摘要：系統(tǒng)從降雨型滑坡的形成機理出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)等*技術(shù)，設計無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實時感知監(jiān)測區(qū)域的多維數(shù)據(jù)，并對各類誘發(fā)因子進行定量分析。zui后結(jié)合地質(zhì)條件聯(lián)合建模，對滑坡等地質(zhì)災害實時預警，在指導防災與減災方面具有深遠意義。
　　
　　關鍵詞：滑坡地質(zhì)災害；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；多維模型；實時預警
　　
　　引言
　　
　　在強降雨的誘發(fā)下，滑坡、崩塌、泥石流、塌陷等地質(zhì)災害經(jīng)常發(fā)生，資料表明，由暴雨誘發(fā)的地質(zhì)災害的概率約占85％，其中近95％的滑坡等地質(zhì)災害發(fā)生在暴雨開始的10小時以后，86％的滑坡等地質(zhì)災害發(fā)生在強降雨開始的24小時以后。無論在暴雨過后多長時間發(fā)生地質(zhì)災害，往往和監(jiān)測區(qū)域的有效降水量、河道水流情況、地質(zhì)條件等密切相關。由于滑坡等地質(zhì)災害具有突發(fā)性、隨機性，以及短時間內(nèi)能造成巨大損失的特點，傳統(tǒng)模型并不能實時準確地預測監(jiān)測區(qū)域的危險系數(shù)。本系統(tǒng)能根據(jù)降雨型滑坡形成機理，將無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應用到滑坡等地質(zhì)災害預測模型中，從而全面地感知監(jiān)測區(qū)域的多維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)預警的同時提高了預警準確性。
　　
　　1、系統(tǒng)總體設計
　　
　　針對山區(qū)復雜地形，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等技術(shù)的應用特點，特提出基于物聯(lián)網(wǎng)的滑坡地質(zhì)災害預警監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由前端無線感知網(wǎng)絡、中間傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理中心等組成。其中前端感知網(wǎng)絡負責實時感知監(jiān)測區(qū)域的動態(tài)變化，為合理決策提供科學依據(jù)；中間傳輸網(wǎng)絡部分主要包括GPRS無線傳輸和IP網(wǎng)絡通信等，負責把前端無線感知網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)包傳送至遠端的數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心具有數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計、數(shù)據(jù)建模、模糊判斷、數(shù)據(jù)共享等功能。同時，系統(tǒng)可以通過信息、應急短信、、LED顯示屏發(fā)布相關預警信息。　　
　　根據(jù)資料分析與專家意見，將滑坡等地質(zhì)災害的影響因子主要劃分為誘發(fā)因子與地質(zhì)條件兩大類，具體的影響因子如表1所列。其中，外在誘發(fā)因子主要指有效降水量和水流情況，而內(nèi)在地質(zhì)條件主要包括斷層裂縫、靠近水域、地質(zhì)巖性、地貌起伏度、高程等。根據(jù)影響因子與相關技術(shù)建立有效的預警模型，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的滑坡等地質(zhì)災害的實時預警。　　
　　2、網(wǎng)絡節(jié)點設計
　　
　　2．1利用ZigBee技術(shù)互聯(lián)通信
　　
　　某一監(jiān)測點內(nèi)部采用ZigBee技術(shù)進行組網(wǎng)通信，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的全方面感知與控制。ZigBeeWiFi、Bluetooth、GPRS／GSM等常用無線通信技術(shù)的具體參數(shù)如表2所列。ZigBee具有成本低、體積小、功耗低、易于擴展、感應性強等特點?？紤]到降雨型滑坡系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點較多、數(shù)據(jù)傳輸量不大，但覆蓋面相對較廣的特點，感知區(qū)域適合采用ZigBee技術(shù)進行互聯(lián)通信。　　
　　2．2網(wǎng)絡節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設計
　　
