基于北斗云技術(shù)的實時滑坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究

杜文學(xué) 彭 亮 田 浩

（1．青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點實驗室，青海 西寧 810008；2 青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810008）

該文從北斗云滑坡實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的流程和要求出發(fā)，對其系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試分析，確保系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用能夠達(dá)到較高水平。

1 北斗云滑坡實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是實時滑坡監(jiān)測系統(tǒng)工作基本組成部分，傳統(tǒng)的GNSS 監(jiān)測接收機(jī)包括基帶信號處理和導(dǎo)航位置解算2 個組成部分。該設(shè)備不僅價格高，而且在實際工作中受環(huán)境因素的影響較為明顯，不具有推廣價值?；跓o線傳輸系統(tǒng)運(yùn)行的云存儲實時監(jiān)測接收機(jī)，能夠去除原有系統(tǒng)中較為冗余的功能，性能更加穩(wěn)定，同時保留必要擴(kuò)展功能，能夠?qū)⑸a(chǎn)和運(yùn)行成本降到最低[1]。數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計包括經(jīng)過系統(tǒng)改良的GNSS 接收機(jī)、高精度GNSS 天線、信號處理和原始數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、云傳輸設(shè)備、服務(wù)器等。在目前的設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)信號傳輸主要是依賴于4G 傳輸模式，在未來的發(fā)展過程中，5G 技術(shù)將會成為主要的應(yīng)用方向。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸和管理

GNSS 實時數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中具有多方面的特征，基于Ntrip 協(xié)議進(jìn)行格式數(shù)據(jù)流處理的軟件設(shè)計，能夠?qū)⒔邮?、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)等功能系統(tǒng)的結(jié)合在一起，并通過人機(jī)界面操作，為用戶提供便利的操作。數(shù)據(jù)流接收模塊的主要功能是同步接收多個站點的數(shù)據(jù)信息，并對系統(tǒng)的連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。存儲模塊是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為服務(wù)程序能夠進(jìn)行處理和應(yīng)用的數(shù)據(jù)類型。轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要是對客戶端的請求進(jìn)行接收和拒絕處理，在驗證了用戶身份的情形下，將指定的數(shù)據(jù)流及時轉(zhuǎn)發(fā)出去。數(shù)據(jù)傳輸和管理系統(tǒng)在設(shè)計的過程中，多是基于Socket 服務(wù)器程序運(yùn)行的，在確保安全性的基礎(chǔ)上，具有可操作和數(shù)據(jù)處理等多方面的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)管理是基于解算和分析軟件完成的，在相應(yīng)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量不斷提升的情形下，能夠達(dá)到毫米級精度的監(jiān)測，并且能對數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象進(jìn)行反饋。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是基于北斗云技術(shù)進(jìn)行滑坡監(jiān)測的核心處理部分，其由數(shù)學(xué)模型建立和算法實現(xiàn)2個部分組成。在建立數(shù)學(xué)模型時，由于北斗系統(tǒng)本身能夠與GPS 系統(tǒng)高度兼容，因此能夠采用相同的數(shù)學(xué)模型，取得需要的定位結(jié)果。數(shù)學(xué)模型的建立和計算包括最小二乘估計、恢復(fù)模糊度參數(shù)整數(shù)特性、經(jīng)過約束和修正后得到坐標(biāo)參數(shù)固定解3 個步驟。算法實現(xiàn)的過程較為復(fù)雜，不同學(xué)者在這些方面都開展了較為深入的研究，該文在研究中，簡單地對BDS 單系統(tǒng)算法的實現(xiàn)進(jìn)行了說明。系統(tǒng)運(yùn)行的首要條件是通過對觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷的讀入，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。其次是實現(xiàn)偽距觀測值粗差探測和載波相位觀測值周跳探測。再次是對周跳探測結(jié)果進(jìn)行處理，確保后續(xù)計算結(jié)果能夠順利完成。最后是完成數(shù)據(jù)處理的全部流程?；诒倍吩萍夹g(shù)的滑坡實時監(jiān)測預(yù)警平臺，在布置10 個監(jiān)測點的場景下，綜合運(yùn)營成本一般在1 萬元左右，相對于傳統(tǒng)的預(yù)警監(jiān)測平臺具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 結(jié)果顯示

結(jié)果顯示主要是基于人機(jī)操作界面而實現(xiàn)的，除基本的操作功能設(shè)計之外，其顯示內(nèi)容主要包括2 個方面。1）軟件運(yùn)行位移時間序列界面圖。2）軟件運(yùn)行的衛(wèi)星星空界面圖。同時，能夠根據(jù)監(jiān)測和研究的需要，通過后臺程序的設(shè)置，實時得出各種運(yùn)行曲線，從而為監(jiān)測預(yù)警的開展提供更加有力的技術(shù)支持。

