基于智能手機(jī)的地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于智能手機(jī)的地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0自然災(zāi)害群測(cè)群防中國每年都面臨許多地質(zhì)災(zāi)害，因此有必要建立合理有效的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段。常用的監(jiān)測(cè)手段有“專業(yè)監(jiān)測(cè)”、“群測(cè)群防”以及“群專結(jié)合”。專業(yè)監(jiān)測(cè)一般采用各種專業(yè)化儀器設(shè)備,安裝于災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng),實(shí)時(shí)獲取災(zāi)害體發(fā)育過程中的特征參數(shù),通過專家系統(tǒng)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以此判斷災(zāi)情所處階段并做出預(yù)警建議。這種監(jiān)測(cè)方法在性能上依賴于傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等軟硬件技術(shù)的發(fā)展,其準(zhǔn)確度高,監(jiān)測(cè)效果好,但成本也高,后期維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)均需要人力物力投入,一般用于大型工程的災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警,如水電站、核基地等。貴州省依托“貴州省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與決策支持平臺(tái)”項(xiàng)目在2010~2013年建設(shè)了20個(gè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警示范站。鑒于我國地質(zhì)災(zāi)害一般“點(diǎn)多面廣”、且大多處于云貴川等西部偏遠(yuǎn)山區(qū),完全依靠“專業(yè)監(jiān)測(cè)”在人力、物力上很難保證。因此,“群測(cè)群防”和“群專結(jié)合”的監(jiān)測(cè)手段近年來比較受青睞。根據(jù)中國國務(wù)院頒布的《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》第15條“地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的縣、鄉(xiāng)、村應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的群測(cè)群防工作”可以看出,研究、推動(dòng)與實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防是具有法律依據(jù)的,其在我國地質(zhì)災(zāi)害減輕戰(zhàn)略中占有重要地位。實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防的根本目的是抓住減災(zāi)時(shí)機(jī),實(shí)現(xiàn)“自我識(shí)別、自我監(jiān)測(cè)、自我預(yù)報(bào)、自我防范、自我應(yīng)急和自我救治”?，F(xiàn)階段我國群測(cè)群防工作一般采用村一級(jí)群眾監(jiān)測(cè)員,通過簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)及預(yù)警設(shè)備(卷尺、手電筒、雨具、電話等),將發(fā)現(xiàn)的災(zāi)害前兆信息提供給上級(jí)行政部門,后者逐級(jí)上報(bào)。這種群測(cè)群防逐級(jí)上報(bào)制度存在幾個(gè)弊端:(1)村一級(jí)群眾監(jiān)測(cè)員對(duì)于災(zāi)害前兆信息的描述術(shù)語可能不統(tǒng)一;(2)監(jiān)測(cè)信息的逐級(jí)轉(zhuǎn)遞,中間環(huán)節(jié)多,存在信息“失真”的可能性,預(yù)警專家可能得不到第一手?jǐn)?shù)據(jù);(3)監(jiān)測(cè)信息未提供圖片、視頻等信息,不便于后級(jí)專家分析決策;(4)信息傳遞中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致傳遞不及時(shí),延誤災(zāi)情研判。為此,本文提出一種通過智能手機(jī)終端直接將災(zāi)害前兆信息發(fā)送給省級(jí)專家預(yù)警決策平臺(tái)的方法,可以實(shí)現(xiàn)群測(cè)群防監(jiān)測(cè)信息的統(tǒng)一性、完整性,實(shí)時(shí)高效上報(bào)。