摘   要： 研究了國(guó)內(nèi)外有關(guān)滑坡監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài),，以全球定位系統(tǒng),、地理信息系統(tǒng)、GPRS無線通信系統(tǒng)這三大主流技術(shù)為依托,，結(jié)合嵌入式技術(shù),，提出了滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的組建方案，并對(duì)其進(jìn)行較為深入的研究,，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡的遙測(cè)功能,。
關(guān)鍵詞： 滑坡; 全球定位系統(tǒng); 通信; 采集; 電源

　　我國(guó)幅員遼闊,地質(zhì)地貌復(fù)雜，同時(shí)也是由于復(fù)雜的地質(zhì)地貌條件使得我國(guó)成為世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多的國(guó)家之一,。日趨嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,，直接危害著人民的生命財(cái)產(chǎn)，影響我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,。大量滑坡的存在,，迫切要求有一種成本低、易推廣和有效的監(jiān)測(cè)手段對(duì)于這些潛在或是正在滑動(dòng)的滑坡體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警,，以避免當(dāng)大面積滑坡產(chǎn)生時(shí)所造成的難以預(yù)料的巨大損失。這也是保護(hù)地質(zhì)環(huán)境,，防治地質(zhì)災(zāi)害,，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)人民群眾的根本利益的需要。
1 研究動(dòng)態(tài)
　　人們用于滑坡形變監(jiān)測(cè)的手段,，隨著科技的進(jìn)步而不斷地處于更新之中,。最原始的方法是通過查看滑坡區(qū)哪里出現(xiàn)了裂縫、塌陷或冒水等跡象,。后來,，人們?cè)诨麦w開挖豎井及平槽，埋設(shè)伸縮儀,，布設(shè)引張線,、正倒垂線、靜力水準(zhǔn)等觀測(cè)設(shè)施,。在地表面,，常規(guī)的大地測(cè)量方法作為一種準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)手段,也得到廣泛的應(yīng)用，例如：邊角監(jiān)測(cè)網(wǎng),，精密幾何水準(zhǔn)測(cè)量等[1],。
　　自上世紀(jì)90年代初開始，GPS的出現(xiàn)為滑坡監(jiān)測(cè),，乃至整個(gè)形變監(jiān)測(cè)提供了新的手段,，因?yàn)樗邆涑Ｒ?guī)測(cè)量所不具備的優(yōu)越性，諸如：不要求視線通視,、不受測(cè)區(qū)環(huán)境限制,、效率高等優(yōu)勢(shì)[2]。GPS的出現(xiàn)使得工程測(cè)量有了一個(gè)大的飛躍,，滑坡監(jiān)測(cè)也隨之走入高精度,、數(shù)字化、全天候的新階段,。GPS在滑坡監(jiān)測(cè)中日益顯示出巨大的優(yōu)勢(shì),。
　　隨著GPS 接收機(jī)硬件性能和軟件處理技術(shù)的提高,GPS 精密定位技術(shù)已在大地測(cè)量、地殼形變監(jiān)測(cè),、精密工程測(cè)量等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和普及,。目前,采用GPS 定位技術(shù)進(jìn)行精密測(cè)量,平差后控制點(diǎn)的平面位置精度可以達(dá)到±(1～2) mm ,高程精度為±(2～3) mm。研究結(jié)果表明,采用性能優(yōu)良的接收機(jī)和優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理軟件,在采取一定的措施后,GPS能在短時(shí)間(幾十分鐘) 內(nèi)以足夠的靈敏度探測(cè)出變形體平面位移毫米級(jí)水平的變形,。
2 系統(tǒng)構(gòu)建
2.1  指導(dǎo)思想
　　崩塌,、滑坡監(jiān)測(cè)的主要目的是：具體了解和掌握崩、滑體的演變過程,，及時(shí)捕捉崩滑災(zāi)害的特征信息,，為崩塌及滑坡的正確評(píng)價(jià)分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及治理工程等提供可靠的資料和科學(xué)依據(jù),。同時(shí),，監(jiān)測(cè)結(jié)果也是檢驗(yàn)崩塌,、滑坡分析評(píng)價(jià)及滑坡工程治理效果的尺度。為了達(dá)到上述目的,，滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想是：形成點(diǎn),、線、面三維空間的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和警報(bào)系統(tǒng),，有效地監(jiān)測(cè)崩,、滑體動(dòng)態(tài)變化及其發(fā)展趨勢(shì)，具體了解和掌握其演變過程,，及時(shí)捕捉崩滑災(zāi)害的特征信息,，預(yù)報(bào)崩滑險(xiǎn)情，防災(zāi)于未然,。同時(shí),，為崩滑體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治提供可靠依據(jù)。
2.2 方案構(gòu)建
　　對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)不具備比較好的監(jiān)測(cè)條件的滑坡地點(diǎn),，如高速公路沿線,、鐵路沿線，乃至三峽庫(kù)區(qū)眾多滑坡體的形變監(jiān)測(cè),，其情形是：各觀測(cè)點(diǎn)位于野外荒坡,，無電源；地形復(fù)雜,，無法敷設(shè)有線通信線路,；地處偏僻，需無人職守,；監(jiān)測(cè)面大,，資金有限，無法采用昂貴的進(jìn)口GPS接收機(jī),；監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能突發(fā)山體垮塌,，造成監(jiān)測(cè)設(shè)備損毀，造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員傷亡等,。
