基于北斗的地质灾害综合监测技术应用.pdf

基于北斗的地质灾害综合监测技术应用文|姜慧1,21.中铁第五勘察设计院集团有限公司2.北斗导航装备与时空信息技术铁路行业工程研究中心摘要：随着国家科技水平的不断发展与国家应急体系的不断完善，卫星通信、地理信息、遥感遥测、物联网、云计算等新兴技术不断在地质灾害防治领域得到推广应用。本文通过开展基于北斗的地质灾害综合监测技术及其应用研究，建设了基于北斗的地质灾害综合监测系统，研发部署北斗地质灾害综合监测预警平台、北斗高精度数据解算平台，研制北斗地质灾害监测终端，构建了北斗融合多元传感技术的地灾监测体系。通过对地质灾害快速预警，可以为地质灾害隐患点现场勘察核实、加固补救、紧急疏散等争取必要的时间，进而在一定程度上减少或者避免灾害带来的损失。未来，随着北斗与多元传感技术的不断发展，地质灾害监测预警也必将更加精准可靠。关键词：北斗卫星导航系统；地质灾害；地灾监测；综合监测实时、精准、高效的地质灾害监测手段是防治地质灾害、保障人民生命财产安全的有效途径，也是国内外地灾监测领域研究的重点。针对滑坡、泥石流、沉降、塌陷等典型地质灾害，国内外传统监测方法主要包括简易观测、宏观观测、仪表观测、自动观测等，需要监测作业人员结合地缘特色，根据工作计划定期到现场进行数据采集与分析，无法全面感知获取实时连续的地质数据，为地灾监测带来很大的困扰。随着全球导航卫星系统（GNSS）的不断向前发展，利用卫星导航技术与多元传感技术相结合的技术方案被成功应用于多种地质灾害监测，并取得了较好的成效，成为当前全球范围内地质灾害监测预警研究的热点方向2。北斗卫星导航系统作为我国自主研发、建设、运行的全球卫星导航系统，目前已在全球范围内提供全天候的高精度定位、精准导航、统一授时、短报文通信等优质服务。基于北斗毫米级高精度定位服务，融合各类监测传感器，构建地质灾害综合监测系统，是有效开展地2023年第8 期卫星应用1 49导航天地ISatelliteNavigation质灾害监测预警的重要手段，已在多行业领域得到成功应用。一、基于北斗的地质灾害综合监测系统1.数据源2020年7 月3 1 日，随着我国自主研发建设部署的北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通，利用北斗的高精度位置服务能力开展在地质灾害监测预警领域的研发与应用成为行业重要发展方向。目前国内已建设完成了多个全国范围的北斗地基增强站网系统，相关区域级、行业级北斗地基增强系统建设正在有序推进。通过研发部署北斗地质灾害综合监测预警平台、高精度数据解算平台以及地质灾害监测终端等，实时获取精准的地质运动等数据，感知隐患点观测周期内的微观运动变化，融合应用大数据、云计算、物联网等技术，为地质灾害前、中、后期提供关键数据支撑 3。2.系统总体组成简介本系统基于北斗铁路行业综合应用示范工程项目，由中铁第五勘察设计院集团有限公司北斗导航装备与时空信息技术铁路行业工程研究中心研发构建。基于北斗的地质灾害综合监测系统主要包括：1）北斗地质灾害综合监测预警平台。可实现地质灾害隐患点基础调查、数据管理、动态监测、预警预报等全过程的信息化、智能化和标准化管理。2）北斗高精度数据解算平台。作为GNSS数据解算的核心服务，负责GNSS位移数据的解算和结果上报。3）北斗地质灾害监测终端。集成国内多款成熟高精度模块产品、多元传感器等，可满足信号接收、测量精度等综合监测需求。系统总体框架示意图如图1 所示。北斗高精度数据解算平台GNSS解算结果Mysql监测数据库服务GNSS观测数据传感器数据二MQTT/NTRIP服务器ROCKETMQ消息队列服务设备状态监控、北斗地质灾害设备远程控制、监测终端设备固件升级项目、站点管理HTTP/WebSocket北斗地质灾害综合监测预警平台（网页跳转）项目、站点查看口短信、小程序设备管理模块预警图1 系统总体框架示意图3.北斗地质灾害综合监测预警平台北斗地质灾害综合监测预警平台（图2）通过利用北斗、物联网、大数据、云计算等多种技术手段，广泛适用于泥石流、滑坡、沉降、裂缝等多种不同类型地质灾害的综合监测预警平台，实现地质灾害自动监测、数据分析、预报预警、应急保障等服务于一体，保障地质灾害前、中、后全生命周期的数据化动态管理，全面提升地质灾害的综合预警与处置防治等工作。