物联网技术在山地灾害监测预警中的应用——需求、现状、问题与突破展望

陈宁生 丁海涛

①研究员，②硕士，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041

物联网技术在山地灾害监测预警中的应用
——需求、现状、问题与突破展望

陈宁生①丁海涛②

①研究员，②硕士，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041

山地灾害；物联网技术；监测预警

中国是世界山地分布最广大的国家，山地区域的山洪、泥石流、滑坡等山地灾害十分发育。随着物联网技术的发展，山地灾害监测预警成为物联网技术应用的重要应用领域。从山地灾害监测预警实际出发，阐述了山地灾害对物联网技术需要的迫切性，介绍了物联网技术在山地灾害监测预警中的应用现状，同时提出了物联网技术在山地灾害监测预警应用中需要解决的问题和需要突破的关键技术。

中国是世界上山地分布最广大的国家。山地是中国区域经济发展的关键区域之一，它集中了全国大部分的水电、矿产、森林、水等多种资源，以及多数的国家级旅游风景名胜区，具有不可替代的生态功能和战略地位。然而，山地区域的山洪、泥石流、滑坡等山地灾害十分发育。我国平均每年发生数千至上万起山地灾害，特别是汶川地震后，地震灾区的山洪、泥石流、滑坡等次生灾害更严重。采取远程的地质灾害感知、监控、预警、调度处理，可以避免人员接近危险区域和伤亡事故，实现灾害监测预警的信息化和智能化。所以山地灾害监测预警应成为物联网技术的重要应用领域。

1 山地灾害防治迫切需要物联网技术

我国山地灾害发育频繁，监测预警一直都是防灾减灾的有效手段。特别是2010年大面积山洪泥石流滑坡等灾害的发生凸显了国家需求的紧迫性和长期性。2008年6月－2009年9月，地震后的次生地质灾害造成上百人死亡，经济损失数十亿元；2010年有2892人死于地质灾害，直接经济损失达62.6亿元。以都江堰龙门山地区为例，龙门山区小流域多雨区，灾害特别突出。汶川地震受灾区达10万km2，松散固体物质57亿t。灾后龙门山地震带松散固体物质依然丰富，灾害活动周期长。龙门山区地震次生泥石流滑坡灾害将在5～10年内持续频发，其活动期可超过20年。工程措施投资高、周期长，在短期内仅能解决部分大规模的防灾减灾问题。物联网把新一代IT技术运用在山地灾害防治中，具体地说，就是根据山地灾害的特点把感应器嵌入和把装备安装布置到合适的地点，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够整合网络内的人员、机器、设备和基础设施并对其进行实时的管理和控制。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理并感知山地灾害，达到“智慧”状态，改善人与自然间的关系。以龙门山为例，龙门山地震带多雨区小流域，高频率、大规模、宽级配、强动力的灾害性泥石流和滑坡时有发生，采用物联网技术进行监测预警是目前最经济有效的减灾手段，特别是可以避免大量的人员伤亡。物联网技术在山地灾害监测预警中的应用具有明确而迫切的需求。

2 物联网技术在山地灾害监测预警中应用的现状

物联网技术的行业应用是在行业基础上实现的，所以物联网技术在山地灾害监测预警中的应用现状受到灾害领域的研究现状和技术应用现状的影响。如在四川省，目前完成了《全省的山洪灾害防治规划》，提出泥石流滑坡等灾害严重区域的防治规划。特别是在汶川地震后，完成了汶川地震重灾区和极重灾区13万km2的多尺度防治规划与实施。为了尽可能早地感知山地灾害的发生，在汶川地震灾区等许多地质灾害频繁发生的地方进行了大量的灾害监测示范工作。在全省广大山区进行了大区域的地质灾害系统预报工作，时间尺度为12～24 h，空间分辨率达到3 km×3 km，从2005年开始在中央气象台投入运行。在灾害信息传输方面，完成了无线传感器节点及组网设计技术系统，研制了无线路由器，实现了无线Mesh组网，与Internet互联；研制无线自组网节点控制器，提供大规模无线自组织组网理论基础和研发经验；完成了IPv6无线传感器网络节点及组网。这些工作奠定了物联网技术应用于山地灾害的基础。

山地灾害监测预警物联网技术包括前端传感器(包括雨量、水位等)，前端数据采集处理器，通信模块(包括有线和无线)和后台数据处理和信息发布软硬件系统。与国外的先进水平相比，中国在山地灾害实时监测预警方面起步较晚，在智能传感器研制、通信传输、监测预警模型建立和信息系统研制及相应的技术标准规范等方面还存在差距。前端监测传感器种类较少，大多数山地灾害主要通过监测降水来进行预警，针对各个灾害种类传感器研发力度还不够。目前中国通信主要采用无线短信(GSM)、ZIGBEE、无线公网(GPRS/CDMA)和北斗卫星通信等方式。目前已在三峡库区和四川汶川、都江堰等地震灾区开展了无线宽带通信传输的实验研究。

