云计算技术下的滑坡监测云平台设计——以陕西泾阳为例

王毅鹏，张永志，赵超英，李宇磊，张腾飞

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

随着卫星空间技术、电子信息及互联网技术的飞速发展，各种与空间信息密切相关的信息资源需要即时被计算和加工。传统平台由于数据计算能力和处理用户服务请求的局限性，已逐渐不能满足用户和企业的需求；云计算平台通过云计算技术来合理分配计算机的实体资源，避免因并发访问量的剧增所带来的平台崩溃问题，以及低访问量计算资源大量浪费的问题，同时可以同步处理大量的地理空间信息，从而为用户提供高效、快捷、高性能的空间地理信息服务[1-2]。

云平台即云计算平台，它是一种借助云计算技术，以数据存储和数据处理为目的的综合服务信息平台，其资源以虚拟化的形式存在，并借助互联网为用户提供服务。在实际的云服务应用中，终端用户不需要了解云平台中的基础设施构建过程，只需具备基本的IT专业知识，同时关注自己需要什么样的资源及如何通过网络得到相应的服务即可[3]。

1 云计算平台与灾害云服务

1.1 云计算平台概述

IaaS(infrastructure as a service)为用户提供所有的计算基础设施的利用，包括处理计算、存储、网络和其他基本的计算资源，使用者不管理或控制任何云计算的基础设施，只控制操作系统、存储空间、部署的应用，并进行选择[2]。

PaaS(platform as a service)为用户提供开发语言和工具，将开发或收购的应用程序部署到供应商的云计算基础设施上，客户不但能控制部署的应用程序，也可以控制运行应用程序的托管环境和托管环境的配置。

SaaS(software as a service)为用户提供建构在云计算基础设施层上的各类应用服务，用户可以通过各种浏览器在各类设备上访问并使用这些应用服务。

平台管理层主要负责用户的身份认证、用户计费、提供软件应用环境的配置、平台安全防护以及开发平台接口等工作。如图1所示。

1.2 云平台搭建所需的云计算技术

在平台的建立过程中，具体以海量数据存储技术、虚拟化技术、并行编程及云平台管理技术最为关键[3-4]。

1.3 灾害云服务及其特点

目前滑坡等地质灾害仍采用传统的人工检测模式，这种模式过多依赖于技术人员的经验，缺乏科学系统的技术方法，而且对复杂的地质结构难以把握，存在着检测不出、检测不准、分析困难等问题，经常耗费了大量的时间和精力却难以达到预期的结果。灾害监测云平台是借助于云计算技术构建的一种新型应用云平台，它主要用于各类地质灾害的监测服务和灾害发生后的救援信息服务[5]。与传统平台和传统的人工检测模式相比，灾害监测云平台的实时性、高效性、可靠性显而易见。本文在设计滑坡监测云平台的过程中，结合滑坡灾害自身的特点，设计了位于平台服务层和软件服务层之间的数据存储分析层。该层负责对不同类型的滑坡监测数据做模块化的数据库存储，然后借助于相应软件和算法对其进行处理，最终根据不同滑坡的设计模型，结合权重对不同类型数据的处理结果做出综合分析，最终得出滑坡形变分析的结果。

2 陕西泾阳滑坡灾害概况

滑坡是坡体在自然因素或人为活动影响下无法维持自身的力学极限平衡状态而发生的一种地质现象，其组成因素主要包括滑体、滑坡壁、滑动面、滑动带、滑坡床、滑坡舌等。滑坡多发生于地质构造带(如地震带、断裂带)，暴雨多发区或异常的强降雨地区，江、河、湖、海、沟的岸坡地带，山区的公路、铁路、工程建筑物的边坡地段，以上所有地带的叠加区域也是滑坡的密集发生区。滑坡发生的时间主要与导致滑坡的因素有关，如地震、降水、冻融及人类活动等。影响滑坡的因素主要有5类：地形、岩性、地质构造、水文地质条件及地震和暴雨等。对于陕西泾阳地区的滑坡来说，黄土是构成滑坡的主要物质基础，黄土土质松软、多孔隙、无层理等特性，极易剥落或受到各种侵蚀，结构稳定性受降雨及不合理的灌溉方式影响较大。

