摘 要： 研究了國(guó)內(nèi)外有關(guān)滑坡監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)，以全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)這三大主流技術(shù)為依托，結(jié)合嵌入式技術(shù)，提出了滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的組建方案，并對(duì)其進(jìn)行較為深入的研究，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡的遙測(cè)功能。
關(guān)鍵詞： 滑坡; 全球定位系統(tǒng); 通信; 采集; 電源
我國(guó)幅員遼闊,地質(zhì)地貌復(fù)雜，同時(shí)也是由于復(fù)雜的地質(zhì)地貌條件使得我國(guó)成為世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多的國(guó)家之一。日趨嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，直接危害著人民的生命財(cái)產(chǎn)，影響我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。大量滑坡的存在，迫切要求有一種成本低、易推廣和有效的監(jiān)測(cè)手段對(duì)于這些潛在或是正在滑動(dòng)的滑坡體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，以避免當(dāng)大面積滑坡產(chǎn)生時(shí)所造成的難以預(yù)料的巨大損失。這也是保護(hù)地質(zhì)環(huán)境，防治地質(zhì)災(zāi)害，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)人民群眾的根本利益的需要。
1 研究動(dòng)態(tài)
人們用于滑坡形變監(jiān)測(cè)的手段，隨著科技的進(jìn)步而不斷地處于更新之中。最原始的方法是通過(guò)查看滑坡區(qū)哪里出現(xiàn)了裂縫、塌陷或冒水等跡象。后來(lái)，人們?cè)诨麦w開挖豎井及平槽，埋設(shè)伸縮儀，布設(shè)引張線、正倒垂線、靜力水準(zhǔn)等觀測(cè)設(shè)施。在地表面，常規(guī)的大地測(cè)量方法作為一種準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)手段,也得到廣泛的應(yīng)用，例如：邊角監(jiān)測(cè)網(wǎng)，精密幾何水準(zhǔn)測(cè)量等[1]。
自上世紀(jì)90年代初開始，GPS的出現(xiàn)為滑坡監(jiān)測(cè)，乃至整個(gè)形變監(jiān)測(cè)提供了新的手段，因?yàn)樗邆涑Ｒ?guī)測(cè)量所不具備的優(yōu)越性，諸如：不要求視線通視、不受測(cè)區(qū)環(huán)境限制、效率高等優(yōu)勢(shì)[2]。GPS的出現(xiàn)使得工程測(cè)量有了一個(gè)大的飛躍，滑坡監(jiān)測(cè)也隨之走入高精度、數(shù)字化、全天候的新階段。GPS在滑坡監(jiān)測(cè)中日益顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。
隨著GPS 接收機(jī)硬件性能和軟件處理技術(shù)的提高,GPS 精密定位技術(shù)已在大地測(cè)量、地殼形變監(jiān)測(cè)、精密工程測(cè)量等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和普及。目前,采用GPS 定位技術(shù)進(jìn)行精密測(cè)量,平差后控制點(diǎn)的平面位置精度可以達(dá)到±(1～2) mm ,高程精度為±(2～3) mm。研究結(jié)果表明,采用性能優(yōu)良的接收機(jī)和優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理軟件,在采取一定的措施后,GPS能在短時(shí)間(幾十分鐘) 內(nèi)以足夠的靈敏度探測(cè)出變形體平面位移毫米級(jí)水平的變形。
2 系統(tǒng)構(gòu)建
2.1 指導(dǎo)思想
崩塌、滑坡監(jiān)測(cè)的主要目的是：具體了解和掌握崩、滑體的演變過(guò)程，及時(shí)捕捉崩滑災(zāi)害的特征信息，為崩塌及滑坡的正確評(píng)價(jià)分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及治理工程等提供可靠的資料和科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果也是檢驗(yàn)崩塌、滑坡分析評(píng)價(jià)及滑坡工程治理效果的尺度。為了達(dá)到上述目的，滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想是：形成點(diǎn)、線、面三維空間的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和警報(bào)系統(tǒng)，有效地監(jiān)測(cè)崩、滑體動(dòng)態(tài)變化及其發(fā)展趨勢(shì)，具體了解和掌握其演變過(guò)程，及時(shí)捕捉崩滑災(zāi)害的特征信息，預(yù)報(bào)崩滑險(xiǎn)情，防災(zāi)于未然。同時(shí)，為崩滑體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治提供可靠依據(jù)。
2.2 方案構(gòu)建
對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)不具備比較好的監(jiān)測(cè)條件的滑坡地點(diǎn)，如高速公路沿線、鐵路沿線，乃至三峽庫(kù)區(qū)眾多滑坡體的形變監(jiān)測(cè)，其情形是：各觀測(cè)點(diǎn)位于野外荒坡，無(wú)電源；地形復(fù)雜，無(wú)法敷設(shè)有線通信線路；地處偏僻，需無(wú)人職守；監(jiān)測(cè)面大，資金有限，無(wú)法采用昂貴的進(jìn)口GPS接收機(jī)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能突發(fā)山體垮塌，造成監(jiān)測(cè)設(shè)備損毀，造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員傷亡等。