　　針對(duì)上述特點(diǎn),，本文提出將3S（GPS、GIS,、GPRS）技術(shù)和滑坡變形機(jī)理與穩(wěn)定性研究相結(jié)合,，方便正確評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定程度，認(rèn)識(shí)其破壞機(jī)理與過程,。運(yùn)用3S技術(shù),，構(gòu)建一套性能好、精度高,、造價(jià)低,、自動(dòng)化程度高,、易于安裝、利于大面積布網(wǎng),、利于推廣的實(shí)時(shí)滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行水平位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)以及主要誘因降雨量的監(jiān)測(cè),?？梢粤私饣碌幕瑒?dòng)動(dòng)態(tài)，掌握滑動(dòng)過程中的宏觀特征,，進(jìn)一步確定滑坡滑動(dòng)的位移矢量分布,，從而研究滑動(dòng)機(jī)理，判別臨滑前兆,，及時(shí)提供災(zāi)害預(yù)警,。
　　通過研究，本文提出了如圖1所示的結(jié)構(gòu)方案,。它主要由5部分組成：協(xié)同決策系統(tǒng),、滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng),、報(bào)警系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng),。其中協(xié)同決策系統(tǒng)主要由GIS功能子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和文件管理系統(tǒng)幾部分組成,。

　　系統(tǒng)由若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，采集GPS定位信息及降雨量信息,，同時(shí)進(jìn)行電源管理,、防盜報(bào)警、崩塌報(bào)警等,。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與控制中心的分析系統(tǒng)以及管理決策中心的決策系統(tǒng)建立無線連接,，組成樹狀無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)組網(wǎng)硬件圖如圖2所示,?？刂浦行膶⒔邮盏降男畔⑦M(jìn)行處理，綜合判斷滑坡體當(dāng)前的狀態(tài),。技術(shù)人員根據(jù)已有的軟件進(jìn)行分析,，預(yù)測(cè)未來滑坡體在受到可能導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的事件（降雨、山體崩塌）產(chǎn)生后,，山體是否會(huì)發(fā)生災(zāi)害性滑坡,。控制中心配有相應(yīng)的報(bào)警裝置,，方便維護(hù)人員啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,。管理決策中心通過協(xié)同決策系統(tǒng),，在科學(xué)建議的基礎(chǔ)上，與決策部門共同研究,，并由專家提出滑坡防治的建議,、給出應(yīng)急預(yù)案、預(yù)測(cè)可能發(fā)生的后果,，決策部門依此所掌握的資源給出防治預(yù)案,。管理決策中心一般是對(duì)一個(gè)地區(qū)（例如三峽庫(kù)區(qū)）滑坡體的宏觀總體滑動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)控。在決策中心,，它一般基于滑坡GIS（地理信息系統(tǒng)）平臺(tái),，并配備大屏幕墻面顯示，系統(tǒng)分析決策軟件等,。

　　現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器由太陽能電池加鉛酸蓄電池組成的電源系統(tǒng)供電,。由于考慮到儀器安全問題，在現(xiàn)場(chǎng)裝有紅外報(bào)警傳感器和圖像傳感器,。由紅外傳感器監(jiān)測(cè)非法闖入,，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)圖像傳輸，記錄現(xiàn)場(chǎng)情況?，F(xiàn)場(chǎng)安裝圖像傳感器另一個(gè)作用是使管理決策中心能隨時(shí)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)況,。
2.3 硬件設(shè)計(jì)
　　滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙測(cè)系統(tǒng)硬件分為采集終端、控制中心和管理決策中心三個(gè)部分,?？刂浦行暮蜎Q策中心硬件平臺(tái)是基于計(jì)算機(jī)的，這里主要論述采集終端的硬件設(shè)計(jì),，結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

2.3.1 ARM處理器
　　數(shù)據(jù)采集終端安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)GPS數(shù)據(jù)的采集,、降雨量數(shù)據(jù)的采集,、電源管理、防盜報(bào)警,、崩塌報(bào)警等功能,，它基于ARM嵌入式平臺(tái)，ARM處理器采用Philips公司的LPC2138芯片,，該芯片為ARM7處理器,，其豐富的片上資源以及優(yōu)良的性能為本系統(tǒng)提供了可靠的嵌入式解決方案。
　　在眾多嵌入式操作系統(tǒng)中,，由于?滋C/OS-II操作系統(tǒng)具有代碼小,、易于移植、可裁剪,、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),，非常適合本系統(tǒng)的要求,。本文選用?滋C/OS-II作為嵌入ARM處理器的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集終端在操作系統(tǒng)的支持下,，完成對(duì)相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集,。