陕西泾阳地区的滑坡多发区域位于泾阳县南塬沿泾河右岸的塬边上，坡面呈不规则四边形。滑坡体相对高程为65 m，长100 m，厚30～35 m，体积约2×105m3。此外，区内的黄土滑坡大都具有多期次、高速远程的特点，危险性大，严重困扰当地经济的发展，如图2所示。

3 陕西泾阳滑坡灾害监测云平台设计

3.1 平台整体架构设计

根据云计算技术的理论及陕西泾阳滑坡的实际特点，本文设计了滑坡监测云计算平台(如图3所示)，云平台由五层构成，分别为IaaS层、平台服务层、数据存储分析层、SaaS层及云平台管理层。从平台功能上来说，IaaS层为用户提供基本的硬件服务，它通过虚拟化技术将硬件资源进行划分，尽可能避免硬件资源的浪费；平台服务层负责进行硬件资源的分配、平台任务负载和资源的均衡调度，除此之外它还为应用程序的进一步开发、测试、安装及部署提供了基础；数据存储分析层负责对各种传感器或用户所上传的数据进行模块化存储，并对这些数据作进一步的分析处理，得出软件应用所需的结果；SaaS层主要提供各种具体的软件模块化服务，如监测滑坡的形变变化、在灾害发生前提前预警、面积量测及救援路线的确定等具体的应用服务；平台管理层主要负责用户的身份认证、部分用户资料数据的上传、软件应用环境的配置及平台的信息安全等功能。

3.1.1 基础设施服务层

IaaS层位于云平台架构的最下端，负责提供硬件基础设施。硬件基础设施是搭建云平台必备的物质条件，这些基础设施由平台提供给用户租用。另外，IaaS层还是构建其他服务层的基础，软件服务层应用的部署及平台服务层上应用程序的开发都离不开IaaS层的基础硬件设施[5-6]。

3.1.2 平台服务层

滑坡灾害监测云平台服务层主要利用Hadoop来实现，其中HDFS及MapReduce是Hadoop系统的核心，HDFS为海量数据的存储提供了基础，而MapReduce为海量数据的计算处理提供基础。相比于传统平台来说，借助于Hadoop对云计算资源进行管理，可以对众多的灾害应用进行任务调度，维持平台运行时并发操作的负载均衡等。在本层中用户可以通过平台的软件接口获得相应的服务，在用户经过身份认证后，借助于平台管理层中的应用程序开发接口进入平台服务层进行相应的软件开发工作。

3.1.3 云平台管理层

云平台管理层是实现云平台的必备环节，主要负责用户的身份认证、用户计费,提供软件应用环境的配置、平台安全防护及开发平台接口等[7-8]。具体的平台层服务以浏览器为接口，借助于网站的形式呈现，用户通过注册账号密码的形式登录访问，数据的上传及其他保密性数据的传输可以通过网络加密、防火墙隔离等手段进行防护。

3.2 平台数据存储分析层设计

3.2.1 GPS数据采集传输及分析模块设计

陕西泾阳滑坡灾害监测云平台GPS数据采集部分主要由监测模块、无线传输模块及服务器处理模块3个部分组成。监测模块由两个模块组成：一个模块是太阳能电池板、蓄电池、接收机和相对应的接收天线组成的控制网监测系统，利用该监测系统可以接收来自GPS、北斗、GLONASS等卫星的位置信息；另一个模块是太阳能电池板及带有精密传感器的位移计所组成的地裂缝监测系统。这两套监测系统可以实现全天候工作，自动化管理。其次，由于接收机和位移计接收到的数据信息相比于InSAR图像、传统光学遥感图像等其他数据信息来说，数据所占空间较小，可以借助电信、联通或移动的无线基站将接收机接收到的点位信息和地裂缝监测的结果及时传输到服务器组中。最后，在服务器组中，对GPS数据进行模块化存储，然后利用相关GPS解算软件，对GPS、北斗等卫星数据进行动态解算等操作，从而获取滑坡控制网上各点的水平垂直变化量、变化速率、测量精度及监测点所在地裂缝的位移变化，并将所测量的结果以图像形式展示。GPS数据采集传输与分析具体模块设计如图4所示。

