基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

馮童 綦亮 盛有錫 劉翥 梁琴琴 楊法東 李敏

摘要：以某地區(qū)建立的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)為例介紹了物聯(lián)網(wǎng)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用。系統(tǒng)根據(jù)該地區(qū)歷史地災(zāi)發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、降雨觀測分析資料等歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合該地區(qū)地災(zāi)易發(fā)程度分區(qū)制定了地災(zāi)發(fā)生的閾值，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測的降雨量與位移數(shù)值對比閾值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，超閾值及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，提高了相關(guān)部門地質(zhì)災(zāi)害防治工作的行政效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；地理信息系統(tǒng)；地質(zhì)災(zāi)害；預(yù)警等級

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）26-0198-04

Abstract： The application of Internet of things and geographic information system technology in geological hazards is described with the example of a geological hazard risk warning and forecasting system established in a certain area. Based on the time， location， and rainfall observation and analysis data of historical hazards in this region， the system developed a threshold for the occurrence of hazard in combination with the map of geological hazard susceptibility degree division， and used real-time monitoring values of rainfall and displacement to compare、count 、analyze，and then release warning information timely. The application improves the administrative efficiency of the relevant departments in the prevention and control of geological disasters.

Key words： Internet of Things； Geographic Information System（GIS）； geological hazards； warning Level

1 概述

地質(zhì)災(zāi)害（以下簡稱地災(zāi)）是在地球內(nèi)動力、外動力或人為地質(zhì)動力作用下，地球發(fā)生異常能量釋放、物質(zhì)運(yùn)動、巖土體變形位移以及環(huán)境異常變化等的現(xiàn)象或過程，嚴(yán)重危害著人類生命財(cái)產(chǎn)、生活與經(jīng)濟(jì)活動，破壞人類賴以生存與發(fā)展的資源、環(huán)境。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)對減少地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失十分重要，越來越受到政府部門和社會各界的重視。

由于本研究區(qū)地質(zhì)主要類型為崩塌、滑坡和泥石流，其致災(zāi)因子主要是降水，因此本研究采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測手段，通過對地災(zāi)點(diǎn)現(xiàn)場調(diào)查、測繪和勘察，選擇地災(zāi)監(jiān)測設(shè)備安裝點(diǎn)位，傳感器動態(tài)采集研究區(qū)內(nèi)地災(zāi)隱患點(diǎn)位移、降雨量的實(shí)時(shí)變化情況，通過無線網(wǎng)卡上傳到數(shù)據(jù)庫；同時(shí)，建立短時(shí)（臨近）氣象預(yù)報(bào)預(yù)警模型與B/S架構(gòu)軟件系統(tǒng)，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，適時(shí)應(yīng)急指揮，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警預(yù)報(bào)。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 氣象預(yù)報(bào)預(yù)警

研究區(qū)為山東省內(nèi)縣級行政區(qū)級別范圍，具有降雨型地質(zhì)災(zāi)害即雨即發(fā)的特征，因此，開展短時(shí)（臨近）氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警[1]，在此應(yīng)用中可行有效，不僅可提高預(yù)警精度，也是降雨型地災(zāi)防治工作的進(jìn)一步深化。

地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)的對象為區(qū)域性群發(fā)型或單發(fā)型的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)工作期設(shè)定為24小時(shí)全天候，主要為每年的汛期，具體日期為每年的6月1日-9月30日；氣象預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)段為2～24小時(shí)。

地災(zāi)預(yù)警等級分為四級，由弱到強(qiáng)一次分為四級、三級、二級、一級，分別表示氣象因素致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生有一定風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)較高、高和很高，其中三級、二級、一級分別對應(yīng)國土資源部門的地質(zhì)災(zāi)害黃色、橙色和紅色預(yù)警（圖1）[2]。

相對應(yīng)地災(zāi)預(yù)警工作措施表如表1。

2.2 自動化監(jiān)測硬件設(shè)備

自動化監(jiān)測設(shè)備分雨量監(jiān)測站與位移監(jiān)測站兩種，雨量監(jiān)測站均勻分布在研究區(qū)范圍內(nèi)，每隔1h采集實(shí)時(shí)降雨量數(shù)據(jù)；位移監(jiān)測站主要分布在地災(zāi)隱患點(diǎn)處，同時(shí)滿足現(xiàn)場供電條件，每隔1h測量位移偏移數(shù)據(jù)。