1系統(tǒng)總體架構(gòu)從技術(shù)層面分析,地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防終端需要解決災(zāi)點(diǎn)信息的便捷錄入與快速上報(bào),并需提供位置信息。群測(cè)群防相對(duì)于專業(yè)監(jiān)測(cè)而言,用戶絕大多數(shù)為文化程度較低的普通群眾,因此,在制定災(zāi)情指標(biāo)的時(shí)候必然是多定性少定量。根據(jù)《貴州省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與決策支持平臺(tái)》項(xiàng)目建設(shè)要求,結(jié)合專業(yè)實(shí)踐,本文確定了以下指標(biāo):雨量(無雨、小雨、中雨和大雨)、裂縫寬度(單位為mm,卷尺可測(cè)量)、地下水動(dòng)態(tài)(無水、滲水、浸水、冒水和流水)、危險(xiǎn)度等級(jí)(低危險(xiǎn)度、中危險(xiǎn)度和高危險(xiǎn)度)、備注信息(用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)其他方面的地質(zhì)特征進(jìn)行集中描述)。此外,為了更加形象直觀地描述地質(zhì)現(xiàn)象,終端具備多媒體信息錄入和傳輸功能。在其他應(yīng)用領(lǐng)域,移動(dòng)終端系統(tǒng)在國土資源調(diào)查、土地移動(dòng)執(zhí)法、森林火災(zāi)巡查、水利設(shè)施巡查、高速公路巡檢等方面得到了初步應(yīng)用,它們大多數(shù)采用GPS、GIS和移動(dòng)通信技術(shù),其中GPS提供位置服務(wù),移動(dòng)通信負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸,GIS提供平臺(tái)展示,這些共性技術(shù)都可以被借鑒。當(dāng)然,根據(jù)行業(yè)特點(diǎn),所采取的系統(tǒng)架構(gòu)有所差別,一般體現(xiàn)在災(zāi)情信息的傳輸機(jī)制上。如趙愛愛、曹文華、李東瑋等研究了GIS技術(shù)在移動(dòng)通信終端上的應(yīng)用?？傮w來看,GIS技術(shù)對(duì)于終端的C/S通信機(jī)制并不成熟,一般采用B/S模式建立GIS的Web服務(wù)。但是Web服務(wù)使得終端利用瀏覽器訪問時(shí)會(huì)大大增加數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸時(shí)間。龔成瑩等提出了一種利用HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫交互的方法,該方法利用了HTTP協(xié)議,但仍然采用C/S模式減少其數(shù)據(jù)量和傳輸時(shí)間,但是該方法的安全性不夠好,并且如果服務(wù)器放置于內(nèi)網(wǎng),則無法實(shí)現(xiàn)通信。NAT穿透技術(shù)[12~14]可以解決位于不同內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的通信問題,但是穿透過程復(fù)雜,并且會(huì)因節(jié)點(diǎn)所在NAT設(shè)備類型不同而變化,因此無法保證通信的穩(wěn)定性?；诖?本文提出一種實(shí)現(xiàn)終端與內(nèi)網(wǎng)PC通信的方法以及實(shí)現(xiàn)技術(shù),系統(tǒng)總體架構(gòu)(圖1)由群測(cè)群防人員、基于安卓智能手機(jī)的終端應(yīng)用程序、公網(wǎng)服務(wù)器、內(nèi)網(wǎng)PC和信息管理平臺(tái)組成。整個(gè)工作流程為:群測(cè)群防人員登陸智能手機(jī)終端的群測(cè)群防應(yīng)用程序,利用相關(guān)控件錄入相關(guān)信息(如雨量大小、地裂縫寬度、是否有地下水、現(xiàn)場(chǎng)照片或視頻等),并通過手機(jī)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到公網(wǎng)服務(wù)器中,服務(wù)器收到信息后立即將信息轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)網(wǎng)PC,內(nèi)網(wǎng)PC再將信息錄入到信息管理平臺(tái),供專家分析并做出預(yù)警決策。其中,如果開通了VPDN等虛擬專用網(wǎng)絡(luò),則可以直接將信息發(fā)送到內(nèi)網(wǎng)PC,以提高通信效率。2終端軟件設(shè)計(jì)2.1信息錄入模塊的實(shí)現(xiàn)以Android系統(tǒng)作為終端的運(yùn)行平臺(tái),終端的軟件架構(gòu)主要包含GPRS通信模塊、信息錄入模塊和管理設(shè)置模塊。