50|卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期导航天地SateliteNavigationSHK隧道综合监测项目NWZ边坡监测项目边坡形变雷达监测8admin退出监测项目管理系统综合监测预警系统应急综合指挥系统北平2初始视角前进视角隧道形变观测系统隧道内部视角单拉mx本次变化量y本次变化量?2本次变化量川I北斗基准站合成孔经需达北斗自动化变形监测单位:mm北移位东移位高程沉峰被动石网自动监测LSW1+LSW4LSW6LSWT监测点读数：1.1 1 43 mm即时形变:3 4.9 41 9 mm累计形变:1 6.8 0 1 7 mm监测状态轨道异物入侵监控系2023-05-30-16:54:50雨量监测系统（SHK统计）迈坡雷达扫描仪北斗基准站被动兰石网监测自动化雨量监测站隧道全站扫猫仪静力水准监测视频监控点年降雨堂475.9MM消明明明明滑明隧道静力水准轨道检测x本次变化量y本次变化量蓝测点详细情况查看202-5920202-595202025952图2 北斗地质灾害综合监测预警平台平台主要功能模块包括：1）设备管理。监测设备参数配置、设备状态管理、监测状态管理、统计管理等。2）自动化监控。自动采集、传输、存储、分析监测数据等。3）预报预警。实时在线分析系统监测参数，并通过声光报警、短信报警、邮件报警等不同方式进行异常报警提醒。4）远程在线查看。各级管理人员可通过网络实现各项监测参数的在线查看。5）在线分析。具备基础资料管理、图形报表制作、数据分析、综合预警等功能。6）数据管理。支持实时空间数据、隐患数据、动态监测数据、预警数据等综合管理。7）应急救援保障。通过应急预案、险情信息、现场视频、信息发布等为应急救援指挥提供支撑保障。4.北斗高精度数据解算平台北斗高精度数据解算平台主要是为了实现北斗GNSS数据解算，获得监测点毫米级精度三维坐标，按功能可将各种需求分为任务管理、设备/站点管理、数据管理、解算管理、输出管理、数据库管理几类：1）任务管理。实现工程、任务管理，满足系统实际应用需求。2）设备/站点管理。对监测站点、属性、数据协议等进行配置和管理。3）数据管理。监测数据回传、接收、解码。4）解算管理。高精度解算数据输入、建模、处理，获得监测站三维坐标，主要工作是进行核心处理算法的开发，是整个软件的核心部分。5）输出管理。解算结果输出，包括三维坐标、站点属性、解算时间等，输出方式包括文件存储、数据库存储。6）数据库管理。将相关信息通过数据库进行有效管理。平台通过网络或有线方式获得北斗GNSS的原始数据（载波相位、伪距和星历），经过数据解码，对其进行差分处理和滤波，并根据系统设置，实现图形显示、数据记录存储、坐标结果输出。5.北斗地质灾害监测终端北斗地质灾害监测终端设备研制以北斗监测终端为主，同时可根据实际项目监测需要，融合集成涵盖裂缝传感器、雨量计、崩塌计、倾角传感器、2023年第8 期卫星应用1 51导航天地ISatelliteNavigation泥水位监测仪等多类型监测传感器。北斗地质灾害监测终端为高精度测量型接收机，主要由高精度接收天线、卫星信号接收与处理模块、综合处理模块、数据通信模块等部分组成，能够接收北斗系统在内的主流卫星导航系统信号。终端支持外接各类传感器，支持4G、NB-Io T、BT 等多种通信方式，采用低功耗、专业抗震、防水防尘、防雷击设计，适应多种不同条件的野外环境与气候条件。还能够远程监测和管理接收机，通过MEMS传感器与GNSS技术相结合，实现对地质灾害的全天候自动化监测。终端主要模块包括：1）高精度接收天线。接收北斗等卫星信号，并将电磁波转换为电信号。北斗/GNSS卫星信号其它传感器数据二、典型应用案例1.铁路地灾监测在铁路勘察、建设、运营期,线路范围内的桥梁、隧道、路基等构筑物以及运营线路附近的山体、边坡等受恶劣天气、地质活动、人为干扰等因素影响，存在崩塌、滑坡、沉降等多重危害。通过利用北斗、多元传感器采集、物联网等技术相结合，针对铁路沿线及其周边临近范围内基础设施，在潜在地质灾害隐患区域内布设北斗地质灾害监测终端，开展铁路及周边环境形变监测预警，实现对于铁路基础设施水平位移、竖向位移和倾斜的毫米级高精度监测，形成自动化、全天候的实时安全监测预警体系，全2）卫星信号接收与处理模块。分为射频和基带两部分，射频部分完成观测信号滤波、放大、变频、采样等多项程序，然后将其转换成数字中频信号传输至模块基带部分，基带部分完成卫星信号的捕获、跟踪、解算并将所获得的原始观测数据、卫星星历信息等进行处理。3）综合处理模块。将接收到的卫星观测数据、接入的其他传感器数据等各类数据统一进行处理分析。4）数据通信模块。支持4G/5G和有线通信等多种通信方式，并将数据传输至高精度解算平台。北斗地质灾害监测终端工作流程图如图3所示。高精度接收天线卫星射频信号卫星信号接收与处理模块卫星观测数据综合处理模块图3 北斗地质灾害监测终端工作流程图方位保障铁路线路的综合安全（图4）。目前，已在京张高铁、兰新高铁、朔黄铁路、赤大白铁路等多条铁路上开展应用。图4铁路交通行业北斗地灾监测应用高精度数据数据通信模块解算平台521卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期导航天地SateliteNavigation2.