2.3.2 GPS模塊
　　GPS接收模塊由GPS天線單元和GPS接收機(jī)單元組成，它是GPS系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,。采用GPS觀測(cè)是滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要手段和特點(diǎn),，而基于GPS系統(tǒng)所形成的差分解算的算法以及在觀測(cè)中由于GPS系統(tǒng)產(chǎn)生的各種誤差等問題，都直接影響滑坡監(jiān)測(cè)精度,。本系統(tǒng)采用Motorola公司生產(chǎn)的VP Oncore OEM 測(cè)量型單頻接收機(jī)，它只能接收L1波段衛(wèi)星信號(hào),，同時(shí)具有位置信息和載波相位信息輸出,。單點(diǎn)定位精度與導(dǎo)航型相當(dāng)，但可用于載波相位差分測(cè)量,，用后差分處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)定位,。本系統(tǒng)采用單頻測(cè)量型GPS與載波相位觀測(cè)和差分解算相結(jié)合的手段，可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡位移全天候,、長(zhǎng)時(shí)間的精確觀測(cè),。GPS天線采用了浙江中裕的ZY-C-4型單頻測(cè)量型GPS天線。
　　ARM處理器利用VP命令通過串口控制GPS接收機(jī)的工作,。GPS數(shù)據(jù)的采集是在事先設(shè)定的時(shí)段內(nèi)自動(dòng)完成的,。
2.3.3 GPRS模塊
　　通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service),是一種以全球手機(jī)系統(tǒng)(GSM)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),是GSM 的延續(xù),是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù),目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[3-4]。GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議,使得GPRS能提供Internet和其他分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入,。
　　本文選用Sony Ericsson公司的GR47 GPRS模塊,GR47獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)是[5]:傳輸大量數(shù)據(jù)并始終保持連接,根據(jù)筆者在不同地區(qū)的測(cè)試,掉線幾率是同類模塊最小的,；本身具有TCP/IP協(xié)議棧功能,還可以開放內(nèi)部CPU 資源,同時(shí)擁有所有M2M通信必需的功能。GPRS無線鏈路組成如圖4所示,。

　　微處理器LPC2138通過串口將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS的數(shù)據(jù)傳送終端,控制著GR47登錄GPRS網(wǎng)關(guān)(GGSN)并獲得動(dòng)態(tài)分配的IP地址,。這樣,微處理器向GGSN發(fā)送的數(shù)據(jù)就會(huì)被傳送給Internet網(wǎng)中相應(yīng)的IP地址，從而完成數(shù)據(jù)采集模塊到遠(yuǎn)程主機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸,。數(shù)據(jù)到達(dá)指定的Internet地點(diǎn)之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析,。
2.3.4 接口模塊
　　接口模塊主要有崩塌傳感器、圖像傳感器,、雨量傳感器和紅外傳感器,。崩塌傳感器使終端可以監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近大片區(qū)域內(nèi)的崩塌信息。其內(nèi)部為具有固定臨界傾斜角度的水銀開關(guān),，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況使用多個(gè)串聯(lián)連接,，開關(guān)量監(jiān)測(cè)結(jié)果經(jīng)過光電隔離接口與主控模塊連接。圖像傳感器采用μPD3575D,，它是NEC公司生產(chǎn)的一種高靈敏度,、低暗電流,、1 024像元的內(nèi)置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器。由于本系統(tǒng)是架設(shè)在野外,，無人職守,，為了防止系統(tǒng)被盜或者造成破壞，所以防盜報(bào)警成為一個(gè)需要解決的問題,。本系統(tǒng)采用深圳浩博特信息有限公司的708-2B紅外人體感應(yīng)模塊作為防盜監(jiān)測(cè)傳感器,結(jié)合圖像傳輸系統(tǒng),，達(dá)到防盜監(jiān)測(cè)的目的。雨量傳感器采用雙翻斗式雨量計(jì),，其工作原理為:當(dāng)累計(jì)有0.1 mm降雨量時(shí),，傳感器會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。觸發(fā)ARM處理器產(chǎn)生記數(shù)中斷,，從而得到單位時(shí)間內(nèi)的降雨量,。
2.3.5 電源系統(tǒng)
　　數(shù)據(jù)采集終端工作在野外，大多數(shù)地處偏僻,，供電條件很差,，所以必須對(duì)其供電系統(tǒng)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，以保證數(shù)據(jù)采集器可靠地工作,。本文采用太陽能電池浮充鉛酸蓄電池的方式對(duì)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行供電,。電源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由一個(gè)控制中心(計(jì)算機(jī))和多個(gè)分布在不同測(cè)點(diǎn)的太陽能電源系統(tǒng)組成?？刂浦行耐ㄟ^GPRS無線鏈路,，能監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的電源供電狀況，對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。主要包括太陽能電池板,、電池充電電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路,、電池電量監(jiān)測(cè)電路以及無線通信電路5個(gè)部分組成,，電源系統(tǒng)組成如圖5所示。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.4.1 控制中心