2.3 預(yù)警閾值設(shè)定

位移計(jì)閾值設(shè)定在2cm以上自動報(bào)警，若超出這個(gè)范圍自動短信通知，通知相關(guān)負(fù)責(zé)人實(shí)地考察，確定位移計(jì)移動原因，區(qū)分人為或者大型車輛經(jīng)過或者真正由于地災(zāi)原因引起的位移移動。位移計(jì)以一個(gè)小時(shí)為時(shí)間間隔進(jìn)行位移偏移值監(jiān)測，將數(shù)值與2cm閾值進(jìn)行對比，即時(shí)發(fā)布預(yù)警預(yù)報(bào)信息。

降水發(fā)生的統(tǒng)計(jì)主要集中在24h降水，但突發(fā)強(qiáng)降水也是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因子，因此，本應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)基于24h降水閾值判斷法、逐小時(shí)滾動更新的地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級預(yù)警防范：利用研究區(qū)歷史地質(zhì)災(zāi)害樣本數(shù)據(jù)與災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖（2013-2025年），統(tǒng)計(jì)得出地災(zāi)發(fā)生24h雨量閾值（災(zāi)害易發(fā)程度和雨量等級結(jié)合的預(yù)警組合閾值），支撐軟件系統(tǒng)預(yù)警預(yù)報(bào)工作[3-4]。

3 總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)方面的應(yīng)用，從信息生成、傳輸、采集、處理和應(yīng)用將物聯(lián)網(wǎng)分為四層：基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、邏輯服務(wù)層和應(yīng)用層。

3.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層是指系統(tǒng)建設(shè)的地災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)以及系統(tǒng)運(yùn)行所需的軟硬件、網(wǎng)絡(luò)以及通信環(huán)境，如雨量與位移監(jiān)測站、短信貓、GPRS無線通訊等。

3.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層，為整個(gè)系統(tǒng)提供地理信息空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)服務(wù)。集成空間數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、資料圖件和監(jiān)測數(shù)據(jù)，依托數(shù)據(jù)庫管理和GIS技術(shù)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按照集中與分布建設(shè)模式，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫的組織、管理、維護(hù)和更新體系。

3.3 邏輯服務(wù)層

邏輯服務(wù)層是系統(tǒng)架構(gòu)中體現(xiàn)核心價(jià)值的部分，是對整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能進(jìn)行后臺實(shí)現(xiàn)的過程，在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中起著承上啟下的連接作用。

3.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于最外層，是離用戶最近的表現(xiàn)層。為用戶提供系統(tǒng)的應(yīng)用接口，以及對系統(tǒng)邏輯服務(wù)層進(jìn)行輸出展示的平臺。

4 主要技術(shù)

4.1 地理信息系統(tǒng)技術(shù)

地理信息系統(tǒng)技術(shù)，作為一門空間信息分析技術(shù)與基于計(jì)算機(jī)的技術(shù)，目前在軟件領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用愈發(fā)廣泛。GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在資源與環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域中，發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用。不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，對資源環(huán)境管理，便于制定決策、進(jìn)行科學(xué)和政策的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)，而且可以有效地對多時(shí)期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程綜合為一個(gè)共同的信息流，明顯地提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

4.2 B/S運(yùn)行模式

軟件系統(tǒng)B/S運(yùn)行模式是瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server），是目前普遍使用的一種網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。B/S模式定義了客戶機(jī)如何與服務(wù)器相連以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的共享，并利用臺式機(jī)的處理能力將數(shù)據(jù)和應(yīng)用分布到多個(gè)處理機(jī)上，克服了原來只有主機(jī)執(zhí)行操作、計(jì)算和存儲數(shù)據(jù)的集中管理方式帶來的弊端，使得客戶機(jī)能夠承擔(dān)一部分計(jì)算和操作功能，大大減輕了服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)荷。同時(shí)，B/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于客戶端無須安裝軟件，只要有瀏覽器即可和服務(wù)器端數(shù)據(jù)相連，實(shí)現(xiàn)共享，從而能很好的提高系統(tǒng)的性能。

4.3 面向服務(wù)的軟件架構(gòu)（SOA）的應(yīng)用

系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中盡可能將系統(tǒng)提供對外服務(wù)的應(yīng)用程序功能封裝和發(fā)布為Web服務(wù)（Web Service），通過服務(wù)注冊和服務(wù)目錄，向服務(wù)消費(fèi)者（各種組件或部門的應(yīng)用系統(tǒng)）提供Web服務(wù)，使系統(tǒng)的功能可以采用松耦合的方式實(shí)現(xiàn)集成，并使平臺提供功能服務(wù)具有可擴(kuò)展性。