3.2.2 InSAR数据采集分析处理模块设计

InSAR数据处理需要多时段的InSAR图像进行比对才能得出结果，因数据存储量较大，大多数用户不具备自主拍摄的能力，因此在InSAR数据的采集传输中，由用户自发访问提供InSAR数据下载服务的相关网站，下载相关区域的数据，然后将数据通过网站接口以有线传输的方式传输至平台服务器。与GPS数据的存储方式类似，InSAR数据也要进行模块化存储，然后利用Gamma或其他解算软件进行InSAR时序分析、地面监测分析等，从而获取一个与时间序列相关的滑坡面状位移，并将数据结果以对比图的形式输出。InSAR数据采集分析处理模块设计如图5所示。

3.2.3 传统光学遥感数据采集传输及分析处理

如图6所示，泾阳滑坡灾害监测云平台的传统光学遥感数据采集一般通过两种方式来实现：①用户利用无人机、航空飞机等设备对相关区域进行航拍测量；②从相关卫星数据网站下载或购买商业数据。与InSAR数据类似，传统光学遥感数据的传输也要由用户利用计算机通过网站接口上传至服务器，然后在服务器中进行模块化存储及进一步的处理。传统光学遥感数据借助于ArcGIS软件进行配准、裁剪、矫正等图像处理之后，可以实现滑坡的识别及专题地图的制作等功能。除此之外，传统光学遥感图像数据还可以结合该地区的数字高程模型，建立滑坡的三维模型图，帮助用户进一步分析滑坡体三维结构的变化情况。

3.2.4 其他数据类型的采集传输及分析处理

如前文所述，影响滑坡的因素有5种，但在进行具体的滑坡监测时，应根据不同的滑坡类型采取不同的滑坡监测方案，如图7所示。对于泾阳地区的滑坡监测来说，除了所观测滑坡本身的形变之外，还应对以下的数据进行观测。

(1) 气象数据：主要包括温度、降雨量、风向等。其中降雨是诱发滑坡发生的一个重要因素，它不但能影响滑坡的自重，还会使土体软化，抗滑力减少，进而加剧滑坡的变形，因此降雨量的实时观测对于滑坡灾害的检测来说尤为重要。气象数据一般借助于在滑坡上布设传感器来获取，也可以通过登录中国气象数据网(http:∥www.data.com.cn)并注册会员来使用相关的气象资料。

(2) 土壤含水量数据：土壤含水量对于滑坡来说尤为重要，它通过各种水的作用来影响滑坡体自重、土壤的黏聚力及土壤的抗剪强度，当滑坡体自重及其变形达到结构所能承受的极限时，滑坡灾害也就自然发生。在滑坡监测过程中，主要通过土壤水分测定仪进行测量，利用无线网络进行实时传输，并在服务器组中予以存储。泾阳滑坡多为黄土滑坡，因此其滑动受土壤含水量的影响较大，故在实际实施过程中，土壤含水量数据是应该重点关注的数据之一。

(3) 水位数据：分为地下水数据和地面水位数据。对于涉水滑坡来说，水位数据是滑坡稳定性重要影响因素之一。水位数据可以根据当地的环境选择水位计，或利用钢尺和水准仪测量。

(4) 坡度数据：滑坡的坡度与高差越大，滑坡滑动时所携带的能量越大，所带来的危害也就越大。可利用倾斜仪来观测滑坡坡度，以便能够快速获取滑坡的实时坡度数据。

(5) 岩石土壤结构数据：岩石和土质结构也是影响滑坡稳定性的重要因素之一，组成滑坡的岩土力学强度越高、越完整，滑坡灾害相对发生的概率就越低。在检测岩石和土壤结构特性时，可以取样带回实验室分析，除此之外，还可以在滑坡上布设一些土压力计传感器，随时观测滑坡土壤结构压力的变化。