　　控制中心PC機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件包括GPRS通信部分,、GPS差分解算部分,、監(jiān)測(cè)結(jié)果圖形顯示部分以及菜單界面等。軟件采用面向?qū)ο螅∣OP）的高級(jí)編程語言Visual C++為編程語言,，實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面和動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖形顯示,。觀測(cè)結(jié)果存放采用后臺(tái)Access數(shù)據(jù)庫(kù)，并具有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),、位移超限報(bào)警,、系統(tǒng)故障報(bào)警、非法闖入報(bào)警等功能?？刂浦行能浖?shù)據(jù)流程如圖6所示,。

2.4.2管理決策中心
　　目前地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息管理具有如下特點(diǎn)及問題：
　　(1)除部分遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，其他如單期GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果普遍采用人工錄入,，地形,、地質(zhì)數(shù)據(jù)多以圖紙、文字記錄等紙面形式存在,；
　　(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈離散關(guān)系,，難以體現(xiàn)內(nèi)在聯(lián)系；
　　(3)不利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理,、查詢和分析,；
　　(4)很難從時(shí)間上體現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)；
　　(5)很難及時(shí)為政府部門提供防災(zāi)減災(zāi)決策依據(jù),。
　　為解決上述問題,，本文提出滑坡地質(zhì)災(zāi)害協(xié)同決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
　　滑坡地質(zhì)災(zāi)害協(xié)同決策系統(tǒng)利用PC機(jī)為硬件開發(fā)平臺(tái),，建立一個(gè)滑坡地質(zhì)災(zāi)害地理信息系統(tǒng)，它是一個(gè)能夠有效管理各種三維空間(地理坐標(biāo)和時(shí)間變化) 數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng),。它以崩滑體等監(jiān)測(cè)對(duì)象為基礎(chǔ),，把地形、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布等空間數(shù)據(jù),，按其空間位置存入計(jì)算機(jī),。通過數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊與曲線顯示模塊,，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),、更新、查詢,、趨勢(shì)性分析,、繪圖顯示及輸出等功能。
　　地理信息系統(tǒng)以MapX為基本開發(fā)平臺(tái),，以Visual C++6.0為用戶開發(fā)環(huán)境,，進(jìn)行滑坡地質(zhì)災(zāi)害地理信息系統(tǒng)的開發(fā)。
　　MapX是MapInfo公司開發(fā)的能向用戶提供強(qiáng)大地圖分析功能的ActiveX控件產(chǎn)品,。它支持絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)可視化開發(fā)環(huán)境,，如Visual Basic、Visual C++,、Delphi等,。MapX具有顯示MapInfo格式的數(shù)字地圖、簡(jiǎn)單的地理查詢、數(shù)據(jù)綁定等功能,，經(jīng)過數(shù)據(jù)綁定,，可以將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)制成專題圖或在地圖上查詢數(shù)據(jù)，以及通過SQL語句實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的查詢,。使用MapX開發(fā)圖形化軟件時(shí)具有開發(fā)周期短,、圖形功能強(qiáng)、程序運(yùn)行穩(wěn)定,、容易掌握等特點(diǎn),。
　　GPS進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)是一種實(shí)用有效方法，國(guó)內(nèi)外有許多應(yīng)用實(shí)例,，均取得了良好效果,。系統(tǒng)建成后，將具有自動(dòng)遙測(cè),、無人值守,、無障礙設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程遙測(cè),、低成本等特點(diǎn),。隨著GPS定位技術(shù)的不斷發(fā)展，儀器功能增強(qiáng)和完善,，價(jià)格進(jìn)一步降低,，各種解算模型更加完善，相信本系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景,。
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