摘 要：研究了国内外有关滑坡监测的动态，以全球定位系统、地理信息系统、GPRS无线通信系统这三大主流技术为依托，结合嵌入式技术，提出了滑坡地质灾害遥测系统监测网络的组建方案，并对其进行较为深入的研究，初步实现了对滑坡的遥测功能。
关键词：滑坡; 全球定位系统; 通信; 采集; 电源
我国幅员辽阔,地质地貌复杂，同时也是由于复杂的地质地貌条件使得我国成为世界上地质灾害发生次数最多的国家之一。日趋严重的地质灾害，直接危害着人民的生命财产，影响我国社会经济的可持续发展。大量滑坡的存在，迫切要求有一种成本低、易推广和有效的监测手段对于这些潜在或是正在滑动的滑坡体进行监测和报警，以避免当大面积滑坡产生时所造成的难以预料的巨大损失。这也是保护地质环境，防治地质灾害，保障社会经济的可持续发展，维护人民群众的根本利益的需要。
1 研究动态
人们用于滑坡形变监测的手段，随着科技的进步而不断地处于更新之中。最原始的方法是通过查看滑坡区哪里出现了裂缝、塌陷或冒水等迹象。后来，人们在滑坡体开挖竖井及平槽，埋设伸缩仪，布设引张线、正倒垂线、静力水准等观测设施。在地表面，常规的大地测量方法作为一种准确的监测手段,也得到广泛的应用，例如：边角监测网，精密几何水准测量等[1]。
自上世纪90年代初开始，GPS的出现为滑坡监测，乃至整个形变监测提供了新的手段，因为它具备常规测量所不具备的优越性，诸如：不要求视线通视、不受测区环境限制、效率高等优势[2]。GPS的出现使得工程测量有了一个大的飞跃，滑坡监测也随之走入高精度、数字化、全天候的新阶段。GPS在滑坡监测中日益显示出巨大的优势。
随着GPS 接收机硬件性能和软件处理技术的提高,GPS 精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。目前,采用GPS 定位技术进行精密测量,平差后控制点的平面位置精度可以达到±(1～2) mm ,高程精度为±(2～3) mm。研究结果表明,采用性能优良的接收机和优秀的数据处理软件,在采取一定的措施后,GPS能在短时间(几十分钟) 内以足够的灵敏度探测出变形体平面位移毫米级水平的变形。
2 系统构建
2.1 指导思想
崩塌、滑坡监测的主要目的是：具体了解和掌握崩、滑体的演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，为崩塌及滑坡的正确评价分析、预测预报及治理工程等提供可靠的资料和科学依据。同时，监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评价及滑坡工程治理效果的尺度。为了达到上述目的，滑坡地质灾害遥测系统总体设计思想是：形成点、线、面三维空间的监测网络和警报系统，有效地监测崩、滑体动态变化及其发展趋势，具体了解和掌握其演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，预报崩滑险情，防灾于未然。同时，为崩滑体的稳定性评价和防治提供可靠依据。
2.2 方案构建
对于国内大多数不具备比较好的监测条件的滑坡地点，如高速公路沿线、铁路沿线，乃至三峡库区众多滑坡体的形变监测，其情形是：各观测点位于野外荒坡，无电源；地形复杂，无法敷设有线通信线路；地处偏僻，需无人职守；监测面大，资金有限，无法采用昂贵的进口GPS接收机；监测点可能突发山体垮塌，造成监测设备损毁，造成现场监测人员伤亡等。
针对上述特点，本文提出将3S（GPS、GIS、GPRS）技术和滑坡变形机理与稳定性研究相结合，方便正确评价边坡的稳定程度，认识其破坏机理与过程。运用3S技术，构建一套性能好、精度高、造价低、自动化程度高、易于安装、利于大面积布网、利于推广的实时滑坡监测系统，进行水平位移和垂直位移的监测以及主要诱因降雨量的监测。可以了解滑坡的滑动动态，掌握滑动过程中的宏观特征，进一步确定滑坡滑动的位移矢量分布，从而研究滑动机理，判别临滑前兆，及时提供灾害预警。
通过研究，本文提出了如图1所示的结构方案。它主要由5部分组成：协同决策系统、滑坡监测系统、无线传输系统、报警系统和电源管理系统。其中协同决策系统主要由GIS功能子系统、数据分析系统、数据库管理系统和文件管理系统几部分组成。
