基于移動(dòng)GIS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郎文霞

(鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害給人類生存發(fā)展帶來的影響日益嚴(yán)重，人類也給予了地質(zhì)災(zāi)害越來越多的關(guān)注[1]。在以煤炭資源開采為主的地區(qū)，其經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)得益于煤炭事業(yè)的發(fā)展，但是隨著煤炭資源的大量開采，也帶來一系列地質(zhì)環(huán)境問題。其中以地面塌陷、崩塌、滑坡三種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害為主，給當(dāng)?shù)氐娜嗣裆c財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。所以，為了減小地質(zhì)災(zāi)害給人類帶來的損失，已經(jīng)將許多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)中來保障人們的生活，監(jiān)測(cè)技術(shù)方法逐漸過渡到無線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器也在向精度高、性能好、適應(yīng)范圍廣、自動(dòng)化程度高的方向發(fā)展[2]。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)興起和智能移動(dòng)終端的普及，“智能終端+無線網(wǎng)絡(luò)”的應(yīng)用模式日漸成熟，而移動(dòng)GIS(Mobile GIS)是這種模式的典型應(yīng)用之一，它是以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為支撐、以智能手機(jī)或平板電腦為終端、結(jié)合北斗、GPS或基站為定位手段的GIS系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)地將空間信息傳輸給服務(wù)器，為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的數(shù)據(jù)采集提供了保障。

1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能組成

1.1 數(shù)據(jù)的輸入

將有關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)及時(shí)地輸入到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，包括3類資料：已有的紙質(zhì)圖表數(shù)據(jù)、人工現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)和通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。通過實(shí)時(shí)輸入，可以確保系統(tǒng)上顯示的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的最新的一組數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)的管理

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建，包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，并將其關(guān)聯(lián)，空間數(shù)據(jù)庫包括災(zāi)害監(jiān)測(cè)區(qū)域的地理位置、地形地貌等數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)庫包括災(zāi)害監(jiān)測(cè)區(qū)域的行政區(qū)劃基本情況，地質(zhì)災(zāi)害的詳細(xì)情況描述、防治聯(lián)系人等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、編輯、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、導(dǎo)出等基本操作，數(shù)據(jù)類型有降雨量、位移、含水率等情況，通過綜合分析尋找監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 預(yù)警的設(shè)置

不同類型的地質(zhì)災(zāi)害、不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)因監(jiān)測(cè)儀器不同，預(yù)警閾值固然不同，需要根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)設(shè)置不同監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的不同檢測(cè)設(shè)備的預(yù)警閾值。

實(shí)際工作中，一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常會(huì)同時(shí)使用多種監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，針對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的不同，采用不同的預(yù)警閾值，會(huì)得到不同的預(yù)警結(jié)果，因此根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度進(jìn)行權(quán)重設(shè)置，以確定更為準(zhǔn)確的預(yù)警結(jié)果。

最終對(duì)預(yù)警評(píng)價(jià)模型等級(jí)進(jìn)行量化，并根據(jù)權(quán)重進(jìn)行預(yù)警計(jì)算，得到預(yù)警等級(jí)值，計(jì)算方式為：

式中：R—預(yù)警等級(jí)值；

Wi—第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；

Pi—第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單個(gè)因素分級(jí)值。

1.4 預(yù)警的發(fā)布

當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過設(shè)置的預(yù)警閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)等級(jí)的預(yù)警信息，可在屏幕上閃爍對(duì)應(yīng)顏色的預(yù)警標(biāo)志，也可以向預(yù)警工作人員發(fā)送短信，提醒相關(guān)部門采取相應(yīng)措施。

在發(fā)出預(yù)警信息的同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)提供災(zāi)害的預(yù)測(cè)影響范圍、威脅人口及財(cái)產(chǎn)等信息。

1.5 災(zāi)害的決策

當(dāng)預(yù)警發(fā)生時(shí)，充分利用系統(tǒng)的各項(xiàng)空間分析功能，提供全方位的災(zāi)情信息，為決策提供依據(jù)。系統(tǒng)還提供災(zāi)害發(fā)生時(shí)的應(yīng)急預(yù)案，為工作人員提供全方位的決策措施查詢。利用GIS的緩沖區(qū)分析，根據(jù)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)、發(fā)生特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)災(zāi)害區(qū)域影響程度進(jìn)行劃分，最終得到各區(qū)域內(nèi)需要采取的應(yīng)急處置措施。

工作人員還應(yīng)根據(jù)采取措施情況對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行管理，包括處理方式：已解決、正在解決中、未解決需再次提醒等，還可以存儲(chǔ)災(zāi)害點(diǎn)的預(yù)警記錄及處理方式。

2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能框架

構(gòu)建基于移動(dòng)GIS的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能模塊

3 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要功能的技術(shù)要點(diǎn)

3.1 移動(dòng)GIS技術(shù)

基于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生位置是在野外，因而監(jiān)測(cè)儀器在野外采集數(shù)據(jù)，需要將數(shù)據(jù)由野外傳遞給系統(tǒng)，這就需要保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，而且野外的地形地貌條件存在多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，要求數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備能具備不同自然條件下的數(shù)據(jù)正常傳輸。

移動(dòng)GIS是GIS、GPS、RS、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等技術(shù)的集成，借助無線網(wǎng)絡(luò)，包括基于數(shù)字蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)，如CDMA、GRRS、GSM、TDMA等和基于局域網(wǎng)的接入技術(shù)如藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)等，以嵌入的方式在手機(jī)、電腦等無線終端上顯示，最終將監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)地傳輸給服務(wù)器。

