基于北斗的遠程環境監測系統的設計與應用

摘 要：我國幅員遼闊，地形種類多樣且地勢復雜，其中三分之二的地域是山地。給中國工農業的發展提供了極大地理優勢的同時，也帶來了諸多地質災害，嚴重威脅民眾的生命財產安全，制約著社會經濟的可持續發展。本課題研究了基于北斗衛星的環境監測預測一體化系統。首先，通過查閱相關文獻資料及分析環境監測過程中的現實需要，構造監測預報一體化系統的總體框架，為北斗衛星系統在監視與預報水文災害、農林業生產等領域的廣泛應用提出了有效的實現路徑；進而，在理解北斗數字程控交換的技術特征和流程結構，并詳細分析環境監測方法的基礎上提出了運用3D虛擬技術，融合B/S架構、WebLogic、JSP、MySQL數據庫等信息技術模擬預測場景變化的新

概念。

關鍵詞：北斗定位；環境監測系統；系統設計；無線網絡通信應用；3D虛擬技術；數字化

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-06

0 引 言

關于衛星導航定位系統，目前使用較為廣泛的有美國的GPS全球定位系統，俄羅斯的GLONASS全球導航衛星系統、歐盟的Galileo衛星導航定位系統[1]，均為無源定位。相比較而言，這些國家在衛星定位、導航技術上起步較早，且經過多年研究已取得了較大成果。近年來，西方發達國家在已經擁有的較為成熟的星基增強系統的基礎上，開始進一步向監測微弱信號以及快速檢索信號方面拓展，并為了追求更高的監測效率，在研發與改進發動機時不斷刷新最短啟動時間。相對于西方發達國家，我國衛星導航定位系統的研發起步較晚，技術發展方面落后于西方發達國家，但隨著近年來我國不斷加大北斗衛星導航定位系統的研發力度，也取得了快速進展。在未來發展趨勢中，衛星導航定位系統將發揮越來越重要的作用，以航天航空事業發展為例，未來飛機管制系統極有可能依賴于衛星導航定位。

1 國內外發展現狀

北斗衛星發展見表1所列，表2中對目前幾種常用的通信方式的各項性能特點進行了比較。

一般來說，根據自動化程度，地質災害監測系統可分為簡易人工監測、半自動監測和全自動監測三類。表3對這三類地質災害監測系統的各項指標進行了比較。可以看出，全自動監測系統在地質災害監測中具有自動化程度高、實時性好等優勢，是實現地質災害監測預警的重要條件，代表了目前地質災害監測的發展方向[2]。

目前，歐美發達國家大多實現了太陽能和無線電通信技術，并較為廣泛地應用到全自動監測系統。例如，美國利用太陽能無線電通信技術監測系統對加州公路進行全自動化實時監測。我國目前正在逐步利用Internet、衛星通信、GPRS/CDMA、GSM短信等現代通信技術對地質災害監測系統進行自動化改造。但我國目前主要的監測手段仍然是簡易的人工監測系統，監測方式為群測群防方式[3]。

2 研究目標

我國地質環境復雜，氣候差異大，地質災害具有分布廣、種類多、危害大等特點，因此我國環境監測系統也具有一定的復雜性與風險性。比如地質災害流沙，這種由地下水和暗流引起的危險的地質環境，不僅會重創周圍的生態，還會影響到陸地上因人類生活生產需要所建設的大型設施，包括承擔社會交通功能的公路和鐵路，滿足人類日常生活所需的住宅樓以及其它公共設施等。復雜且具危險性的地質因素還會連帶其它危險，或引發地質災害，造成不可估量的損失。因此，加強對地質環境的監測，及早發現可能引發地質災害的危險因素，并迅速作出精準應對便可有效減少不必要的損失。

我國土壤環境種類多，如何有效監測土壤環境實時狀況是提高農作物產量的關鍵。和傳統人力測量相比，北斗衛星定位系統具有其獨特優越性，在執行測量指令時，可對土壤實時監控，通過構建虛擬環境模型及對相關數據的整合，可將模型與相關參數擬合成虛擬場景，以判斷未來事物發展方向，如：播種的可行性、農作物生長分析、地質變化結果預測及規劃建設的可行性等。

北斗衛星定位系統具有定位快速，反饋數據結構高度準確的特點，其自動化的特點更適合大面積用于地質、土壤環境的監測。因此高精度北斗定位功能在環境監測和環境分析中起到的作用相較于傳統光學儀器的效果具有更為明顯的優越性。

3 創新性

北斗連續運行參考站網由多個固定運轉且連續的北斗衛星導航系統基準站共同構成，通過與計算機網絡技術、信息技術、通信技術結合組建而成，可以為各類用戶提供相應需求的北斗衛星觀測信息，主要包括狀態信息、位置信息、載波相位及偽距等。