系统由若干个现场数据采集器安装在工业现场，采集GPS定位信息及降雨量信息，同时进行电源管理、防盗报警、崩塌报警等。通过GPRS网络与控制中心的分析系统以及管理决策中心的决策系统建立无线连接，组成树状无线监控网络，系统组网硬件图如图2所示。控制中心将接收到的信息进行处理，综合判断滑坡体当前的状态。技术人员根据已有的软件进行分析，预测未来滑坡体在受到可能导致灾害发生的事件（降雨、山体崩塌）产生后，山体是否会发生灾害性滑坡。控制中心配有相应的报警装置，方便维护人员启动相应的应急预案。管理决策中心通过协同决策系统，在科学建议的基础上，与决策部门共同研究，并由专家提出滑坡防治的建议、给出应急预案、预测可能发生的后果，决策部门依此所掌握的资源给出防治预案。管理决策中心一般是对一个地区（例如三峡库区）滑坡体的宏观总体滑动趋势进行监控。在决策中心，它一般基于滑坡GIS（地理信息系统）平台，并配备大屏幕墙面显示，系统分析决策软件等。
现场数据采集器由太阳能电池加铅酸蓄电池组成的电源系统供电。由于考虑到仪器安全问题，在现场装有红外报警传感器和图像传感器。由红外传感器监测非法闯入，系统自动启动图像传输，记录现场情况。现场安装图像传感器另一个作用是使管理决策中心能随时观测现场环境实况。
2.3 硬件设计
滑坡地质灾害遥测系统硬件分为采集终端、控制中心和管理决策中心三个部分。控制中心和决策中心硬件平台是基于计算机的，这里主要论述采集终端的硬件设计，结构如图3所示。
2.3.1ARM处理器
数据采集终端安装在工业现场，主要完成现场GPS数据的采集、降雨量数据的采集、电源管理、防盗报警、崩塌报警等功能，它基于ARM嵌入式平台，ARM处理器采用Philips公司的LPC2138芯片，该芯片为ARM7处理器，其丰富的片上资源以及优良的性能为本系统提供了可靠的嵌入式解决方案。
在众多嵌入式操作系统中，由于?滋C/OS-II操作系统具有代码小、易于移植、可裁剪、性能稳定等优点，非常适合本系统的要求。本文选用?滋C/OS-II作为嵌入ARM处理器的操作系统。数据采集终端在操作系统的支持下，完成对相关现场数据的采集。
2.3.2 GPS模块
GPS接收模块由GPS天线单元和GPS接收机单元组成，它是GPS系统的一个重要组成部分。采用GPS观测是滑坡实时监测报警系统的主要手段和特点，而基于GPS系统所形成的差分解算的算法以及在观测中由于GPS系统产生的各种误差等问题，都直接影响滑坡监测精度。本系统采用Motorola公司生产的VP Oncore OEM 测量型单频接收机，它只能接收L1波段卫星信号，同时具有位置信息和载波相位信息输出。单点定位精度与导航型相当，但可用于载波相位差分测量，用后差分处理技术实现高精度相对定位。本系统采用单频测量型GPS与载波相位观测和差分解算相结合的手段，可实现对滑坡位移全天候、长时间的精确观测。GPS天线采用了浙江中裕的ZY-C-4型单频测量型GPS天线。
ARM处理器利用VP命令通过串口控制GPS接收机的工作。GPS数据的采集是在事先设定的时段内自动完成的。
2.3.3 GPRS模块
通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service),是一种以全球手机系统(GSM)为基础的数据传输技术,是GSM 的延续,是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务[3-4]。GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议,使得GPRS能提供Internet和其他分组网络的全球性无线接入。
本文选用Sony Ericsson公司的GR47 GPRS模块,GR47独特的优势是[5]:传输大量数据并始终保持连接,根据笔者在不同地区的测试,掉线几率是同类模块最小的；本身具有TCP/IP协议栈功能,还可以开放内部CPU 资源,同时拥有所有M2M通信必需的功能。GPRS无线链路组成如图4所示。
微处理器LPC2138通过串口将命令和数据发送给GPRS的数据传送终端,控制着GR47登录GPRS网关(GGSN)并获得动态分配的IP地址。这样,微处理器向GGSN发送的数据就会被传送给Internet网中相应的IP地址，从而完成数据采集模块到远程主机的无线数据传输。数据到达指定的Internet地点之后再进行数据的处理和分析。
2.3.4 接口模块
