基于物联网和云平台的农村地区削坡建房风险排查方法研究及应用

周 聪，吴 桐，杨海华

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州 510500）

0 引言

广东省丘陵山地多，地势起伏大，部分山坡陡峭，地质构造较为复杂，同时受人类工程活动影响，地质灾害易发多发、威胁严重。粤东西北地区地形多为中、低山地和丘陵区，人多地少，居民建房多依山削坡而建，存在大量削坡建房风险点，韶关、河源、梅州、茂名、肇庆、清远、云浮等地尤为集中。据不完全统计，广东省2013～2019 年地质灾害造成人员死亡数量为102人，其中，削坡建房造成人员死亡数量82人，占总数的80.4%［1］，安全形势依旧严峻。传统的削坡建房等地质灾害风险治理方法智能化水平较低，通常需携带水准仪、卷尺等设备和材料，依靠纯人工量测，费时费力，单次作业范围较小，数据准确度不高，且具有一定的作业危险性。

基于上述现状，本文结合物联网技术创新使用无人机手段，拓展应用场景进行削坡建房风险排查工作，实现大范围高效航测；在保证数据精准度的情况下搭建风险点全景三维模型；通过软件技术开发覆盖网页端和客户端的全流程监管平台。本方法的研究及应用贯彻“外业内业同步、硬件软件协同、技术管理并进”的总体思路，实现地灾隐患点防治全流程智能化、精细化、可视化、规范化，显著提升风险排查工作效率，减少人力物力消耗，保证数据准确性和实效性，有效助力防灾减灾工作，具有显著经济和社会效益。

1 排查方法

1.1 传统排查方法的局限性

过去由于受到科技水平的限制，只能通过人工的方式进行风险排查，但随着时代的发展和科技的进步，人工排查方法的局限性逐渐暴露出来，具体包括下列几个方面：

⑴排查效率低下。以水准测量的2人小组为例，由于削坡建房这一测量场景中需测量坡长、坡高、坡角、坡底到房屋的距离等多种数据，人工作业时需经常上坡下坡，有时还要跨越水系，单次作业的范围很小，效率较为低下。另外，农村地区地形复杂，常有高坡、陡坡，人工排查常伴随一定的危险性。

⑵数据精度不足。由于削坡周边地形常常较为复杂，选取测量位置时很难准确地反映真实削坡情况，可能会对后期整改管理造成误导。

⑶人工成本较高。现如今，人工劳务成本在固定成本中的占比越来越高。由于削坡建房风险点众多，排查效率较低，若采取纯人工方式，劳务成本将极其昂贵，相关部门和企业很可能无法承担，最终导致风险排查工作被搁置，造成不利影响。

⑷ 管理手段粗放。外业排查将产生大量的文字、图片甚至模型数据，传统的排查方法管理手段较为粗放，对这部分的重视程度不够，无法实现各类数据资料的电子留档及统一管理。

综上，有必要开发一种新的排查手段，提高作业效率，保障数据精度，降低固定成本，规范管理流程。

1.2 新排查方法总体思路

随着物联网和软件技术的发展，越来越多智能化、数字化手段被运用于灾害防治领域，取得良好的应用效果［2-4］。本研究基于无人机和云平台的新方法可有效突破传统方法的局限，按照“外业内业同步、硬件软件协同、技术管理并进”的总体思路开展排查工作，具体如图1所示。

图1 新排查方法流程Fig.1 Process of New Investigation Method

⑴外业内业同步。利用无人机进行高效航测作业的同时，及时将数据传回后方，同步开展数据整理、三维建模、地形图绘制、报告编写等内业工作，最大程度缩短工作时长，减轻人员负担。

⑵硬件软件协同。借助无人机和多功能移动智能作业平台5G 智能检测车［5］，实现硬件软件协同，在航测的同时为图形数据采集、传输、分析、储存提供软件支持。开发具有自主知识产权的多功能管理平台，实现三维模型数据的导入、储存、展示、量测；添加报告管理功能，实现排查报告的自动生成和导入导出；设置监管模块，为后续整改阶段的文件管理提供便利。