GIS還可以根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過空間分析得到災(zāi)害隨時(shí)間的發(fā)展過程，將不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，得到一種以時(shí)間為存儲(chǔ)單位的災(zāi)害變化機(jī)制。

3.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是通過研究數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)、設(shè)計(jì)、管理以及應(yīng)用的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法，利用這些理論來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和理解的技術(shù)。

數(shù)據(jù)庫技術(shù)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一組織和管理，按照指定的結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫；能利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改、刪除、處理、分析、理解等多種功能的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用系統(tǒng)；利用應(yīng)用管理系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析和理解，為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。用戶還可以根據(jù)需要使用嵌套查詢、各種視圖等多樣化檢索條件查詢數(shù)據(jù)庫中的信息[3]。

3.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

地質(zhì)災(zāi)害種類較多，不同類型地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素不同，同一誘發(fā)因素在不同類型地質(zhì)災(zāi)害中的作用又有主次之分。在建立監(jiān)測(cè)預(yù)警模型時(shí)，需要確定不同地質(zhì)災(zāi)害類型的主要誘發(fā)因素也就是評(píng)價(jià)模型中的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重，如何篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)及確定其權(quán)重，直接關(guān)系到地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)與實(shí)際情況的吻合程度。

為了確保預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，采取主觀判斷和客觀分析相結(jié)合的方法，并加強(qiáng)對(duì)預(yù)警結(jié)果后評(píng)價(jià)分析，最終確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重，進(jìn)而確定預(yù)警等級(jí)。

3.4 模塊化技術(shù)

模塊化技術(shù)是指解決一個(gè)復(fù)雜問題時(shí)自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程,然后分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再合成一個(gè)系統(tǒng)。

利用模塊化技術(shù)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施，將系統(tǒng)功能分為若干功能模塊，模塊間互相獨(dú)立，便于單個(gè)模塊調(diào)試、升級(jí)，模塊間通過標(biāo)準(zhǔn)的幾何連接和一致的輸入、輸出接口來進(jìn)行組合。

3.5 系統(tǒng)安全技術(shù)

系統(tǒng)安全性直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)進(jìn)行加密對(duì)于保證數(shù)據(jù)安全十分有效，一般可采用信息加密工作創(chuàng)建、管理鑰匙，完成信息及文件傳輸、歸檔等加密需求[4]。安裝防毒軟件來防控病毒，增加防黑客服務(wù)，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份來確保系統(tǒng)的安全性，保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

4 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)程序模擬運(yùn)行圖文

該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)開發(fā)完成后，登錄界面如圖2所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)登錄界面

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)接受、數(shù)據(jù)處理分析以及自動(dòng)預(yù)警。對(duì)地質(zhì)災(zāi)害詳情、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、發(fā)展趨勢(shì)、預(yù)警結(jié)果、采取措施等進(jìn)行查詢、匯總和顯示，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害點(diǎn)、災(zāi)害區(qū)域預(yù)警分析，并將預(yù)警信息以預(yù)警標(biāo)志顯示或以短信形式發(fā)送，之后工作人員采取相應(yīng)措施進(jìn)行災(zāi)害決策。

以內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害為例進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。準(zhǔn)格爾旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，鄂爾多斯高原東部，地貌以黃土丘陵、基巖丘陵為主，地形切割強(qiáng)烈，溝谷發(fā)育，崩塌、滑坡較發(fā)育。煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，加劇了地面塌陷災(zāi)害的發(fā)生。準(zhǔn)格爾旗地質(zhì)災(zāi)害類型以地面塌陷、崩塌、滑坡3種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害為主，其造成的危害有：直接造成人員傷亡；導(dǎo)致地表建筑物與水利、交通等設(shè)施變形破壞；使房屋變形，有的村莊被迫搬遷；導(dǎo)致農(nóng)田、林地、草地等地表植被變形破壞；導(dǎo)致礦井潰水、潰沙的發(fā)生；使土地廢棄、減少了土地資源的利用率等。

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀，同時(shí)又考慮相似的地質(zhì)環(huán)境條件下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害隱患的可能性，設(shè)置預(yù)警閾值。為便于敘述，采用數(shù)據(jù)為模擬數(shù)據(jù)，不代表實(shí)際真實(shí)情況。圖3為預(yù)警等級(jí)模擬結(jié)果，分為4個(gè)等級(jí)，A為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，表示發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性最高；B為地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，表示發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性較高；C為地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)，表示發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性一般；D為地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)，表示發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性較低。其中高、中易發(fā)區(qū)分布在黃土丘陵區(qū)、基巖丘陵區(qū)及北部的黃河沿岸，低易發(fā)區(qū)分布在風(fēng)積沙地的溝谷一帶，不易區(qū)分布在北部的沖積平原及風(fēng)積沙地。

圖3 內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)模擬結(jié)果

5 結(jié)束語

通過利用移動(dòng)GIS技術(shù)完成地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的設(shè)計(jì)構(gòu)建，有助于提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息的準(zhǔn)確性、實(shí)效性，便于防災(zāi)工作人員及時(shí)掌握地質(zhì)災(zāi)害信息，采取防災(zāi)措施，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防提供便利，最大限度地控制和減小地質(zhì)災(zāi)害帶來的危害。