一城一北斗|北斗高精度滑坡監(jiān)測預(yù)警

申 報 單 位 ： 長 安 大 學(xué)

聯(lián)合申報單位：

主要完成人：張勤、黃觀文、杜源、王利、王樂、崔博斌

一、案例簡介

針對滑坡監(jiān)測中存在的硬件成本高、監(jiān)測精度低、實(shí)時性差、多傳感器無同化等技術(shù)瓶頸，開展3個 層次的研究：1)物聯(lián)網(wǎng)型(消費(fèi)級)小型化低成本高精度滑坡一體化監(jiān)測傳感器技術(shù)研發(fā)：基于物聯(lián)網(wǎng) 思維，引入云平臺加傳感器(云+端)的技術(shù)理念，研究低成本小型化的高精度滑坡監(jiān)測傳感器技術(shù)，研 制實(shí)現(xiàn)易布施、精度高、智能化、一體式的低成本滑坡監(jiān)測設(shè)備樣機(jī)。2)滑坡區(qū)域毫米級北斗實(shí)時監(jiān)測 技術(shù)研究：研究實(shí)現(xiàn)基于北斗云平臺的實(shí)時在線高精度監(jiān)測技術(shù)；并充分顧及滑坡監(jiān)測的先驗(yàn)信息和邊界 約束，對地形和環(huán)境噪聲進(jìn)行建模，研究復(fù)雜地形的實(shí)時定位誤差修正技術(shù)；構(gòu)建實(shí)時監(jiān)測成果可靠性及 完備性模型。3)北斗/多源傳感器多尺度全天候融合處理模型研究：基于北斗/雨量計/氣象儀等數(shù)據(jù)構(gòu)建小 區(qū)域滑坡實(shí)時水汽層析模型；重點(diǎn)研究北斗/多源傳感器的融合處理技術(shù)，對多傳感器信息可靠性進(jìn)行校驗(yàn)， 構(gòu)建多傳感器下統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)多尺度全天候的高精度滑坡監(jiān)測信息提取。

技術(shù)難度與水平方面：1)為解決特大滑坡高精度地表三維矢量變形消費(fèi)級監(jiān)測裝備問題，采用輕設(shè)備、重云端的理念，探索一種基于“云+端”思想的小型化低成本GNSS監(jiān)測型接收機(jī)，采用22納米GNSS 芯片低功耗低成本小型化的定位芯片與通訊的融合解決方案，開發(fā)高集成度的定位芯片與通訊結(jié)合的智能 監(jiān)測終端，突破高集成度，低功耗，低成本的瓶頸。2)針對目前監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù)存在模型簡單、受基 準(zhǔn)站變形影響大、監(jiān)測精度不穩(wěn)定、抗異常抗干擾性差、對大氣和環(huán)境噪聲不敏感等系列問題，建立滑坡 區(qū)域衛(wèi)星跟蹤信息，開發(fā)集地表數(shù)據(jù)實(shí)時采集、終端運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、多區(qū)域云平臺實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程視

頻監(jiān)控和智能預(yù)報報警等多功能于一體的實(shí)時多滑坡區(qū)域云監(jiān)測智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滑坡地

果的可靠穩(wěn)定獲取。

二、技術(shù)方案

圍繞滑坡高精度監(jiān)測與精準(zhǔn)預(yù)警為目標(biāo)，開展北斗監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理算法和綜合預(yù)警模型研究，其

中數(shù)據(jù)處理算法和綜合預(yù)警模型集成在云平臺中，由云平臺進(jìn)行綜合處理。技術(shù)流程為由北斗監(jiān)測設(shè)備用

于捕捉滑坡體的三維形變信息，為云平臺監(jiān)測預(yù)警提供高可靠的原始觀測數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理算法用于對采集 到的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得更加可靠高精度的位移監(jiān)測結(jié)果；綜合預(yù)警模型用于結(jié)合位移結(jié)果和 其他傳感器結(jié)果對滑坡風(fēng)險進(jìn)行評估，并發(fā)送不同等級的預(yù)警信息。關(guān)鍵技術(shù)如下：

1)小型化低成本毫米級北斗變形監(jiān)測裝備：目前專業(yè)型GNSS監(jiān)測設(shè)備成本昂貴，而已知和潛在需

要進(jìn)行監(jiān)測的危險滑坡數(shù)以千萬計，影響范圍超過國土面積的2/3,高成本問題使得無法進(jìn)行專業(yè)GNSS 監(jiān)測設(shè)備的大范圍布設(shè)。研究團(tuán)隊為實(shí)現(xiàn)低成本大范圍的實(shí)時滑坡高精度三維形變監(jiān)測，采用物聯(lián)網(wǎng)“傳 感器+云”的思維，通過剝離GNSS監(jiān)測終端中的非必要功能模塊，成功研發(fā)出了小型化的千元級GNSS 接收機(jī)。利用2G/3G/4G等通訊手段將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳送至云端，在云平臺上實(shí)現(xiàn)云存儲和云計算。這種 “輕終端+行業(yè)云”的設(shè)計理念，將終端成本降至最低，同時設(shè)備安裝和調(diào)試均可以通過云端軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān) 控和設(shè)置，大幅降低了現(xiàn)場安裝人員的專業(yè)要求，一定程度上將行業(yè)終端設(shè)備變革成了大眾消費(fèi)型普適設(shè) 備。具有輕量化、高精度、實(shí)時采集、機(jī)體標(biāo)準(zhǔn)、防護(hù)性能、系統(tǒng)可靠等特點(diǎn)。

