摘   要： 研究了國內(nèi)外有關(guān)滑坡監(jiān)測的動態(tài)，以定位系統(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)害遙測系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的組建方案，并對其進(jìn)行較為深入的研究，初步實(shí)現(xiàn)了對滑坡的遙測功能。

　　我國幅員遼闊，地質(zhì)地貌復(fù)雜，同時(shí)也是由于復(fù)雜的地質(zhì)地貌條件使得我國成為世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)多的國家之一。如果安裝了這個(gè)系統(tǒng)，研究者便可據(jù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)出滑坡災(zāi)害的預(yù)警并提出有效的減災(zāi)決策。該無線遙測臺網(wǎng)具有監(jiān)測參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、很高的工作效率與可靠性等特點(diǎn)。無需派遣管理人員到現(xiàn)場操作儀器，系統(tǒng)即可在全天候的條件下提供亞毫米級的，監(jiān)測滑坡是否發(fā)生了超出正常范圍的滑移和變形。研究工作的目的旨在發(fā)展一種儀器監(jiān)測系統(tǒng)，以便能夠早期監(jiān)測到滑坡的趨勢性變形、提供滑坡變形非線性加速的預(yù)警。

　　1 研究動態(tài)

　　人們用于滑坡形變監(jiān)測的手段，隨著科技的進(jìn)步而不斷地處于更新之中。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。在地表面，常規(guī)的大地測量方法作為一種準(zhǔn)確的監(jiān)測手段，也得到廣泛的應(yīng)用，例如：邊角監(jiān)測網(wǎng)，精密幾何水準(zhǔn)測量等。

　　自上世紀(jì)90年代初開始，GPS的出現(xiàn)為滑坡監(jiān)測，乃至整個(gè)形變監(jiān)測提供了新的手段，因?yàn)樗邆涑Ｒ?guī)測量所不具備的優(yōu)越性，諸如：不要求視線通視、不受測區(qū)環(huán)境限制、效率高等優(yōu)勢[2]。GPS的出現(xiàn)使得工程測量有了一個(gè)大的飛躍，滑坡監(jiān)測也隨之走入高、數(shù)字化、全天候的新階段。GPS在滑坡監(jiān)測中日益顯示出巨大的優(yōu)勢。

　　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)已在大地測量、地殼形變監(jiān)測、精密工程測量等諸多領(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)行精密測量，平差后控制點(diǎn)的平面位置可以達(dá)到±（1～2） mm ,高程為±（2～3） mm。研究結(jié)果表明，采用性能優(yōu)良的接收機(jī)和的數(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出變形體平面位移毫米級水平的變形。

　　在變形監(jiān)測方法的選擇上，我們依據(jù)崩、滑體監(jiān)測的內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外監(jiān)測技術(shù)和方法的發(fā)展水平，同時(shí)兼顧測量的要求和監(jiān)測工作的效率。在實(shí)際應(yīng)用中我們采用GPS、InSAR監(jiān)測技術(shù)測量地表形變，鉆孔測斜儀監(jiān)測深部位移，選擇孔隙水壓力計(jì)來監(jiān)測地下水動態(tài)變化，選擇鋼筋應(yīng)力計(jì)與錨索（桿）應(yīng)力計(jì)，分別用于監(jiān)測抗滑樁內(nèi)部鋼筋和錨索、錨桿的受力變化；同時(shí)，采用遙測臺網(wǎng)技術(shù)采集包括位移、傾斜、地下水、鋼筋計(jì)、危巖聲發(fā)射等在內(nèi)的各種動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　2 系統(tǒng)構(gòu)建

　　2.1  指導(dǎo)思想

　　崩塌、滑坡監(jiān)測的主要目的是：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、滑坡的正確評價(jià)分析、預(yù)測預(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)測結(jié)果也是檢驗(yàn)崩塌、滑坡分析評價(jià)及滑坡工程治理效果的尺度[1]。為了達(dá)到上述目的，萬州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想有：

　?。?）針對不同崩、滑體的變形特征，采用不同的方案、手段監(jiān)測；

　?。?）同一崩滑體上采用多種手段監(jiān)測，使其互相補(bǔ)充、檢核；

　?。?）選用常規(guī)與遙測、地表與地下相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)和方法；

　　（4）形成點(diǎn)、線、面、三維空間的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和警報(bào)系統(tǒng)，有效地監(jiān)測崩、滑體動態(tài)變化及其發(fā)展趨勢，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)定性評價(jià)和防治提供可靠依據(jù)。

　　2.2 方案構(gòu)建

　　對于國內(nèi)大多數(shù)不具備比較好的監(jiān)測條件的滑坡地點(diǎn)，如高速公路沿線、鐵路沿線，乃至三峽庫區(qū)眾多滑坡體的形變監(jiān)測，其情形是：各觀測點(diǎn)位于野外荒坡，無電源；地處偏僻，需無人職守；監(jiān)測面大，資金有限，無法采用昂貴的進(jìn)口GPS接收機(jī)；監(jiān)測點(diǎn)可能突發(fā)山體垮塌，造成監(jiān)測設(shè)備損毀，造成現(xiàn)場監(jiān)測人員傷亡等。