（1）將北斗衛星定位系統用于環境監測工作是一項創新之舉，隨之衍生的是一系列新方法、新規劃以及新措施。同時，借助衛星定位站作參考的北斗衛星定位系統，在一定程度上既優化了PTK技術，又整體處理了監測站以及基準站的相關數據，并將北斗衛星導航系統基準站當作憑依，對監測點的各項地質、土壤變化情況做到有效掌握。此外，北斗衛星獨有的短報文通信功能，能以120字/次的通信速率將信息傳達給居民，在緊急情況下做到各方快速反應，減少傷亡。新應用既開拓了市場，又帶動了新型企業的發展。

（2）本系統通過構建3D虛擬環境模型及對相關數據的整合，將模型與相關參數擬合成虛擬場景，以判斷將來事物的發展方向，如：播種的可行性、農作物生長分析、地質變化結果預測、規劃建設的可行性等。

（3）相較于傳統文字性分析系統，本系統更注重用戶體驗，在獲取監測數據后，系統能基于對數據精度和位置關系的分析，將分析結果通過3D模型或圖表更直觀地展現出來。

4 主要研究內容及實現思路

系統設計分為環境監測模塊、數據分析模塊、界面展示模塊。通過三個模塊實現對地質、土壤環境進行全方位、圖形化、高效率監測，做到實時預測，盡量減少自然災害帶來的損失，提高土地資源利用率和農作物產量。

4.1 環境監測模塊

模擬前端是衛星導航接收機的一個重要部分，由基帶部分與RF部分組合而成。模擬前端體系構造的主體部分分為下變頻器、帶通濾波器、模擬轉換器和低噪聲放大器，模擬前端的電路能夠自發進行匯集，從而有效降低能源消耗，以達到降低成本的效果[4]。除此之外，模擬前端的特性還能夠有效縮減模擬前端的體積。在北斗衛星接收器中，FPGA以及DSP是實現數字處理通道、后續結算用戶位置以及計算星歷等各部分內容的主要方式[5]，而整個北斗衛星接收器的系統控制都由ARM7 MCU實現及完成。北斗衛星接收機原理框圖如圖1所示。

在進行環境監測工作的過程中使用北斗衛星定位技術，其監測內容主要有兩個方面，分別是地下水監測與位移監測。在地下水監測的過程中，首先要認識到地下水的活動對環境具有十分重要的影響，地下水的活動是動態的、不穩定的，并且還會在一定程度上受到氣候環境的影響，進而改變活動狀態。因此在此項監測任務中要針對不同的環境以及不同的氣候進行針對性監測，并對監測反饋的數據進行科學分析。以此來切實掌握地下水活動的準確狀況，并結合觀察結果以及結論來判斷地下水的活動是否能夠引起明顯的環境變化或者存在對環境造成的潛在威脅。在此基礎上，進一步掌握對應地下水的活動數據信息，預測可能的不利影響。由于地質環境變化所引發的自然災害種類繁多，比如類似山體滑坡以及泥石流等地質災害一旦發生，就會造成毀滅性的傷害：不僅對當地的生態環境造成嚴重破壞，而且如果災害發生地接近人類聚集地，就會對人類的生命財產安全造成嚴重威脅。對地下水的水量以及水位進行監測是地下水監測的主要內容。只有準確掌握地下水活動的各項情況，才可知地下水對地質狀態所造成的影響是否會引起地質災害以及增大發生地質災害的幾率。進行地下水活動監測最根本的目的是要獲取環境的各項信息，從而為預警提供數據參考。數字處理通道原理如圖2所示。

位移監測作為環境監測中的一項重要內容，將北斗衛星定位技術充分運用到監測工作過程中，可以有效提高監測的工作質量與工作效率。區域位移量、滑體活動范圍以及位移變形速度是位移監測工作的核心內容。對于已經發生環境變化的區域而言，位移監測的主要任務是進行地表位移監測和深部位移監測。而地表位移監測的主要任務是平面位移量監測與垂直位移量監測[6]。進行位移監測時，首先需了解當地情況，大致掌握相關數據信息。然后根據實際情況妥善選擇觀察的方式。通常會借助高精度、數據接收較快的北斗衛星接收器完成對環境的位移監測，這是目前為止最有效、最穩妥的一種監測方式。實際工作中，只需借助北斗接收器，就能同時監測水平位移與垂直位移，在提高工作質量的同時大大提高工作效率。對深部位移監測的常用方法包括放射性同位素法、電阻絲法、測斜儀法，三種方法中普及范圍最廣以及實用價值最高的是測斜儀法。

