基于多源空间数据的地质灾害监测预警系统研究——以云南省德钦县为例

赵俊三，柯尊杰，陈国平,3，袁 磊，谷 苗，王 涛

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2. 云南省基础测绘技术中心, 云南 昆明 650000；3. 昆明冶金高等专科学校测绘学院，云南 昆明 650033；4. 云南师范大学信息学院，云南 昆明 650500；5. 昆明云金地科技有限公司，云南 昆明 650102)

0 引 言

中国大多数区域的地质和地理环境复杂，气候条件时空差异大，是地质灾害分布广泛、发生频繁、危害严重的国家之一[1]。地质灾害是一种活跃的动态环境变化过程[2]，极易造成巨大的生态灾难，威胁着人民生命财产安全，不同类型的地质灾害发生的机理各不相同，即使同样类型的地灾在不同内部地质构造、外部地形环境条件下其发灾成因及特点也各有差异。因此，目前人类尚无法准确掌握其发生的灾变机理，也很难精确预测灾害发生的时点和过程。

新一代空间信息获取、物联网、视频监控等技术的迅猛发展将为地质灾害的内、外部监测提供全方位的多源空间数据，其中三维激光扫描、InSAR、高分影像、无人机、GNSS等技术可以快速准确地采集大范围空间位置信息；物联网、智能传感器可以对灾害体内部结构和位移微观变化进行实时监测，并快速传输变化信息；视频监控和快速识别技术可以对地灾外部形态进行实时跟踪，对其外部变化趋势及移动规律进行快速识别，从而为提前预判和应急救灾提供重要的信息。通过技术集成和整合海量监测数据，构建多源空间数据库，融合灾变模型，建设开发监测预警系统，为灾害机理分析、灾前预警预报、灾变过程模拟、灾中影响分析、灾后评估与规划等防灾减灾提供强大的数据支撑和决策依据成为可能。因此，研究基于现代高新技术和多源空间数据的地质灾害监测与预警预报系统越来越受到政府部门和减灾防灾研究机构的重视。

1 研究综述

地质灾害本身所具有的突发性与复杂性等特征，造成其监测预警方法难以统一，也很难保证其较高的可靠性，同时针对地质灾害监测预警还没有一个完善的理论体系，存在着大量的不确定性因素，因此，地质灾害监测与预警技术仍需要不断地探索与研究[3-4]。

地质灾害的监测预警是一项长期艰巨的工作。近年来，众多研究者运用多种技术方法对不同类型的地质灾害监测及预警方法开展相关研究工作，取得了丰硕的成果。Bo C等[5]把基于物联网技术的无线传感器网络引进煤矿安全远程监控系统，Hack R等[6]对斯洛伐克地质灾害环境监测内容、技术、方法进行研究，Leung H等[7]对泥石流的先进监测系统进行了详细介绍，Kebaili等[8]介绍了一种滑坡风险预警系统，该系统基于无线传感器网络来收集降水、土壤运动及土壤湿度等大数据，并建立MongoDB数据库原型，在突尼斯滑坡高风险区进行了验证；谢晓佳[9]、刘国元[10]等把GPS技术应用于地质灾害监测，杨军[11]等介绍了3S技术在地质灾害监测预警与应急指挥系统的原理、框架与应用，佴磊[12]、雷明堂[13]等从不同角度研究了GIS技术在地质灾害信息管理、灾害评估及系统开发中的应用，取得了较好的效果。近年来，运用物联网、无线传感器网络、移动通信、三维GIS、WebGIS、高分遥感、无人机、北斗卫星系统及多者相结合应用于地质灾害监测预警逐渐成为主流，但每种监测预警方法获取的数据均有一定的局限性和时效性。综合运用测绘新技术、视频监控、物联网技术快速获取多源空间数据，对地质灾害从大范围宏观空间位置精确获取、地灾内部微观位移和外部灾变形态，结合微波信号的超远距离实时传输技术，运用云计算和大数据挖掘算法对地质灾害进行全方位实时动态监测监控，对灾害发展趋势进行动态模拟、预警预测及辅助决策的综合信息系统建设成为未来地质灾害监测和预警预报的发展方向。

2 多源地质灾害监测预警系统设计

2.1 体系结构设计

图1 地质灾害监测预警体系结构图Fig.1 Structure map of geological hazard monitoring and warning system

