[组图]基于物联网的地质灾害自动监测系统应用与探讨
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基于物联网的地质灾害自动监测系统应用与探讨

作者:何小明    学术文章来源:广西壮族自治区地质灾害预警预报中心    点击数:    更新时间:2015/12/30

摘要:随着我国对地质灾害防治技术的不断研究,加上传感器技术、无线通信技术、大规模集成电路技术、大数据技术等物联网相关技术的不断发展,基于物联网的地质灾害监测预警得以应用,并使该行业应用有了长足的发展趋势。但是我们还应认识到地质灾害自动监测预警工作还处于探索阶段,还需我们不断努力。

关键词物联网     自动监测地质灾害

1 背景和意义

当今计算机科学技术发展趋势就是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中,智能传感器、嵌入式、计算机、互联网、物联网、通信、云计算、大数据等现代电子信息技术将加速相互融合,为公众提供更加便利、安全的生产生活环境。尤其是物联网技术在国家各个领域取得了全面进展,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、地质灾害监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

随着社会发展、进步和国家相关部门的重视,物联网技术在地质灾害监测行业呈现出了良好的发展势头,拥有了广阔的应用前景。应用智能感应器嵌入和装备在所要监测的土体或岩体中,对滑坡、崩塌、泥石流等几种灾害的潜在灾变体在时空域的变形信息和诱发因素信息进行实时监测,然后将形成的立体地质灾害多参数的“物联网”与现有的互联网整合起来,实现物与物、人与物的整合。这个整合的网络当中,能力超级强大的中心计算机群,对整合网络内的人员、机器、设备、智能传感器、和基础设施实施实时的管理和控制。实现地质灾害防治管理的科学化、信息化、标准化和可视化,为防灾减灾决策提供准确的科学依据,为地质灾害防治工作质量、效率和管理水平的提高奠定基础。防灾减灾的管理人员和专家进行更加精细和动态的方式管理和决策,达到“智慧”状态,提高资源利用率和防灾减灾的水平,第一时间保障人民群众的生命和财产安全。

2我国地质灾害监测系统发展现状及存在的问题

目前,国际上一些发达国家减灾防灾工作分为三部分:监测预警、工程治理和风险管理。以城镇安全为核心,实施合理的灾害防护工程,运用科学的风险管理策略实现全流域的防灾减灾工作,具体包括:

①易致灾地区调查与评估。

②建构基于物联网技术全流域智能监测网。

③根据实际情况实施灾害防护工程。

④提升警戒预报及应变机制。

⑤建构整合型防灾信息平台。

⑥强化人民群众自主防灾主动意识。

点—线—面结合,由聚落延伸至致灾源头,以全流域概念进行防灾监测。同时整合其他相关部门数据,譬如气象、水文数据、地下水数据及其他部门( 道路、桥梁)监测数据信息。根据地质灾害研究的成果和经验积累,不断调降重大灾害隐患点警戒基准值,加强复合型灾害诱发因子调查,实现整个防灾减灾工作的动态管理。

在我国地质灾害防治方面,广大工程技术人员积累了大量经验,建立了许多防护工程防治措施,并取得了良好效果。由于地质灾害本身的复杂性、随机性、区域差异性和多发性,造成地质灾害隐患及险情严重,防治形势依然十分严峻。目前我国很多地质灾害监测体系主要采用群测群防、人工手动监测的方法,虽然发挥了很大作用,但其缺点也是明显的,主要是:人工监测、观测周期长、需要人员多、反应速度慢、数据准确性差且无积累,无法满足相关部门的需求和保障人民群众生命财产安全。

对比国内外的地质灾害监测行业发展现状,不难发现国内在发展模式上的弊病,没有在应用的结合点上具有核心技术的产品,信息标准不统一和技术不成熟。最为尴尬的是,国内有一些的是示范工程和项目,仅仅停留在试验和演示阶段而没有能够形成产业的应用项目。其作业模式已远不能适应现代化信息持续发展的需要,产品质量不稳定,监测手段落后且浪费严重,现有的监测方案暴露出越来越多的问题使地质灾害监测的发展陷入不良循环,开展地质灾害自动监测预警系统建设,并开展相应的智能化自动监测预警工作已十分必要、迫在眉睫。

