地质灾害自动化监测预警系统设计

（中电科卫星导航运营服务有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

近年来，我国突发性地质灾害频繁发生且损失巨大，2011～2017 年，全国共发生地质灾害81 353 起，造成2 765人死亡或失踪。地质灾害破坏力大，危害极强。目前，我国地质灾害监测预警主要以群测群防为主，难以满足重大地质灾害防治需求，缺少利用信息化手段对隐患点实现高精度监测，获取监测区域灾害信息大数据，进行灾害监测的精细化分析、及时预警。针对当前地质灾害防治复杂严峻的形式，通过建立地质灾害监测预警系统，并结合群测群防监测，实现对潜在灾害的立体化监测、分析与预警，并对未来可能发生灾害的地段做出预测。

1 系统设计

1.1 监测预警分析平台

1.1.1 平台概述

地质灾害自动化监测预警系统采用北斗卫星导航定位技术、物联网、云计算和大数据等先进信息化技术，通过在地质灾害点部署传感器监测设备对灾害点信息进行监测，借助无线通信和北斗通信网络，实现对监测点信息的有效传输，结合群测群防监测，构建“天-地-人”三位一体监测体系，通过监测平台的智能分析，为灾害安全预测预警、应急指挥、地质特征反演研究等提供重要支撑。

感知层由地面布设的传感器和用户终端构成，用于感知获取地质情况相关数据要素信息，为平台提供数据支撑服务。

传输层是借助于卫星通信、无线通信和光纤光缆等通信手段，实现用户终端、地面传感器等设施与平台间的数据传输，是连接终端-平台-用户之间的桥梁。

支撑层为平台提供软、硬件基础支撑，为平台的稳定运行提供服务保障。

服务层通过有效融合卫星导航定位、GIS、遥感技术，应用大数据分析技术，为平台应用提供位置、地图/影像、空间分析和灾害分析等核心服务能力。

应用层是平台结合实际业务流程，为用户提供便捷、高效的管理工具和手段。

1.1.2 平台功能

1.1.2.1 灾害监测管理

平台对采集获取的监测数据进行归档、存储，并进行直观可视化展示，用户通过平台可以实时查看灾害点位的空间分布情况、地质数据变化等相关要素的动态变化，能根据实时采集数据自动绘出灾害点变化趋势图，实时了解灾害体状态。

1.1.2.2 群测群防信息化

通过给巡线人员配备手持巡防终端，对巡线人员进行监督管理，对巡线工作进行数据化、精细化管理。巡线人员通过手持终端将测量数据、位置信息、实地勘察图像、文字、语音和视频等信息及时传输至监测预警分析平台，实现对巡线工作的远程监控。同时，可以对巡线人员的出勤、位置轨迹、任务出行情况进行监督管理，为巡线人员的考核提供支撑。

1.1.2.3 灾害应急演练

灾害应急演练依托计算机仿真、三维可视化等技术，针对滑坡、泥石流灾害、隧道沉降变形等可能的突发事件，构建模拟演练场景，在平时定期进行桌面应急模拟演练。针对可能性突发事件模拟制定演练计划、制定演练方案、人员物资调度和演练处置等场景，并在事后进行演练评估，通过桌面应急模拟演练加强应急业务人员应对突发事件的能力。

1.1.2.4 灾害应急预案

平台依托监测设备采集的地质灾害监测数据及传输网络，通过灾害建模分析，对地质灾害情况进行评估预警，根据地质灾害风险预警结果或者已发送地质灾害的危险等级，执行采取相应的应急防范和救灾措施，部署和组织抢险救援工作，提高地质灾害应急抢险的救援效率。

1.1.2.5 灾害预警发布

当平台监测到地质灾害隐患向危险状态演变时，将自动发出预警信息，通过声光报警进行现场提示，并通过文字、语音将报警信息发送至指挥中心，执行应急预案[2]。

1.1.2.6 灾害辅助决策

平台提供辅助决策专家知识库，当平台监测到灾害预警后，对灾害运动趋势、灾害影响范围进行分析，根据专家知识库决策提供应急处置方案，并对灾害影响的范围、运动趋势进行直观化展示，同时提供救援调度和人员疏散撤离路线规划，为应急指挥人员提供决策支持。

