地質災害自動化監測預警系統設計

（中電科衛星導航運營服務有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

近年來，我國突發性地質災害頻繁發生且損失巨大，2011～2017 年，全國共發生地質災害81 353 起，造成2 765人死亡或失蹤。地質災害破壞力大，危害極強。目前，我國地質災害監測預警主要以群測群防為主，難以滿足重大地質災害防治需求，缺少利用信息化手段對隱患點實現高精度監測，獲取監測區域災害信息大數據，進行災害監測的精細化分析、及時預警。針對當前地質災害防治復雜嚴峻的形式，通過建立地質災害監測預警系統，并結合群測群防監測，實現對潛在災害的立體化監測、分析與預警，并對未來可能發生災害的地段做出預測。

1 系統設計

1.1 監測預警分析平臺

1.1.1 平臺概述

地質災害自動化監測預警系統采用北斗衛星導航定位技術、物聯網、云計算和大數據等先進信息化技術，通過在地質災害點部署傳感器監測設備對災害點信息進行監測，借助無線通信和北斗通信網絡，實現對監測點信息的有效傳輸，結合群測群防監測，構建“天-地-人”三位一體監測體系，通過監測平臺的智能分析，為災害安全預測預警、應急指揮、地質特征反演研究等提供重要支撐。

感知層由地面布設的傳感器和用戶終端構成，用于感知獲取地質情況相關數據要素信息，為平臺提供數據支撐服務。

傳輸層是借助于衛星通信、無線通信和光纖光纜等通信手段，實現用戶終端、地面傳感器等設施與平臺間的數據傳輸，是連接終端-平臺-用戶之間的橋梁。

支撐層為平臺提供軟、硬件基礎支撐，為平臺的穩定運行提供服務保障。

服務層通過有效融合衛星導航定位、GIS、遙感技術，應用大數據分析技術，為平臺應用提供位置、地圖/影像、空間分析和災害分析等核心服務能力。

應用層是平臺結合實際業務流程，為用戶提供便捷、高效的管理工具和手段。

1.1.2 平臺功能

1.1.2.1 災害監測管理

平臺對采集獲取的監測數據進行歸檔、存儲，并進行直觀可視化展示，用戶通過平臺可以實時查看災害點位的空間分布情況、地質數據變化等相關要素的動態變化，能根據實時采集數據自動繪出災害點變化趨勢圖，實時了解災害體狀態。

1.1.2.2 群測群防信息化

通過給巡線人員配備手持巡防終端，對巡線人員進行監督管理，對巡線工作進行數據化、精細化管理。巡線人員通過手持終端將測量數據、位置信息、實地勘察圖像、文字、語音和視頻等信息及時傳輸至監測預警分析平臺，實現對巡線工作的遠程監控。同時，可以對巡線人員的出勤、位置軌跡、任務出行情況進行監督管理，為巡線人員的考核提供支撐。

1.1.2.3 災害應急演練

災害應急演練依托計算機仿真、三維可視化等技術，針對滑坡、泥石流災害、隧道沉降變形等可能的突發事件，構建模擬演練場景，在平時定期進行桌面應急模擬演練。針對可能性突發事件模擬制定演練計劃、制定演練方案、人員物資調度和演練處置等場景，并在事后進行演練評估，通過桌面應急模擬演練加強應急業務人員應對突發事件的能力。

1.1.2.4 災害應急預案

平臺依托監測設備采集的地質災害監測數據及傳輸網絡，通過災害建模分析，對地質災害情況進行評估預警，根據地質災害風險預警結果或者已發送地質災害的危險等級，執行采取相應的應急防范和救災措施，部署和組織搶險救援工作，提高地質災害應急搶險的救援效率。

1.1.2.5 災害預警發布

當平臺監測到地質災害隱患向危險狀態演變時，將自動發出預警信息，通過聲光報警進行現場提示，并通過文字、語音將報警信息發送至指揮中心，執行應急預案[2]。

1.1.2.6 災害輔助決策

平臺提供輔助決策專家知識庫，當平臺監測到災害預警后，對災害運動趨勢、災害影響范圍進行分析，根據專家知識庫決策提供應急處置方案，并對災害影響的范圍、運動趨勢進行直觀化展示，同時提供救援調度和人員疏散撤離路線規劃，為應急指揮人員提供決策支持。

