一城一北斗|北斗高精度滑坡監測預警

申 報 單 位 ： 長 安 大 學

聯合申報單位：

主要完成人：張勤、黃觀文、杜源、王利、王樂、崔博斌

一、案例簡介

針對滑坡監測中存在的硬件成本高、監測精度低、實時性差、多傳感器無同化等技術瓶頸，開展3個 層次的研究：1)物聯網型(消費級)小型化低成本高精度滑坡一體化監測傳感器技術研發：基于物聯網 思維，引入云平臺加傳感器(云+端)的技術理念，研究低成本小型化的高精度滑坡監測傳感器技術，研 制實現易布施、精度高、智能化、一體式的低成本滑坡監測設備樣機。2)滑坡區域毫米級北斗實時監測 技術研究：研究實現基于北斗云平臺的實時在線高精度監測技術；并充分顧及滑坡監測的先驗信息和邊界 約束，對地形和環境噪聲進行建模，研究復雜地形的實時定位誤差修正技術；構建實時監測成果可靠性及 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/氣象儀等數據構建小 區域滑坡實時水汽層析模型；重點研究北斗/多源傳感器的融合處理技術，對多傳感器信息可靠性進行校驗， 構建多傳感器下統一的時空基準，最終實現多尺度全天候的高精度滑坡監測信息提取。

技術難度與水平方面：1)為解決特大滑坡高精度地表三維矢量變形消費級監測裝備問題，采用輕設備、重云端的理念，探索一種基于“云+端”思想的小型化低成本GNSS監測型接收機，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，開發高集成度的定位芯片與通訊結合的智能 監測終端，突破高集成度，低功耗，低成本的瓶頸。2)針對目前監測數據處理技術存在模型簡單、受基 準站變形影響大、監測精度不穩定、抗異常抗干擾性差、對大氣和環境噪聲不敏感等系列問題，建立滑坡 區域衛星跟蹤信息，開發集地表數據實時采集、終端運行狀態遠程監控、多區域云平臺實時監測、遠程視

頻監控和智能預報報警等多功能于一體的實時多滑坡區域云監測智能管理系統，實現滑坡地

果的可靠穩定獲取。

二、技術方案

圍繞滑坡高精度監測與精準預警為目標，開展北斗監測設備、數據處理算法和綜合預警模型研究，其

中數據處理算法和綜合預警模型集成在云平臺中，由云平臺進行綜合處理。技術流程為由北斗監測設備用

于捕捉滑坡體的三維形變信息，為云平臺監測預警提供高可靠的原始觀測數據；數據處理算法用于對采集 到的原始觀測數據進行處理，以獲得更加可靠高精度的位移監測結果；綜合預警模型用于結合位移結果和 其他傳感器結果對滑坡風險進行評估，并發送不同等級的預警信息。關鍵技術如下：

1)小型化低成本毫米級北斗變形監測裝備：目前專業型GNSS監測設備成本昂貴，而已知和潛在需

要進行監測的危險滑坡數以千萬計，影響范圍超過國土面積的2/3,高成本問題使得無法進行專業GNSS 監測設備的大范圍布設。研究團隊為實現低成本大范圍的實時滑坡高精度三維形變監測，采用物聯網“傳 感器+云”的思維，通過剝離GNSS監測終端中的非必要功能模塊，成功研發出了小型化的千元級GNSS 接收機。利用2G/3G/4G等通訊手段將監測數據實時傳送至云端，在云平臺上實現云存儲和云計算。這種 “輕終端+行業云”的設計理念，將終端成本降至最低，同時設備安裝和調試均可以通過云端軟件實現監 控和設置，大幅降低了現場安裝人員的專業要求，一定程度上將行業終端設備變革成了大眾消費型普適設 備。具有輕量化、高精度、實時采集、機體標準、防護性能、系統可靠等特點。

2)毫米級北斗實時監測技術：針對實際復雜環境下北斗滑坡變形監測數據處理固定截止高度角策略 不合理問題，通過對復雜地形空間環境與北斗衛星天空視圖的分析，提出利用北斗衛星觀測信息建立基于 空間地形特征的自適應截止高度角ADEM環境模型。針對空間環境模型ADEM在應用過程中，不同監測 環境下所設置的高度角經驗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(ADEW)。針 對基準站數據中斷的問題，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 站中斷期間可在短時間內維持監測站的定位服務。針對滑坡監測中基準站可能出現電源不足等導致基準站 長時間停止工作，無法繼續為監測站提供高精度數據服務的問題，提出了一種顧及運動狀態改正的GNSS 滑坡監測基準站切換方法以保障監測的連續性和可靠性。

3)北斗/多傳感器融合的滑坡實時三維變形監測云平臺：為滿足大范圍、多區域滑坡實時變形監測與 預警的要求，本研究提出一種以北斗導航定位技術為核心，可以結合位移計、雨量計等多種傳感器技術的

云平臺，云平臺利用物聯網技術、大數據技術及云服務等技術實現對變形災害體的自動化、智能化監測預

警。利用基于云平臺的 低成本高精度GNSS變形動態監測軟硬件技術，以實現復雜環境GNS 變形監測與應用服務，為變形監測提供一種全新的解決思路和方案。

三、創新亮點

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

2)復雜滑坡場景下高精度北斗監測算法研究：構建了基于滑坡地形的導航衛星環境模型，將受到多 路徑和衍射嚴重的衛星觀測數據進行剔除或降權處理，解決了復雜滑坡環境下GNSS觀測粗差難以識別和 剔除的問題，實現了高遮擋、強干擾的復雜滑坡環境下北斗/GNSS實時動態毫米級高精度形變監測。

3)多源智能綜合預警模型研究：構建了北斗+降雨量/庫水位等多源異構數據深度融合的自學習實時預 警模型，解決了多源滑坡誘發因素疊加作用下滑坡難以精準預警的難題，開發了北斗實時監測智能預警云 平臺系統，先后4次成功預警黃土滑坡災害，實現人員零傷亡。北斗滑坡監測預警成果獲得了包括北斗官 網、人民網等國內外百余家權威媒體報道。