杨法东 李敏

摘要：以某地区建立的地质灾害风险预警预报系统为例介绍了物联网与地理信息系统技术在地质灾害中的应用。系统根据该地区历史地灾发生时间、地点、降雨观测分析资料等历史数据，结合该地区地灾易发程度分区制定了地灾发生的阈值，利用实时监测的降雨量与位移数值对比阈值进行统计分析，超阈值及时发布预警信息，提高了相关部门地质灾害防治工作的行政效率。

关键词：物联网；地理信息系统；地质灾害；预警等级

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）26-0198-04

Abstract： The application of Internet of things and geographic information system technology in geological hazards is described with the example of a geological hazard risk warning and forecasting system established in a certain area. Based on the time， location， and rainfall observation and analysis data of historical hazards in this region， the system developed a threshold for the occurrence of hazard in combination with the map of geological hazard susceptibility degree division， and used real-time monitoring values of rainfall and displacement to compare、count 、analyze，and then release warning information timely. The application improves the administrative efficiency of the relevant departments in the prevention and control of geological disasters.

Key words： Internet of Things； Geographic Information System（GIS）； geological hazards； warning Level

1 概述

地質灾害（以下简称地灾）是在地球内动力、外动力或人为地质动力作用下，地球发生异常能量释放、物质运动、岩土体变形位移以及环境异常变化等的现象或过程，严重危害着人类生命财产、生活与经济活动，破坏人类赖以生存与发展的资源、环境。地质灾害预警预报对减少地质灾害带来的损失十分重要，越来越受到政府部门和社会各界的重视。

由于本研究区地质主要类型为崩塌、滑坡和泥石流，其致灾因子主要是降水，因此本研究采用物联网监测手段，通过对地灾点现场调查、测绘和勘察，选择地灾监测设备安装点位，传感器动态采集研究区内地灾隐患点位移、降雨量的实时变化情况，通过无线网卡上传到数据库；同时，建立短时（临近）气象预报预警模型与B/S架构软件系统，分析监测数据，及时发布预警信息，适时应急指挥，实现地质灾害风险的预警预报。

2 理论基础

2.1 气象预报预警

研究区为山东省内县级行政区级别范围，具有降雨型地质灾害即雨即发的特征，因此，开展短时（临近）气象地质灾害预警[1]，在此应用中可行有效，不仅可提高预警精度，也是降雨型地灾防治工作的进一步深化。

地灾风险预警预报的对象为区域性群发型或单发型的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。

地灾风险预警预报工作期设定为24小时全天候，主要为每年的汛期，具体日期为每年的6月1日-9月30日；气象预警预报时段为2～24小时。

地灾预警等级分为四级，由弱到强一次分为四级、三级、二级、一级，分别表示气象因素致地质灾害发生有一定风险、风险较高、高和很高，其中三级、二级、一级分别对应国土资源部门的地质灾害黄色、橙色和红色预警（图1）[2]。

相对应地灾预警工作措施表如表1。

2.2 自动化监测硬件设备

自动化监测设备分雨量监测站与位移监测站两种，雨量监测站均匀分布在研究区范围内，每隔1h采集实时降雨量数据；位移监测站主要分布在地灾隐患点处，同时满足现场供电条件，每隔1h测量位移偏移数据。

2.3 预警阈值设定

位移计阈值设定在2cm以上自动报警，若超出这个范围自动短信通知，通知相关负责人实地考察，确定位移计移动原因，区分人为或者大型车辆经过或者真正由于地灾原因引起的位移移动。位移计以一个小时为时间间隔进行位移偏移值监测，将数值与2cm阈值进行对比，即时发布预警预报信息。

降水发生的统计主要集中在24h降水，但突发强降水也是引发地质灾害的主要因子，因此，本应用设计了一个基于24h降水阈值判断法、逐小时滚动更新的地灾风险等级预警防范：利用研究区历史地质灾害样本数据与灾害易发区分布图（2013-2025年），统计得出地灾发生24h雨量阈值（灾害易发程度和雨量等级结合的预警组合阈值），支撑软件系统预警预报工作[3-4]。

3 总体架构

基于物联网的地理信息系统方面的应用，从信息生成、传输、采集、处理和应用将物联网分为四层：基础层、数据层、逻辑服务层和应用层。

3.1 基础层

基础层是指系统建设的地灾监测点以及系统运行所需的软硬件、网络以及通信环境，如雨量与位移监测站、短信猫、GPRS无线通讯等。

3.2 數据层

数据层，为整个系统提供地理信息空间数据、监测数据、业务数据等数据服务。集成空间数据、管理数据、业务数据、资料图件和监测数据，依托数据库管理和GIS技术，按照统一的标准，按照集中与分布建设模式，建立系统数据库，构建地质灾害风险预警预报系统综合数据库的组织、管理、维护和更新体系。