3物联网优势

物联网相对于传统的监测技术在整体系统成本方面具有巨大的优势。首先随着物联网技术的在地质灾害监测行业的应用研究和产品开发,新技术的引入,必将改变原本靠人工现场采集,供电和数据传输有线方式等费时费力费财力的局面。大规模集成电路一体化监测设备、太阳能供电系统、数据的无线传输系统,数据自动采集系统等先进技术的采用。在提高整个地质灾害监测系统准确性、可靠性、稳定性的同时,大大的降低了整个系统的建设和运行的成本。同时地质灾害智能监测系统的大规模推广应用,基于物联网的智能监测系统必将从概念化转化为产业化,促进相关应用领域研究和产品开发,随着整个产业规模的扩大,必将进一步促进相关产品的单位成本的降低。

4基于物联网地质灾害自动监测系统目标

物联网技术为地质灾害防灾减灾的发展提供了一条光明之路,它是一项综合性很强的系统工程,是实现低耗、高效、优质、及时,是地质灾害监测技术发展的新趋势,也是我们的最佳选择。地质灾害自动监测系统需要实现以下两个目标。

4.1 建立地质灾害无线监测网络,对地质灾害发生、发展过程进行全面监测

地质灾害自动监测系统在开展拟监测区域地质灾害调查,勘查的基础上,综合运用多种地质灾害监测手段,实时监测降雨量、表面位移、土壤含水率、泥位、视频、GPS、地下水水位、深部位移、土压力、地声、次声等物理量参数,及时捕捉滑坡、泥石流灾害变形特征信息,为滑坡、泥石流的正确分析评价、辅助决策、预报预警及治理工程等提供可靠资料和参数依据。

4.2构建基于物联网的地质灾害自动监测系统平台,实现监测数据从采集到传输、汇集、存储、查询、展示、预警的标准化和网络化管理

地质灾害自动监测系统中布置于各个隐患点的传感器设备实时监测各种灾害参数的实时数据;通信传输系统作为现场监测站与监测中心建立通信联系,上传各监测参数的数据与设备状态信息和下发用户终端的指令;监测中心不仅与野外各监测站之间的相互联动,且监测站之间亦可区域联动。系统可根据事先拟定的监测策略,当某一监测参数超过预警阀值时,区域内的相关监测站可以自动开始进行联动监测,为专家提供全面的决策依据。相关管理部门或移动办公用户可通过监测预警平台实现对监测数据的计算分析、现场显示、查询、预警等功能,实施监控重点监测区域现场情况,及时的进行现场预警。

5研究内容

5.1 系统架构

地质灾害自动监测系统主要由各监测参数设置的一体化监测设备、现地通信网络、监测中心等三部分组成。

其中各种监测参数的一体化监测设备是整个系统架构的基础,用来测量各个监测参数的实时监测数据;现地通信设备作为现场各监测参数测量网络的组织者除组建现地测量网之外,还与用户的监测中心及监测数据汇集平台建立通信联系,上传各监测参数的监测数据与设备状态信息并下发用户终端的指令;监测中心及监测与数据汇集平台接收各地监测站设备采集上来的数据并通过网络发送给获得授权认证的用户,并让其操作现场监测设备。其系统架构图如下:

地质灾害自动监测系统架构图

5.2 系统数据流程

系统数据流程可分为数据的采集、空间数据传输、计算机软件处理三个阶段。系统设置支持并留有国家监测预警中心接口,为保证数据传输的可靠性,提高数据畅通率,在预警预报中心采用GPRS+短信的主备信道传输,避免因单一信道故障导致系统通讯中断。数据到达中心通讯计算机后,首先由通讯程序接收数据,通讯程序负责对数据包进行拆包、解码,对数据进行纠检错处理,这一过程减少了数据的误码率、提高了数据完整率。可实现数据共享和动态数据服务。具体涉及:遥感影像或相关图像的处理与分析:包括高分辨率的遥感影像及其它以图像方式提供的各类数据;地质灾害隐患点的空间模型:包括对象、变形因素、环境因素、相关因素、网络和拓朴关系等;属性信息管理:即动、静态数据管理;空间分析:包括缓冲区、测量、等值线及地统计分析与图表等;应用程序:包括服务器和客户端程序,以实现平台的系统功能;其它附属功能:统计分析等。