此外，北斗衛星定位功能技術還可以用于設計環境監測站。在整體區域形變特征點上分別設置環境監測中心點，并將高精度、數據接收較快的北斗衛星接收器裝配于每一個環境監測中心點。在此基礎上監察與觀測監測中心點的狀態與情況。監測中心點發生形變的程度以及是否保持水平是監測與觀察的主要內容[7]。通過以上信息初步判斷整個區域發生形變的情況以及嚴重程度。監測站點的選擇是一項十分重要的工作，監測站點選擇過程中有三項基本要求：（1）所選擇的地質條件必須有發生位移的跡象且表現較明顯，具備地質錯層的地質條件特點；（2）通過實際情況確定具體位置，并在此基礎上進行觀測墩的設計與建造；（3）正確識別干擾源頭并避開，保證在工作過程中有一個穩定的網絡環境，最重要的是保證電能供應的穩定性與安全性。除此之外，在設計與建造觀測墩的過程中，必須將觀測墩的建造高度保持在高于1.5 m且低于1.7 m的范圍。這樣的高度可以有效避免出現多路徑反射，還能防止因高建筑物遮擋而出現不準確的觀測數據[8]，使得觀測工作失去觀測價值，因此按照規范進行觀測墩的設計與建造十分重要。監測點分布圖如圖3所示。

在建設完成監測站基準站、數據處理中心以及遠程監控中心后，在監測環境的過程中，還要協調各合作站點保持良好的通信功能。而實現環境監測工作中各站點進行有效通信與交流的主要方式是通信網絡的建設。基于北斗衛星定位系統的北斗地質監測系統，在通信方面主要選用無線藍牙、無線WiFi以及有線光纖三種方式[9]。在實際應用過程中，既有單種方式的應用，也有多種方式的組合應用，最優應用方式需要根據實際通信情況與需求進行選擇與組合。從地質監測中心點的布局設計上來講，間距小是中心點的一個重要特征。當中心點普遍分布在有著豐富的植被及繁多的樹木區域之間時，若采用有線傳輸方式，則會因有線傳輸建設在遮擋物過多的情況下具有較大的局限性以及高難度操作性而難以實現。此時選擇無線WiFi或者無線藍牙的方式進行數據信息的快速傳輸是不錯的選擇，或將達到實現監測區域信號全面覆蓋的目的。由于北斗衛星系統所需包含的數據量十分龐大，且與其他監測站點距離遙遠。因此考慮到實際應用中的特殊性，通常情況下將不同的通信方式進行組合，再加以應用，并以此來進一步保障信息傳輸過程的準確性[10]。

4.2 數據分析模塊

北斗具有強大的定位功能，可以對地貌進行精確測量，建立詳細的地形3D圖像，對地面的各區域光照時間及強度、坡度斜角、植被覆蓋情況、水流情況、建筑情況等進行直觀呈現。地面環境監測基站在對環境的各項指標進行測量時，具有一定的區域局限性，只能對區域范圍內的各項環境指標進行測量，可以通過網格化環境監測系統來改善該缺點。網格化環境監測系統由環境檢測器、數據收集主控系統、通信設備、供電設備、軟件系統平臺組成，用于測量PM2.5、PM10、風速風向、空氣溫濕度、大氣壓、光照強度、噪聲、土壤水分含量、土壤各元素含量等網格化環境指標數據。采用模塊化階梯式設計，可根據不同地域環境對環境要素增加或減少相應的模塊和傳感器數量，構建三維環境監測圖，將得到的數據通過無線通信設備上傳至中控中心，運用大數據智能分析各項環境指標，實現區域內的環境監測。北斗可對環境物理指標進行測量，地面環境監測基站對環境化學指標進行測量，如果把北斗精確定位與地面環境監測基站連接，則可實現對環境的全面監測。北斗與監測基站數據整合構思圖如圖4所示。

根據以往各項指標數據及北斗和地面環境監測基站對當前環境各項指標的測量，并將兩者整合后與環境指標標準值進行對比，用相應算法進行數據分析、處理，借助VR、超算技術以及數據分析篩選技術對環境進行3D建模，在各項數據的支持下，模擬相應區域的場景，判斷事物發展方向。虛擬場景實現構思圖如圖5所示。

此功能可用于農業、漁業、運輸、減災救災等領域。在農業領域，該功能可用于播種可行性判斷、作物生長分析、種植規劃等方面，通過土壤屬性等判斷適合生長的作物，通過各項環境指標以及未來的指標變化規律判斷農作物的長勢、成熟日期等；在漁業方面，通過水質、水流以及氣候狀況判斷最合適養殖的魚類等；通過虛擬環境變化判斷地質變化的發展方向，有效規避自然災害造成的損失；在規劃建設方面，可對環境情況進行有效監控，得到相應區域的場景變遷，判斷選址的安全指數，以有效規避災害帶來的損失。