3.3 平台软件服务层设计

软件服务层是利用互联网把服务器端应用程序推送至远程终端用户来提供软件服务的一种应用模式。在本文中，滑坡灾害监测云平台设计了5个应用服务模块：滑坡形变实时监测、气象信息展示、量测及临近救援查询、灾害预警信息发布、灾情损失预估服务。

3.3.1 滑坡形变实时监测服务

滑坡形变实时监测主要是实现对滑坡情况的实时了解，在其发生危险时能够及时发现并做出对应的预警。除了可以借助各类形变位移数据的监测结果以外，在泾阳滑坡的实际监测中，还可以通过安装有线摄像头、红外摄像机，以及无人机来获取滑坡的实时影像信息。

3.3.2 气象信息展示服务

在泾阳滑坡灾害的监测过程中，可以通过登录中国气象数据网获取泾阳地区的降雨量分布、降雨量数值预报、卫星云图等信息。当气象数据网的精度或预报的实时性不能满足要求时，还可以在滑坡上布设温度、雨量传感器，自动实时观测。

3.3.3 量测及邻近救援查询

量测是指结合底图数据提供的地形信息，提供地图上多种方式的距离、面积、位置测量的信息，为滑坡灾害救援提供帮助。临近救援查询是指在灾害发生时，通过地图查询，寻找一条最短的、可行的救援路线给救援人员，并通过计算给出实时的救援距离和预计到达时间等信息。

3.3.4 滑坡灾害预警信息发布

灾害预警信息的发布是当滑坡的某些数据的实时观测值接近或超过滑坡预报模型中的所设阈限值时，平台的报警系统就会启动，通知用户滑坡的实时状况，并采取应急预警模式，通过电视、短信、互联网、广播等方式通知相关受灾区域人员，以减少滑坡对广大人民群众的财产生命安全带来的危害。

3.3.5 滑坡灾情损失预估服务

在滑坡灾害发生后，对灾情的精准估计对于实施及时的救援和救灾有重要意义。通过对光学遥感图像的处理，可以对滑坡滑动前后的地图影像作对比，进行重叠缓冲区的面积计算，然后得出滑坡滑动面积与原有其他地物面积的重叠面积，并将其乘以相应地物的维护单价，最终得到一个灾情的预估值。

3.4 平台开发接口设计

为了增加云平台的开放性，使平台的应用服务能够在用户使用中不断完善，本文在灾害监测云平台管理层中预留了一个开发接口，用户可以通过该接口使用外部程序，以增加SaaS层软件应用系统的功能，或通过该接口，在已有软件服务源代码的基础上进行开发，扩展原软件系统不具备的功能。借助于灾害云平台应用开发接口，用户可以开发满足其他应用服务功能的软件，并利用滑坡灾害监测云平台的服务模式、设备、网络、运行环境等资源独立运行，使滑坡灾害监测云平台可以应用于地面沉降、泥石流、岩石膨胀或其他类型的自然灾害监测云平台中。

3.5 平台安全性设计

滑坡灾害监测云计算平台所涉及的各项数据都具有极高的安全性和保密性，因此在设计过程中，用户信息及平台存储数据的安全性必须得到保障。

本文所设计的滑坡灾害监测云平台属于私有云平台，它可以通过专有或私有的密钥进行加密。在平台使用过程中，通过给予不同级别用户不同的访问权限来限制他们的软件应用服务功能及数据信息获取功能。具体来说，首先平台可以使用各种平台组件、网络应用及网络应用服务提供验证、授权，提供安全的访问控制；其次平台还可借助于独立API保证网络通信的安全；最后，通过制定云平台系统的安全管理方式，使用基于角色访问控制的方法给不同等级的用户授予不同权限，从而保证用户数据的安全。

4 结 语

本文分析了云计算平台的软件架构及产生滑坡的主要因素，并结合陕西泾阳地区滑坡的实际特点，设计了滑坡灾害监测云计算平台，同时对平台的每一层功能模块和软件体系结构进行了介绍。因本文所设计的滑坡监测云平台缺乏实际运行结果检验，故其安全性、使用效率和费用等问题都有待更为全面的评估和论证。