3.3 逻辑服务层

逻辑服务层是系统架构中体现核心价值的部分，是对整个系统业务功能进行后台实现的过程，在整个系统架构中起着承上启下的连接作用。

3.4 应用层

应用层位于最外层，是离用户最近的表现层。为用户提供系统的应用接口，以及对系统逻辑服务层进行输出展示的平台。

4 主要技术

4.1 地理信息系统技术

地理信息系统技术，作为一门空间信息分析技术与基于计算机的技术，目前在软件领域内应用愈发广泛。GIS是以地理空间数据库为基础，在资源与环境应用领域中，发挥着技术先导的作用。不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。

4.2 B/S运行模式

软件系统B/S运行模式是浏览器/服务器模式（Browser/Server），是目前普遍使用的一种网络化应用系统结构。B/S模式定义了客户机如何与服务器相连以实现数据和应用的共享，并利用台式机的处理能力将数据和应用分布到多个处理机上，克服了原来只有主机执行操作、计算和存储数据的集中管理方式带来的弊端，使得客户机能够承担一部分计算和操作功能，大大减轻了服务器的运行负荷。同时，B/S结构的优点在于客户端无须安装软件，只要有浏览器即可和服务器端数据相连，实现共享，从而能很好的提高系统的性能。

4.3 面向服务的软件架构（SOA）的应用

系统软件架构采用面向服务的软件架构，系统设计与开发过程中尽可能将系统提供对外服务的应用程序功能封装和发布为Web服务（Web Service），通过服务注册和服务目录，向服务消费者（各种组件或部门的应用系统）提供Web服务，使系统的功能可以采用松耦合的方式实现集成，并使平台提供功能服务具有可扩展性。

4.4 关键技术

系统开发采用关键技术有：基于GIS的二次开发技术、Webservice、Java、jQuery、Ajax等技术。

5 地质灾害风险预警预报系统的实现

5.1 地图定位功能的实现

地图定位模块提供了地灾隐患点、地灾监测点、易发区分布的定位查询，用户通过鼠标点击查看相关属性信息，如图5所示。

5.2 在线监测功能的实现

位移和雨量传感器等设备监测的地质灾害点的数据通过GPRS无线传输模块，传输到服务器分析系统中。系统对接收的数据进行分析，生成统计图表或报表，并且支持导出报表功能。

5.3 预警设置（阈值与预警信息接收人联系方式设置）

系统在阈值设置时做了面向用户的实际应用的个性化开发，把阈值的设定为可编辑状态。随着历史地质灾害样本数据的逐年积累，阈值的计算数值趋于准确化，平台中具有管理员权限的人员即可根据实际计算结果进行编辑。

5.4 地灾预警信息统计分析与落图

按照不同的统计类型，如预警类型、预警地址、预警数据等统计已发生的地灾预警信息，生成报表或图表。同时，系统每产生一条地灾预警信息，自动生成预警预报信息。

5.5 预警处置（针对各级预警自动生成相应处置方案）

制定区域地质灾害处置方案，一级、二级、三级预警分别对应处置方案信息，方案可供填写地灾发生详细信息：预警起始与结束时间、预警地区，同时，自动导出生成处置方案（HTML、Word、PDF三种格式），用于国土部门对外发布预警信息使用，有效提高工作效率简化工作流程。

5.6 信息群发

一旦地质灾害预警消息被平台监测到（雨量或者位移监测数值超过阈值后），此功能模块可实现，相关部门给下级部门以及地灾发生区域人员及时发送相关地灾防治的信息和应急救援工作开展的信息（短信形式，内容可编辑），提高政府部门执行效率。

6 结束语

本研究以某区正在使用的地质灾害预警预报系统为例，通过历史地质灾害与降水监测的统计制定了24h地质灾害发生的阈值，同时，结合地质灾害点位移监测值与阈值的对比，阐述了地理信息系统与物联网技术在地质灾害短时临近预警预报方面的实际应用。目前，平台运行稳定，在一定程度上提高政府部门在地质灾害防治工作的效率，具有一定的现实意义。随着物联网技术的发展，地质灾害的监测技术也会逐步提高，相关研究也会更加趋于成熟。由于地质灾害发生综合因素较多，存在一定的不确定性，仅能通过多种监测方式结合的手段进行地灾防治工作。

参考文献：

[1] 刘传正， 刘艳辉. 地质灾害区域预警原理与显式预警系统设计研究[J]. 水文地质工程地质， 2007， 34（6）：109-115.

[2] 刘云香，何如意，张东，等.广东省地质灾害短时临近气象风险预警业务的技术[J].广东气象，2015，37（ 5）：68-71.

[3] 山东省地质环境监测总站.2016年度济南市地质灾害风险预警预报工作报告[R]. 2016.

[4] 魏平新， 杨森林. 广东省短时气象地质灾害预警的实现及意义[J]. 地质灾害与环境保护， 2011.

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