　　針對上述特點(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，方便正確評價(jià)邊坡的穩(wěn)定程度，認(rèn)識其破壞機(jī)理與過程。運(yùn)用3S技術(shù)，構(gòu)建一套性能好、高、造價(jià)低、自動化程度高、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)測系統(tǒng)，進(jìn)行水平位移和垂直位移的監(jiān)測以及主要誘因降雨量的監(jiān)測。可以了解滑坡的滑動動態(tài)，掌握滑動過程中的宏觀特征，進(jìn)一步確定滑坡滑動的位移矢量分布，從而研究滑動機(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)場數(shù)據(jù)采集器安裝在工業(yè)現(xiàn)場，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。控制中心配有相應(yīng)的報(bào)警裝置，方便維護(hù)人員啟動相應(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，并由提出滑坡防治的建議、給出應(yīng)急預(yù)案、預(yù)測可能發(fā)生的后果，決策部門依此所掌握的資源給出防治預(yù)案。在決策中心，它一般基于滑坡GIS（地理信息系統(tǒng)）平臺，并配備大屏幕墻面顯示，系統(tǒng)分析決策軟件等。

　　現(xiàn)場數(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。由紅外傳感器監(jiān)測非法闖入，系統(tǒng)自動啟動圖像傳輸，記錄現(xiàn)場情況?，F(xiàn)場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)觀測現(xiàn)場環(huán)境實(shí)況。

　　2.3 硬件設(shè)計(jì)

　　滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙測系統(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，主要完成現(xiàn)場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，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，完成對相關(guān)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。ARM處理器具有以下特點(diǎn)

　　1、體積小、低功耗、低成本、高性能；

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

　　3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

　　4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

　　5、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；

　　6、指令長度固定。

　　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觀測是滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測報(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。GPS天線采用了浙江中裕的ZY-C-4型單頻測量型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)自動完成的。

　　2.3.3 GPRS模塊

　　通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可以在除蜂窩電話之外的多種設(shè)備中得以實(shí)現(xiàn)，包括膝上型電腦的PCMCIA調(diào)制解調(diào)器、個(gè)人數(shù)字助理的擴(kuò)展模塊和手提式電腦。當(dāng)前流行的手提式E-mail設(shè)備BlackBerry的制造商Research in Motion（RIM）于一個(gè)稱為Microcell Telecommunications的GSM供應(yīng)商合作，研究如何將GPRS用于其他無線系統(tǒng)消息的傳送。

　　本文選用Sony Ericsson公司的GR47 GPRS模塊，GR47獨(dú)特的優(yōu)勢是[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)的測試，掉線幾率是同類模塊的；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)并獲得動態(tài)分配的IP地址。這樣，微處理器向GGSN發(fā)送的數(shù)據(jù)就會被傳送給Internet網(wǎng)中相應(yīng)的IP地址，從而完成據(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)測監(jiān)測點(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)場情況使用多個(gè)串聯(lián)連接，開關(guān)量監(jiān)測結(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。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)測傳感器，結(jié)合圖像傳輸系統(tǒng)，達(dá)到防盜監(jiān)測的目的。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)，傳感器會輸出一個(gè)脈沖信號。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)

　　電源系統(tǒng)是由整流設(shè)備、直流配電設(shè)備、蓄電池組、直流變換器、機(jī)架電源設(shè)備和相關(guān)的配電線路組成的總體稱為電源系統(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?？刂浦行耐ㄟ^GPRS無線鏈路，能監(jiān)測各個(gè)測點(diǎn)的電源供電狀況，對電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。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）的編程語言Visual C++為編程語言，實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面和動態(tài)化的監(jiān)測點(diǎn)圖形顯示。觀測結(jié)果存放采用后臺Access數(shù)據(jù)庫，并具有監(jiān)測點(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。控制中心軟件數(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)測信息管理具有如下特點(diǎn)及問題：

　　（1）除部分遙測臺網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)外，其他如單期GPS監(jiān)測數(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；

　?。?）監(jiān)測數(shù)據(jù)呈離散關(guān)系，難以體現(xiàn)內(nèi)在聯(lián)系；

　?。?）不利于監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、查詢和分析；

　?。?）很難從時(shí)間上體現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢；

　?。?）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，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)。通過數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)分析模塊與曲線顯示模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、更新、查詢、趨勢性分析、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，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)測是一種實(shí)用有效方法，國內(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，將具有自動遙測、無人值守、無障礙設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程遙測、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，也具有很大的經(jīng)濟(jì)利潤。