基于多源空间数据的地质灾害监测预警系统主要由四部分构成如图1所示，数据采集层是基于研究区已有基础地理信息数据，地质环境、气象等专题数据等成果，结合测绘新技术、物联网技术、视频监控等，实时采集地质灾害监测信息；数据库层是将采集的地质灾害监测信息根据空间数据库建库的标准进行分类、分层，构建地质灾害监测预警核心数据库[14]；监测预警分析系统平台层是基于多源监测数据，结合专业模型，针对实际需求而开发的子系统；系统服务层是将分析系统处理的结果，以不同的平台展示给不同的用户。

2.2 数据库设计

按照统一的标准和规范，对多类型、多尺度基础地理信息数据进行统一汇交和整合集成，对地质灾害监测的多期三维激光扫描、无人机数据、视频监控、智能传感器、地灾外业调查数据进行有效的组织与存储。在横向上，保证研究区调查数据的完整性；在纵向上，通过坐标转换保证多源数据实现空间上的套合与叠加。按照建库要求及标准，实现对数据的整合处理，对研究区监测的图形、属性、影像等空间数据以及其他非空间数据的一体化管理。数据库建设内容主要包括以下几个方面：

1）地理国情与基础地理信息数据库

以研究区地理国情普查数据库为基础，对区域内现有多源、多尺度、多时相、4D产品及相关地理信息数据进行整合处理，建设研究区地理国情与基础地理信息数据库，作为系统原始底图数据。

2）社会经济环境专题数据库

收集研究区地质构造/地质环境数据、历年地质灾害、历年降雨气象数据以及地质灾害治理工程专题数据、经济社会、大比例尺地图数据及建筑物、单位人员分布数据等，建立社会经济环境专题数据库。

3）地质灾害监测数据库

对同一灾害点或区域的监测数据，主要包括三维激光扫描数据、无人机数据、视频监控数据、物联网数据、InSAR数据、地质外业实地调查数据等，按时间序列建立地质灾害监测数据库。

2.3 开发模式设计

地质灾害监测预警系统以数据规范化与标准化处理为基础，以计算机网络及硬件平台为依托，以数据分散存储、集中使用为核心，采用GIS、大数据挖掘、信息安全等技术开发建设[15]，实现对地质灾害监测数据的整合与集成、信息的快速查询与统计分析、多维展示、风险评估与模拟、信息共享、预警预报等。

图2 系统开发模式示意图Fig.2 System development model diagram

系统采用B/S和C/S混合开发模式。其中，B/S模式针对地灾信息查询与数据分析、地质灾害监测信息共享与服务系统、数据管理与维护系统，从而满足系统不同应用需求；基于C/S模式开发数据整合与入库系统、地质灾害风险评估与模拟系统、地质灾害预警预报系统。服务的主要对象是各级国土资源管理部门、各级防灾减灾部门和政府决策工作人员。实现过程如下所述。

1）数据流转：地质灾害监测数据通过数据整合与入库接口将数据上载至数据中心的服务器，数据处理人员对数据进行格式转换、图形编辑等处理，随后系统管理人员进行审核，完成后即可发布到前端，供前端应用系统使用[14]。

2）技术实现：系统采用GIS Service为基础的C/S系统模式，可以实现数据处理、管理、增、删、查、改等功能，后台根据需要提供分布式、五层结构的多个应用子系统，前台系统为日常管理工作服务，实现信息浏览、查询、空间分析功能，采用基于目前比较成熟的.net框架构建，用户通过浏览器即可访问[14]。

3）网络结构：核心数据库涉及机密数据，运行在涉密网中，而相关的数据管理软件也运行在涉密网中，直接访问数据库；应用服务器访问核心数据库并提供具体的业务功能，客户端直接访问应用服务器。主要是基于两个方面的考虑：一是安全保密要求，进行内外网分隔，对连接设置限制；二是根据本系统的需求，通过数据管理与维护系统实现对核心数据库的实时维护。

2.4 业务逻辑设计

系统从体系上分为五个层次，底层为大型数据库系统，主要用于存放各种空间与非空间数据，通过数据引擎中间件为业务逻辑运行程序提供数据支撑，通过应用子系统供各类用户操作和应用。软件研发综合采用多种开发工具、中间件及GIS二次开发工具[14]，其业务逻辑结构设计如图3所示。