1.5 青海省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警設(shè)計

該文以“青海省西寧市張家灣H2、H3 滑坡防治工程詳細(xì)勘查”項目為依據(jù)，從地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理和外部誘因出發(fā)，綜合考慮地形地貌、巖土體條件、地震、人類工程活動等影響因素，基于視頻監(jiān)測、降雨監(jiān)測、裂縫監(jiān)測、地表位移監(jiān)測和深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警及險情上報機(jī)制，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測自動化。

設(shè)定預(yù)警閥值，見表1。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號后，項目組應(yīng)立即核對信息、確定預(yù)警等級，并及時將預(yù)警信息以電話、短信、微信等方式同時上報至青海省應(yīng)急管理廳、青海省自然資源廳、西寧市城西區(qū)國土資源局和青海省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，由政府權(quán)威部門發(fā)布或取消預(yù)警信號，見表2 和圖1。

表1 預(yù)警閥值設(shè)計一覽表

表2 預(yù)警處置

由圖1 監(jiān)測預(yù)警流程圖可以看出，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行涉及7 個層面，其中基礎(chǔ)監(jiān)測層面包括雨量、裂縫、地表位移、深部位移和視頻監(jiān)測幾個方面的數(shù)據(jù)，而其測定是需要相應(yīng)的設(shè)備來完成。在某一方面數(shù)據(jù)測定出現(xiàn)超出設(shè)定范圍要求時，就會在系統(tǒng)中進(jìn)行報警。針對報警情況由工作人員同步開展現(xiàn)場檢查和復(fù)測工作，在完成監(jiān)測狀況檢查的基礎(chǔ)上，向應(yīng)急管理部門、自然資源管理廳、國土資源局和地礦局等上報準(zhǔn)確信息并由相關(guān)部門發(fā)布或者取消預(yù)警信息。

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 BDS模式下系統(tǒng)監(jiān)測精度分析

為了測試基于北斗云滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的精度和可靠性，需要在對應(yīng)的位置搭建實地監(jiān)測平臺，對實測數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。在實驗過程中，需要根據(jù)測試需要設(shè)置必要數(shù)量的監(jiān)測站，并且將其中一個站點設(shè)置為主監(jiān)測點。測站位置設(shè)置要求機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，具有開闊的視野。對比分析方案包括BDS 單系統(tǒng)監(jiān)測定位、GPS 單系統(tǒng)監(jiān)測定位、2 種方式組合監(jiān)測定位[2]。在相關(guān)實驗中發(fā)現(xiàn)，觀測衛(wèi)星的數(shù)量對監(jiān)測精度具有直接的影響，在衛(wèi)星數(shù)目較多并且周邊障礙物影響較小時，BDS 單系統(tǒng)的精度優(yōu)于GPS 系統(tǒng)，但是相對于2 種方式組合監(jiān)測定位還有些差距，但是已經(jīng)完全能夠滿足滑坡實時監(jiān)測精度的要求，在成本投入具有明顯優(yōu)勢的情形下，具有良好的推廣價值。

圖1 監(jiān)測預(yù)警流程圖

2.2 實時監(jiān)測系統(tǒng)性能分析

在監(jiān)測精度滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求的情形下，需要對系統(tǒng)的實時監(jiān)測性能進(jìn)行分析，從而確?；卤O(jiān)測的可靠性。實時監(jiān)測系統(tǒng)的性能分析是在監(jiān)測精度分析的基礎(chǔ)上，借助原本設(shè)置的監(jiān)測點和基準(zhǔn)點進(jìn)行長期觀測。在觀測期間，需要采取注水的方式，人為制造位移現(xiàn)象，從而達(dá)到較好的監(jiān)測結(jié)果。通過相關(guān)數(shù)據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，基于北斗云技術(shù)的實時滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠在高程和水平2 個方向上達(dá)到毫米級的監(jiān)測精度。目前我國相關(guān)部門自主研發(fā)并配置的軟硬件系統(tǒng)，能夠較為準(zhǔn)確的測定滑坡現(xiàn)象，從而為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警提供應(yīng)有的技術(shù)支撐。

3 智能化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警前景分析

雖然基于北斗云技術(shù)的實時滑坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較高的研究水平，在實際應(yīng)用中也發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是在國家相關(guān)部門的指導(dǎo)下，強(qiáng)化智能化技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，建立高度智能化和系統(tǒng)性的自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息化工程，將滑坡監(jiān)測作為自然災(zāi)害預(yù)警的基本組成部分，提升自然災(zāi)害抵抗能力，是未來的重要工作[3]。對于監(jiān)測選點來說，應(yīng)當(dāng)將削坡建房、歷史發(fā)生滑坡較為頻繁的居民區(qū)、交通要道和城鎮(zhèn)人口密集區(qū)等重點區(qū)域作為監(jiān)測的重點。在后臺系統(tǒng)建立和完善的過程中，應(yīng)當(dāng)將大數(shù)據(jù)分析和智能化技術(shù)處理作為建設(shè)的重點，從而更好地提高系統(tǒng)分析水平，盡量縮短響應(yīng)時間。