接口模块主要有崩塌传感器、图像传感器、雨量传感器和红外传感器。崩塌传感器使终端可以监测监测点附近大片区域内的崩塌信息。其内部为具有固定临界倾斜角度的水银开关，可根据现场情况使用多个串联连接，开关量监测结果经过光电隔离接口与主控模块连接。图像传感器采用μPD3575D，它是NEC公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1 024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器。由于本系统是架设在野外，无人职守，为了防止系统被盗或者造成破坏，所以防盗报警成为一个需要解决的问题。本系统采用深圳浩博特信息有限公司的708-2B红外人体感应模块作为防盗监测传感器,结合图像传输系统，达到防盗监测的目的。雨量传感器采用双翻斗式雨量计，其工作原理为:当累计有0.1 mm降雨量时，传感器会输出一个脉冲信号。触发ARM处理器产生记数中断，从而得到单位时间内的降雨量。
2.3.5 电源系统
数据采集终端工作在野外，大多数地处偏僻，供电条件很差，所以必须对其供电系统进行专门的设计，以保证数据采集器可靠地工作。本文采用太阳能电池浮充铅酸蓄电池的方式对数据采集终端进行供电。电源系统在结构上由一个控制中心(计算机)和多个分布在不同测点的太阳能电源系统组成。控制中心通过GPRS无线链路，能监测各个测点的电源供电状况，对电源进行实时监测。主要包括太阳能电池板、电池充电电路、DC/DC转换电路、电池电量监测电路以及无线通信电路5个部分组成，电源系统组成如图5所示。
2.4 系统软件设计
2.4.1 控制中心
控制中心PC机数据处理软件包括GPRS通信部分、GPS差分解算部分、监测结果图形显示部分以及菜单界面等。软件采用面向对象（OOP）的高级编程语言Visual C++为编程语言，实现友好的用户界面和动态化的监测点图形显示。观测结果存放采用后台Access数据库，并具有监测点数据统计、位移超限报警、系统故障报警、非法闯入报警等功能。控制中心软件数据流程如图6所示。
2.4.2管理决策中心
目前地质灾害监测信息管理具有如下特点及问题：
(1)除部分遥测台网监测数据外，其他如单期GPS监测数据处理结果普遍采用人工录入，地形、地质数据多以图纸、文字记录等纸面形式存在；
(2)监测数据呈离散关系，难以体现内在联系；
(3)不利于监测数据的管理、查询和分析；
(4)很难从时间上体现地质灾害的发展趋势；
(5)很难及时为政府部门提供防灾减灾决策依据。
为解决上述问题，本文提出滑坡地质灾害协同决策系统设计方案。
滑坡地质灾害协同决策系统利用PC机为硬件开发平台，建立一个滑坡地质灾害地理信息系统，它是一个能够有效管理各种三维空间(地理坐标和时间变化) 数据的信息系统。它以崩滑体等监测对象为基础，把地形、监测点分布等空间数据，按其空间位置存入计算机。通过数据库模块、数据分析模块与曲线显示模块，实现监测数据的存储、更新、查询、趋势性分析、绘图显示及输出等功能。
地理信息系统以MapX为基本开发平台，以Visual C++6.0为用户开发环境，进行滑坡地质灾害地理信息系统的开发。
MapX是MapInfo公司开发的能向用户提供强大地图分析功能的ActiveX控件产品。它支持绝大多数标准可视化开发环境，如Visual Basic、Visual C++、Delphi等。MapX具有显示MapInfo格式的数字地图、简单的地理查询、数据绑定等功能，经过数据绑定，可以将数据库中的数据制成专题图或在地图上查询数据，以及通过SQL语句实现对地图的查询。使用MapX开发图形化软件时具有开发周期短、图形功能强、程序运行稳定、容易掌握等特点。
GPS进行滑坡监测是一种实用有效方法，国内外有许多应用实例，均取得了良好效果。系统建成后，将具有自动遥测、无人值守、无障碍设计、远程遥测、低成本等特点。随着GPS定位技术的不断发展，仪器功能增强和完善，价格进一步降低，各种解算模型更加完善，相信本系统具有非常广阔的应用前景。
参考文献
[1] 王仁波. 滑坡实时报警系统研究[D].成都:成都理工大 学, 2002.
[2] 张勤,李加权. GPS测量原理及应用[M].北京: 科学出版社,2005.
[3] 顾肇基.GSM网络与GPRS[M]. 北京:电子工业出版社, 2002.
[4] 赵长奎.数字移动通信应用系统[M].北京：国防工业出版社, 2001.
[5] Sony Ericsson. GR47 datasheet[R], 2002.7