图3 系统业务逻辑结构设计Fig.3 Design of the system business logic structure

系统逻辑结构分为数据库系统、数据引擎中间件、业务逻辑开发中间件、应用系统和用户操作端等几个部分。

数据库系统负责数据的直接交互，在这一部分提供对数据库数据的具体操作；数据引擎中间件主要作用是提供一个中间介质，程序通过这个数据引擎来与数据库交互，使用数据引擎将程序与数据库的操作耦合性降低，从而提高了数据库的安全性；业务逻辑开发中间件主要提供一些开发的基础组件模块，在这个基础及技术之上来实现相关的应用系统；应用系统主要通过将各个组件及相关技术有机组合，属于特定功能的系统；用户操作端，为每个用户提供相关业务操作服务；系统按照这个结构设置，每一层只管每一层的工作，在维护的时候方便维护，有功能扩展的时候，方便用户新增功能。

3 技术实现及关键技术

3.1 系统功能

基于多源空间数据的地质灾害监测预警系统的主要任务是通过多种技术手段全方位实时监测地质灾害区域和灾点本体、内外部变化等时空演变信息，最大程度获取连续的灾害体和环境因子的变化数据，并融合专业模型，建立动态监测模型，获得地灾动态评估结果，应用于地灾的预警预报。系统具有基本的数据整合与入库、信息查询、展示与分析、数据管理与维护外，还具有信息共享与服务、风险评估与模拟、预警预报等功能如图4所示，为防灾减灾部门、公众、决策者提供灾前预防、灾中抢险和灾后规划与治理，提供关键数据支撑和决策依据。

图4 系统功能结构图Fig.4 System function chart

3.2 关键技术

3.2.1 多源监测数据整合与集成

系统平台的建立均依赖于多层次、综合性的地理空间信息与属性信息集成的数据库，这些数据来源广泛，具有多源、多GIS数据库平台等特点，为信息系统开发建设的需要，必须对这些分散、异构及不同格式的“信息孤岛”进行整合，实现信息资源的一体化、标准化管理[16]；此外，随着数据库技术的发展，基于商用数据库实现空间与相关联属性数据的一体化贮存与管理已成为可能[17]，空间数据与属性数据的集成管理和不同种类基础数据库数据集成管理模式已是必然趋势。因此，多源监测数据的整合与集成的主要目的在于为后期实现跨部门、跨行业、跨平台之间的数据交换、共享和协同处理打下基础。

3.2.2 基于视频监控地灾信息快速自动识别与预警

基于视频监控的地质灾害自动识别与预警关键技术主要体现在以下两个方面：一是自动快速识别灾害体形变状态并报警。即运用高清视频探头对地质灾害体进行连续（计划）的侦测，并对连续拍摄的视频影像按照不同时刻自动比对，识别灾害体发生微观形变过程和发展趋势。当前端灾害体发生形变超过预警值时，报警信号将传送到总控制台，可以显示报警区域、位置、状态、监控设备等，并把预警等级以短信和图片格式及时发送到直接责任人和主管行政领导手机上。二是微波传输，由于视频监控数据较大，依靠传统通讯网络速度较慢，其次地质灾害常位于山区，网络信号存在盲区。依托微波无线网络可以实现特定区域的监控大数据的快速传输和语音通讯。此外，微波无线网络安装便捷，使用灵活，易于扩展，运行成本极低，节省了昂贵的GSM等通信费用，并且通过监控设备采集的数据与GIS数据进行匹配，可获取监控热源的坐标信息，从而快速精准地确定监控目标的位置。

3.2.3 地质灾害发生的机理模型与模拟分析技术

由于地质灾害具有群发性、诱发性等特征[2]，核心因素是地质构造和结构上的缺陷，其发灾的诱因包括自然的，如地震、降雨等，有的是人为的，如采矿、开挖坡脚、乱砍乱伐等不合理的人类活动。影响因素的多样性造成发灾机理难以准确把握，只有通过长期监测灾害体变形特征与诱发因素，利用3D/4D GIS和VR等技术对大量多源监测数据分析，挖掘灾变规律，确定成灾机理和关键诱因，构建地质灾害发生的机理模型。在此基础上，融合区域雨量、气象、地质环境等实时数据，对灾变趋势进行定量化分析与模拟，为地灾动态精准预警预报和工程治理设计等提供服务。

3.2.4 物联网技术与测绘新技术相结合的内外一体化监测体系构建

物联网是基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，即把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，以实现智能化识别和管理[18]。在地质灾害位置上布设大量物理、形变传感器，并将传感器组网，来实时采集并传输灾害体内部微观位移变化信息，而区域灾害体外部形变监测则采用现代测绘技术，如三维激光扫描、GNSS和无人机。两者技术所获取的监测数据从数据结构、数据格式，乃至维度上均有差异。因此，如何构建时间同步、空间参考一致的内外一体化监测体系及多维异构监测数据集成应用是关键问题。