4.4 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)開發(fā)采用關(guān)鍵技術(shù)有：基于GIS的二次開發(fā)技術(shù)、Webservice、Java、jQuery、Ajax等技術(shù)。

5 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 地圖定位功能的實(shí)現(xiàn)

地圖定位模塊提供了地災(zāi)隱患點(diǎn)、地災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)、易發(fā)區(qū)分布的定位查詢，用戶通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊查看相關(guān)屬性信息，如圖5所示。

5.2 在線監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)

位移和雨量傳感器等設(shè)備監(jiān)測的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸模塊，傳輸?shù)椒?wù)器分析系統(tǒng)中。系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成統(tǒng)計(jì)圖表或報(bào)表，并且支持導(dǎo)出報(bào)表功能。

5.3 預(yù)警設(shè)置（閾值與預(yù)警信息接收人聯(lián)系方式設(shè)置）

系統(tǒng)在閾值設(shè)置時(shí)做了面向用戶的實(shí)際應(yīng)用的個(gè)性化開發(fā)，把閾值的設(shè)定為可編輯狀態(tài)。隨著歷史地質(zhì)災(zāi)害樣本數(shù)據(jù)的逐年積累，閾值的計(jì)算數(shù)值趨于準(zhǔn)確化，平臺中具有管理員權(quán)限的人員即可根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行編輯。

5.4 地災(zāi)預(yù)警信息統(tǒng)計(jì)分析與落圖

按照不同的統(tǒng)計(jì)類型，如預(yù)警類型、預(yù)警地址、預(yù)警數(shù)據(jù)等統(tǒng)計(jì)已發(fā)生的地災(zāi)預(yù)警信息，生成報(bào)表或圖表。同時(shí)，系統(tǒng)每產(chǎn)生一條地災(zāi)預(yù)警信息，自動生成預(yù)警預(yù)報(bào)信息。

5.5 預(yù)警處置（針對各級預(yù)警自動生成相應(yīng)處置方案）

制定區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害處置方案，一級、二級、三級預(yù)警分別對應(yīng)處置方案信息，方案可供填寫地災(zāi)發(fā)生詳細(xì)信息：預(yù)警起始與結(jié)束時(shí)間、預(yù)警地區(qū)，同時(shí)，自動導(dǎo)出生成處置方案（HTML、Word、PDF三種格式），用于國土部門對外發(fā)布預(yù)警信息使用，有效提高工作效率簡化工作流程。

5.6 信息群發(fā)

一旦地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警消息被平臺監(jiān)測到（雨量或者位移監(jiān)測數(shù)值超過閾值后），此功能模塊可實(shí)現(xiàn)，相關(guān)部門給下級部門以及地災(zāi)發(fā)生區(qū)域人員及時(shí)發(fā)送相關(guān)地災(zāi)防治的信息和應(yīng)急救援工作開展的信息（短信形式，內(nèi)容可編輯），提高政府部門執(zhí)行效率。

6 結(jié)束語

本研究以某區(qū)正在使用的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)為例，通過歷史地質(zhì)災(zāi)害與降水監(jiān)測的統(tǒng)計(jì)制定了24h地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的閾值，同時(shí)，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)位移監(jiān)測值與閾值的對比，闡述了地理信息系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害短時(shí)臨近預(yù)警預(yù)報(bào)方面的實(shí)際應(yīng)用。目前，平臺運(yùn)行穩(wěn)定，在一定程度上提高政府部門在地質(zhì)災(zāi)害防治工作的效率，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測技術(shù)也會逐步提高，相關(guān)研究也會更加趨于成熟。由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生綜合因素較多，存在一定的不確定性，僅能通過多種監(jiān)測方式結(jié)合的手段進(jìn)行地災(zāi)防治工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉傳正， 劉艷輝. 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警原理與顯式預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2007， 34（6）：109-115.

[2] 劉云香，何如意，張東，等.廣東省地質(zhì)災(zāi)害短時(shí)臨近氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警業(yè)務(wù)的技術(shù)[J].廣東氣象，2015，37（ 5）：68-71.

[3] 山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.2016年度濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)工作報(bào)告[R]. 2016.

[4] 魏平新， 楊森林. 廣東省短時(shí)氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的實(shí)現(xiàn)及意義[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)， 2011.

[通聯(lián)編輯：代影]