1Esri Italia интегрирует GNSS с ГИС для детектирования аномальных движений грунта в горах

По материалам Esri

Detecting Large Landslides in Italy Before They Happen

Одним из наиболее живописных регионов Италии является административная область Марке на Адриатике к югу от Болоньи. Популярным туристским маршрутом в ее знаменитом национальном парке Монти-Сибиллини является озеро Фиастра, где можно поплавать и принять участие в соревнованиях по рыбной ловле.

Однако с 1940 года здесь стали обнаруживаться признаки глубинной гравитационной деформации склона хребта Апеннинских гор. Эти смещения грунта, вызываемые активными сбросами и тектоническим погружением области, происходят на более протяженных участках по сравнению с обычными оползнями. Они являются причиной многочисленных провалов и оползаний (медленных нисходящих перемещений) грунта, представляющих опасность для туристов.

В настоящее время Национальный институт геофизики и вулканологии Италии тестирует инновационное решение для мониторинга этих деформаций, разработанное компанией Esri Italia. Оно позволяет детектировать аномальные движения грунта в горах и определять зоны риска с помощью ГИС и одночастотных легких GNSS-датчиков.

Расширение применения GNSS

Использование GNSS (глобальные навигационные спутниковые системы, ГНСС) для измерения медленных движений грунта является общепринятой практикой. Однако типовые решения базируются на дорогостоящих, громоздких и энергозатратных GPS-приемниках геодезического класса, поскольку лишь они до недавних пор обеспечивали точность, требуемую для конечных приложений. Уже одно это ограничивало использование GNSS-систем для ведения мониторинга.

Благодаря недавним успехам в области анализа сигналов и общему технологическому прогрессу в настоящее время появились компактные одночастотные приемники, позволившие расширить полевое применение данной технологии. Миниатюризация устройств и совершенствование технологий беспроводной коммуникации позволили создавать решения для надежной передачи и управления данными даже там, где задействована простая и недорогая инфраструктура.

Более того, ввод в строй новых навигационных спутниковых систем, таких как европейская Galileo и китайская BeiDou, в недалеком будущем позволит обеспечить повторяемость измерений даже с помощью простейших компактных датчиков — базового элемента для мониторинга медленных нелинейных смещений, часто являющихся предвестниками структурных оседаний местности.

Сбор данных о движении грунта

В конце 2015 года, после двух лет научно-исследовательских работ, выполненных совместно компанией Esri Italia и SpaceEXE, итальянским стартапом, специализирующимся на разработке микроэлектронных устройств, было создано инновационное решение для мониторинга деформаций грунта под названием SurfacE Network Deformation Monitoring System или SENDAS.

Эта система собирает данные GNSS через локальные приемники, которые посылают информацию на локальный шлюз. С его модема данные передаются в режиме реального времени на облачный сервер, где обрабатываются для различных целей.

В рамках совместного проекта с Национальным институтом геофизики и вулканологии Италии компания Esri Italia установила на склонах вокруг озера Фиастра четыре датчика системы SENDAS.

Датчики SENDAS состоят из одночастотного GNSS-приемника (который работает с GPS и Galileo) с антенной, источника питания на основе фотоэлектрической панели и 868-МГц беспроводного интерфейса, который передает данные GNSS и телеметрии. Датчики образуют ячеистую (смешанную) сеть, способную поставлять данные на шлюз, оборудованный GPRS-модемом. Эта ячеистая топология обеспечивает бесперебойную работу инфраструктуры в случае выхода из строя отдельных узлов.

Данные хранятся и обрабатываются на одном из серверов Национального института геофизики и вулканологии с помощью NDA, программного обеспечения, разработанного Esri Italia. Лучше всего ПО работает с одночастотными приемниками, объединенными в локальную сеть с длиной базисной линии (расстоянием между базовой станцией и мобильным ровером) не более 10 километров.

Для обнаружения небольших движений грунта сервер автоматически обновляет исторические данные о смещениях каждой контрольной точки с миллиметровой точностью. Пользователи могут выбирать периоды обновления от одного до 24 часов. В 12-часовом сеансе измерений система обычно способна обнаруживать смещения порядка нескольких миллиметров.

Прогнозирование смещений

Используя инструментальную приборную панель, конечные пользователи в Национальном институте геофизики и вулканологии или в Национальном институте океанографии и экспериментальной геофизики могут получать данные телеметрии полевых датчиков, а также другую информацию, такую как эффективность беспроводной передачи данных и качество данных GNSS. Если в системе обнаруживаются неполадки, или скорость деформации грунта превышает заданный порог, приборная панель отправляет по электронной почте оповещения сотрудникам института, отвечающим за реагирование в случае стихийного бедствия.

Esri Italia также построила с помощью ArcGIS Runtime SDK 10.2.6 для Microsoft .NET Framework приложение, позволяющее пользователям накладывать формы на область мониторинга, чтобы попытаться обнаружить закономерности в текущих деформациях. Приложение позволяет пользователям моделировать потенциальные последствия глубинных гравитационных деформаций склонов.

Пользователи могут чертить векторы текущих напряжений грунта на геоморфологической карте для идентификации и классификации возможных природных и антропогенных угроз. Они могут также визуализировать пересечения зон риска с уязвимыми элементами, такими как здания, дороги, линии электропередачи и скопления людей. Пользователи могут оценивать уровень угрозы на основе данных о населении и инфраструктуре в зонах риска и использовать это приложение для разработки эффективных планов реагирования в случае бедствия, например, маршрутов эвакуации и стратегий смягчения последствий.

Сохранение итальянской природы

В окрестностях озера Фиастра «SENDAS используется [Национальным институтом геофизики и вулканологии] для мониторинга смещений грунта вследствие глубинных гравитационных деформаций склонов, которые приводят к образованию провалов глубиной в десятки метров», – говорит Массимилиано Черсич, менеджер GNSS-решений в Esri Italia. Компания установила вокруг озера четыре датчика SENDAS для непрерывного отслеживания малейших движений грунта. Это позволяет институту действовать упреждающе – закрывать тропы и дороги до вероятного образования провалов, чтобы не подвергать опасности посетителей национального парка.

Приборная панель позволяет конечным пользователям видеть в режиме почти реального времени привязанную к местности информацию об уровне зарядки датчиков, напряжении солнечных батарей и качестве беспроводного интерфейса, используемого для передачи и обработки данных мониторинга поверхностных деформаций грунта.

SENDAS используется и в других частях Италии. Например, информация этой системы помогла властям небольшого городка Каззасо на севере Италии вовремя закрыть дорогу в соседнюю деревню, чтобы уберечь жителей от известного, но проявлявшего повышенную активность оползня.

Этот уникальный инструмент помогает Национальному институту геофизики и вулканологии эффективно реализовывать проекты, направленные на защиту населения и инфраструктуры от непредсказуемых движений грунта. В свою очередь, эти проекты помогают сохранять уникальную природу региона, являющегося одной из мировых достопримечательностей.