一城一北斗|北斗高精度滑坡监测预警

摘要：针对滑坡监测中存在的硬件成本高、监测精度低、实时性差、多传感器无同化等技术瓶颈，开展3个层次的研究：1)物联网型(消费级)小型化低成本高精度滑坡一体化监测传感器技术研发：基于物联网思维，引入云平台加传感器(云+端)的技术理念，研究低成本小型化的高精度滑坡监

申报单位：长安大学

联合申报单位：

主要完成人：张勤、黄观文、杜源、王利、王乐、崔博斌

一、案例简介

针对滑坡监测中存在的硬件成本高、监测精度低、实时性差、多传感器无同化等技术瓶颈，开展3个层次的研究：1)物联网型(消费级)小型化低成本高精度滑坡一体化监测传感器技术研发：基于物联网思维，引入云平台加传感器(云+端)的技术理念，研究低成本小型化的高精度滑坡监测传感器技术，研制实现易布施、精度高、智能化、一体式的低成本滑坡监测设备样机。2)滑坡区域毫米级北斗实时监测技术研究：研究实现基于北斗云平台的实时在线高精度监测技术；并充分顾及滑坡监测的先验信息和边界约束，对地形和环境噪声进行建模，研究复杂地形的实时定位误差修正技术；构建实时监测成果可靠性及完备性模型。3)北斗/多源传感器多尺度全天候融合处理模型研究：基于北斗/雨量计/气象仪等数据构建小区域滑坡实时水汽层析模型；重点研究北斗/多源传感器的融合处理技术，对多传感器信息可靠性进行校验，构建多传感器下统一的时空基准，最终实现多尺度全天候的高精度滑坡监测信息提取。

技术难度与水平方面：1)为解决特大滑坡高精度地表三维矢量变形消费级监测装备问题，采用轻设备、重云端的理念，探索一种基于“云+端”思想的小型化低成本GNSS监测型接收机，采用22纳米GNSS 芯片低功耗低成本小型化的定位芯片与通讯的融合解决方案，开发高集成度的定位芯片与通讯结合的智能监测终端，突破高集成度，低功耗，低成本的瓶颈。2)针对目前监测数据处理技术存在模型简单、受基准站变形影响大、监测精度不稳定、抗异常抗干扰性差、对大气和环境噪声不敏感等系列问题，建立滑坡区域卫星跟踪信息，开发集地表数据实时采集、终端运行状态远程监控、多区域云平台实时监测、远程视

频监控和智能预报报警等多功能于一体的实时多滑坡区域云监测智能管理系统，实现滑坡地

果的可靠稳定获取。

二、技术方案

围绕滑坡高精度监测与精准预警为目标，开展北斗监测设备、数据处理算法和综合预警模型研究，其

中数据处理算法和综合预警模型集成在云平台中，由云平台进行综合处理。技术流程为由北斗监测设备用

于捕捉滑坡体的三维形变信息，为云平台监测预警提供高可靠的原始观测数据；数据处理算法用于对采集到的原始观测数据进行处理，以获得更加可靠高精度的位移监测结果；综合预警模型用于结合位移结果和其他传感器结果对滑坡风险进行评估，并发送不同等级的预警信息。关键技术如下：

1)小型化低成本毫米级北斗变形监测装备：目前专业型GNSS监测设备成本昂贵，而已知和潜在需

要进行监测的危险滑坡数以千万计，影响范围超过国土面积的2/3,高成本问题使得无法进行专业GNSS 监测设备的大范围布设。研究团队为实现低成本大范围的实时滑坡高精度三维形变监测，采用物联网“传感器+云”的思维，通过剥离GNSS监测终端中的非必要功能模块，成功研发出了小型化的千元级GNSS 接收机。利用2G/3G/4G等通讯手段将监测数据实时传送至云端，在云平台上实现云存储和云计算。这种 “轻终端+行业云”的设计理念，将终端成本降至最低，同时设备安装和调试均可以通过云端软件实现监控和设置，大幅降低了现场安装人员的专业要求，一定程度上将行业终端设备变革成了大众消费型普适设备。具有轻量化、高精度、实时采集、机体标准、防护性能、系统可靠等特点。

2)毫米级北斗实时监测技术：针对实际复杂环境下北斗滑坡变形监测数据处理固定截止高度角策略不合理问题，通过对复杂地形空间环境与北斗卫星天空视图的分析，提出利用北斗卫星观测信息建立基于空间地形特征的自适应截止高度角ADEM环境模型。针对空间环境模型ADEM在应用过程中，不同监测环境下所设置的高度角经验阈值存在差异的局限性，提出一种基于投影变换的高度角加权(ADEW)。针对基准站数据中断的问题，提出一种顾及电离层延迟与残留异步综合误差的异步RTK定位算法，在基准站中断期间可在短时间内维持监测站的定位服务。针对滑坡监测中基准站可能出现电源不足等导致基准站长时间停止工作，无法继续为监测站提供高精度数据服务的问题，提出了一种顾及运动状态改正的GNSS 滑坡监测基准站切换方法以保障监测的连续性和可靠性。

3)北斗/多传感器融合的滑坡实时三维变形监测云平台：为满足大范围、多区域滑坡实时变形监测与预警的要求，本研究提出一种以北斗导航定位技术为核心，可以结合位移计、雨量计等多种传感器技术的

云平台，云平台利用物联网技术、大数据技术及云服务等技术实现对变形灾害体的自动化、智能化监测预

警。利用基于云平台的低成本高精度GNSS变形动态监测软硬件技术，以实现复杂环境GNS 变形监测与应用服务，为变形监测提供一种全新的解决思路和方案。

三、创新亮点

1)低成本高精度北斗监测终端研制：攻关北斗滑坡监测型接收机“云+端”双向智能触发传感器变频监测技术，研制出小型化低成本高精度滑坡多源智能变频监测型接收机，解决了GNSS滑坡监测中存在的硬件成本高、设备功耗大的技术瓶颈。研制的技术装备入选自然资源部普适型示范北斗监测设备，并已推广应用至陕西、四川、云南、贵州等十五个地质灾害严重的省份，完成了300余套设备的部署。

2)复杂滑坡场景下高精度北斗监测算法研究：构建了基于滑坡地形的导航卫星环境模型，将受到多路径和衍射严重的卫星观测数据进行剔除或降权处理，解决了复杂滑坡环境下GNSS观测粗差难以识别和剔除的问题，实现了高遮挡、强干扰的复杂滑坡环境下北斗/GNSS实时动态毫米级高精度形变监测。

3)多源智能综合预警模型研究：构建了北斗+降雨量/库水位等多源异构数据深度融合的自学习实时预警模型，解决了多源滑坡诱发因素叠加作用下滑坡难以精准预警的难题，开发了北斗实时监测智能预警云平台系统，先后4次成功预警黄土滑坡灾害，实现人员零伤亡。北斗滑坡监测预警成果获得了包括北斗官网、人民网等国内外百余家权威媒体报道。