4 试验与结论

基于系统平台建设思路，选取德钦县作为研究区进行实验。德钦县位于云南省迪庆藏族自治州，属高山峡谷区，县城及周边地区地质环境复杂。目前，县城规划区内有直溪河、水磨房河、一中河、巨水后山沟等4条泥石流沟，有滑坡95处、不稳定斜（边）坡5处、崩塌（或剥落）8处，是云南省乃至全国地质灾害隐患最为严重的县城之一，但由于各种条件的限制，县城无法异地搬迁，只有采取多种技术手段对地质灾害进行监测监控、实时预警，确保把地质灾害的影响降低到最低限度。因此，建立一套完整的德钦县地质灾害监测预警系统已成为迫在眉睫的任务。系统的开发建设对地质灾害的综合防治和防灾减灾具有重要的作用，对地区经济发展、社会稳定、人民生活水平提高起着至关重要的作用。此外，该地区地灾类型多样、地形地貌独特，具有典型的代表性示范意义。

德钦县地质灾害监测预警系统依托已有的地理国情普查数据成果和地质灾害专项监测数据，融合社会经济环境、地质环境历史数据等，经整合集成构建地质灾害监测预警核心数据库，基于地质动力学、灾变理论，建立地质灾害预警预报模型，研发多源空间数据地灾监测预警综合信息系统平台。主要实现了多源数据整合与入库、信息查询与数据分析、信息共享与服务、分析评估与模拟分析、预警预报、数据管理与维护等功能，为防灾减灾部门、领导决策及公众提供信息服务，同时为地质灾害灾前预警、灾中抢险、灾后重建、灾害治理全过程提供技术支撑。系统实现管理主界面、地理信息系统主界面及管护子系统功能如图5-图7所示。

图5 地质灾害监测预警地理信息系统管理主界面Fig.5 Management interface of geological disaster monitoring and early warning geographic information system

图6 地质灾害监测预警地理信息系统主界面Fig.6 Main interface of geological disaster monitoring and early warning geographic information system

图7 地质灾害监测预警系统数据管理与维护子系统Fig.7 Geological disaster monitoring and early warning system-data management and maintenance subsystem

灾前预警预报主要是结合灾害区域范围降雨、气象等数据，在数据挖掘、空间分析基础上，对灾害提前进行预测、预警、预报，对发灾前状态和危险等级进行预判，为防灾减灾提前做好准备，最大程度减少损失。

地灾发生过程中，基于实时地灾监测数据，快速对地质灾害点发灾风险状况进行评估、对灾害发展趋势进行演化和模拟，并对灾害点影响范围进行分析，为道路疏通及路线分析、物资快速到达、人口疏散等抢险救援提供决策数据依据。

地灾发生后，可对受灾范围、人口、损失等状况实时进行汇总统计和分析，并为决策者灾后重建规划提供数据支持。

基于地质灾害大数据，分析不同类型地质灾害发生的机理、影响因素，寻找关键原因，在此基础上针对不同类型的地质灾害采取不同的防治和工程治理措施。

总之，本系统平台涉及地质灾害的各个过程，对地质灾害进行全程监测，为防灾减灾提供强大数据支撑，而防灾减灾的实际需求驱动该系统具体研发内容，两者密不可分。

5 结束语

针对传统地灾监测预警方式存在数据来源有限、数据完整性不够、实时性较差等弊端，论文通过对现代空间数据采集及物联网等高新技术的分析，对基于多源空间数据的新一代地质灾害监测与预警预报系统的技术架构和开发模式进行了探讨，研究了系统技术实现方法，提出了需要解决的关键技术问题。研发的德钦县多源空间数据地灾监测预警系统具有信息查询与分析、风险评估与模拟、地灾预警预报等功能，一定程度上提升了高山峡谷区地质灾害监测预警的智能化、信息化和动态化水平，为类似系统开发建设提供了借鉴。地质灾害监测预警系统建设是一项复杂的系统工程，涉及到的专业知识模型和综合技术手段复杂多样，尤其在灾害数据的快速处理与分析、大数据集成与挖掘、灾害过程模拟与预测、基于微波信号实时传输方面等还有待深入研究和解决，论文作者将持续开展本领域的研究开发，以期取得更加成熟有效的成果。