基于物联网的滑坡灾害监测预警技术研究

【摘要】： 滑坡灾害是自然界中仅次于地震和火山的第三大地质灾害,也是受人类工程活动影响最为直接的地质灾害。中国滑坡灾害的活动强度、暴发规模、经济损失和人员伤亡等方面的数据均居世界前列,开展滑坡灾害防治,减少灾害损失是一项必要的工作。滑坡监测预警作为滑坡灾害防治的重要手段,能够以最小的代价取得最大防治效益,近些年来逐渐成为国内外滑坡防治领域的研究热点。随着技术的发展,滑坡监测预警已经进入物联网时代,基于物联网的滑坡监测预警系统被广泛应用于滑坡监测预警,并在实际运行取得了不错的效果。但是,目前滑坡监测预警仍存在三方面的问题:一是滑坡监测预警系统鲁棒性差,不能满足野外恶劣环境下的工作需求;二是通讯协议不完善,造成监测预警系统存在“信息孤岛”及“四遥功能”(“遥测”、“遥信”、“遥调”和“遥控”)不全,不利于信息共享及系统管理;三是现有阈值法为主的滑坡预警适用范围有限。本文针对上述问题,开展对滑坡监测组网技术、滑坡监测通信协议和基于时间序列观测值的滑坡在线预警技术的研究。首先,通过引入自适应无线组网技术,开发低功耗自适应无线组网滑坡监测网络,提高滑坡监测系统鲁棒性。然后,在调研现有滑坡监测系统基础上,设计完善的滑坡监测通信协议,并开发协议栈,解决“信息孤岛”和“四遥功能”不全的问题。最后,开发基于上述组网方式和通信协议的滑坡快速监测系统,并开展基于位移时间序列观测值的滑坡在线预测模型研究。取得成果及结论如下:(1)构建了基于低功耗自适应无线组网技术的滑坡监测系统,该系统采用了分簇无线Mesh网和物联网网关Mesh骨干网相结合的网络设计,实现了多信道冗余通讯,保证了通信的可靠性。自适应无线组网滑坡监测系统包含正常通信、有故障通信和中心通信三种工作模式,三种工作模式根据不同的工作环境自动切换,有效解决了常规滑坡监测组网存在的系统网络的鲁棒性差、持续工作能力差问题(2)提出了滑坡监测通信协议设计原则和参考协议模型,制定了满足“四遥功能”的滑坡监测通信协议,开发了滑坡监测物联网通信协议栈。该协议已经被云南省地质环境监测院采纳为云南省地灾监测标准,并在在云南省上百个地质灾害监测点上的近千台设备上得到应用,有效解决了滑坡监测预警系统存在的“信息孤岛”及“四遥功能”缺失的问题,促进了滑坡监测预警系统的统一、高效管理。该协议已经于2019被中国地质灾害防治工程协会颁布为行业标准,在全国范围内推广执行。(3)提出KM-FFT-SVM(Kalman filtering-fast Fourier transform-support vector machine)滑坡灾害预警模型,该模型通过对滑坡体表面位移数据的分析,提取出位移加速度数据的频域临滑前兆信息,实现滑坡实时预警。利用研究区域滑坡位移数据对KM-FFT-SVM模型进行训练并验证,结果表明基于KM-FFT-SVM模型的滑坡实时警技术,能够对不具备三阶段变化特征或应急监测情况下的滑坡实现高精度临滑预警,相比阈值预警法,适应范围更广。(4)设计简易快速监测设备,搭建基于上述研究成果的滑坡快速监测预警系统,并将其运用于研究区域。系统运行稳定并监测到了白格二次滑坡事件,为滑坡应急救灾提供了必要的预警信息。