油气管网地灾监测油气管网作为我国重要的长线型能源基础设施，其建设跨度大、建设距离远、周边环境复杂，尤其是在地质板块运动活跃的山地区域，容易发生地质灾害损害管道与能源运输安全。选取项目地质灾害监测点，建设北斗地基增强站，构建融合北斗位移监测终端、测斜仪、裂缝计、水位计、温度计、雨量计等自动化监测传感器在内的油气管网地质灾害形变自动监测网。通过研发部署油气管网项目北斗地质灾害综合监测预警平台，对地质灾害隐患点位可能出现的山体滑坡、管道沉降等险情进行提前预警分析，为管道运行环境监测提供历史数据分析与应急处置预案，降低地质灾害对管网运营安全的威胁，提升油气管网安全运行数字化感知分析与决策能力（图5）。图5油气管网行业北斗地灾监测应用3.水利基础设施地灾监测水利基础设施工程是保障国家经济发展、维护生态绿色监控、确保社会安全稳定的重要组成部分。利用我国自主研发的国产北斗卫星导航技术，开展边坡监测、大坝监测等是水利行业提升减灾防灾、应急处突数字化水平的有效手段。通过在水利项目现场地质灾害监测点部署北斗地质灾害监测终端、土压力盒、水压计、水位计、雨量计等多元传感器，实现监测点位毫米级位移变化的实时感知，并对监测范围内的温度、水压、水位、应力等数据进行综合智能分析，确保在各种气候条件下的全天候地质灾害监测预警。利用现场4G网络、北斗短报文通信等方式，将监测高精度数据传输至北斗地质灾害综合监测预警平台，实现水利监测数据的采集、存储、分析、预警等一体化管理（图6）。此外，通过将相关监测数据与分析结果及时上报企业级/政府侧地质灾害监测预警平台，确保区域地质灾害预警预报信息的互联共享，极大程度上提升地质灾害监测预警能力。图6 水利行业北斗地灾监测应用2023年第8 期卫星应用1 53导航天地ISatelliteNavigation三、结束语目前，基于北斗的地质灾害综合监测系统已在农业、林业、交通、水利、市政等诸多行业得到了成功应用。由于地质运动的复杂性，地质灾害的精准预警预报仍是一个国际难题，不可能提前对所有灾害发生的时间、位置、周期等作出准确无误的预报。在地灾隐患区域内部署北斗GNSS地灾监测终端系统等，结合地灾监测预警系统平台的智能分析处置能力，有助于实现地质灾害监测实时快速预警，在灾害发生前数分钟、数小时甚至数天内发出预警信息。未来，随着北斗与云计算、大数据、物联网等技术的不断发展，尤其是人工智能、元宇宙等颠覆性技术的突破，利用北斗融合新一代信息化技术的地质灾害监测、预警将会更加精准有效，区域范围内地质灾害的精确预报与防治也将成为未来地灾监测技术融合创新发展的重要方向。此外，随着全国范围内区域级、行业级地基增强站网系统的不断建设完善以及地质灾害监测产品的不断迭代升级，北斗地质灾害监测终端设备、软件必将进一步降低成本，实现更普遍、更大范围的应用部署，形成区域级、行业级地质灾害监测应用体系，为我国地质灾害监测、预警与防治提供更多的数据支撑。参考文献1王俊铭，火久元，穆聪，等.北斗高精度定位的地质灾害监测系统的设计 J.单片机与嵌入式系统应用,2 0 2 1,2 1(2):44-47.2 刘雪梅，刘焕军.GNSS技术在地质灾害安全监测预警系统中的应用 J.世界有色金属，2 0 2 2(1 1):1 0-1 2.3张同伟，李凌瑛基于北斗系统的地质灾害监测系统建设 J.电气技术,2 0 2 1,2 2(1):9 9-1 0 3.4黄健.基于3 DWebGIS技术的地质灾害监测预警研究D.成都理工大学,2 0 1 2.5黄观武.基于北斗多源传感器组合的滑坡监测技术及系统研制 D.西安科技大学,2 0 1 8.Top Space Magazines for Top Space Companies航天权威官方媒体企业优质传播平台spaceInternational国际太空2022年期1 期总第51 7 期卫星应用第1SATELLITEAPPLICETION#SIIE期WeAreAlwaysTryingTo BeChineseLeadingandWorldsSpaceInternational国际太空2021年全球十大航天新间、中国十大航天新闻评选揭晓国际重大工程合作机制对我国国际月球科研站建设的启示“空间天文观测”专题卫星应用SATELLITEAPPLICATIO2021年中国卫星皮用若干重大进店1年中国士大航天新闽2021年卫星通信产业发展综述021FamousMedia InSpaceIndustry有高度、有广度、有深度、有热度、有风度、有态度做中国权威、世界知名的航天产业资讯媒体平台国际太空：邮发代号8 2-8 52卫星应用：邮发代号8 2-58 2月刊、大1 6 开，定价3 0 元本，全年3 6 0 元联系我们：0 1 0-6 8 8 3 7 9 440/6 8 8 7 9 49 7