　　網(wǎng)絡節(jié)點是一個微型嵌入式系統(tǒng)，是構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與信息傳輸系統(tǒng)的基本單元，它能在較小的體積內(nèi)集成多種功能，如數(shù)據(jù)采集、信息處理和無線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。網(wǎng)絡節(jié)點一般由處理器模塊、ZigBee通信模塊、能量供應模塊、傳感器模塊（協(xié)調(diào)節(jié)點可沒有傳感器模塊）等模塊構(gòu)成。其中傳感器模塊作為整個系統(tǒng)的“感知器官”，負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊作為整個節(jié)點的“大腦”，主要負責對傳感器模塊、ZigBee通信模塊的控制及整個節(jié)點的協(xié)調(diào)等；ZigBee通信模塊作為網(wǎng)絡節(jié)點的“耳朵+嘴巴”，負責與其他網(wǎng)絡節(jié)點進行無線數(shù)據(jù)通信。其中終端節(jié)點僅包含Zigbee通信模塊，協(xié)調(diào)器節(jié)點包含ZigBee通信模塊和GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；能量供應模塊則是節(jié)點的“心臟”，為網(wǎng)絡節(jié)點的各個組成部分提供足夠的動力和能量。
　　
　　根據(jù)實際功能需求及部署特點，采用星型的無線網(wǎng)絡分布模型，具有組網(wǎng)簡單快捷、數(shù)據(jù)傳輸快等特點。在該模型下只需設計兩類節(jié)點：終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，其結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責收集小范圍內(nèi)終端節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)信息，而終端節(jié)點主要負責信息采集并實時發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。在網(wǎng)絡節(jié)點的能量供應設計方面，由于協(xié)調(diào)器節(jié)點既要負責收集整個ZigBee網(wǎng)絡的信息，又要將數(shù)據(jù)包通過GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)出去，需要較大的功率，可采用太陽能或線路供電等模式。而終端節(jié)點只需要定時將采集的數(shù)據(jù)包發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后就迅速進入睡眠狀態(tài)，其功率較小，可采用電池單獨供電，或者通過線路與協(xié)調(diào)器節(jié)點共用供電系統(tǒng)。　　
　　在網(wǎng)絡節(jié)點的操作系統(tǒng)選擇方面，考慮到節(jié)點的任務量相對少，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求較高，系統(tǒng)可選用一些實時性較強、可移植、可固化、可裁剪、搶先式多任務內(nèi)核的操作系統(tǒng)，如TinyOS、μC／OS-II等。
　　
　　2．3傳感器的全面感知
　　
　　在監(jiān)測區(qū)域選擇性部署電子自動雨量計，并在已發(fā)生（潛在發(fā)生）滑坡、泥石流所經(jīng)河道的水壩前設置多個孔洞，每個孔洞下端部署一個液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個液體流速傳感器，實時采集監(jiān)測區(qū)域降雨及河道水流信息。其中，測量的有效降雨量作為山體滑坡危險度的*指標，河道水位深度及流速作為輔助指標。同時，在易發(fā)斷層裂縫處部署多個縫距傳感設備，測量地表裂縫分割體之間相對張開、閉合、位錯及垂直向升降的變化量，從而全面感知監(jiān)測區(qū)域的動態(tài)變化。
　　
　　3、預警模型
　　
　　3．1影響因子分析
　　
　　在地形較為復雜的山區(qū)，降雨型滑坡等地質(zhì)災害一般由一系列外在誘發(fā)因子和內(nèi)在地質(zhì)條件等影響因子共同作用誘發(fā)產(chǎn)生。由于各因子在誘發(fā)災害過程中的作用程度不同，內(nèi)在則表現(xiàn)為各影響因子在數(shù)據(jù)模型中所占權(quán)重不同。由于很難獲取大量的歷史滑坡統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文結(jié)合相關資料，相關影響因子權(quán)值采用主觀賦權(quán)法（也稱為專家賦權(quán)法）來確定，即通過一定方法綜合各位專家對各指標給出的權(quán)重進行的賦權(quán)。經(jīng)統(tǒng)計，各影響因子的權(quán)重調(diào)整范圍及初始值分配如表3所列。　　
　?。?）影響因子
　　
　　研究表明降雨對山體滑坡的誘發(fā)作用，不僅取決于當日降雨量，還和近期降水量、河道水流等情況密切相關。　　
　　系統(tǒng)利用部署的電子雨量計實時測量降水量r，在河道中安裝液位傳感器，測量數(shù)據(jù)為h。近期滑坡等地質(zhì)災害有效降水量Re是指近期各日降雨量（M天內(nèi)）與其影響系乘積之和，而有效估計降水量R為有效降水量Re、近期（次日）預計降水量Rf和各自影響系數(shù)乘積之和，具體計算公式為：
　　
