贾进科，马　辉，蔡习文，陈蓓青，申邵洪



基于物联网三维GIS的地质灾害监测管理系统研究

贾进科1，马辉2，蔡习文1，陈蓓青3，申邵洪3

（1．长江岩土工程总公司，武汉430010；2．水利部水文局，北京100053；3．长江科学院空间信息研究所，武汉430010）

doi：10．11988/ckyyb．20150245

采用物联网、网络三维地理信息系统、数据库技术为核心技术，从地质灾害监测数据的获取、管理、分析和表达等角度出发，深入开展了大型水库地质灾害监测管理系统研究。首先，根据地质灾害监测参数，构建地质灾害监测传感器网络，远程获取监测数据；然后，在网络三维真实地理环境下，实现监测结果网络三维表达和交互应用、以及灾害模拟分析。选择丹江口库区滑坡监测管理开展典型应用，验证了系统的稳定性、有效性和智能性，结果表明该系统能够快速、高效、科学支撑地质灾害监测管理，具备良好的应用前景。

物联网；地质灾害监测；网络三维地理信息系统；地质灾害；预警分析

1　研究背景

滑坡、崩塌等类型地质灾害是大型水库兴建、运行时形成的自然灾害，容易导致房屋倒塌、河道堵塞，带来重大自然灾害，造成巨大的经济损失和人员伤亡。采用物联网、空间信息、模型预警等高新技术有效开展地质灾害实时监测和预警研究是当前研究热点。当前，物联网技术正处于飞速发展和广泛应用时期，已经在水文监测、火灾监测、水环境监测、危险品运管管理监测等多方面得到了广泛应用［1］。物联网技术在水利信息自动监测中的广泛应用，已经成为推进水利智能化发展的一个重要举措［2］。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）具备优越的数据管理、表达、分析功能，在自然灾害监测预警系统中也得到深入应用［3］。网络三维GIS是当前该领域中的研究热点，已经能够与各行业无缝集成，实现各种专业属性数据在真实网络三维环境下的表达和交换应用［4-6］。

本文主要综合应用物联网技术、网络三维地理信息系统技术、数值模拟计算技术，研究大型水库地质灾害监测管理系统，旨在：地质监测信息的实时采集、动态发布，科学模拟分析地质灾害演变趋势，实时发布地质灾害预警信息，进一步提高地质灾害监测管理工作的科学性和智能性。

2　系统体系构架

本文研究的系统是在空间信息技术和物联网技术的推动下，建立基于WebGIS的地质灾害监测管理系统，在大数据量的支持下构建类似Google Earth数字地球模式的真实场景，将各类信息在三维场景中进行可视化管理和分析，并通过互联网方式提供远程应用。

地质灾害监测管理系统分为传感器网络层、互联网信息传输层、数据存储管理层、应用支持层和业务应用层。

传感器网络层：传感器层由多类型地质灾害监测站组成，分别对位移、沉降、温度、水位、雨量等与地质灾害相关参数进行实时监测。

互联网信息传输层：该层的核心作用是通过GPRS通讯链路，将传感器网络层采集的信号按照固定的编码、频率，通过GPRS传输至监测中心。

数据存储管理层：该层是采用Oracle对监测数据、基础地理数据、业务属性数据等多类型海量数据实现无缝集成和综合应用。

应用支持层：三维地理信息系统可视化软件skyline、灾害分析模型、Oracle数据库，网络编程语言（C#．net）等软件环境。

业务应用层：业务应用层主要提供面向最终用户使用的各类服务，包括三维GIS子系统、实时监测数据采集子系统，预警与应急响应子系统。

3　系统应用功能与实现

3．1地质灾害监测管理信息网络三维表达

地质灾害监测管理信息服务功能是在网络三维地理信息系统基础上，以数字地球的三维场景展示方式，集成了丹江口地区影像和地形，并叠加各类矢量数据，以及地质灾害实时监测数据、传感器相关信息等属性数据。

系统将研究范围内的31个滑坡和库岸监测点整个区域的高精度影像、地形和激光点云数据进行网络发布，客户端可通过浏览器进行浏览、查询和分析。整个场景的数据以树状图方式组织，包括基本图层控制、监测点控制和兴趣点（POI）控制。其中POI控制为31个监测地点，可以通过点击直接在三维场景中跳转到各个监测地点位置；监测点图层同样为31个监测地点，以树状图方式分别显示了观测点、图元、剖面、控制点、现场站、传感器等各类信息，如图1所示。

图1　三维场景浏览与目标标识Fig．1　Three-dimensional scene browsing and target identification

3．2地质灾害实时监测数据采集管理

3．2．1监测数据实时采集

根据滑坡和崩塌体监测特点，以地表变形监测和深部位移监测为主，辅以地下水监测和气象监测等，监测参数信息如表1所示。

3．2．2监测数据应用

传感器网络在监测站点现场获取位移、温度、水位、雨量等地质灾害监测数据，通过GPRS网络传输至监测中心，监测中心部署监测数据接收软件，将数据写入Oracle数据库，同时，开发自动监测数据应用软件，实现监测数据的查询统计和交互应用服务。

软件采用传感器参数和监测数据一体化管理的模式，并通过图表的形式，对传感器和监测数据进行网络可视化表达，分为传感器参数列表区和监测数据统计分析图标区。整个操作界面如图2所示，主要分为传感器列表区和监测数据统计分析图表区。

表1　地质灾害监测参数信息Table 1　Monitoring parameters of geological hazard

图2　监测数据应用Fig．2　Application of monitoring data

3．2．3地质灾害预警分析

地质灾害预警分析以地理信息系统为分析平台，集成远程实时传输的地质灾害监测数据、基础地理数据、地质灾害预警分析模型，将地质灾害预警模型与GIS平台相结合，实时接收气象、水文等数据，以行政村作为最小预警点，实现地质灾害的实时快速预警。

