基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

羅 騰,白征東,朱永輝

(清華大學(xué)土木工程系,北京 100084)

0 引 言

眾所周知,我國幅員遼闊、地質(zhì)類型豐富,境內(nèi)包含有滑坡、泥石流、地面沉降等眾多地質(zhì)災(zāi)害類型地區(qū),每年因為地質(zhì)災(zāi)害所造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失十分巨大。因此,我國急需對典型地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)進行研究,建立起地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警示范系統(tǒng),并逐步向全國推廣。國家發(fā)展和改革委員會批準了國土資源部的《基于北斗一號衛(wèi)星系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測示范工程》項目,并委托清華大學(xué)土木工程系地球空間信息研究所負責(zé)該項目的系統(tǒng)總體設(shè)計和軟件開發(fā)。

1 基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)介紹

基于北斗一號的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的主要建設(shè)內(nèi)容為:在全國選擇有代表性的滑坡、崩塌、地面沉降、地應(yīng)力區(qū)作為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測示范區(qū),共四類13個示范區(qū)。項目充分利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的信息傳輸功能,建立三級(地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測總中心、地區(qū)級地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測分中心和野外監(jiān)測站)管理、分布式、模塊化、自動化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測示范系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示,整個系統(tǒng)分成三個層次:

最底層是設(shè)在各省或地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地點的野外監(jiān)測站,負責(zé)采集該監(jiān)測站上各種傳感器獲取的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)集成、編碼、然后通過北斗用戶機發(fā)送給各自的分中心;

第二層是設(shè)在各省或地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測分中心,負責(zé)該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、分析和處理。分中心利用北斗指揮機直接接收所轄監(jiān)測站的數(shù)據(jù)并進行分析、存儲、管理和處理。監(jiān)測數(shù)據(jù)只傳輸?shù)椒种行?并不向總中心發(fā)送,分中心只需按要求定期向總中心匯報工作狀況;

最上層是設(shè)在中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測總中心?？傊行膹谋倍访裼霉芾砥脚_直接獲取該系統(tǒng)內(nèi)各監(jiān)測站設(shè)備工作狀況,并從各分中心了解地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展狀況。

整個系統(tǒng)依托北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的信息傳輸功能,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和指令的傳輸、監(jiān)測站的管理以及分中心的管理。在權(quán)限管理方面,總中心監(jiān)控所有的分中心以及分中心管轄下的各測站,分中心監(jiān)控其管轄下的監(jiān)測站。本系統(tǒng)包含1個監(jiān)測總中心和13個監(jiān)測分中心,因此信息系統(tǒng)包括總中心數(shù)據(jù)管理軟件和分中心數(shù)據(jù)處理軟件。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

2 總中心軟件

2.1 軟件的結(jié)構(gòu)和功能分析

由于整個系統(tǒng)包括四種地質(zhì)災(zāi)害類型示范區(qū),具有眾多特征,如所處地理位置、結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境地質(zhì)條件、監(jiān)測數(shù)據(jù)類型等,而對于監(jiān)測系統(tǒng)而言,管理的最終目標是通過數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,確定示范區(qū)的穩(wěn)定性狀況,以達到預(yù)警作用。因此在進行設(shè)計時,總中心軟件主要包括數(shù)據(jù)的接收、錄入和維護,數(shù)據(jù)的查詢、分析和處理,系統(tǒng)預(yù)警,建立數(shù)據(jù)庫以及為示范區(qū)和監(jiān)測站提供基于位置的GIS服務(wù)等功能。至于其它一些特征,則只在備注文字中根據(jù)需要或詳或略地進行說明。總中心軟件的主要功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總中心軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件的實現(xiàn)

總中心軟件是在Microsoft Windows Server 2008+Oracle 9i+My Eclipse平臺下開發(fā)而成的,客戶端支持Microsoft Windows 2000、XP等系統(tǒng),客戶端需要在IE Explorer 6.0環(huán)境下運行。具體實現(xiàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 總中心軟件主界面

3 分中心軟件

3.1 軟件的結(jié)構(gòu)和功能分析

分中心軟件是集數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)管理、野外監(jiān)測點監(jiān)控等功能為一體的地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測管理軟件。分中心軟件一方面需要實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的實時監(jiān)測,另一方面需要實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、分中心及其下屬監(jiān)測站的信息管理。實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理是分中心軟件的兩大基本需求。分中心軟件以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心,根據(jù)系統(tǒng)實際需求分為系統(tǒng)通信控制、監(jiān)測站管理、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)庫維護四個基本模塊(如圖4所示)。

