基于北斗云技術的實時滑坡監測預警技術研究

杜文學 彭 亮 田 浩

（1．青海省水文地質及地熱地質重點實驗室，青海 西寧 810008；2 青海省水文地質工程地質環境地質調查院，青海 西寧 810008）

該文從北斗云滑坡實時監測系統設計的流程和要求出發，對其系統性能進行了測試分析，確保系統的設計和應用能夠達到較高水平。

1 北斗云滑坡實時監測系統的設計

1.1 數據采集

數據采集是實時滑坡監測系統工作基本組成部分，傳統的GNSS 監測接收機包括基帶信號處理和導航位置解算2 個組成部分。該設備不僅價格高，而且在實際工作中受環境因素的影響較為明顯，不具有推廣價值。基于無線傳輸系統運行的云存儲實時監測接收機，能夠去除原有系統中較為冗余的功能，性能更加穩定，同時保留必要擴展功能，能夠將生產和運行成本降到最低[1]。數據采集模塊的設計包括經過系統改良的GNSS 接收機、高精度GNSS 天線、信號處理和原始數據采集系統、云傳輸設備、服務器等。在目前的設計中，網絡信號傳輸主要是依賴于4G 傳輸模式，在未來的發展過程中，5G 技術將會成為主要的應用方向。

1.2 數據傳輸和管理

GNSS 實時數據傳輸技術，在實際應用過程中具有多方面的特征，基于Ntrip 協議進行格式數據流處理的軟件設計，能夠將接收、存儲和轉發等功能系統的結合在一起，并通過人機界面操作，為用戶提供便利的操作。數據流接收模塊的主要功能是同步接收多個站點的數據信息，并對系統的連接狀態進行監視。存儲模塊是對原始數據進行接收和處理，將數據轉換為服務程序能夠進行處理和應用的數據類型。轉發模塊主要是對客戶端的請求進行接收和拒絕處理，在驗證了用戶身份的情形下，將指定的數據流及時轉發出去。數據傳輸和管理系統在設計的過程中，多是基于Socket 服務器程序運行的，在確保安全性的基礎上，具有可操作和數據處理等多方面的優勢。數據管理是基于解算和分析軟件完成的，在相應數據處理質量不斷提升的情形下，能夠達到毫米級精度的監測，并且能對數據異常現象進行反饋。

1.3 數據處理

數據處理是基于北斗云技術進行滑坡監測的核心處理部分，其由數學模型建立和算法實現2個部分組成。在建立數學模型時，由于北斗系統本身能夠與GPS 系統高度兼容，因此能夠采用相同的數學模型，取得需要的定位結果。數學模型的建立和計算包括最小二乘估計、恢復模糊度參數整數特性、經過約束和修正后得到坐標參數固定解3 個步驟。算法實現的過程較為復雜，不同學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 單系統算法的實現進行了說明。系統運行的首要條件是通過對觀測數據和廣播星歷的讀入，對數據進行預處理。其次是實現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果進行處理，確保后續計算結果能夠順利完成。最后是完成數據處理的全部流程。基于北斗云技術的滑坡實時監測預警平臺，在布置10 個監測點的場景下，綜合運營成本一般在1 萬元左右，相對于傳統的預警監測平臺具有較高的經濟效益。

1.4 結果顯示

結果顯示主要是基于人機操作界面而實現的，除基本的操作功能設計之外，其顯示內容主要包括2 個方面。1）軟件運行位移時間序列界面圖。2）軟件運行的衛星星空界面圖。同時，能夠根據監測和研究的需要，通過后臺程序的設置，實時得出各種運行曲線，從而為監測預警的開展提供更加有力的技術支持。

1.5 青海省地質災害監測及預警設計

該文以“青海省西寧市張家灣H2、H3 滑坡防治工程詳細勘查”項目為依據，從地質災害的致災機理和外部誘因出發，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，基于視頻監測、降雨監測、裂縫監測、地表位移監測和深部位移監測數據，建立地質災害預警及險情上報機制，實現地質災害的監測自動化。

設定預警閥值，見表1。當系統發出預警信號后，項目組應立即核對信息、確定預警等級，并及時將預警信息以電話、短信、微信等方式同時上報至青海省應急管理廳、青海省自然資源廳、西寧市城西區國土資源局和青海省地質礦產勘查開發局，由政府權威部門發布或取消預警信號，見表2 和圖1。

表1 預警閥值設計一覽表

表2 預警處置

由圖1 監測預警流程圖可以看出，監測預警系統的運行涉及7 個層面，其中基礎監測層面包括雨量、裂縫、地表位移、深部位移和視頻監測幾個方面的數據，而其測定是需要相應的設備來完成。在某一方面數據測定出現超出設定范圍要求時，就會在系統中進行報警。針對報警情況由工作人員同步開展現場檢查和復測工作，在完成監測狀況檢查的基礎上，向應急管理部門、自然資源管理廳、國土資源局和地礦局等上報準確信息并由相關部門發布或者取消預警信息。

2 系統性能分析

2.1 BDS模式下系統監測精度分析

為了測試基于北斗云滑坡監測預警系統的精度和可靠性，需要在對應的位置搭建實地監測平臺，對實測數據監測結果進行分析。在實驗過程中，需要根據測試需要設置必要數量的監測站，并且將其中一個站點設置為主監測點。測站位置設置要求機構穩定，具有開闊的視野。對比分析方案包括BDS 單系統監測定位、GPS 單系統監測定位、2 種方式組合監測定位[2]。在相關實驗中發現，觀測衛星的數量對監測精度具有直接的影響，在衛星數目較多并且周邊障礙物影響較小時，BDS 單系統的精度優于GPS 系統，但是相對于2 種方式組合監測定位還有些差距，但是已經完全能夠滿足滑坡實時監測精度的要求，在成本投入具有明顯優勢的情形下，具有良好的推廣價值。

圖1 監測預警流程圖

2.2 實時監測系統性能分析

在監測精度滿足系統運行需求的情形下，需要對系統的實時監測性能進行分析，從而確保滑坡監測的可靠性。實時監測系統的性能分析是在監測精度分析的基礎上，借助原本設置的監測點和基準點進行長期觀測。在觀測期間，需要采取注水的方式，人為制造位移現象，從而達到較好的監測結果。通過相關數據實驗發現，基于北斗云技術的實時滑坡監測預警系統能夠在高程和水平2 個方向上達到毫米級的監測精度。目前我國相關部門自主研發并配置的軟硬件系統，能夠較為準確的測定滑坡現象，從而為地質災害監測和預警提供應有的技術支撐。

3 智能化地質災害監測與預警前景分析

雖然基于北斗云技術的實時滑坡監測預警技術已經達到了較高的研究水平，在實際應用中也發揮了應有的作用。但是在國家相關部門的指導下，強化智能化技術在地質災害監測系統中的應用，建立高度智能化和系統性的自然災害監測預警信息化工程，將滑坡監測作為自然災害預警的基本組成部分，提升自然災害抵抗能力，是未來的重要工作[3]。對于監測選點來說，應當將削坡建房、歷史發生滑坡較為頻繁的居民區、交通要道和城鎮人口密集區等重點區域作為監測的重點。在后臺系統建立和完善的過程中，應當將大數據分析和智能化技術處理作為建設的重點，從而更好地提高系統分析水平，盡量縮短響應時間。