摘 要： 研究了國內外有關滑坡監測的動態，以全球定位系統、地理信息系統、GPRS無線通信系統這三大主流技術為依托，結合嵌入式技術，提出了滑坡地質災害遙測系統監測網絡的組建方案，并對其進行較為深入的研究，初步實現了對滑坡的遙測功能。
關鍵詞： 滑坡; 全球定位系統; 通信; 采集; 電源
我國幅員遼闊,地質地貌復雜，同時也是由于復雜的地質地貌條件使得我國成為世界上地質災害發生次數最多的國家之一。日趨嚴重的地質災害，直接危害著人民的生命財產，影響我國社會經濟的可持續發展。大量滑坡的存在，迫切要求有一種成本低、易推廣和有效的監測手段對于這些潛在或是正在滑動的滑坡體進行監測和報警，以避免當大面積滑坡產生時所造成的難以預料的巨大損失。這也是保護地質環境，防治地質災害，保障社會經濟的可持續發展，維護人民群眾的根本利益的需要。
1 研究動態
人們用于滑坡形變監測的手段，隨著科技的進步而不斷地處于更新之中。最原始的方法是通過查看滑坡區哪里出現了裂縫、塌陷或冒水等跡象。后來，人們在滑坡體開挖豎井及平槽，埋設伸縮儀，布設引張線、正倒垂線、靜力水準等觀測設施。在地表面，常規的大地測量方法作為一種準確的監測手段,也得到廣泛的應用，例如：邊角監測網，精密幾何水準測量等[1]。
自上世紀90年代初開始，GPS的出現為滑坡監測，乃至整個形變監測提供了新的手段，因為它具備常規測量所不具備的優越性，諸如：不要求視線通視、不受測區環境限制、效率高等優勢[2]。GPS的出現使得工程測量有了一個大的飛躍，滑坡監測也隨之走入高精度、數字化、全天候的新階段。GPS在滑坡監測中日益顯示出巨大的優勢。
隨著GPS 接收機硬件性能和軟件處理技術的提高,GPS 精密定位技術已在大地測量、地殼形變監測、精密工程測量等諸多領域得到了廣泛的應用和普及。目前,采用GPS 定位技術進行精密測量,平差后控制點的平面位置精度可以達到±(1～2) mm ,高程精度為±(2～3) mm。研究結果表明,采用性能優良的接收機和優秀的數據處理軟件,在采取一定的措施后,GPS能在短時間(幾十分鐘) 內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。
2 系統構建
2.1 指導思想
崩塌、滑坡監測的主要目的是：具體了解和掌握崩、滑體的演變過程，及時捕捉崩滑災害的特征信息，為崩塌及滑坡的正確評價分析、預測預報及治理工程等提供可靠的資料和科學依據。同時，監測結果也是檢驗崩塌、滑坡分析評價及滑坡工程治理效果的尺度。為了達到上述目的，滑坡地質災害遙測系統總體設計思想是：形成點、線、面三維空間的監測網絡和警報系統，有效地監測崩、滑體動態變化及其發展趨勢，具體了解和掌握其演變過程，及時捕捉崩滑災害的特征信息，預報崩滑險情，防災于未然。同時，為崩滑體的穩定性評價和防治提供可靠依據。
2.2 方案構建
對于國內大多數不具備比較好的監測條件的滑坡地點，如高速公路沿線、鐵路沿線，乃至三峽庫區眾多滑坡體的形變監測，其情形是：各觀測點位于野外荒坡，無電源；地形復雜，無法敷設有線通信線路；地處偏僻，需無人職守；監測面大，資金有限，無法采用昂貴的進口GPS接收機；監測點可能突發山體垮塌，造成監測設備損毀，造成現場監測人員傷亡等。
針對上述特點，本文提出將3S（GPS、GIS、GPRS）技術和滑坡變形機理與穩定性研究相結合，方便正確評價邊坡的穩定程度，認識其破壞機理與過程。運用3S技術，構建一套性能好、精度高、造價低、自動化程度高、易于安裝、利于大面積布網、利于推廣的實時滑坡監測系統，進行水平位移和垂直位移的監測以及主要誘因降雨量的監測。可以了解滑坡的滑動動態，掌握滑動過程中的宏觀特征，進一步確定滑坡滑動的位移矢量分布，從而研究滑動機理，判別臨滑前兆，及時提供災害預警。
通過研究，本文提出了如圖1所示的結構方案。它主要由5部分組成：協同決策系統、滑坡監測系統、無線傳輸系統、報警系統和電源管理系統。其中協同決策系統主要由GIS功能子系統、數據分析系統、數據庫管理系統和文件管理系統幾部分組成。
