滑坡地质灾害遥测系统设计和研究

　　摘   要： 研究了国内外有关滑坡监测的动态，以定位系统、地理信息系统、GPRS无线通信系统这三大主流技术为依托，结合嵌入式技术，提出了滑坡地质灾害遥测系统监测网络的组建方案，并对其进行较为深入的研究，初步实现了对滑坡的遥测功能。

　　我国幅员辽阔，地质地貌复杂，同时也是由于复杂的地质地貌条件使得我国成为世界上地质灾害发生次数多的国家之一。如果安装了这个系统，研究者便可据以进行数据分析，发出滑坡灾害的预警并提出有效的减灾决策。该无线遥测台网具有监测参数、实时数据传输、很高的工作效率与可靠性等特点。无需派遣管理人员到现场操作仪器，系统即可在全天候的条件下提供亚毫米级的，监测滑坡是否发生了超出正常范围的滑移和变形。研究工作的目的旨在发展一种仪器监测系统，以便能够早期监测到滑坡的趋势性变形、提供滑坡变形非线性加速的预警。

　　1 研究动态

　　人们用于滑坡形变监测的手段，随着科技的进步而不断地处于更新之中。原始的方法是通过查看滑坡区哪里出现了裂缝、塌陷或冒水等迹象。在地表面，常规的大地测量方法作为一种准确的监测手段，也得到广泛的应用，例如：边角监测网，精密几何水准测量等。

　　自上世纪90年代初开始，GPS的出现为滑坡监测，乃至整个形变监测提供了新的手段，因为它具备常规测量所不具备的优越性，诸如：不要求视线通视、不受测区环境限制、效率高等优势[2]。GPS的出现使得工程测量有了一个大的飞跃，滑坡监测也随之走入高、数字化、全天候的新阶段。GPS在滑坡监测中日益显示出巨大的优势。

　　随着GPS 接收机硬件性能和软件处理技术的提高，GPS 精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。目前，采用GPS 定位技术进行精密测量，平差后控制点的平面位置可以达到±（1～2） mm ,高程为±（2～3） mm。研究结果表明，采用性能优良的接收机和的数据处理软件，在采取一定的措施后，GPS能在短时间（几十分钟） 内以足够的灵敏度探测出变形体平面位移毫米级水平的变形。

　　在变形监测方法的选择上，我们依据崩、滑体监测的内容，结合当前国内外监测技术和方法的发展水平，同时兼顾测量的要求和监测工作的效率。在实际应用中我们采用GPS、InSAR监测技术测量地表形变，钻孔测斜仪监测深部位移，选择孔隙水压力计来监测地下水动态变化，选择钢筋应力计与锚索（杆）应力计，分别用于监测抗滑桩内部钢筋和锚索、锚杆的受力变化；同时，采用遥测台网技术采集包括位移、倾斜、地下水、钢筋计、危岩声发射等在内的各种动态监测数据。

　　2 系统构建

　　2.1  指导思想

　　崩塌、滑坡监测的主要目的是：具体了解和掌握崩、滑体的演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，为崩塌、滑坡的正确评价分析、预测预报及治理工程等提供可靠的资料和科学依据。同时，监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评价及滑坡工程治理效果的尺度[1]。为了达到上述目的，万州区地质灾害监测系统总体设计思想有：

　　（1）针对不同崩、滑体的变形特征，采用不同的方案、手段监测；

　　（2）同一崩滑体上采用多种手段监测，使其互相补充、检核；

　　（3）选用常规与遥测、地表与地下相结合的监测技术和方法；

　　（4）形成点、线、面、三维空间的监测网络和警报系统，有效地监测崩、滑体动态变化及其发展趋势，具体了解和掌握其演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，预报崩滑险情，防灾于未然。同时，为崩滑体的稳定性评价和防治提供可靠依据。

　　2.2 方案构建

　　对于国内大多数不具备比较好的监测条件的滑坡地点，如高速公路沿线、铁路沿线，乃至三峡库区众多滑坡体的形变监测，其情形是：各观测点位于野外荒坡，无电源；地处偏僻，需无人职守；监测面大，资金有限，无法采用昂贵的进口GPS接收机；监测点可能突发山体垮塌，造成监测设备损毁，造成现场监测人员伤亡等。