⑶技术管理并进。技术上，通过优化航测路线、优化图形处理流程、进行系统开发等方式显著提升工作效率；管理上，按照行政区划、风险等级、边坡类型等多个属性，按照相关标准对风险点及三维模型进行归类，将所有附件资料按风险点编号进行排序整理以备查看，实现全流程规范化管理。

2 无人机航测建模

2.1 技术简介

近年来，无人机航测建模技术发展迅速。通过在搭载多个摄像头，无人机可从垂直、倾斜等不同角度采集目标影像，并在对倾斜影像数据处理及整合其他地理信息后，输出正射影像、地形图、三维模型等［5］。由于相关技术日趋成熟，无人机三维模型被广泛应用于城乡规划、地质勘察、建筑工程、农业等多个领域［6-7］。在工程领域的实际巡飞作业中，无人机倾斜摄影测量能够快速准确捕捉并构建目标物的三维模型（见图2），为后续工作提供重要参考依据。王明等人［8］基于低空无人机倾斜摄影技术，借助点云数据和三维实景建模软件对复杂地形的边坡实现快速地形成图，然后利用曲面建模功能，重构边坡闭合CAD 曲面模型并网格化，实现复杂地形的高陡/直立边坡的精细三维数值模型的建立。周边环境三维模型的建立将为边坡工程中相关的数值模拟提供更多可能性。

图2 无人机三维模型示例Fig.2 The Example of UAV 3D Model

2.2 在削坡建房风险排查中的应用

无人机航测建模技术在农村地区削坡建房风险排查工作中的应用过程可分为3个步骤：现场航测、数据回传、三维建模，具体内容如下：

⑴现场航测。借助5G 智能检测车携带装载了摄像头的无人机设备到达事前确定的风险排查点，设置好飞行路线，按照“一坡一测，高效作业”的原则进行巡飞航测，获取空间坐标信息并拍摄多张高清照片，照片通过飞控及图传技术传至车上软件平台暂时储存，等待进一步处理。

⑵数据回传。在现场获取的数据通过实时远程传输和人工携带的方式传回后方电脑设备，由专业人员进行图像数据的预处理，为后续三维建模做准备。

⑶三维建模。技术人员利用专业三维建模软件ContextCapture（以下简称CC）对经预处理的图像数据进行三维建模工作，并在模型上进行坡高、坡角、坡脚到房屋距离等空间数据的量测，填入排查认定表和报告中。所得削坡建房风险点三维模型如图3所示。

图3 CC软件中削坡建房三维模型Fig.3 3D Model of Slope Cutting and Building House in Context Capture

3 云平台开发

3.1 必要性

削坡建房风险排查所得数据是农村地区防灾减灾、消除安全隐患的的重要依据，具有十分重要的意义，有必要通过智能化、数字化的形式更好地将其储存留档，以备随时查看。

在本项目中，由于风险点众多，导出的三维模型较多。这些三维模型的数据量十分巨大，可达10TB以上，在当前网络带宽和数据传输速度下，较难实现整体上云。为最大程度实现预设功能，本次平台开发拟采用“桌面端+网页端”的形式。其核心思想是在桌面端实现全部模型展示功能和部分资料管理功能，在网页端实现全部资料管理功能和部分模型展示功能，二者相互配合使用，实现数据同步，提升管理效率。

3.2 技术简介

本次开发基于超图软件SuperMap IDesktop 10i和SuperMap iServer，前者用于桌面端开发，后者用于网页端开发：

⑴SuperMap IDesktop 10i 是具备二三维一体化的数据管理与处理、编辑、制图、分析、二三维标绘等功能的桌面端开发软件，支持海图、在线地图服务访问及云端资源协同共享，提供可视化建模，可用于空间数据的生产、加工、分析和行业应用系统快速定制开发；

⑵SuperMap iServer 是基于高性能跨平台GIS 内核、分布式、可扩展的服务器GIS 软件开发平台。他可以提供全功能的GIS 服务发布、管理与聚合能力，并支持多层次的扩展开发。同时，还提供强大的空间大数据、GeoAI 和三维等相关的Web 服务，支持海量的矢量、栅格数据“免切片”发布［9］。