2)毫米級北斗實(shí)時監(jiān)測技術(shù)：針對實(shí)際復(fù)雜環(huán)境下北斗滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理固定截止高度角策略 不合理問題，通過對復(fù)雜地形空間環(huán)境與北斗衛(wèi)星天空視圖的分析，提出利用北斗衛(wèi)星觀測信息建立基于 空間地形特征的自適應(yīng)截止高度角ADEM環(huán)境模型。針對空間環(huán)境模型ADEM在應(yīng)用過程中，不同監(jiān)測 環(huán)境下所設(shè)置的高度角經(jīng)驗(yàn)閾值存在差異的局限性，提出一種基于投影變換的高度角加權(quán)(ADEW)。針 對基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)中斷的問題，提出一種顧及電離層延遲與殘留異步綜合誤差的異步RTK定位算法，在基準(zhǔn) 站中斷期間可在短時間內(nèi)維持監(jiān)測站的定位服務(wù)。針對滑坡監(jiān)測中基準(zhǔn)站可能出現(xiàn)電源不足等導(dǎo)致基準(zhǔn)站 長時間停止工作，無法繼續(xù)為監(jiān)測站提供高精度數(shù)據(jù)服務(wù)的問題，提出了一種顧及運(yùn)動狀態(tài)改正的GNSS 滑坡監(jiān)測基準(zhǔn)站切換方法以保障監(jiān)測的連續(xù)性和可靠性。

3)北斗/多傳感器融合的滑坡實(shí)時三維變形監(jiān)測云平臺：為滿足大范圍、多區(qū)域滑坡實(shí)時變形監(jiān)測與 預(yù)警的要求，本研究提出一種以北斗導(dǎo)航定位技術(shù)為核心，可以結(jié)合位移計、雨量計等多種傳感器技術(shù)的

云平臺，云平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及云服務(wù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對變形災(zāi)害體的自動化、智能化監(jiān)測預(yù)

警。利用基于云平臺的 低成本高精度GNSS變形動態(tài)監(jiān)測軟硬件技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境GNS 變形監(jiān)測與應(yīng)用服務(wù)，為變形監(jiān)測提供一種全新的解決思路和方案。

三、創(chuàng)新亮點(diǎn)

1)低成本高精度北斗監(jiān)測終端研制：攻關(guān)北斗滑坡監(jiān)測型接收機(jī)“云+端”雙向智能觸發(fā)傳感器變頻 監(jiān)測技術(shù)，研制出小型化低成本高精度滑坡多源智能變頻監(jiān)測型接收機(jī)，解決了GNSS滑坡監(jiān)測中存在的 硬件成本高、設(shè)備功耗大的技術(shù)瓶頸。研制的技術(shù)裝備入選自然資源部普適型示范北斗監(jiān)測設(shè)備，并已推 廣應(yīng)用至陜西、四川、云南、貴州等十五個地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的省份，完成了300余套設(shè)備的部署。

2)復(fù)雜滑坡場景下高精度北斗監(jiān)測算法研究：構(gòu)建了基于滑坡地形的導(dǎo)航衛(wèi)星環(huán)境模型，將受到多 路徑和衍射嚴(yán)重的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除或降權(quán)處理，解決了復(fù)雜滑坡環(huán)境下GNSS觀測粗差難以識別和 剔除的問題，實(shí)現(xiàn)了高遮擋、強(qiáng)干擾的復(fù)雜滑坡環(huán)境下北斗/GNSS實(shí)時動態(tài)毫米級高精度形變監(jiān)測。

3)多源智能綜合預(yù)警模型研究：構(gòu)建了北斗+降雨量/庫水位等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)深度融合的自學(xué)習(xí)實(shí)時預(yù) 警模型，解決了多源滑坡誘發(fā)因素疊加作用下滑坡難以精準(zhǔn)預(yù)警的難題，開發(fā)了北斗實(shí)時監(jiān)測智能預(yù)警云 平臺系統(tǒng)，先后4次成功預(yù)警黃土滑坡災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)人員零傷亡。北斗滑坡監(jiān)測預(yù)警成果獲得了包括北斗官 網(wǎng)、人民網(wǎng)等國內(nèi)外百余家權(quán)威媒體報道。