系統由若干個現場數據采集器安裝在工業現場，采集GPS定位信息及降雨量信息，同時進行電源管理、防盜報警、崩塌報警等。通過GPRS網絡與控制中心的分析系統以及管理決策中心的決策系統建立無線連接，組成樹狀無線監控網絡，系統組網硬件圖如圖2所示。控制中心將接收到的信息進行處理，綜合判斷滑坡體當前的狀態。技術人員根據已有的軟件進行分析，預測未來滑坡體在受到可能導致災害發生的事件（降雨、山體崩塌）產生后，山體是否會發生災害性滑坡。控制中心配有相應的報警裝置，方便維護人員啟動相應的應急預案。管理決策中心通過協同決策系統，在科學建議的基礎上，與決策部門共同研究，并由專家提出滑坡防治的建議、給出應急預案、預測可能發生的后果，決策部門依此所掌握的資源給出防治預案。管理決策中心一般是對一個地區（例如三峽庫區）滑坡體的宏觀總體滑動趨勢進行監控。在決策中心，它一般基于滑坡GIS（地理信息系統）平臺，并配備大屏幕墻面顯示，系統分析決策軟件等。
現場數據采集器由太陽能電池加鉛酸蓄電池組成的電源系統供電。由于考慮到儀器安全問題，在現場裝有紅外報警傳感器和圖像傳感器。由紅外傳感器監測非法闖入，系統自動啟動圖像傳輸，記錄現場情況。現場安裝圖像傳感器另一個作用是使管理決策中心能隨時觀測現場環境實況。
2.3 硬件設計
滑坡地質災害遙測系統硬件分為采集終端、控制中心和管理決策中心三個部分。控制中心和決策中心硬件平臺是基于計算機的，這里主要論述采集終端的硬件設計，結構如圖3所示。
2.3.1 ARM處理器
數據采集終端安裝在工業現場，主要完成現場GPS數據的采集、降雨量數據的采集、電源管理、防盜報警、崩塌報警等功能，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良的性能為本系統提供了可靠的嵌入式解決方案。
在眾多嵌入式操作系統中，由于?滋C/OS-II操作系統具有代碼小、易于移植、可裁剪、性能穩定等優點，非常適合本系統的要求。本文選用?滋C/OS-II作為嵌入ARM處理器的操作系統。數據采集終端在操作系統的支持下，完成對相關現場數據的采集。
2.3.2 GPS模塊
GPS接收模塊由GPS天線單元和GPS接收機單元組成，它是GPS系統的一個重要組成部分。采用GPS觀測是滑坡實時監測報警系統的主要手段和特點，而基于GPS系統所形成的差分解算的算法以及在觀測中由于GPS系統產生的各種誤差等問題，都直接影響滑坡監測精度。本系統采用Motorola公司生產的VP Oncore OEM 測量型單頻接收機，它只能接收L1波段衛星信號，同時具有位置信息和載波相位信息輸出。單點定位精度與導航型相當，但可用于載波相位差分測量，用后差分處理技術實現高精度相對定位。本系統采用單頻測量型GPS與載波相位觀測和差分解算相結合的手段，可實現對滑坡位移全天候、長時間的精確觀測。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接收機的工作。GPS數據的采集是在事先設定的時段內自動完成的。
2.3.3 GPRS模塊
通用分組無線業務GPRS(General Packet Radio Service),是一種以全球手機系統(GSM)為基礎的數據傳輸技術,是GSM 的延續,是在現有GSM系統上發展出來的一種新的數據承載業務,目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務[3-4]。GPRS支持Internet上應用最廣泛的IP協議和X.25協議,使得GPRS能提供Internet和其他分組網絡的全球性無線接入。
本文選用Sony Ericsson公司的GR47 GPRS模塊,GR47獨特的優勢是[5]:傳輸大量數據并始終保持連接,根據筆者在不同地區的測試,掉線幾率是同類模塊最小的；本身具有TCP/IP協議棧功能,還可以開放內部CPU 資源,同時擁有所有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據發送給GPRS的數據傳送終端,控制著GR47登錄GPRS網關(GGSN)并獲得動態分配的IP地址。這樣,微處理器向GGSN發送的數據就會被傳送給Internet網中相應的IP地址，從而完成數據采集模塊到遠程主機的無線數據傳輸。數據到達指定的Internet地點之后再進行數據的處理和分析。