在地质灾害预警分析软件功能方面，主要是分为服务器和客户端2大部分。服务器端主要是实时获取地质灾害远程监测数据，开发地质灾害预警分析模型，将监测数据输入至预警分析模型，开展模拟分析计算，获得预警分析结果。预警分析模型研究重点对滑坡变形预测模型进行了深入研究和有效集成，分别对非线性动力学模型、匀速加速变化型灰色模型和多因素灰色预测模型的有效性、实用性，以及模型的优缺点进行了分析和讨论。

客户端通过浏览器实现对实时监测预警和区域预警的参数设置、结果查询以及提供手动发送信息的功能，功能操作如图3所示。具体而言，主要实现了监测点预警状态的设置和查询、预警模型管理、预测预报和区域预警计算功能。

在区域预警功能中，首先要对丹江口地区进行区域地质灾害危险度划分。本项目共划分了4级危险区，综合考虑了地形、植被、土壤、人口和地质条件等因素。降雨值通过传感器传入数据库，根据计算获得有效降雨值，将有效降雨值数据与地灾危险性区划进行叠加分析，形成最终的区域预警值，以栅格数据的方式进行渲染和展现。

图3　监测点预警功能操作Fig．3　Prewarning information of monitoring points

4结语

本文重点采用物联网技术、网络三维地理信息技术，结合大型水库地质灾害监测管理的实际需要，建立了地质灾害监测、数据管理、数据模拟分析和地质灾害监测管理一体化的信息系统。主要取得了以下成果：

（1）构建地质灾害监测数据采集传感器网，实现了各类型地质灾害监测信息的远程、实时、精准采集和传输。根据大型水库地质灾害监测的实际需要，建设位移、温度、水位、雨量等多类型监测站，形成监测层传感器网络，实现地质灾害监测信息的远程智能化、自动化、实时采集；利用互联网和数据库技术，构建互联网环境下的监测数据采集、传输、管理、服务系统，充分发挥监测数据的网络共享优势，建立多用户监测数据网络交互应用机制。

（2）构建了基于3D WebGIS的地质灾害监测管理信息系统。采用先进的网络技术，虚拟仿真技术和基于多用户并发的WEB异步服务技术，实现了监测数据模拟分析、监测管理、监测数据网络三维表达和交换应用，智能、科学、高效支撑地质灾害监测管理工作。

（3）选择丹江口库区地质灾害监测管理为实际应用，验证系统的有效性和科学辅助决策作用。根据地质灾害监测数据、基础地理数据、水利专题数据，集成地质灾害预警分析模型，实现了地质灾害预警分析和预测预警，为地质灾害预警提供了信息管理科学化，应急响应快速化，辅助决策高效化的支撑平台。通过系统的实际应用，总结出需要不断累积监测数据，进一步优化和改善预测预报、区域预警功能，有待深入研究和探讨。

［1］侯圣山，李昂，周平根．四川雅安市雨城区地质灾害预警系统研究［J］．地学前缘，2007，14（6）：160-165．

［2］张云，蔡彬彬．基于物联网架构的水文监测系统研究［J］．水资源与水工程学报，2012，23（3）：173-175．

［3］谭德宝，张煜，孙家柄．滑坡区域的真三维数字仿真［J］．长江科学院院报，2005，22（6）：67-70．

［4］ 谈树成，金艳珠，冯龙，等．基于RIA的WebGIS斜坡地质灾害气象预报预警信息系统的设计与实现［J］．地球学报，2014，35（1）：119-125．

［5］王威，王水林，汤华，等．基于三维GIS的滑坡灾害监测预警系统及应用［J］．岩土力学，2009，30（11）：3379-3385．

［6］任涛，吴悦，郝文杰．基于InfoEarth iTelluro的地质灾害群测群防三维GIS系统设计与实现［J］．长江科学院院报，2013，30（7）：111-116．

（编辑：姜小兰）

本刊电子信箱：cjkb@163．net

Geohazard Monitoring and Management System Based on IoT and 3D GIS

JIA Jin-ke1，MA Hui2，CAI Xi-wen1，CHEN Bei-qing3，SHEN Shao-hong3
（1．Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan 430010，China；2．Hydrological Bureau of the Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China；3．Department of Spatial Information Technology Application，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In this paper，a geohazard monitoring and management system for large-scale reservoir involving the obtaining，management，analysis and expression of geohazard monitoring data，is constructed based on IoT（Internet of

Things），3D WebGIS and spatial database technology．Firstly，we construct a sensor network for geohazard monitoring according to monitoring parameters and get remote monitoring data．Secondly，in true geographical environment of 3D network，we can realize 3D network expression and interactive application of real-time monitoring results，as well as simulation analysis of geohazard．Landslide monitoring and management in Danjiangkou reservoir area are taken as examples．The results show that，the system is stable，effective and intelligent，and the system can support landslide monitoring and management in the reservoir area and it has a good application prospect．

IoT；geohazard monitoring；3D WebGIS；geological disaster；prewarning analysis

TP79

A

1001-5485（2016）07-0142-03

2015-04-02；

2015-05-18

国家“十二五”科技支撑计划项目（2013BAB05B01；水利部公益性行业科研专项（201201051）；长江科学院院所长基金项目（CKSF2015019/KJ）

贾进科（1974-），男，湖南岳阳人，高级工程师，研究方向为工程测量、GPS测量和地质灾害监测，（电话）027-82927475（电子信箱）cjwjjk@126．com。