　　其中i表示雨期距今天數(shù)，i=0表示當天，i=1表示前一天，Ri為某天降水量（當天降水量可以分時統(tǒng)計）；αi為該天的降水影響系數(shù)，考慮到持續(xù)型降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的滯后性，隨著計算雨量日期的前移，系數(shù)αi逐漸減?。?beta;1和β2分別為有效降水量、近期預計降水量的影響因子。結(jié)合近期發(fā)生泥石流時的平均警戒有效降水量Rav、河壩的警戒水位高度H，參照公式（3）聯(lián)合估計有效降雨所產(chǎn)生的不穩(wěn)定分值f。　　
　　其中，參數(shù)λ1、λ2、K1、K2均為可調(diào)整參數(shù)，K1、K2初始值為1。
　　
　?。?）地質(zhì)巖性
　　
　　根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)測繪圖，并結(jié)合實地考察，對各個監(jiān)測點的地質(zhì)巖性進行量化，初步劃分為4個等級，即V1松散巖組、V2粘軟巖、V3中硬巖組、V4堅硬巖組。
　　
　　（3）到水系距離
　　
　　滑坡等地質(zhì)災害與到周邊水系（如湖泊、池塘、水庫、較大河流等）的有效距離有著比較緊密關系。據(jù)統(tǒng)計，距水系的有效距離越近，發(fā)生地質(zhì)災害的頻率越高。系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測區(qū)域地質(zhì)地圖等資料，計算監(jiān)測點距周邊水系的有效距離。
　　
　?。?）高程
　　
　　可以利用監(jiān)測區(qū)域的GIS地圖，對前段監(jiān)測區(qū)域的高度進行統(tǒng)計。根據(jù)高程對滑坡等地質(zhì)災害影響的程度和實際情況，初步將高程劃分為3個等級，即500m以下、500～1000m、1000m以上。
　　
　?。?）地貌起伏度
　　
　　地貌起伏度反映地表起伏變化，常指某一確定面積（監(jiān)測區(qū)域）內(nèi)zui高點和zui低點海拔高度之差。可以利用GIS等技術(shù)建立數(shù)字高程模型，提取地貌起伏度、坡度和坡向等地形參數(shù)。將監(jiān)測區(qū)域地貌分為：H1平坦起伏（0～50m）、H2小起伏（50～100m）、H3中起伏（100～300m）、H4山地起伏（300～600m）、H5高山起伏（600～1500m）等。由于*起伏地區(qū)的人類活動，不在統(tǒng)計范圍內(nèi)。
　　
　　此外，要在易發(fā)斷層觸發(fā)帶安裝裂縫器以測量裂縫的情況，全面感知潛在誘發(fā)因子。由于裂縫和地質(zhì)附著力等地質(zhì)環(huán)境密切相關，此部分要結(jié)合實際情況而定。
　　
　　3．2多維權(quán)重組合模型
　　
　　在組合型數(shù)據(jù)模型中，需要在一定范圍內(nèi)調(diào)整一階因子權(quán)值，使其和為1。任取二級因子網(wǎng)格單元k，其所屬的一級因子的權(quán)值為wi，針對實際測量情況，在一級因子確定的情況下，量化其二級因子，確定歸于或者相近于哪一具體子集，從而確定二級權(quán)值，即確定j值。例如，在一級影響因子地質(zhì)巖性的范圍內(nèi)，經(jīng)過查閱GIS等勘測資料和實地考察等方式，確定zui接近于二級子集v1、v2、v3、v4中的哪一種，從而選擇合適的二級權(quán)值。對于組合了各二級因子的網(wǎng)格單元k，定義其不穩(wěn)定分值Si=wi·，然后根據(jù)各級不穩(wěn)定分值確定滑坡等地質(zhì)災害的易發(fā)性指數(shù)（LandsLideSusceptibilityIndex，LSI）。　　
　　LSI是評估監(jiān)測區(qū)域的zui敏感性指標，值越大，發(fā)生滑坡等地質(zhì)災害的概率越大，當其超過某具體閥值，就會提前預警。
　　
　　3．3數(shù)據(jù)分析
　　
　　按照上述公式（1）～（4），計算各個監(jiān)測點的LSI，根據(jù)地質(zhì)災害的易發(fā)性指數(shù)將檢測區(qū)域劃分為極輕微、輕微、中等、較嚴重、嚴重、極嚴重6級，并用不同顏色進行標記，然后采用等間距、均值一標準差等方法，實時（間隔固定時間，如半小時繪制一次）繪制整個監(jiān)測區(qū)域的滑坡等地質(zhì)災害危險系數(shù)預警圖，從而實現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災害預報的精細化管理。
　　
　　在數(shù)據(jù)建模方面，采用了自調(diào)整的動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡模型，利用歷史數(shù)據(jù)或者實施過程中逐步獲取的數(shù)據(jù)，對模型的自身結(jié)構(gòu)及學習規(guī)則進行了動態(tài)優(yōu)化，調(diào)整各級權(quán)重，使模型達到*，從而使得系統(tǒng)具有更強的適應性和準確性。
　　
　　4、結(jié)語
　　
　　本文在原有模型的基礎上進行改進，利用傳感器網(wǎng)絡實時感知監(jiān)測區(qū)域的多種指標，運用多因素動態(tài)聯(lián)合建模，采用定量分析法，對降雨型滑坡等地質(zhì)災害進行相對準確預報。系統(tǒng)根據(jù)每個監(jiān)測點的LSI，利用相關方法繪制整個監(jiān)測區(qū)域的危險系數(shù)預警圖。對于超過閾值的，立即報警，有效預防和避免了地質(zhì)災害，保護人民生命財產(chǎn)安全。
　　
　　系統(tǒng)具有高集成度、高精度、全天候自動化實時監(jiān)測與自動預警的能力，同時還具有監(jiān)測范圍大、部署靈活的特點。在指導降雨型滑坡的防災與減災方面具有較強的實用價值。