針對(duì)上述特點(diǎn)，本文提出將3S（GPS、GIS、GPRS）技術(shù)和滑坡變形機(jī)理與穩(wěn)定性研究相結(jié)合，方便正確評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定程度，認(rèn)識(shí)其破壞機(jī)理與過(guò)程。運(yùn)用3S技術(shù)，構(gòu)建一套性能好、精度高、造價(jià)低、自動(dòng)化程度高、易于安裝、利于大面積布網(wǎng)、利于推廣的實(shí)時(shí)滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行水平位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)以及主要誘因降雨量的監(jiān)測(cè)。可以了解滑坡的滑動(dòng)動(dòng)態(tài)，掌握滑動(dòng)過(guò)程中的宏觀特征，進(jìn)一步確定滑坡滑動(dòng)的位移矢量分布，從而研究滑動(dòng)機(jī)理，判別臨滑前兆，及時(shí)提供災(zāi)害預(yù)警。
通過(guò)研究，本文提出了如圖1所示的結(jié)構(gòu)方案。它主要由5部分組成：協(xié)同決策系統(tǒng)、滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)。其中協(xié)同決策系統(tǒng)主要由GIS功能子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和文件管理系統(tǒng)幾部分組成。
系統(tǒng)由若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，采集GPS定位信息及降雨量信息，同時(shí)進(jìn)行電源管理、防盜報(bào)警、崩塌報(bào)警等。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與控制中心的分析系統(tǒng)以及管理決策中心的決策系統(tǒng)建立無(wú)線連接，組成樹狀無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)組網(wǎng)硬件圖如圖2所示?？刂浦行膶⒔邮盏降男畔⑦M(jìn)行處理，綜合判斷滑坡體當(dāng)前的狀態(tài)。技術(shù)人員根據(jù)已有的軟件進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)未來(lái)滑坡體在受到可能導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的事件（降雨、山體崩塌）產(chǎn)生后，山體是否會(huì)發(fā)生災(zāi)害性滑坡?？刂浦行呐溆邢鄳?yīng)的報(bào)警裝置，方便維護(hù)人員啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。管理決策中心通過(guò)協(xié)同決策系統(tǒng)，在科學(xué)建議的基礎(chǔ)上，與決策部門共同研究，并由專家提出滑坡防治的建議、給出應(yīng)急預(yù)案、預(yù)測(cè)可能發(fā)生的后果，決策部門依此所掌握的資源給出防治預(yù)案。管理決策中心一般是對(duì)一個(gè)地區(qū)（例如三峽庫(kù)區(qū)）滑坡體的宏觀總體滑動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)控。在決策中心，它一般基于滑坡GIS（地理信息系統(tǒng)）平臺(tái)，并配備大屏幕墻面顯示，系統(tǒng)分析決策軟件等。
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器由太陽(yáng)能電池加鉛酸蓄電池組成的電源系統(tǒng)供電。由于考慮到儀器安全問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)裝有紅外報(bào)警傳感器和圖像傳感器。由紅外傳感器監(jiān)測(cè)非法闖入，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)圖像傳輸，記錄現(xiàn)場(chǎng)情況?，F(xiàn)場(chǎng)安裝圖像傳感器另一個(gè)作用是使管理決策中心能隨時(shí)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)況。
2.3 硬件設(shè)計(jì)
滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙測(cè)系統(tǒng)硬件分為采集終端、控制中心和管理決策中心三個(gè)部分。控制中心和決策中心硬件平臺(tái)是基于計(jì)算機(jī)的，這里主要論述采集終端的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.3.1 ARM處理器
數(shù)據(jù)采集終端安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)GPS數(shù)據(jù)的采集、降雨量數(shù)據(jù)的采集、電源管理、防盜報(bào)警、崩塌報(bào)警等功能，它基于ARM嵌入式平臺(tái)，ARM處理器采用Philips公司的LPC2138芯片，該芯片為ARM7處理器，其豐富的片上資源以及優(yōu)良的性能為本系統(tǒng)提供了可靠的嵌入式解決方案。
在眾多嵌入式操作系統(tǒng)中，由于?滋C/OS-II操作系統(tǒng)具有代碼小、易于移植、可裁剪、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)的要求。本文選用?滋C/OS-II作為嵌入ARM處理器的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集終端在操作系統(tǒng)的支持下，完成對(duì)相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。
2.3.2 GPS模塊
