基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的滑坡預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李紅文 趙紹兵 李楨

【摘 要】文章以滑坡的高分遙感影像、GNSS、裂縫位移、降雨、地下水等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，研究非線性回歸、灰色預(yù)測、切線角等監(jiān)測預(yù)警模型，設(shè)計和實現(xiàn)集多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計分析、模型預(yù)測、監(jiān)測預(yù)警等功能的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并對基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警模型進(jìn)行研究與探索，為進(jìn)一步提高滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力和防災(zāi)、減災(zāi)提供參考。

【關(guān)鍵詞】多源監(jiān)測;GNSS;INSAR;切線角;灰色預(yù)測

【中圖分類號】P642.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0038-03

0 引言

滑坡研究是一個古老且歷久彌新的課題，滑坡的防控既是世界難題，又是國家防災(zāi)減災(zāi)的需要。盡管眾多文獻(xiàn)顯示在全國范圍內(nèi)已取得不少滑坡研究成果和滑坡監(jiān)測預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)的成功案例，但由于滑坡具有很強(qiáng)的隱蔽性、隨機(jī)性和突發(fā)性等特征，所以在滑坡的早期識別、監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)害風(fēng)險評估等方面依然存在許多科學(xué)難題和技術(shù)瓶頸，尤其是識別和監(jiān)測預(yù)警等環(huán)節(jié)仍存在諸多未解之難題，導(dǎo)致災(zāi)難性滑坡時有發(fā)生，而人類卻不能提前預(yù)知。本文基于高分遙感、GNSS、INSAR、地面和地下等高精度連續(xù)監(jiān)測，獲取海量的滑坡形變實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究非線性回歸、灰色預(yù)測、切線角等監(jiān)測預(yù)警模型，設(shè)計與實現(xiàn)滑坡識別與智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[1]，進(jìn)一步提高了研究區(qū)域內(nèi)滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險防范能力，為防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)提供科技支撐。

1 多源監(jiān)測數(shù)據(jù)

多源監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括高分遙感影像、InSAR數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、滑坡實時形變監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，高分遙感影像數(shù)據(jù)為2016—2020年同一月份的5期GF-1遙感衛(wèi)星;InSAR數(shù)據(jù)為2016—2020年每個月的InSAR監(jiān)測成果點云數(shù)據(jù);基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)包括省界、市界、縣界、鐵路、道路、河流湖泊和地域名稱的空間位置信息;專題數(shù)據(jù)主要涉及以滑坡項目為組織單元的滑坡位置、位移監(jiān)測點、氣象監(jiān)測點、視頻監(jiān)測點位數(shù)據(jù);滑坡實時形變監(jiān)測包括GNSS位移監(jiān)測、裂縫位移監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、地下水水位監(jiān)測、土壤濕度監(jiān)測和視頻監(jiān)測。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合問題。研究區(qū)域滑坡監(jiān)測數(shù)既包括GF-1遙感影像柵格數(shù)據(jù)、InSAR監(jiān)測成果點云數(shù)據(jù)，又包括GNSS位移監(jiān)測、裂縫位移監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、地下水水位監(jiān)測、土壤濕度監(jiān)測和視頻監(jiān)測實時形變數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，時間跨度長，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)之間相互獨立，缺少關(guān)聯(lián)。因此，如何建立多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的協(xié)同關(guān)系，按照統(tǒng)一接口進(jìn)行成果集群展示，是系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)需要解決的關(guān)鍵問題之一。

（2）監(jiān)測預(yù)警模型構(gòu)建問題。無論是滑坡的早期識別還是滑坡的跟蹤監(jiān)測，最終都要落實到滑坡預(yù)警和減災(zāi)防災(zāi)上。滑坡預(yù)警具有相當(dāng)?shù)碾y度，眾多監(jiān)測技術(shù)獲取的多源監(jiān)測形變信息，能較好地反映滑坡體變形破壞特征，是判斷滑坡失穩(wěn)的重要信號，如何針對已有多源監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建滑坡預(yù)警模型是系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。

（3）三維展示問題。滑坡監(jiān)測成果數(shù)據(jù)量大，時域范圍廣，數(shù)據(jù)比例尺大，利用三維地圖的方法展示監(jiān)測信息成果時，數(shù)據(jù)組織和運行效率是需要解決的關(guān)鍵點。

2.2 總體架構(gòu)

基于開放性的面向服務(wù)的架構(gòu)體系（SOA）設(shè)計理念，采用多層式企業(yè)軟件架構(gòu)，遵循國家地理信息公共服務(wù)平臺、滑坡監(jiān)測等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)基于網(wǎng)絡(luò)平臺和計算機(jī)軟硬件的支撐，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，將監(jiān)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源發(fā)布成WFS、WCS和WMS等服務(wù)，以Web Service的形式提供給系統(tǒng)，用戶可方便地調(diào)用多源監(jiān)測服務(wù)資源，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢?yōu)g覽、統(tǒng)計、分析，融合多傳感器的監(jiān)測信息和預(yù)警分析模型，進(jìn)行穩(wěn)定性分析和易發(fā)性評價，并及時提供滑坡預(yù)警，從而達(dá)到提高滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警與風(fēng)險防范能力，為防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)提供科技支撐[2]。