3.3 功能模块

根据削坡建房风险排查的实际需求，本次平台开发在桌面端和网页端中分别设置了不同的功能模块，简介如下：

⑴桌面端。在桌面端中，可按风险点编号实现三维模型的导入和查看；可在模型上直接进行空间数据的量测，包括坡长、坡角、坡底到房屋距离等，相关数据可直接录入系统并保存，自动识别风险等级；利用认定表出具功能，可直接出具满足排查要求的认定表，如图4所示。

图4 桌面端主页面Fig.4 Main Page of Desktop Site

⑵网页端。在网页端中，含大屏展示统计页面，可直观查看全省各地风险点分布情况；在管理页面中可使用全部资料管理功能，包括上传、查看、编辑、出具、下载风险排查认定表、台账、报告等，覆盖削坡建房风险排查整改全流程，规范文档管理，提高工作效率；针对重点关注的个别风险点，可上传相应的三维模型，像桌面端一样进行模型查看和量测，如图5～图8所示。

图5 网页端统计页面Fig.5 Statistics Page of Web Site

图6 网页端三维模型页面Fig.6 3D Model Page of Web Site

图7 网页端数据管理面板Fig.7 Data Management Panel of Web Site

图8 风险点信息编辑页面Fig.8 Risk Point Information Editing Page of Web Site

4 应用前景

⑴该方法可应用于全国各个农村地区的削坡建房风险排查工程中。目前，仅广东省就有约6.5 万户削坡建房风险点，现有方法将极大推动相关工作进度，显著降低成本，并能通过快速的报告出具协助相关部门进行整改决策。第一版系统平台已交付有关方使用，获得高度认可。

⑵该方法对建设工程领域相关科研工作也有重要意义，可作为地质灾害防控研究领域的一种基础手段进行推广，其运用的模型优化和系统开发等智能化手段在建设工程其他研究领域也具有广泛应用前景。

⑶近年来，智慧城市成为城市管理的主流趋势。其依赖的CIM（City Information Modeling）便是以收集多类信息数据为基础，建立起三维城市空间和城市信息的有机综合体［10-12］。与智慧城市类似，未来农村建设也将向智能化、数字化方向迈进，若能持续优化现有工作方法，则可在未来智慧农村建设领域中发挥重要作用。

5 存在问题

现阶段，在取得一定效果的同时，基于物联网和云平台的农村地区削坡建房风险排查方法还存在一些问题有待解决，具体如下：

⑴ 三维模型上云难。由于削坡建房风险点众多，三维模型的数据量级也十分巨大，可达TB以上，这就对网络带宽和电脑显示性能提出了极高要求。在当前网络环境和电脑配置下，全部三维模型上云十分困难，也是该方法亟待解决的首要问题，后续考虑通过轻量化模型、修改系统配置、增加带宽等方式解决。

⑵适用领域需拓展。本文基于无人机航测的工作方法目前较适配削坡建房风险排查，但地质灾害防治还有很多细分领域，所需要的软硬件设备、工作流程和要求也不尽相同。因此，如何持续完善现有方法，不断拓宽应用场景，使之能够成为地质灾害防治领域的通用方法，是在未来研究及应用中需要重点关注的问题。

⑶工作标准待完善。目前，广东省内尚缺乏利用智能化、数字化手段进行地质灾害防治的相关省标或行业标准，无法从根源上规范相关技术和管理流程。若能制定相关标准，则可真正实现有据可依，对该领域的研究及应用起到极大促进作用。

6 结语

针对当前农村地区削坡建房风险点的特点和排查整治工作的要求，本文介绍了一种基于物联网和云平台的工作方法，该方法创造无人机航测的新应用场景、搭建全流程管理的新系统平台，具有专业性强、准确性高、可视性强、功能性广的特点，通过系统开发技术有效提高削坡建房风险排查管理效率，在农村地区地质灾害防治领域有较高的推广应用价值，经济和社会效益显著。

总体上来看，该方法为地质灾害防治提供了新思路、新方法。虽然目前该方法还有一些问题亟待解决，但在建设工程和灾害防治领域整体向智能化和数字化转变的大趋势下，该方法具有较高的研究和应用价值，未来将有广阔的发展空间。