基于北斗云技术的实时滑坡监测预警技术研究

杜文学 彭 亮 田 浩

（1．青海省水文地质及地热地质重点实验室，青海 西宁 810008；2 青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海 西宁 810008）

该文从北斗云滑坡实时监测系统设计的流程和要求出发，对其系统性能进行了测试分析，确保系统的设计和应用能够达到较高水平。

1 北斗云滑坡实时监测系统的设计

1.1 数据采集

数据采集是实时滑坡监测系统工作基本组成部分，传统的GNSS 监测接收机包括基带信号处理和导航位置解算2 个组成部分。该设备不仅价格高，而且在实际工作中受环境因素的影响较为明显，不具有推广价值。基于无线传输系统运行的云存储实时监测接收机，能够去除原有系统中较为冗余的功能，性能更加稳定，同时保留必要扩展功能，能够将生产和运行成本降到最低[1]。数据采集模块的设计包括经过系统改良的GNSS 接收机、高精度GNSS 天线、信号处理和原始数据采集系统、云传输设备、服务器等。在目前的设计中，网络信号传输主要是依赖于4G 传输模式，在未来的发展过程中，5G 技术将会成为主要的应用方向。

1.2 数据传输和管理

GNSS 实时数据传输技术，在实际应用过程中具有多方面的特征，基于Ntrip 协议进行格式数据流处理的软件设计，能够将接收、存储和转发等功能系统的结合在一起，并通过人机界面操作，为用户提供便利的操作。数据流接收模块的主要功能是同步接收多个站点的数据信息，并对系统的连接状态进行监视。存储模块是对原始数据进行接收和处理，将数据转换为服务程序能够进行处理和应用的数据类型。转发模块主要是对客户端的请求进行接收和拒绝处理，在验证了用户身份的情形下，将指定的数据流及时转发出去。数据传输和管理系统在设计的过程中，多是基于Socket 服务器程序运行的，在确保安全性的基础上，具有可操作和数据处理等多方面的优势。数据管理是基于解算和分析软件完成的，在相应数据处理质量不断提升的情形下，能够达到毫米级精度的监测，并且能对数据异常现象进行反馈。

1.3 数据处理

数据处理是基于北斗云技术进行滑坡监测的核心处理部分，其由数学模型建立和算法实现2个部分组成。在建立数学模型时，由于北斗系统本身能够与GPS 系统高度兼容，因此能够采用相同的数学模型，取得需要的定位结果。数学模型的建立和计算包括最小二乘估计、恢复模糊度参数整数特性、经过约束和修正后得到坐标参数固定解3 个步骤。算法实现的过程较为复杂，不同学者在这些方面都开展了较为深入的研究，该文在研究中，简单地对BDS 单系统算法的实现进行了说明。系统运行的首要条件是通过对观测数据和广播星历的读入，对数据进行预处理。其次是实现伪距观测值粗差探测和载波相位观测值周跳探测。再次是对周跳探测结果进行处理，确保后续计算结果能够顺利完成。最后是完成数据处理的全部流程。基于北斗云技术的滑坡实时监测预警平台，在布置10 个监测点的场景下，综合运营成本一般在1 万元左右，相对于传统的预警监测平台具有较高的经济效益。

1.4 结果显示

结果显示主要是基于人机操作界面而实现的，除基本的操作功能设计之外，其显示内容主要包括2 个方面。1）软件运行位移时间序列界面图。2）软件运行的卫星星空界面图。同时，能够根据监测和研究的需要，通过后台程序的设置，实时得出各种运行曲线，从而为监测预警的开展提供更加有力的技术支持。

1.5 青海省地质灾害监测及预警设计

该文以“青海省西宁市张家湾H2、H3 滑坡防治工程详细勘查”项目为依据，从地质灾害的致灾机理和外部诱因出发，综合考虑地形地貌、岩土体条件、地震、人类工程活动等影响因素，基于视频监测、降雨监测、裂缝监测、地表位移监测和深部位移监测数据，建立地质灾害预警及险情上报机制，实现地质灾害的监测自动化。

设定预警阀值，见表1。当系统发出预警信号后，项目组应立即核对信息、确定预警等级，并及时将预警信息以电话、短信、微信等方式同时上报至青海省应急管理厅、青海省自然资源厅、西宁市城西区国土资源局和青海省地质矿产勘查开发局，由政府权威部门发布或取消预警信号，见表2 和图1。

表1 预警阀值设计一览表

表2 预警处置

由图1 监测预警流程图可以看出，监测预警系统的运行涉及7 个层面，其中基础监测层面包括雨量、裂缝、地表位移、深部位移和视频监测几个方面的数据，而其测定是需要相应的设备来完成。在某一方面数据测定出现超出设定范围要求时，就会在系统中进行报警。针对报警情况由工作人员同步开展现场检查和复测工作，在完成监测状况检查的基础上，向应急管理部门、自然资源管理厅、国土资源局和地矿局等上报准确信息并由相关部门发布或者取消预警信息。

2 系统性能分析

2.1 BDS模式下系统监测精度分析

为了测试基于北斗云滑坡监测预警系统的精度和可靠性，需要在对应的位置搭建实地监测平台，对实测数据监测结果进行分析。在实验过程中，需要根据测试需要设置必要数量的监测站，并且将其中一个站点设置为主监测点。测站位置设置要求机构稳定，具有开阔的视野。对比分析方案包括BDS 单系统监测定位、GPS 单系统监测定位、2 种方式组合监测定位[2]。在相关实验中发现，观测卫星的数量对监测精度具有直接的影响，在卫星数目较多并且周边障碍物影响较小时，BDS 单系统的精度优于GPS 系统，但是相对于2 种方式组合监测定位还有些差距，但是已经完全能够满足滑坡实时监测精度的要求，在成本投入具有明显优势的情形下，具有良好的推广价值。

图1 监测预警流程图

2.2 实时监测系统性能分析

在监测精度满足系统运行需求的情形下，需要对系统的实时监测性能进行分析，从而确保滑坡监测的可靠性。实时监测系统的性能分析是在监测精度分析的基础上，借助原本设置的监测点和基准点进行长期观测。在观测期间，需要采取注水的方式，人为制造位移现象，从而达到较好的监测结果。通过相关数据实验发现，基于北斗云技术的实时滑坡监测预警系统能够在高程和水平2 个方向上达到毫米级的监测精度。目前我国相关部门自主研发并配置的软硬件系统，能够较为准确的测定滑坡现象，从而为地质灾害监测和预警提供应有的技术支撑。

3 智能化地质灾害监测与预警前景分析

虽然基于北斗云技术的实时滑坡监测预警技术已经达到了较高的研究水平，在实际应用中也发挥了应有的作用。但是在国家相关部门的指导下，强化智能化技术在地质灾害监测系统中的应用，建立高度智能化和系统性的自然灾害监测预警信息化工程，将滑坡监测作为自然灾害预警的基本组成部分，提升自然灾害抵抗能力，是未来的重要工作[3]。对于监测选点来说，应当将削坡建房、历史发生滑坡较为频繁的居民区、交通要道和城镇人口密集区等重点区域作为监测的重点。在后台系统建立和完善的过程中，应当将大数据分析和智能化技术处理作为建设的重点，从而更好地提高系统分析水平，尽量缩短响应时间。