應(yīng)用程序首先會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Activity并加載XML文件作為初始界面,通過初始界面可以啟動(dòng)管理配置模塊,設(shè)置接收服務(wù)器IP地址和端口號(hào)等。當(dāng)軟件配置完成后即可開啟信息錄入模塊進(jìn)行信息的錄入。圖2所示為終端軟件架構(gòu)。2.2信息傳輸模塊通信模塊包含3個(gè)部分:登陸模塊、信息傳輸模塊和監(jiān)測(cè)點(diǎn)更新模塊。登陸模塊需要首先初始化Socket,并創(chuàng)建目的地址的Tuple,最后以TCP方式向服務(wù)器發(fā)出連接請(qǐng)求,當(dāng)服務(wù)器返回信息后,即表示登陸成功。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有返回信息,則視為登陸失敗,會(huì)立即重新登陸服務(wù)器。當(dāng)?shù)顷懗晒?終端應(yīng)用程序可以啟動(dòng)信息傳輸模塊,首先該模塊會(huì)測(cè)試終端與公網(wǎng)服務(wù)器的TCP連接是否正常。具體的測(cè)試方法是:客戶端向服務(wù)器端發(fā)送一個(gè)標(biāo)識(shí)信息,服務(wù)器收到信息后立即返回同樣的標(biāo)識(shí)信息給終端,當(dāng)終端收到回執(zhí)信息后,則說明終端與服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)建立,即測(cè)試通過。并對(duì)錄入的信息進(jìn)行封裝,然后向服務(wù)器發(fā)送command1,當(dāng)服務(wù)器響應(yīng)后,則將封裝好的數(shù)據(jù)分包發(fā)送。由于在錄入信息的過程中,必須選擇一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以方便專家決策系統(tǒng)知道信息的來源,因此需要啟動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)更新模塊。該模塊首先測(cè)試TCP連接是否正常,并將終端的識(shí)別碼發(fā)送到服務(wù)器端,最后獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息并立即更新監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)更新是進(jìn)行信息錄入的前提條件,更新的原理是:首先將該區(qū)域的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)下載到終端上,終端立即從數(shù)據(jù)庫查詢出已經(jīng)存在的監(jiān)測(cè)點(diǎn),并和下載到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一一對(duì)比,如果不同,則說明下載到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)是最新的,則立即添加到終端數(shù)據(jù)庫相應(yīng)字段,如果相同,則說明該監(jiān)測(cè)點(diǎn)終端已經(jīng)存在,直接扔掉即可。2.3動(dòng)獲取公民監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息,包括點(diǎn)和點(diǎn)該模塊負(fù)責(zé)引導(dǎo)群眾監(jiān)測(cè)員完成災(zāi)害前兆信息的錄入,其中終端的識(shí)別碼(CDMA制式手機(jī)采用MEID碼,其他制式手機(jī)采用IMEI碼)由應(yīng)用程序自動(dòng)獲取,其他信息需自行錄入。錄入過程包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇、錄入信息類型選擇、各項(xiàng)指標(biāo)錄入、備注信息錄入和附件錄入(包含圖片和視頻)。其中錄入過程由一個(gè)向?qū)Э刂?由于錄入信息的界面只有兩個(gè),因此為了減少終端軟件的體積,我們只建立一個(gè)Activity來實(shí)現(xiàn)這個(gè)模塊,通過一個(gè)活動(dòng)加載不同XML文件就可以做到界面切換,同時(shí)為每個(gè)XML文件的相關(guān)按鈕添加“點(diǎn)擊事件”則可以將界面切換操作與點(diǎn)擊操作關(guān)聯(lián),從而形成向?qū)б龑?dǎo)操作者方便錄入信息。2.4數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建該模塊的實(shí)現(xiàn)需要使用SQlite數(shù)據(jù)庫作為存儲(chǔ)管理機(jī)制,數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)信息、目的地IP與端口號(hào)、信息發(fā)送的歷史記錄等,通過進(jìn)入管理配置模塊即可對(duì)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行編輯和修改。