4.3 界面展示模塊

獲取數據后，北斗衛星導航系統能夠通過對數據精度和位置關系的時效性對土壤、地質變化進行分析，氣候變化是影響其的關鍵因素。本模塊致力于將分析結果通過3D模型或圖表等直觀方式，并借助視覺語言，將枯燥、專業、不直觀易讀的數據內容轉化為有趣、淺顯的內容，傳達給大屏觀看者。在當前新技術的支持下，數據可視化除了“可視”還有可交流、可互動等特點[10]。該技術的本質是數據空間到圖形空間的映射，是一種抽象的表達。

對比、關系、分布和構成是數據分析常用的4個維度。在開始設計界面之前必須明確展示的內容，通過圖表表達的規律和信息。聯系即數據之間的相關性。分布即指標中的數據主要集中的范圍，呈現的規律。比較即數據之間存在差異。構成則是數據構成，每部分的占比。在E-Chartsl2等網站，可以找到常用的可視化圖表和各類實際案例的分析，并能找到適合的圖表類型進行分析。常見的數據可視化圖表類型有柱狀圖、折線圖、餅圖、條形圖、雷達圖和地圖等。每種圖表類型適用于不同的數據類型，不可隨意使用。圖6中列舉了數據可視化設計原則和常見的圖表類型。

本模塊可分為動圖模擬、預判未來趨勢、對比顯示數值差異三部分。

（1）動圖模擬功能

動圖模擬可讓用戶直觀感受變量的變化過程，例如，用戶可以選擇目標城鎮和具體日期，即可顯示當天的天氣情況及二維或三維模擬動圖。繪制靜態圖像只能看到某一時刻的圖形，但若利用Python語言加入時間線，則能讓用戶直觀感受變量的變化過程。在Pycharm中先創建一幅圖，定義圖形中曲線、散點、標注等各對象，然后在不同時刻更新這些對象的數據，matplotlib會自動根據新的數據刷新圖形。

動圖核心函數matplotlib.animation.FuncAnimation基本用法：

anim = animation.funcanimation（fig， animate， init_func=init，frames=100，interval=20，blit=true）

fig：創建畫布。

animat： 重點部分，即每個時刻要更新圖形對象的函數，返回值和init_func相同。

init_func： 初始化函數，其返回值就是每次需更新的對象，告知FuncAnimation在不同時刻需要更新的圖形。

frames： 相當于時刻t，確定模擬圖畫數量，不同時刻的t相當于animat的參數。

interval： 刷新頻率，毫秒。

blit： blit是非常重要的關鍵字，用于告知動畫重繪修改的部分，結合保存的時間，blit=true會使動畫顯示得非

常快[12]。

（2）預判未來趨勢功能

借助北斗衛星定位系統處理監測站以及基準站的相關數據，可推測、預判出未來發展趨勢。例如，用戶可通過折線圖或柱狀圖等直觀看出近期當地天氣隨時間變化而變化的趨勢，比如降雨量、溫度、濕度、光照情況等。

（3）對比顯示數值差異功能

借助雷達圖在一定范圍內進行對比顯示，例如可以用實線表示此城鎮的數值，虛線表示平均數值，以此對比顯示各城鎮之間土壤、氣候環境各項數值的差異，同時突出了各城鎮的特點。加上文字說明的雷達圖可以減輕用戶的閱讀負擔，更好地為用戶選擇提供參考，提升用戶體驗。

5 應用前景

高精度北斗定位的環境監測系統在監控和規避地質災害，提升農業、漁業、林業生產質量等方面具有高效、準確和自動化等特性，讓產業具有更大的市場競爭力。北斗衛星定位技術在環境監測工作中的應用突破了傳統監測工作的諸多局限，例如傳統監測工作中需要消耗大量人力物力，效率低且誤差大，而基于高精度北斗定位的環境監測系統使監測工作更高效、準確、智能。與此同時，我國北斗衛星定位功能導航技術仍在不斷研究開發中，在未來的環境監測工作中必將通過不斷提高環境監測的準確性與可靠性來充分實現其社會效益與社會價值。

6 結 語

本文研究了通過北斗衛星定位等技術對環境進行實時監測，研究包括北斗衛星定位信息的實時獲取、環境信息參數監測、環境數據傳輸、環境數據分析、內容整合、模擬虛擬場景及展示等內容，實現了對環境信息全方位的遠程監測。通過該系統能夠減輕環境監管人員的工作量，更早發現可能引發地質災害的危險因素，并迅速做出精準的應對措施，可以有效減少不必要的損失，并大大提高環境監管工作的效率和科學性。

注：本文通訊作者為羅愷韻。

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