5.3地质灾害监测预警中心平台

监测预警中心平台是地质灾害自动监测系统的信息汇集中心、存储中心、分析中心、指挥中心、预警及发布中心。同时还应可以兼容当今监测领域内绝大部分技术标准、软件及设备,业务上可支持多种方式的接入,实现毫秒级接收数据,支持多种通讯方式多通道并发,采用自定义协议进行数据传输。模块内部的业务流程由接收、校验、解析、存储组成,同时加入了与终端设备、数据采集管理子系统、监测预警系统的对接流程。为了更方便管理系统还支持自动流程,远程控制设备等功能。同时可对现有资料和系统进行整合升级,形成一套实时动态、技术先进的地质灾害监测预警系统。

其中外部网络以基于IP网络技术、提供GPRS/SMS/北斗卫星等多种通信方式传输数据,且提供主备通信信道。结合地质灾害诱发因素监测数据,完成数据的接收、存储、查询、展示、统计、分析、报表、告警、辅助决策等功能,中心可以通过手机、无线广播、显示屏预警等多种手段通知受灾害威胁地区的人民群众。实现地质灾害防治区监测数据信息以及其它部门的相关信息、信息查询、信息分析、地质灾害预报辅助决策、预警等服务。

5.4地质灾害预警策略及方法

如何针对灾害体的边界条件、规模、滑动方向、失稳成因等灾害体隐患特征,选择合适的监测技术、方法,确定理想的监测方案,是一个值得不断探索的课题。应通过比较各种方案,使监测工作做到既经济安全,又实用可靠,避免单方面追求高精度、自动化、多参数而脱离工程实际的监测方案。在选择监测技术方法时,尽量做到宁可少而精,勿要大而全,以适合我国国情。不仅监测数据的来源,每个灾害体都需要长期的地质灾害调查勘测等,为灾害体正确分析评价、预警预报及治理等提供可靠资料和科学依据。同时,监测结果也可以检验灾害分析评价及掌握治理工程效果的尺度,预警阀值的不断修订,逐步掌握其变形特征及规律,为减轻灾害损失提供更加准确的监测数据。传统的地质灾害监测预警由于经济和技术方面的限制,采用人工巡视观测,铜锣,喇叭预警等手段已经远远跟不上时代发展,必须引进新的技术,譬如,无线预警显示终端,无线预警广播、短信群发等的多手段预警方式,及时的把预警信息发送到受灾害威胁的群众、相关人员和单位。

6典型的应用

广西地处山地丘陵盆地地貌地区,滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害常有发生,其灾害的发生具有点多、面广、线长等特点,在有限的资源(人力、物力、财力)条件下防护治理非常困难甚至防不胜防,成为威胁广大人民群众生命财产安全的重要因素之一。

广西地质灾害自动监测系统示范工程由广西壮族自治区地质灾害预警预报中心从2009-2013年共历经四期工程建设完成。在广西全境布设400多个重点灾害隐患监测点,初步形成覆盖区内重点地质灾害易发点坡面、泥石流沟自动监测预警网络。该项目在充分理解物联网技术和地质灾害监测行业特点基础上,采用先进设计理念和开发技术生产的专业一体化监测传感设备和监测中心软件系统。例如在本项目应用的表面位移和泥(水)位监测使用当今先进的激光位移和物位监测技术,该技术具有测量精度高,受周边环境影响小,工作可靠、便于安装、防破坏等优点;土壤含水率采用国际最先进的全密封、多深度、防水管式一体化结构设计传感器监测技术,该技术相比传统的针式传感器监测具有测量精度高、不破坏土壤结构、受周边环境影响小、工作可靠、安装维护方便等优点;选用的一体化视频自动监控站采用动态视频拍照,具有红外夜视功能,使用GPRS通讯方式进行图片传输,该技术相比传统的方式具有选点范围广、通信费用低、不受通信和供电限制、安装简单、维护方便等特点。监测区域布设各种专业的监测设备,对滑坡体内部和气象水文环境等重要地质灾害诱发因素的数据进行监测,形成立体多参数的地质灾害自动监测网络。对降雨量、表面位移、土壤含水率、泥位、视频、地下水水位、深部位移、土压力、地声、次声等参数进行实时数据自动采集,通过GPRS/SMS/3G/北斗卫星等传输到监测中心的数据汇集管理云平台,完成海量数据的接收、存储、处理、查询、展示、统计、分析、报表、告警、辅助决策等功能,监测中心通过手机、无线广播、显示屏预警等多种手段通知受灾害威胁地区的人民群众。实现信息管理、群测群防、专家决策、预警预报、应急响应和指挥为核心的多手段监测预警解决方案。