數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建由一個(gè)單獨(dú)的類來完成,首先創(chuàng)建一個(gè)MySQliteOpenHelper的數(shù)據(jù)庫輔助對(duì)象來實(shí)例化一個(gè)SQlite數(shù)據(jù)庫,然后執(zhí)行相關(guān)的SQL語句來創(chuàng)建表格并增加字段,最后在管理數(shù)據(jù)庫的事件響應(yīng)函數(shù)中執(zhí)行相關(guān)的SQL語句完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作。當(dāng)進(jìn)入管理模塊后,程序立即查詢數(shù)據(jù)庫,將最近一次設(shè)置的目的地IP端口等信息自動(dòng)填寫到相關(guān)文本框中,一旦參數(shù)配置完成,則立即獲取文本框中重新配置的信息并插入數(shù)據(jù)庫保存。3信息交換機(jī)制的實(shí)現(xiàn)3.1監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行過程轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)由Android應(yīng)用程序和兩個(gè)Windows應(yīng)用程序構(gòu)成(圖3)。首先Android應(yīng)用程序利用Socket的TCP方式將信息傳輸?shù)焦W(wǎng)的Windows應(yīng)用程序中,接著公網(wǎng)Windows應(yīng)用程序?qū)⑿畔⑼瑯永肨CP方式傳輸?shù)絻?nèi)網(wǎng)的Windows應(yīng)用程序中,最后內(nèi)網(wǎng)Windows應(yīng)用程序解析收到的信息,根據(jù)解析出的指令利用ODBC數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)對(duì)Oracle數(shù)據(jù)庫執(zhí)行相關(guān)的操作,最后將執(zhí)行結(jié)果利用公網(wǎng)服務(wù)器返回給智能手機(jī)終端。其中執(zhí)行的指令一共有兩種,Command1用于智能手機(jī)終端上傳信息到Oracle數(shù)據(jù)庫,包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱、終端編號(hào)、各項(xiàng)指標(biāo)情況、附件以及備注信息。Command2用于智能手機(jī)終端從Oracle數(shù)據(jù)庫下載監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息并更新信息,它只包含終端編號(hào)。3.2獲取獲取豐富的獲取所需信息的化合物為了闡述方便,這里將Android終端記為A方,公網(wǎng)服務(wù)器記為S方,內(nèi)網(wǎng)PC記為B方。在進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)前,需要啟動(dòng)S方和B方的管理設(shè)置模塊,完成IP地址和端口號(hào)的配置。之后,S方開啟服務(wù)器,兩個(gè)線程會(huì)啟動(dòng):Thread_1和Thread_2。Thread_1用于實(shí)現(xiàn)與A方的通信,Thread_2用于實(shí)現(xiàn)與B方的通信。當(dāng)Socket創(chuàng)建完成,則開始監(jiān)聽端口號(hào)以方便A方和B方登錄到S方。B方開啟后立即登錄到S方,當(dāng)?shù)顷懗晒?B方的通信線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)以便等待S方的回執(zhí)信息,當(dāng)S方發(fā)送完回執(zhí)信息后,Thread_2將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。經(jīng)過以上步驟,S方和B方的初始化完成,意味著A方可以開始正常工作了。A方首先登陸到S方,S方會(huì)在Thread_1線程里立即向A方發(fā)送回執(zhí)信息,該回執(zhí)信息包含了B方登陸的狀態(tài)情況以及現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等,當(dāng)A方收到回執(zhí)信息則開始錄入信息并進(jìn)行處理封裝。當(dāng)S方接收A方信息后,會(huì)將信息進(jìn)行重新封裝,同時(shí)喚醒Thread_2進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā),此時(shí)Thread_1將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。