地质灾害的防治工作已经引起了各级政府的重视。近年国务院先后颁布了《山洪地质灾害防治规划》和《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》。文件要求各地区加快构建国土、气象、水利等部门联合的监测预警信息共享平台；建立预报会商和预警联动机制；对城镇、乡村、学校、医院及其他企事业单位等人口密集区上游易发生滑坡、山洪、泥石流的高山峡谷地带，要加密部署气象、水文、地质灾害等专业监测设备，加强监测预报，确保及时发现险情、及时发出预警。

综上所述，基于物联网技术的山地灾害监测预警应用是未来非常有前景的发展方向。

3 物联网技术应用于山地灾害监测预警应用中需要解决的问题

目前物联网技术在山地灾害监测预警中的应用存在的主要问题包括：

(1) 山地灾害小流域滑坡泥石流运动时间短，对滑坡泥石流的早期实施监测预警技术还处于探索阶段，如何提前预警给出足够的逃生时间成为关键问题。

(2) 山地灾害小流域的植被、岩土特征各异，区域性小比例尺的山洪临界雨量指标研究有所发展，但单沟泥石流滑坡监测预警降雨阈值尚无相关标准，小流域监测预警降雨阈值如何科学准确确定的问题有待解决。

(3) 山地灾害多发区，气候复杂、地形多样。已有泥石流次声警报和滑坡震动警报等监测设备，其定向定位等问题限制了技术的推广应用。如何提升现有监测设备的可靠性与有效性，集成创新科学可靠的监测预警技术体系尚需研究。

(4) 现有单一通讯技术无法保障传输的可靠性，特别是如何在极端环境灾害条件下确保数据稳定传输还是难题。

(5) 监测预警等级多样(2～5级)。如中国早期的山洪灾害监测预警采用4级预警，现在采用2级，即准备撤离和撤离，而泥石流监测预警还常采用5级预警。那么针对山地灾害小流域特征，如何确定可操作性的预警级别和相应指标有待进一步研究。

4 物联网技术在山地灾害监测预警的应用中需要突破的关键技术

结合山地灾害监测预警在物联网应用方面需要解决如下关键技术：

(1) 基于多雨区降水特征和InSAR技术的早期监测预警技术。

基于降雨特征和InSAR技术，研究地震带山地特殊气象、地形地貌条件下，滑坡泥石流灾害早期识别与预警技术，分析区域地震活动和干湿交替等极端灾害事件，建立动态的山地灾害早期预测系统，预测山地灾害可能发生的区域。

(2) 研究小流域宽级配砾石土孔压、含水和位移变化规律与山洪泥石流滑坡监测预警原理和技术。

针对小流域宽级配砾石土孔压和含水变化规律，开发基于山洪泥石流启动及运动规律的预警技术；针对多雨区砾石土质边坡深部位移和地表位移规律，开发基于位移阈值和滑坡运动过程规律的预警技术。

(3) 极端环境灾害背景下的传感与汇聚通信保障和节能技术。

研究强地震扰动土体转化为泥石流的机理与含水和孔压预警阈值，研制高可靠性、低成本孔隙水压力和含水量传感技术与设备；研究高可靠的网络中继传输技术，传感网节能组网传输技术和网络系统集成技术等。

(4) 山洪泥石流滑坡监测预警综合平台建立。

集成多雨区山洪泥石流滑坡形成各阶段监测预警阈值，研发实时监测与早期识别相结合的山洪泥石流滑坡综合监测预警体系(图1)。

图1 基于早期预测和泥石流滑坡形成过程实时监测的预警体系图

(5) 技术集成与山洪泥石流滑坡监测预警示范应用。

加强山地灾害监测预警传感器网络技术集成和监测预警示范应用研究。通过集成传感器技术、通讯技术、网络技术及计算机技术等，将应用基础研究技术开发与示范相结合、新技术与现有技术集成组装相结合、试验示范与推广应用相结合，选择典型流域进行山洪泥石流滑坡监测预警系统示范应用，并建立相应的监测预警平台(图2)。

图2 监测预警平台总体框架图

(2014年8月1日收稿)

The application of the internet of things technology in mountainous hazards monitoring and warning: demand, current situation, problem and breakthrough prospect

CHEN Ning-sheng①, DING Hai-tao②
①Professor, ②Master, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, China

China is one of the most widely distributed states of mountainous region in the world. Mountain hazards of the region such as flash flood, debris flow, landslide are very developed. With the development of the internet of things technology, mountain hazards monitoring and warning become an important application field of the internet of things technology. In this paper, based on the practice of mountain hazards monitoring and early warning, the urgency of the mountain hazards demand is expounded for the internet of things technology. The present situation of the internet of things technology is introduced in mountain hazards monitoring and early warning applications. At the same time, the authors proposes that the internet of things technology apply to mountain hazards monitoring and early warning need to solve problems and need to breakthrough key technologies.

mountain hazard, internet of things technology, monitoring and early warning

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.006

(编辑：段艳芳)