物联网滑坡监测系统设计与实现

何锐利，莫 剑，吴斌晖

湖南省地质矿产勘查开发局402队，湖南 长沙 410000

我国国土辽阔，地形复杂，滑坡等自然灾害多发。根据历年统计资料，我国每年平均发生崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害近3万起，其中有很多特大型、重大型灾害，因灾死亡或失踪人数平均每年近800人，造成的直接经济损失超过40亿元。随着近年来我国对地质灾害危害程度认识的提升和防灾治灾水平的提高，灾害的破坏影响得到了显著的控制。鉴于此，文章基于物联网技术构建滑坡监测预警平台，整合各类滑坡资料，结合GIS技术、大数据技术、云计算技术研究数理模型，构建一套集B/S、C/S、移动端App为一体的滑坡监测预警系统。

1 滑坡监测系统的主要工作内容

滑坡检测系统总体结构分为感知采集层、网络传输层、接收应用层三个部分，如图1所示。

图1 基于物联网的滑坡监测系统架构图

感知采集层：现场布设物联网设备，包括GPS、全站仪、位移计、雨量计、孔隙水压力计等，通过数据采集仪自动采集数据并记录，附带太阳能电池板或者干电池等提供设备能源。

网络传输层：该系统以ZigBzz无线传感网络、无线通信技术为核心，通过布设在滑坡上的传感器节点采集数据，利用ZigBzz协议和互联网将设备数据传输到监测中心；采用先进的通信设备确保数据在传送过程中的可靠性、稳定性、持续性、实时性、长期性。

接收应用层：主要负责对感知层获取的监测数据进行存储、管理和分析，其中数据中心包括基础地理数据库、监测数据库和预案决策支持库；应用管理是指具体应用服务，包括监测管理、应急指挥等；分析层面提供专家决策、应急救援等功能。

2 业务流程设计

2.1 数据基础

该系统以天地图作为底图，结合接入的省气象、水文数据，依托数据库技术构建大数据管理中心。监测的数据具有实时、高精度、全天候监测、不受气候影响等特点，系统中可以实时查看录入信息，建立管理数据模块，做到后期结果有据可查、有理可依，确保数据正确、合理。

2.2 滑坡监测及预测管理

监测预警主要是利用物联网设备采集到的数据分析地表地下等土层结构变化情况，当受力加大、滑坡物体加速变化时做出预警。位移是滑坡变形演化最直观的反映，因而监测位移也是监测滑坡时最容易、最常用的手段。结合降水预警模型（I-E）可得到最终的预警等级。系统还通过接入气象、水文数据，提供实时查看天气信息服务，根据雨量站点日报、卫星雷达反射图创建降水等值面分析，结合数理模型对可能发生灾害的地区提前做出预警。

2.3 预警预报管理

建立预警预报管理体系，从而对专业监测预警信息、降水监测预警信息进行管理，生成灾情速报表，可视化设置数理模型参数，同时结合GIS技术（空间分析）、趋势分析，科学、合理、准确地做出预警提示，并将各类预警信息通过短信等方式发送至监测人员，以便做好人员、财产的撤离、搬迁。监测人员也可将现场情况通过短信等方式反馈给控制中心，由此，建立灾情速报机制，快速上报上级灾情。

2.4 应急指挥

对于灾后应急救援指挥，系统提供决策支持。通过航拍、无人机拍摄创建三维模型，分析（淹没分析、土方计算）受灾地区灾情，快速查询附近救援可调度资源，规划出最佳救援路线，生成应急指挥和救援报告。

2.5 运行维护

站点在建设完成后，每日定时将监测数据传递给控制中心，系统也会在每天17：00（或其他时间）自动发送当前的监测结果简报，描述当前监测情况。若站点监测设备出现异常或者监测数据出现异常，发生丢包、传送中断等情况，监测站将会及时发出故障预警信息，便于工作人员掌握了解监测点情况，及时对监测站进行检修维护。

2.6 移动端App

移动端App在人机交互方面更加便捷，能够快速提供相关人员想要的信息，查询站点数据，采用图表结合的方式展示。同时，可接收预警信息，发送监测结果，等等。

3 功能设计与实现

按照工作内容及技术流程，该系统模块主要包括地质灾害管理、雨情监测管理、专业监测管理、预警预报管理、应急指挥管理、系统管理、移动端App。系统设计流程如图2所示。

图2 设计流程图

3.1 地质灾害管理

地质灾害管理实现对灾害点、监测人、责任人、防灾明白卡、调查信息等信息的管理，便于对数据进行统计、检索与分析。系统结合数据类型与特征，分别采用不同的方式进行可视化处理，如用表格、曲线及图示等方式表达数据，能够快速导入详查数据，灾害点通过坐标能快速成图，可视化表达灾害隐患点，并能在地图上进行查询、定位和显示。

3.2 雨情监测管理

通过共享接入省气象、水文数据，可快速查看全省的红外云图、实时降水，以及雷达和天气预报信息，并生成降水等值线图，根据监测到的滑坡当日降水量及前15d的连续降水数据进行相关性分析，采用降水强度-前期有效降水拟合方法（I-E），通过拟合数据得到预警线，当降水量超过警戒线时，滑坡可能发生，生成滑坡预警图。

3.3 专业监测管理

通过安装GPS位移站、深部位移计、裂缝计、地下水位计、土压应力计、雨量计等具有灵敏度的地质灾害监测设备，可获取灾害体变形的监测数据，创建监测曲线，从而分析其灾害点位移的稳定性和变化趋势。研究发现，滑坡体变形破坏是阶段性的，滑坡变形位移曲线分三个阶段，即初始变形阶段、稳定变形阶段、加速变形阶段。一旦滑坡隐患进入加速变形阶段，下滑的可能性就增大，应予以高度重视，当超过设定阈值会发出预警提示。

3.4 预警预报管理

滑坡预警分析是滑坡实时监测预警系统中的主要功能，通过该模块可查看与分析滑坡实时预警过程、各个预警指标的变化趋势（如获取到的雨情监测数据、专业监测数据）、滑坡时间预警，通过设置对应级别的预警阈值，进行预警模型分析，生成预警分布图。预警信息的发布与解除也是预警系统的主要组成部分。

3.5 应急指挥管理

当灾害发生以后，如何快速地开展实施救援也是滑坡监测中的一部分。系统能快速调出应急处理预案，通过无人机拍摄的倾斜摄影三维模型，融合各类图层进行叠加，并根据地形坡度、土方计算、淹没模型等分析受灾情况，可视化进行地图标绘，查询周边可调配救援资源，快速生成应急指挥救援图及救援报告。

3.6 系统管理

系统管理主要包括日志管理、用户管理、权限管理，实现系统操作日志的记录；用户权限的管理能实现专人专职，责权明确。

3.7 移动端App

移动端涵盖Web端的主要功能，并且结合GPS定位可在App中实现定位、画点、画线、测距等功能，方便监测人员现场巡查。

4 结束语

基于物联网技术建立的混合架构的滑坡监测预警系统为分析决策提供了较好的解决方案，为监测预警、地质救灾提供了方便。物联网滑坡监测系统能够快速地感知滑坡前兆信息，为人员、财产转移争取宝贵的时间。此外，由于物联网具有实时性传送、大范围布设、全天候监测、自动化监测等特点，能收集大量数据，为进一步开展滑坡监测与研究提供数据基础。