监测系统成果如下图:

 











 

7加强地质灾害自动监测系统物联网应用的建议

在国家和相关部门的重视下,虽然近几年基于物联网的地质灾害自动监测系统应用有了长足快速的增长,但普遍水平居于低端水平或大部分引自于国外的成熟技术与产品,严重制约着该产业的长足快速发展。

物联网作为我国促进信息管理战略的重要组成部分,要想让物联网技术更好的发挥其技术特点,应尽快的促进地质灾害监测行业与物联网的进行融合,同时兼具数据的准确性和安全性。相关的政府部门要克服心理障碍,不要有急功近利的思想,不要因为要怕承担责任,而对地质灾害自动监测系统的建设进行抵触。地质灾害监测预警行业在全球范围内也是属于比较高新的行业,我国发展时间也比较晚。我们只有在科学论证的基础上,根据我国地质灾害行业的特点,不断丰富自己的知识和手段,借鉴世界先进技术,加强引导,鼓励科研机构、企业开发和运用拥有核心知识产权的技术,积极的进行地质灾害监测预警系统的建设。

发展物联网自然离不开良好的政策环境,政府各有关部门还必须针对存在的问题,尽快制出台相关配套制度与支持政策,鼓励有条件研究机构、大学、企业进行产学研的结合,在把拥有自主知识产权开发的硬件设备和软件系统推向全国示范应用,推动全国地质灾害防灾减灾领域物联网的产业化发展。

具体措施为:

一是根据地质灾害行业的特点,加强技术引导,鼓励科研机构、企业开发和运用我国拥有核心知识产权的技术。

二是加快具有自主知识产权技术的产业化和推广应用。鼓励企业建立产学研用相结合的产业技术创新战略联盟。加快提高我国相关企业和科研机构的物联网软件及硬件的自主研发能力,在智能传感、嵌入式、多手段传输方式、智能存储、分析应用、海量数据处理等方面技术的寻求突破。

三是地质灾害监测系统,不单是监测设备的建设,还必须注重后期的数据积累的工作,为以后海量数据分析研究和预警提供坚实的基础。

四是市场支持。根据地质灾害防治行业的特点,中央预算内投资项目优先选择具有自主研发能力和知识产权国内的优质企业和产品。

五是实施税收优惠。继续实行对软件产品的增值税优惠政策,对符合条件的企业分别给予营业税和所得税优惠。

8结束语

通过广西地质灾害自动监测预警系统的四期建设和运行情况看,基于物联网技术在地质灾害自动监测预警的应用是有效的。

信息技术的日新月异,催生数字化、网络化、智能化的新应用不断涌现,产业的边界将日益模糊,在工艺设计领域趋于实现人与信息的充分完美结合。我们政府部门在此期间必须保持不断的革新、变革能力,紧跟时代的步伐,坚持执政为民的理念,积极引导物联网技术的产业应用。未来物联网技术在地质灾害监测预警行业的发展必将带来一场我国灾害管理、政府执政水平的革命,并产生巨大的经济效益与社会效应。

参考文献

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作者简介:何小明,男,大学文化,水工环地质高级工程师。从事水文地质、工程地质及环境地质技术和管理工作30余年,擅长数学地质和新技术新方法在水工环地质工作中的应用;在地质环境信息化建设领域有较高的理论水平和丰富的实践经验;在国内地质灾害防治工作的行业中也具有较强的创新理念;主持和参与过大中型项目10多项,其中的“广西地质灾害自动监测预警系统”成为目前国内规模最大,内容最全,信息化程度最高的地质灾害自动监测预警系统。

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