1.2 前端監測點設計

1.2.1 北斗表面位移監測設計

監測體表面位移變化是影響地質災害的重要因子，其通過部署北斗參考站及監測站來進行監測。北斗參考站要求建立在地基穩定的地點，其作用是為北斗監測站提供穩定的坐標參數，消除大氣和電離層對監測站的作用，同時參考站應滿足場地穩固，年平均下沉和位移小于3 mm；視野開闊，視場內障礙物的高度不宜超過15°；遠離大功率無線電發射源，其距離不小于200 m，遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50 m；盡量靠近數據傳輸網絡。天線墩的高度不低于2 m；觀測標志應遠離震動源。參考站必須建立在凍土層上，以減少氣候變化對參考站的影響。北斗監測站設計參考以上參考站的設計標準，監測站應選擇在地質災害易發點，距離參考站10 km 范圍內進行部署。

1.2.2 地下水監測設計

地下水位是監測體監測的一個重要因素，是影響地質災害的關鍵因素，如果地下水太充足，很容易引發山體滑坡，造成地質災害事件。該次監測采用振弦式滲壓計，通過在監測體內部鉆鑿鉆孔，把滲壓計放置在鉆孔里。通過測量滲壓計的壓力，再轉化為水頭高度（高程），結合安裝深度以及孔口高程即可得到監測體的水位高度（高程）。

1.2.3 內部位移監測設計

由于監測體可能存在分層，地質分布不一樣，有些時候導致內部有形變，表面可能不會有位移變化，所以對內部位移監測十分必要。通過在監測體設定位置鉆孔，鉆孔深度到監測體內部，然后在鉆孔中裝入測斜儀[3]，把最下面點作為固定點，從而監測災害體內部的傾斜狀態。在鉆孔內安裝多只傾斜儀可以更加準確地監測壩體內部變形情況。

1.2.4 土壤溫濕度監測設計

土壤溫濕度是影響地災的主要組成部分，如果土壤中含水率太高，極其容易引發山洪災害，土壤溫濕度計可以監測土壤溫濕度，其監測原理是通過探頭接觸監測體內部土壤，采集相關數據，通過無線通信或北斗短報文方式將數據傳回數據采集器，再通過數據傳輸方式將數據傳回監控中心，進行分析、處理。

1.2.5 降雨量監測設計

降雨量是導致地質災害發生的一個重要誘因。降雨量監測使用一體化雨量監測站，監測站由太陽能電池板和蓄電池供電，能夠在野外連續運行15 個陰雨天，所以我們在每個災害體至少布置一套雨量監測站。每個監測站部署一個翻斗式雨量計進行監測，雨量計通過承水器收集雨水，經過進水閥進入貯水室，水位上升使浮子上升，傳感器讀取數據。如果連續降雨，貯水室的水位繼續上升到特定水位，進水電動閥關閉，排水電動閥打開，開始放水；待放水完畢，排水電動閥關閉，同時進水電動閥打開，繼續降雨計量。

2 系統優勢

2.1 高精度觀測網

在監測區域構建北斗觀測網，結合地面傳感器，實現災害點高精度形變實時監測。

2.2 雙重通信機制

北斗通信和無線通信雙重通信機制，實現監測區域的信號的無縫覆蓋。

2.3 三位一體監測體系

借助北斗衛星定位及通信技術、地面傳感器技術等，構建自動化專業監測網，通過專業監測與群測群防相結合，構建“天-地-人”三位一體監測體系，實現立體化監測。

2.4 監測與預警相統一

多傳感器融合監測與數值仿真相結合，構建地質模型，深入分析邊坡巖土體失穩災變機理，優化預警模型。監測到災害發生時，及時進行警報通知，并安排人員疏散撤離。

3 結論

目前，各類資源的不適當的開發利用，導致地質災害發生頻率增加[4]，如何實現對地質災害的實時監測、及時預警、執行預案、提前疏散，是災害預防工作的重中之重。地質災害自動化監測系統通過借助我國自主知識產權的北斗衛星定位系統及自動化監測手段，實現災害體高精度形變監測及其他監測指標的實時監控，并可實現異常狀態下自動報警，通過借助無線通信與北斗衛星通信網絡實現監測區域信號的無縫覆蓋，為自動化監測提供堅實的基礎，該系統可應用于滑坡、崩塌、泥石流、大壩和橋梁監測等不同監測物體，還可為相關政府監管部門在科學決策、災害防治和災后評估等工作中提供可靠的技術支撐。