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測監測點附近大片區域內的崩塌信息。其內部為具有固定臨界傾斜角度的水銀開關，可根據現場情況使用多個串聯連接，開關量監測結果經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公司生產的一種高靈敏度、低暗電流、1 024像元的內置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器。由于本系統是架設在野外，無人職守，為了防止系統被盜或者造成破壞，所以防盜報警成為一個需要解決的問題。本系統采用深圳浩博特信息有限公司的708-2B紅外人體感應模塊作為防盜監測傳感器,結合圖像傳輸系統，達到防盜監測的目的。雨量傳感器采用雙翻斗式雨量計，其工作原理為:當累計有0.1 mm降雨量時，傳感器會輸出一個脈沖信號。觸發ARM處理器產生記數中斷，從而得到單位時間內的降雨量。
2.3.5 電源系統
數據采集終端工作在野外，大多數地處偏僻，供電條件很差，所以必須對其供電系統進行專門的設計，以保證數據采集器可靠地工作。本文采用太陽能電池浮充鉛酸蓄電池的方式對數據采集終端進行供電。電源系統在結構上由一個控制中心(計算機)和多個分布在不同測點的太陽能電源系統組成。控制中心通過GPRS無線鏈路，能監測各個測點的電源供電狀況，對電源進行實時監測。主要包括太陽能電池板、電池充電電路、DC/DC轉換電路、電池電量監測電路以及無線通信電路5個部分組成，電源系統組成如圖5所示。
2.4 系統軟件設計
2.4.1 控制中心
控制中心PC機數據處理軟件包括GPRS通信部分、GPS差分解算部分、監測結果圖形顯示部分以及菜單界面等。軟件采用面向對象（OOP）的高級編程語言Visual C++為編程語言，實現友好的用戶界面和動態化的監測點圖形顯示。觀測結果存放采用后臺Access數據庫，并具有監測點數據統計、位移超限報警、系統故障報警、非法闖入報警等功能。控制中心軟件數據流程如圖6所示。
2.4.2管理決策中心
目前地質災害監測信息管理具有如下特點及問題：
(1)除部分遙測臺網監測數據外，其他如單期GPS監測數據處理結果普遍采用人工錄入，地形、地質數據多以圖紙、文字記錄等紙面形式存在；
(2)監測數據呈離散關系，難以體現內在聯系；
(3)不利于監測數據的管理、查詢和分析；
(4)很難從時間上體現地質災害的發展趨勢；
(5)很難及時為政府部門提供防災減災決策依據。
為解決上述問題，本文提出滑坡地質災害協同決策系統設計方案。
滑坡地質災害協同決策系統利用PC機為硬件開發平臺，建立一個滑坡地質災害地理信息系統，它是一個能夠有效管理各種三維空間(地理坐標和時間變化) 數據的信息系統。它以崩滑體等監測對象為基礎，把地形、監測點分布等空間數據，按其空間位置存入計算機。通過數據庫模塊、數據分析模塊與曲線顯示模塊，實現監測數據的存儲、更新、查詢、趨勢性分析、繪圖顯示及輸出等功能。
地理信息系統以MapX為基本開發平臺，以Visual C++6.0為用戶開發環境，進行滑坡地質災害地理信息系統的開發。
MapX是MapInfo公司開發的能向用戶提供強大地圖分析功能的ActiveX控件產品。它支持絕大多數標準可視化開發環境，如Visual Basic、Visual C++、Delphi等。MapX具有顯示MapInfo格式的數字地圖、簡單的地理查詢、數據綁定等功能，經過數據綁定，可以將數據庫中的數據制成專題圖或在地圖上查詢數據，以及通過SQL語句實現對地圖的查詢。使用MapX開發圖形化軟件時具有開發周期短、圖形功能強、程序運行穩定、容易掌握等特點。
GPS進行滑坡監測是一種實用有效方法，國內外有許多應用實例，均取得了良好效果。系統建成后，將具有自動遙測、無人值守、無障礙設計、遠程遙測、低成本等特點。隨著GPS定位技術的不斷發展，儀器功能增強和完善，價格進一步降低，各種解算模型更加完善，相信本系統具有非常廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 王仁波. 滑坡實時報警系統研究[D].成都:成都理工大 學, 2002.
[2] 張勤,李加權. GPS測量原理及應用[M].北京: 科學出版社,2005.
[3] 顧肇基.GSM網絡與GPRS[M]. 北京:電子工業出版社, 2002.
[4] 趙長奎.數字移動通信應用系統[M].北京：國防工業出版社, 2001.
[5] Sony Ericsson. GR47 datasheet[R], 2002.7