基于物联网和GIS 技术的测量标志监测保护系统设计

刘国鹏

（厦门四维科图信息科技有限公司，福建 厦门 361000）

测量标志是地球物理勘探、大地测量、水利工程等领域的重要基础，可以为这些领域的相关研究和工程提供关键数据支持，在维护国家测绘基准安全，服务经济建设、国防建设、生态文明建设等方面发挥着重要作用。然而，由于测量标志通常位于偏远的地域或者复杂的环境中，因此其监测和保护面临较大挑战。2020年11月25 日，自然资源部办公厅印发了《关于加强测量标志保护工作的通知》，从高度重视测量标志保护工作、认真履行保护责任、实行分类保护制度、完善委托保管机制和提升测量标志管理信息化水平、不断探索创新工作举措6 个方面来加强和完善测量标志的保护工作[1-2]。

传统的测量标志监测和保护方式主要依靠人工巡查和管理，效率低、排查难度大，已无法满足现代化高效可靠多元化发展的需要。因此，亟需基于现代化技术手段的测量标志监测保护系统来解决相关痛点。本文将物联网和地理信息系统（Geographic Information System，GIS） 技术结合，将野外各种数据和测量信息以统一的方式管理，实现了数据共享和信息利用，并在数字地图上实现了空间分析和决策支持，以期能加强测量标志实时监测能力，提升测量标志的管理保护水平、测量数据的准确性和可靠性，从而更好地为勘探事业发展提供强有力的技术保障。

1 硬件传感器设备安装

此次测量标志监测保护系统设计主要面向的对象为一等水准、二等水准、B 级GPS、C 级GPS 测量标志点，传感器主要是倾角传感器，将倾角传感器安装在测量标志上。当传感器水平角度或垂直角度超过设定的阈值时，传感器自动报警。

传感器的外业安装流程如下。首先，根据测量标志的位置和需要测量的参数，确定传感器的安装位置。一般来说，倾角传感器应安装在杆塔底部，并保持垂直安装，以便测量标志的倾角。其次，需要根据测量参数的不同，对倾角传感器进行现场校准调整，以达到更高的精度。然后，在将传感器安装在杆塔底部之前，需要进行安全检查，确保杆塔及附属设备稳定可靠，防止在安装过程中发生意外事故。最后，应选择合适的数据采集系统和数据处理工具，以收集、处理和分析测量数据。在现场进行数据处理和分析时，还要注意防潮和防尘，保证数据采集系统的稳定运行[3-5]。图1 为传感器及其安装效果。

图1 传感器及其安装效果

在安装过程中，还需特别注意安全事项，遵守当地规定和安全操作规程，才能确保实验测量数据的准确性和可靠性。

2 测量标志监测保护系统设计

为了实现通过传感器实时监测上报测量标志情况，及时发现测量标志异常，实现测量标志信息化、智能化管理，首先需要将满足监测条件的倾角传感器安装到指定的测量标志点上，然后开发测量标志在线监测管护系统，从而实现测量标志智能化管理。

2.1 需求及技术分析

测量标志在线监测预警系统平台建设内容包括监测传感器设备的安装、测量标志在线监测管护系统（也称为“智慧测量标志系统”） 的建设。采用了智能传感、实时定位、物联网和云计算技术对测量标志进行在线监测与维护管理。将专业的倾角传感器设备与GIS、天地图平台等成熟平台相结合，需实现监测点位、测量标志、人员、装备资产可视化管理以及实时动态监测和预警等功能。因此本系统的主要实现内容有以下方面：一是监测点位管理，包括在线动态监测、测量标记信息管理等；二是传感器设备管理，包括设备状态管理（如分布、正常、异常等）、设备位移管理；三是异常报告，包括保护设备位移警告、异常上报处理；四是其他几个主要功能[6]。

2.2 系统整体架构设计

系统整体架构设计方案具备明显的实用性、经济性、先进性和开放性等特征，遵循统一的标准规范，支持信息与服务高度共享。测量标志在线监测管护系统主要包括硬件和软件两个方面，其中硬件方面主要包括传感器、硬件通信模块等设备，软件方面则包括数据采集、数据处理以及实时数据监测和预警等多个层面的设计。系统采用面向服务的体系架构（Service-Oriented Architecture，SOA）。系统整体架构设计采用面向对象方法，系统的体系架构组成基于客户/服务器（B/S） 结构，使用ArcGIS For JavaScript 技术，使用Axure 模块设计工具进行模块设计。使用PowerDesigner 进行数据库设计，充分利用PowerDesigner 对代码和数据库正向转换、逆向转换的能力，同时降低了系统设计与文档同步变更工作量[7]。图2 为系统整体架构示意图。