圖4 分中心軟件系統(tǒng)模塊劃分示意圖

3.2 軟件的實現(xiàn)

分中心軟件是在Windows平臺下采用串口通信、多線程、ORACLE數(shù)據(jù)庫、ADO 、MAPX 控件、TEECHART控件等技術(shù)手段集成開發(fā)而成的,主要實現(xiàn)系統(tǒng)通信控制、監(jiān)測站點管理、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)庫維護等功能;具有簡潔、實用、友好的軟件界面。分中心軟件主要包括接收數(shù)據(jù)、發(fā)送指令、掃描數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)發(fā)送指令四個流程,詳細實現(xiàn)過程如下:

1)首先分中心軟件把接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中,然后根據(jù)一定的規(guī)則對緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)進行處理。如果緩存區(qū)存在數(shù)據(jù),則調(diào)用北斗衛(wèi)星通信解析模塊對其進行解析,在解析正確的前提條件下,判斷接收到的數(shù)據(jù)類型。接收數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖5 接收數(shù)據(jù)流程圖

2)分中心不斷的掃描每個監(jiān)測站的發(fā)送標志位,如果存在某一監(jiān)測站的標志位為1,則說明該監(jiān)測站的北斗用戶終端目前處于開機狀態(tài),能夠接收系統(tǒng)的控制指令,反之,則繼續(xù)掃描系統(tǒng)其它監(jiān)測站的發(fā)送標志位。發(fā)送指令流程如圖6所示。

圖6 發(fā)送指令流程圖

3)分中心軟件按照一定的定時機制掃描數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),一般情況下,每天掃描前三天的數(shù)據(jù),如果發(fā)現(xiàn)某個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)在記錄號上不連續(xù),則把丟失數(shù)據(jù)的記錄號寫入查詢數(shù)據(jù)指令緩存中,直至完成所有監(jiān)測站數(shù)據(jù)的掃描。

(4)分中心軟件判斷是否收到監(jiān)測站發(fā)送的實時數(shù)據(jù),如果收到,則表明該監(jiān)測站處于工作狀態(tài),可以接收指令,并且會在系統(tǒng)可以預(yù)見的時間內(nèi)(延時時間)關(guān)閉北斗用戶終端,此時,設(shè)置該監(jiān)測站的發(fā)送標志位為1,同時啟動一個等待定時器,等待的時長為監(jiān)測站的延時時間,判斷等待定時器是否到時,如果到時,表明監(jiān)測站的北斗用戶終端已經(jīng)關(guān)機,此時設(shè)置該監(jiān)測站的發(fā)送標志位為0。

4 結(jié) 論

本項目的目標是在傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上,利用“北斗一號”衛(wèi)星系統(tǒng)作為信息傳輸系統(tǒng),選擇有代表性的典型滑坡、崩塌和地面沉降區(qū)作為示范區(qū),建立我國滑坡、崩塌和地面沉降實時監(jiān)測系統(tǒng),提高對重點地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測效率和預(yù)警能力。而總中心和分中心軟件就是對整個系統(tǒng)中野外監(jiān)測站所采集到的數(shù)據(jù)進行收發(fā)、存儲、管理、顯示、分析和處理等操作。它們是整個示范工程的運行平臺,是整個項目的核心和樞紐,它使得地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測管理變得更加實時和高效。目前,整個項目已經(jīng)通過驗收,兩部分軟件已經(jīng)在監(jiān)測總中心和各監(jiān)測分中心安裝使用,運行情況良好。

[1]地質(zhì)災(zāi)害普查與災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測防治新技術(shù)新標準應(yīng)用寶典[M].北京:中國科學(xué)文化音像出版社,2006.

[2]趙 宇.雅安峽口滑坡力學(xué)分析及災(zāi)害模式預(yù)測[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2001,9(2):188-193.

[3]過靜珺,李冬航,周百勝,丁志剛,肖 健.四川雅安滑坡自動化遠程監(jiān)測系統(tǒng)示范工程[J].測繪通報,2006(4):54-57.

[4]張春山,吳滿路,謬椿庭,等.西藏羊八井-康馬地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力測量結(jié)果與應(yīng)力狀態(tài)分析[J].地球物理學(xué)報,2007,50(2):517-522.

[5]韓 波.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[J].中國計量,2004(3):22-23.

[6]求是科技.Visual C++6.0數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)與工程實踐[M].人民郵電出版社,2004.