系統(tǒng)采用感知層、基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層5層架構(gòu)。感知層通過GNSS、裂縫、降雨、地下水、土壤濕度和視頻采集數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)測專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層。基礎(chǔ)支撐層是系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行的支撐環(huán)境，由軟件、硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境組成。其中，地理數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫管理采用業(yè)界主流軟件。數(shù)據(jù)層是按照統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的數(shù)據(jù)資源體系，數(shù)據(jù)分級且呈多個層次分布，是系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的重點。數(shù)據(jù)層包括滑坡各類數(shù)據(jù)（包括基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、地理空間等方面數(shù)據(jù)）及滑坡分析模型。服務(wù)層的功能主要是將涉及滑坡的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照WMS、WCS、WFS等標(biāo)準(zhǔn)，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享服務(wù)的形式發(fā)布并呈現(xiàn)給用戶。應(yīng)用層主要是進(jìn)行用戶管理、數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)維護(hù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、監(jiān)測預(yù)警模型分析。安全保障體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和系統(tǒng)運維是系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的有力保障和重要支撐。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2.3 功能設(shè)計

功能模塊包括大數(shù)據(jù)展示、INSAR三維、查詢統(tǒng)計、智能分析、模型預(yù)測、預(yù)警發(fā)布和系統(tǒng)維護(hù)。

（1）大數(shù)據(jù)展示：采用目前主流大數(shù)據(jù)頁面模式實現(xiàn)多源監(jiān)測實時數(shù)據(jù)展示，實現(xiàn)滑坡點、監(jiān)測傳感器的精準(zhǔn)定位及實時形變監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢和時序統(tǒng)計。

（2）INSAR三維：通過開源的、零插件的虛擬地球Web應(yīng)用技術(shù)CESIUM展示INSAR成果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)INSAR成果數(shù)據(jù)加載、刪除、瀏覽、空間查詢、監(jiān)測時空演變圖示、監(jiān)測成果的剖面分析功能[3]。

（3）查詢統(tǒng)計：實現(xiàn)滑坡基本信息、GNSS、裂縫、降雨、地下水、土壤濕度和視頻等監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他資料查詢統(tǒng)計功能。

（4）智能分析：實現(xiàn)區(qū)域滑坡的易發(fā)性評價分析成果和穩(wěn)定性分析成果展示。

（5）模型預(yù)測：實現(xiàn)了基于非線性回歸模型、改進(jìn)性切線角模型[4]、灰色預(yù)測模型GM（1，1）[5]等預(yù)測模型對滑坡形變預(yù)測分析功能。

（6）預(yù)警發(fā)布：實現(xiàn)實時GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)通過改進(jìn)性切線角模型，裂縫、降雨、地下水、土壤濕度監(jiān)測通過監(jiān)測閾值比較，完成自動預(yù)警及預(yù)警信息的短信發(fā)布功能[6]。

（7）系統(tǒng)維護(hù)：實現(xiàn)滑坡基本信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他資料數(shù)據(jù)的查詢、添加、編輯、刪除、批量導(dǎo)入導(dǎo)出等數(shù)據(jù)管理維護(hù)功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

滑坡識別與智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在VS2013 C#、天地圖JavaScript API 4.0平臺下開發(fā)，數(shù)據(jù)訪問采用MVC 3層架構(gòu)完成，瀏覽器客戶端頁面采用HTML5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，提供良好的用戶體驗和展示效果。以黑方臺滑坡監(jiān)測成果為例，系統(tǒng)實現(xiàn)部分界面如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

4 結(jié)語

滑坡識別與智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是對基于多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的滑坡監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用的一種探索。在多源監(jiān)測數(shù)據(jù)深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合滑坡實時形變監(jiān)測數(shù)據(jù)展示技術(shù)和方法，探索滑坡閾值設(shè)定和監(jiān)測預(yù)警模型，完成滑坡識別與智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計和功能實現(xiàn)，為滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用提供了思路和參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]杜金星，夏燕秋，馬金輝.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的白龍江流域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（5）：757-764.

[2]趙俊三，柯尊杰，陳國平，等.基于多源空間數(shù)據(jù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究——以云南省德欽縣為例[J].地理信息世界，2017（6）：35-41.

[3]許強(qiáng)，湯明高，徐開祥，等.滑坡時空演化規(guī)律及預(yù)警預(yù)報研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008（6）：1104-1112.

[4]許強(qiáng)，曾裕平，錢江澎，等.一種改進(jìn)的切線角及對應(yīng)的滑坡預(yù)警判據(jù)[J].地質(zhì)通報，2009（4）：501-505.

[5]姜獻(xiàn)東，張?zhí)K俊，盧配霞.灰色系統(tǒng)模型在軟土路基沉降預(yù)測中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2016（5）：81-83.

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