1.2 前端监测点设计

1.2.1 北斗表面位移监测设计

监测体表面位移变化是影响地质灾害的重要因子，其通过部署北斗参考站及监测站来进行监测。北斗参考站要求建立在地基稳定的地点，其作用是为北斗监测站提供稳定的坐标参数，消除大气和电离层对监测站的作用，同时参考站应满足场地稳固，年平均下沉和位移小于3 mm；视野开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°；远离大功率无线电发射源，其距离不小于200 m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50 m；尽量靠近数据传输网络。天线墩的高度不低于2 m；观测标志应远离震动源。参考站必须建立在冻土层上，以减少气候变化对参考站的影响。北斗监测站设计参考以上参考站的设计标准，监测站应选择在地质灾害易发点，距离参考站10 km 范围内进行部署。

1.2.2 地下水监测设计

地下水位是监测体监测的一个重要因素，是影响地质灾害的关键因素，如果地下水太充足，很容易引发山体滑坡，造成地质灾害事件。该次监测采用振弦式渗压计，通过在监测体内部钻凿钻孔，把渗压计放置在钻孔里。通过测量渗压计的压力，再转化为水头高度（高程），结合安装深度以及孔口高程即可得到监测体的水位高度（高程）。

1.2.3 内部位移监测设计

由于监测体可能存在分层，地质分布不一样，有些时候导致内部有形变，表面可能不会有位移变化，所以对内部位移监测十分必要。通过在监测体设定位置钻孔，钻孔深度到监测体内部，然后在钻孔中装入测斜仪[3]，把最下面点作为固定点，从而监测灾害体内部的倾斜状态。在钻孔内安装多只倾斜仪可以更加准确地监测坝体内部变形情况。

1.2.4 土壤温湿度监测设计

土壤温湿度是影响地灾的主要组成部分，如果土壤中含水率太高，极其容易引发山洪灾害，土壤温湿度计可以监测土壤温湿度，其监测原理是通过探头接触监测体内部土壤，采集相关数据，通过无线通信或北斗短报文方式将数据传回数据采集器，再通过数据传输方式将数据传回监控中心，进行分析、处理。

1.2.5 降雨量监测设计

降雨量是导致地质灾害发生的一个重要诱因。降雨量监测使用一体化雨量监测站，监测站由太阳能电池板和蓄电池供电，能够在野外连续运行15 个阴雨天，所以我们在每个灾害体至少布置一套雨量监测站。每个监测站部署一个翻斗式雨量计进行监测，雨量计通过承水器收集雨水，经过进水阀进入贮水室，水位上升使浮子上升，传感器读取数据。如果连续降雨，贮水室的水位继续上升到特定水位，进水电动阀关闭，排水电动阀打开，开始放水；待放水完毕，排水电动阀关闭，同时进水电动阀打开，继续降雨计量。

2 系统优势

2.1 高精度观测网

在监测区域构建北斗观测网，结合地面传感器，实现灾害点高精度形变实时监测。

2.2 双重通信机制

北斗通信和无线通信双重通信机制，实现监测区域的信号的无缝覆盖。

2.3 三位一体监测体系

借助北斗卫星定位及通信技术、地面传感器技术等，构建自动化专业监测网，通过专业监测与群测群防相结合，构建“天-地-人”三位一体监测体系，实现立体化监测。

2.4 监测与预警相统一

多传感器融合监测与数值仿真相结合，构建地质模型，深入分析边坡岩土体失稳灾变机理，优化预警模型。监测到灾害发生时，及时进行警报通知，并安排人员疏散撤离。

3 结论

目前，各类资源的不适当的开发利用，导致地质灾害发生频率增加[4]，如何实现对地质灾害的实时监测、及时预警、执行预案、提前疏散，是灾害预防工作的重中之重。地质灾害自动化监测系统通过借助我国自主知识产权的北斗卫星定位系统及自动化监测手段，实现灾害体高精度形变监测及其他监测指标的实时监控，并可实现异常状态下自动报警，通过借助无线通信与北斗卫星通信网络实现监测区域信号的无缝覆盖，为自动化监测提供坚实的基础，该系统可应用于滑坡、崩塌、泥石流、大坝和桥梁监测等不同监测物体，还可为相关政府监管部门在科学决策、灾害防治和灾后评估等工作中提供可靠的技术支撑。