GPS接收模塊由GPS天線單元和GPS接收機(jī)單元組成，它是GPS系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。采用GPS觀測(cè)是滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要手段和特點(diǎn)，而基于GPS系統(tǒng)所形成的差分解算的算法以及在觀測(cè)中由于GPS系統(tǒng)產(chǎn)生的各種誤差等問(wèn)題，都直接影響滑坡監(jiān)測(cè)精度。本系統(tǒng)采用Motorola公司生產(chǎn)的VP Oncore OEM 測(cè)量型單頻接收機(jī)，它只能接收L1波段衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)具有位置信息和載波相位信息輸出。單點(diǎn)定位精度與導(dǎo)航型相當(dāng)，但可用于載波相位差分測(cè)量，用后差分處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)定位。本系統(tǒng)采用單頻測(cè)量型GPS與載波相位觀測(cè)和差分解算相結(jié)合的手段，可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡位移全天候、長(zhǎng)時(shí)間的精確觀測(cè)。GPS天線采用了浙江中裕的ZY-C-4型單頻測(cè)量型GPS天線。
ARM處理器利用VP命令通過(guò)串口控制GPS接收機(jī)的工作。GPS數(shù)據(jù)的采集是在事先設(shè)定的時(shí)段內(nèi)自動(dòng)完成的。
2.3.3 GPRS模塊
通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service),是一種以全球手機(jī)系統(tǒng)(GSM)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),是GSM 的延續(xù),是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù),目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[3-4]。GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議,使得GPRS能提供Internet和其他分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無(wú)線接入。
本文選用Sony Ericsson公司的GR47 GPRS模塊,GR47獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)是[5]:傳輸大量數(shù)據(jù)并始終保持連接,根據(jù)筆者在不同地區(qū)的測(cè)試,掉線幾率是同類模塊最小的；本身具有TCP/IP協(xié)議棧功能,還可以開放內(nèi)部CPU 資源,同時(shí)擁有所有M2M通信必需的功能。GPRS無(wú)線鏈路組成如圖4所示。
微處理器LPC2138通過(guò)串口將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS的數(shù)據(jù)傳送終端,控制著GR47登錄GPRS網(wǎng)關(guān)(GGSN)并獲得動(dòng)態(tài)分配的IP地址。這樣,微處理器向GGSN發(fā)送的數(shù)據(jù)就會(huì)被傳送給Internet網(wǎng)中相應(yīng)的IP地址，從而完成數(shù)據(jù)采集模塊到遠(yuǎn)程主機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)到達(dá)指定的Internet地點(diǎn)之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。
2.3.4 接口模塊
接口模塊主要有崩塌傳感器、圖像傳感器、雨量傳感器和紅外傳感器。崩塌傳感器使終端可以監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近大片區(qū)域內(nèi)的崩塌信息。其內(nèi)部為具有固定臨界傾斜角度的水銀開關(guān)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況使用多個(gè)串聯(lián)連接，開關(guān)量監(jiān)測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)光電隔離接口與主控模塊連接。圖像傳感器采用μPD3575D，它是NEC公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低暗電流、1 024像元的內(nèi)置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器。由于本系統(tǒng)是架設(shè)在野外，無(wú)人職守，為了防止系統(tǒng)被盜或者造成破壞，所以防盜報(bào)警成為一個(gè)需要解決的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用深圳浩博特信息有限公司的708-2B紅外人體感應(yīng)模塊作為防盜監(jiān)測(cè)傳感器,結(jié)合圖像傳輸系統(tǒng)，達(dá)到防盜監(jiān)測(cè)的目的。雨量傳感器采用雙翻斗式雨量計(jì)，其工作原理為:當(dāng)累計(jì)有0.1 mm降雨量時(shí)，傳感器會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。觸發(fā)ARM處理器產(chǎn)生記數(shù)中斷，從而得到單位時(shí)間內(nèi)的降雨量。
2.3.5 電源系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集終端工作在野外，大多數(shù)地處偏僻，供電條件很差，所以必須對(duì)其供電系統(tǒng)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，以保證數(shù)據(jù)采集器可靠地工作。本文采用太陽(yáng)能電池浮充鉛酸蓄電池的方式對(duì)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行供電。電源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由一個(gè)控制中心(計(jì)算機(jī))和多個(gè)分布在不同測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)能電源系統(tǒng)組成。控制中心通過(guò)GPRS無(wú)線鏈路，能監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的電源供電狀況，對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主要包括太陽(yáng)能電池板、電池充電電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、電池電量監(jiān)測(cè)電路以及無(wú)線通信電路5個(gè)部分組成，電源系統(tǒng)組成如圖5所示。