用户层以下的系统整体架构从上至下分别为：应用层、服务层、数据层、基础设施层。体系结构层层支持，从而实现系统可靠运行。以下分别予以介绍。

1） 应用层。应用层是测量标志在线监测管护系统的应用表现层，为用户提供系统终端，用户通过应用层直接访问管理测量标志信息和监测信息。

2） 服务层。为方便系统扩展和后期维护，服务层设计了12 种相关服务。

3） 数据层。数据层依托于系统支撑，是数据的存储层。

4） 基础设施层。基础设施层是为应用层、服务层提供各种系统应用和数据访问的功能组件、中间件，包括服务器资源、Web 服务组件、GIS 服务组件、数据库组件、应用缓存组件等。

2.3 功能设计

测量标志在线监测管护系统共设计了8 个主要功能模块，见图3[8]。以下分别予以介绍。

图3 系统主要功能模块示意图

1） 监测点位图形可视化。该功能主要依托天地图平台，实现对测量标志位置、传感器位置以及实时监测信息的可视化展示和反馈、信息查询与显示、测量标志点位信息发布等功能。

2） 实时动态监测。该功能首先将采集到的数据以实时数据流的形式传输到服务器进行分析和处理，并实现在线数据共享与管理等功能；其次采取图像处理和数字信号处理技术，进行数据过滤、整理和清洗等预处理操作；然后在分析部分，主要采用机器学习和数据挖掘技术，对数据进行分类和统计分析，以实现测量标志的监测和预警；最后当检测到测量标志的异常情况时，系统将通过预置好的规则和流程进行处理。

3） 测量标志信息管理。该功能可以完成对测量标志的添加、删除、修改和查找，并且还可以将在管辖区域内的测量标志进行落图显示，从而构成一个多层次的测量标志图层，为测量标志的在线监控提供基本的数据支持。

4） 传感器设备管理。该功能主要对传感器的物理状态（装置ID、信号强度、健康状况、离线状态、电池电量等基本信息） 建立档案并实时展示，支持对设备的上线状态进行实时的在线查看，可实现信息预警和历史数据分析等功能。

5） 保护装置位移管理。该功能主要实现对监测点传感器监测报警信息的管理，通过传感器监测结果对所监测的测量标志保护装置状态进行预警，并对预警级别、预警信息以及预警记录进行管理。此外在对异常状态进行预警提醒时，预警方式包含颜色标识提醒、系统消息提醒、广播提醒以及短信提醒等。其中短信提醒主要实现将异常信息以短信形式直接发送至指定管理员和受托管的巡查员的手机，通知巡查员迅速到达实地进行查看。

6） 异常上报管理。该功能主要实现对状态异常的测量标志巡查结果的上报和管理功能。当系统后台接收到测量标志变动异常警告信号时，需要安排检查员亲自到现场检查。检查员根据检查的结果，在登录该系统之后，提交上传检查报告，报告的内容应该至少包含测量标志完好、保护装置完好、传感器完好等信息，待相关部门进行审阅和进一步处理。

7） 报表管理。该功能根据日常管理需求开发工作报表，例如监测信息历史明细表等，配合强大的查询统计以及分析功能，可以为不同部门、不同人员提供各种数据和报表支持。

8） 用户管理。该功能主要通过用户管理功能，实现测量标志在线监测预警系统用户的增删改查以及用户使用权限的设置，用户包括普通管理员用户以及巡查员用户。其中，巡查员用户应与测量标志相关联，支持直接对巡查员所负责的测量标志进行绑定，巡查员只能看到以及接收到指定测量标志的相关信息，同时支持查看和上传巡查委托协议。

3 天地图平台对接设计

天地图平台是新一代地图服务平台，具有高精度和高性能的特点，在地图应用领域拥有广泛的市场和应用前景。因此，将该系统和天地图平台进行对接，可以充分发挥两者的优势，为用户提供更加完善的地理信息服务。该系统与外部平台的对接方式以Web Service 方式进行。其中在接口标准上，该系统采用SOA 体系架构，通过服务总线技术实现数据交换以及实现各业务子系统之间、外部业务系统之间的信息共享和集成，因此采用的是SOA体系架构标准。

在具体实现方法上，通过分类管理和数据接口开发两种方式进行。一是将该系统中的所有数据按照一定的分类（如地理位置分类、用途分类、面积分类等），导入天地图平台数据库中，结合天地图平台的地图应用，用户可以在地图上选择不同的分类，进行数据查询和展示。二是通过数据接口开发，然后再通过Web Service 实现该系统数据与天地图平台数据的交换和共享，进而实现两者之间的实时数据交互、数据维护管理，并在地图应用中实时展示数据。通过这种方式，可以实现地理信息数据的共享和交互，从而提高地理信息服务的质量和效率。

4 结束语

GIS 与物联网技术的结合，可以实现测量标志的实时监测和空间管理，为有关部门提供重要基础数据，帮助测量标志得到保护，进而为野外探测和勘测事业的发展提供坚实的技术支撑。未来，还可以进一步完善系统功能和技术，增强系统的扩展性和实用性，实现对环境因素（包括温度、湿度、风向、风力、降雨量等） 的智能感知和预测，为测量标志监测提供更精准、准确的数据支持。