　　针对上述特点，本文提出将3S（GPS、GIS、GPRS）技术和滑坡变形机理与稳定性研究相结合，方便正确评价边坡的稳定程度，认识其破坏机理与过程。运用3S技术，构建一套性能好、高、造价低、自动化程度高、易于安装、利于大面积布网、利于推广的实时滑坡监测系统，进行水平位移和垂直位移的监测以及主要诱因降雨量的监测。可以了解滑坡的滑动动态，掌握滑动过程中的宏观特征，进一步确定滑坡滑动的位移矢量分布，从而研究滑动机理，判别临滑前兆，及时提供灾害预警。

　　通过研究，本文提出了如图1所示的结构方案。它主要由5部分组成：协同决策系统、滑坡监测系统、无线传输系统、报警系统和电源管理系统。其中协同决策系统主要由GIS功能子系统、数据分析系统、数据库管理系统和文件管理系统几部分组成。

　　系统由若干个现场数据采集器安装在工业现场，采集GPS定位信息及降雨量信息，同时进行电源管理、防盗报警、崩塌报警等。通过GPRS网络与控制中心的分析系统以及管理决策中心的决策系统建立无线连接，组成树状无线监控网络，系统组网硬件图如图2所示。控制中心配有相应的报警装置，方便维护人员启动相应的应急预案。管理决策中心通过协同决策系统，在科学建议的基础上，与决策部门共同研究，并由提出滑坡防治的建议、给出应急预案、预测可能发生的后果，决策部门依此所掌握的资源给出防治预案。在决策中心，它一般基于滑坡GIS（地理信息系统）平台，并配备大屏幕墙面显示，系统分析决策软件等。

　　现场数据采集器由太阳能电池加铅酸蓄电池组成的电源系统供电。由红外传感器监测非法闯入，系统自动启动图像传输，记录现场情况。现场安装图像传感器另一个作用是使管理决策中心能随时观测现场环境实况。

　　2.3 硬件设计

　　滑坡地质灾害遥测系统硬件分为采集终端、控制中心和管理决策中心三个部分。控制中心和决策中心硬件平台是基于计算机的，这里主要论述采集终端的硬件设计，结构如图3所示。

　　2.3.1 ARM处理器

　　数据采集终端安装在工业现场，主要完成现场GPS数据的采集、降雨量数据的采集、电源管理、防盗报警、崩塌报警等功能，它基于ARM嵌入式平台，ARM处理器采用Philips公司的LPC2138芯片，该芯片为ARM7处理器，其丰富的片上资源以及优良的性能为本系统提供了可靠的嵌入式解决方案。

　　在众多嵌入式操作系统中，由于？滋C/OS-II操作系统具有代码小、易于移植、可裁剪、性能稳定等优点，非常适合本系统的要求。本文选用？滋C/OS-II作为嵌入ARM处理器的操作系统。数据采集终端在操作系统的支持下，完成对相关现场数据的采集。ARM处理器具有以下特点

　　1、体积小、低功耗、低成本、高性能；

　　2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

　　3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；

　　4、大多数数据操作都在寄存器中完成；

　　5、寻址方式灵活简单，执行效率高；

　　6、指令长度固定。

　　2.3.2 GPS模块

　　GPS接收模块由GPS天线单元和GPS接收机单元组成，它是GPS系统的一个重要组成部分。采用GPS观测是滑坡实时监测报警系统的主要手段和特点，而基于GPS系统所形成的差分解算的算法以及在观测中由于GPS系统产生的各种误差等问题，都直接影响滑坡监测。GPS天线采用了浙江中裕的ZY-C-4型单频测量型GPS天线。

　　ARM处理器利用VP命令通过串口控制GPS接收机的工作。GPS数据的采集是在事先设定的时段内自动完成的。

　　2.3.3 GPRS模块

　　通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以在除蜂窝电话之外的多种设备中得以实现，包括膝上型电脑的PCMCIA调制解调器、个人数字助理的扩展模块和手提式电脑。当前流行的手提式E-mail设备BlackBerry的制造商Research in Motion（RIM）于一个称为Microcell Telecommunications的GSM供应商合作，研究如何将GPRS用于其他无线系统消息的传送。

　　本文选用Sony Ericsson公司的GR47 GPRS模块，GR47独特的优势是[5]:传输大量数据并始终保持连接，根据笔者在不同地区的测试，掉线几率是同类模块的；本身具有TCP/IP协议栈功能，还可以开放内部CPU 资源，同时拥有所有M2M通信必需的功能。GPRS无线链路组成如图4所示。