2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.4.1 控制中心
控制中心PC機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件包括GPRS通信部分、GPS差分解算部分、監(jiān)測(cè)結(jié)果圖形顯示部分以及菜單界面等。軟件采用面向?qū)ο螅∣OP）的高級(jí)編程語(yǔ)言Visual C++為編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面和動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖形顯示。觀測(cè)結(jié)果存放采用后臺(tái)Access數(shù)據(jù)庫(kù)，并具有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、位移超限報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警、非法闖入報(bào)警等功能?？刂浦行能浖?shù)據(jù)流程如圖6所示。
2.4.2管理決策中心
目前地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息管理具有如下特點(diǎn)及問(wèn)題：
(1)除部分遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，其他如單期GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果普遍采用人工錄入，地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)多以圖紙、文字記錄等紙面形式存在；
(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈離散關(guān)系，難以體現(xiàn)內(nèi)在聯(lián)系；
(3)不利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理、查詢和分析；
(4)很難從時(shí)間上體現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)；
(5)很難及時(shí)為政府部門提供防災(zāi)減災(zāi)決策依據(jù)。
為解決上述問(wèn)題，本文提出滑坡地質(zhì)災(zāi)害協(xié)同決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
滑坡地質(zhì)災(zāi)害協(xié)同決策系統(tǒng)利用PC機(jī)為硬件開發(fā)平臺(tái)，建立一個(gè)滑坡地質(zhì)災(zāi)害地理信息系統(tǒng)，它是一個(gè)能夠有效管理各種三維空間(地理坐標(biāo)和時(shí)間變化) 數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)。它以崩滑體等監(jiān)測(cè)對(duì)象為基礎(chǔ)，把地形、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布等空間數(shù)據(jù)，按其空間位置存入計(jì)算機(jī)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊與曲線顯示模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、更新、查詢、趨勢(shì)性分析、繪圖顯示及輸出等功能。
地理信息系統(tǒng)以MapX為基本開發(fā)平臺(tái)，以Visual C++6.0為用戶開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行滑坡地質(zhì)災(zāi)害地理信息系統(tǒng)的開發(fā)。
MapX是MapInfo公司開發(fā)的能向用戶提供強(qiáng)大地圖分析功能的ActiveX控件產(chǎn)品。它支持絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)可視化開發(fā)環(huán)境，如Visual Basic、Visual C++、Delphi等。MapX具有顯示MapInfo格式的數(shù)字地圖、簡(jiǎn)單的地理查詢、數(shù)據(jù)綁定等功能，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)綁定，可以將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)制成專題圖或在地圖上查詢數(shù)據(jù)，以及通過(guò)SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的查詢。使用MapX開發(fā)圖形化軟件時(shí)具有開發(fā)周期短、圖形功能強(qiáng)、程序運(yùn)行穩(wěn)定、容易掌握等特點(diǎn)。
GPS進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)是一種實(shí)用有效方法，國(guó)內(nèi)外有許多應(yīng)用實(shí)例，均取得了良好效果。系統(tǒng)建成后，將具有自動(dòng)遙測(cè)、無(wú)人值守、無(wú)障礙設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程遙測(cè)、低成本等特點(diǎn)。隨著GPS定位技術(shù)的不斷發(fā)展，儀器功能增強(qiáng)和完善，價(jià)格進(jìn)一步降低，各種解算模型更加完善，相信本系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
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