Thread_2用與A方同樣的方法將信息分為多個(gè)數(shù)據(jù)包向B方發(fā)送,B方也用與S方同樣的方法接收全部數(shù)據(jù)包,當(dāng)S方將信息發(fā)送完成后立即將Thread_2進(jìn)入阻塞狀態(tài)等待B方返回的結(jié)果。B方將信息全部收到后,立即解析信息中的指令碼,并按照提取出的指令執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫操作,操作完成后,將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給S方,S方收到執(zhí)行結(jié)果后立即喚醒Thread_1,并將執(zhí)行結(jié)果交給Thread_1進(jìn)行下一步處理。Thread_1將執(zhí)行結(jié)果封裝后再發(fā)送給A方,A方收到信息后進(jìn)行拆封提取出需要的數(shù)據(jù),則整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)過程完成(圖4)。3.3數(shù)據(jù)庫的連接考慮到訪問數(shù)據(jù)庫的兼容性問題,本設(shè)計(jì)采用ODBC數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Oracle數(shù)據(jù)庫的交互,ODBC是開放數(shù)據(jù)庫互連,Windows應(yīng)用程序利用它可以訪問不同類型的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的訪問需要Oracle客戶端的ODBC驅(qū)動(dòng)支持,并且將連接數(shù)據(jù)庫的IP地址、端口號(hào)、用戶和密碼寫入ODBC數(shù)據(jù)源。當(dāng)數(shù)據(jù)庫連接成功后,即可向數(shù)據(jù)庫提交SQL語句,本設(shè)計(jì)主要包含插入數(shù)據(jù)操作和查詢數(shù)據(jù)操作兩種,其中插入數(shù)據(jù)操作由Command1完成,查詢數(shù)據(jù)庫操作需要根據(jù)B方收到的終端編碼作為查詢條件并由Command2來完成。其中兩個(gè)操作都是由程序動(dòng)態(tài)生成的,指令內(nèi)容會(huì)根據(jù)實(shí)際情況變化。4視頻數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)行于Android智能手機(jī)上的地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防應(yīng)用程序(圖5)包括了初始化界面、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)信息錄入、備注信息錄入。其技術(shù)特點(diǎn)如下:具備圖片發(fā)送功能,能夠“即時(shí)拍照、即時(shí)發(fā)送”;具備視頻發(fā)送功能,能夠“即時(shí)錄制,即時(shí)發(fā)送”;采用文件流方式傳送;采用向?qū)Ｊ?使得界面友好、操作方便;采用TCP方式傳輸,使得數(shù)據(jù)傳輸更加可靠、穩(wěn)定;操作界面采用線性布局,能夠適應(yīng)不同分辨率;具備終端與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫同步功能,可遠(yuǎn)程下載監(jiān)測(cè)點(diǎn),提高了實(shí)用性;終端與IP公網(wǎng)、VPDN內(nèi)網(wǎng)無縫接入。在災(zāi)情平臺(tái)界面截圖上(圖6)看到,災(zāi)情管理平臺(tái)上可進(jìn)行災(zāi)害點(diǎn)錄入、查詢、刪除、更新等基本操作,對(duì)上報(bào)信息可進(jìn)行經(jīng)緯度顯示、曲線展示、顯示圖片及播放視頻。5基于智能手機(jī)的泥石流群測(cè)群防系統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防是我國當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期,在地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)為適應(yīng)相對(duì)落后的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r而實(shí)施的帶有主動(dòng)應(yīng)對(duì)性質(zhì)的一種有組織的減災(zāi)行動(dòng),在國家地質(zhì)災(zāi)害減輕戰(zhàn)略中占有重要地位[6~7]。因此,依托信息技術(shù)最新發(fā)展成果,研究并開發(fā)出方便、實(shí)用、成本低、可靠性高的群測(cè)群