　　微处理器LPC2138通过串口将命令和数据发送给GPRS的数据传送终端，控制着GR47登录GPRS网关并获得动态分配的IP地址。这样，微处理器向GGSN发送的数据就会被传送给Internet网中相应的IP地址，从而完成据采集模块到远程主机的无线数据传输。数据到达指定的Internet地点之后再进行数据的处理和分析。

　　2.3.4 接口模块

　　接口模块主要有崩塌传感器、图像传感器、雨量传感器和红外传感器。崩塌传感器使终端可以监测监测点附近大片区域内的崩塌信息。其内部为具有固定临界倾斜角度的水银开关，可根据现场情况使用多个串联连接，开关量监测结果经过光电隔离接口与主控模块连接。图像传感器采用μPD3575D，它是NEC公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1 024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器。本系统采用深圳浩博特信息有限公司的708-2B红外人体感应模块作为防盗监测传感器，结合图像传输系统，达到防盗监测的目的。雨量传感器采用双翻斗式雨量计，其工作原理为：当累计有0.1 mm降雨量时，传感器会输出一个脉冲信号。触发ARM处理器产生记数中断，从而得到单位时间内的降雨量。

　　2.3.5 电源系统

　　电源系统是由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备和相关的配电线路组成的总体称为电源系统。数据采集终端工作在野外，大多数地处偏僻，供电条件很差，所以必须对其供电系统进行专门的设计，以保证数据采集器可靠地工作。控制中心通过GPRS无线链路，能监测各个测点的电源供电状况，对电源进行实时监测。主要包括太阳能电池板、电池充电电路、DC/DC转换电路、电池电量监测电路以及无线通信电路5个部分组成，电源系统组成如图5所示。

　　2.4 系统软件设计

　　2.4.1 控制中心

　　控制中心PC机数据处理软件包括GPRS通信部分、GPS差分解算部分、监测结果图形显示部分以及菜单界面等。软件采用面向对象（OOP）的编程语言Visual C++为编程语言，实现友好的用户界面和动态化的监测点图形显示。观测结果存放采用后台Access数据库，并具有监测点数据统计、位移超限报警、系统故障报警、非法闯入报警等功能。控制中心软件数据流程如图6所示。

　　2.4.2管理决策中心

　　目前地质灾害监测信息管理具有如下特点及问题：

　　（1）除部分遥测台网监测数据外，其他如单期GPS监测数据处理结果普遍采用人工录入，地形、地质数据多以图纸、文字记录等纸面形式存在；

　　（2）监测数据呈离散关系，难以体现内在联系；

　　（3）不利于监测数据的管理、查询和分析；

　　（4）很难从时间上体现地质灾害的发展趋势；

　　（5）很难及时为政府部门提供防灾减灾决策依据。

　　为解决上述问题，本文提出滑坡地质灾害协同决策系统设计方案。

　　滑坡地质灾害协同决策系统利用PC机为硬件开发平台，建立一个滑坡地质灾害地理信息系统，它是一个能够有效管理各种三维空间（地理坐标和时间变化） 数据的信息系统。通过数据库模块、数据分析模块与曲线显示模块，实现监测数据的存储、更新、查询、趋势性分析、绘图显示及输出等功能。

　　地理信息系统以MapX为基本开发平台，以Visual C++6.0为用户开发环境，进行滑坡地质灾害地理信息系统的开发。

　　MapX是MapInfo公司开发的能向用户提供强大地图分析功能的ActiveX控件产品。它支持绝大多数标准可视化开发环境，如Visual Basic、Visual C++、Delphi等。MapX具有显示MapInfo格式的数字地图、简单的地理查询、数据绑定等功能，经过数据绑定，可以将数据库中的数据制成专题图或在地图上查询数据，以及通过SQL语句实现对地图的查询。使用MapX开发图形化软件时具有开发周期短、图形功能强、程序运行稳定、容易掌握等特点。

　　GPS进行滑坡监测是一种实用有效方法，国内外有许多应用实例，均取得了良好效果。系统建成后，将具有自动遥测、无人值守、无障碍设计、远程遥测、低成本等特点。随着GPS定位技术的不断发展，仪器功能增强和完善，价格进一步降低，各种解算模型更加完善，相信本系统具有非常广阔的应用前景，也具有很大的经济利润。