北斗卫星的应用之环境灾害监测

任红达 陈益潇 秦山河 文思涵 焦一帆 尚远望

【摘要】自然灾害是当前造成人员伤亡和从财产损失主要来源之一，灾害监测预警已迫在眉睫。目前市面存在的自然灾害的监测或预防装置具有较大的弊端，局限性高、成本昂贵、系统性低，无法普及使用，大大阻碍了该行业的发展。本文重点介绍了一种新型的环境灾害监测方法，论述了其在技术理论、成本、前景等方面的可行性。

【关键词】灾害监测;北斗卫星;信息监测

中图分类号：G212                文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06.086

1. 目前严峻的环境灾害监测现状

在当前科技不断发展的过程中，由于人工建设等因素对于自然环境影响，环境灾害的发生频率表现出越来越高的发展趋势，并且环境灾害发生的严重程度也越来也高。各种地区诸如山地、河流区域等发生山体滑坡、泥石流的频率普遍较高，并且其损失也随着当地建设成本的增加而不断加大。单就地质灾害而言，据中国地质调查局水问地质工程地质技术方法研究所统计资料显示，1995～2002年，地质灾害共造成9000多人失踪或死亡，突发性地质灾害共造成直接经济损失524亿元，缓慢性地质灾害造成直接经济损失590亿元，间接经济损失2700亿元。地质灾害已经成为严重制约我国经济发展的重要因素之一。倘若能将现有科技诸如互联网、卫星通信应用于环境灾害的监测，有效的获取到环境灾害发生时的各种信息并进行分析，或许可以为后续自然灾害的预防和减灾提供更好的方法。

滑坡、崩塌、泥石流等灾害虽然突发性强，来势凶猛，但是这些灾害发生前有明显的前兆。对滑坡、崩塌体和建筑的裂缝经常进行简易的测量，是避免人员伤亡的最有效的方法。很多地区常用的简易监测方法主要有埋桩法、埋钉法、上漆法、贴片法等。这种方法固然有很好的简便性，但是我们能明显看到这种方法的不足——不利于后续对灾害进行分析且本身效果较差

正如研究员韩子夜，薛星桥所提及到的，随着近年来科技的发展，遥感和自动化领域的技术发生巨变，随之便产生了较为先进的监测方法，该类监测方法多以获得灾害体地表的绝对变形信息为主，采用网式施测;特别是突发性地质灾害的前后，具有安全、快捷等特点。如激光微位移监测、测量机器人、遥感雷达监测等。但是我们不得不承认这种监测方法仍存在以下较大的弊端，这主要表现为以下几点：

1.1 依赖性强

在如今万物互联的时代，4G、5G网络早已成为绝大多数设备的联网方式。头豹研究院（中国行业覆盖面最广、数据规模最大、产品矩阵最完备的行业和市场大数据库之一）统计的数据显示，目前中国基站数量约370万座，5G时代下，5G基站数量将达到4G的1至2.5倍，即500至700万座。然而野外地区或较为偏僻的场地，其地区的信号塔的搭建往往不能完全覆盖，这就导致基于网络的环境监测器往往失去了其有效性和及时性。并且对某些特定环境参数的监测时，检测人员或监测机器人进出监测环境十分困难，导致采集到的数据无法及时传输，使数据丧失了时效性，给灾害监测带来很大不便。

1.2 机器昂贵、易于损坏

成本往往是阻碍市场发展的重要因素之一。而目前市场种存在的环境监测设备往往不尽人意，其昂贵的价格和易于损坏的性质往往难以达到预期的普及和使用效果。并且基于当下物联网市场不断升级的背景和电子设备维修价格的提高，安装基于网络的灾害监测系统的总成本势必会逐渐攀升

1.3 数据、设备资源浪费

面对纷杂的恶劣环境，如何准确去除干扰因素实现数据的准确传输是当今物联网技术在野外应用的一大难题。若无法去除外界干扰筛选出有效的数据，这不仅无法给勘探人员带来便利，繁复的无效信息反而会引来更多的资源损耗。其次在灾害过程中，昂贵的灾害监测设备极易造成损坏、掩埋、丢失等问题，直接造成了设备资源浪费，还造成了该项目资金投入的浪费，造成较大的经济损失。

针对上述不足，我们认为，只有实现灾害信息传输的任意性、低成本化，才能扩大灾害监测的应用范围和市场，简易方便的灾害监测方式必然成为未来防灾减灾的一个趋势。

2. 一种基于北斗卫星的环境灾害监测方法

2.1 技术前提

2.1.1 北斗卫星的发展现状

随着北斗三号卫星组网完成，北斗系统开启了全球运营服务新时代。自2012年12月27日北斗卫星导航系统正式提供区域服务，并公布北斗系统空间信号接口控制文件（ICD）正式版以来，北斗卫星导航系统已经在国民经济的各个领域得到广泛应用，并取得显著成效。郝雅楠、祝彬、朱华桥曾在《北斗专题》中表示：随着北斗卫星系统的不断发展，北斗卫星已经具有抗遮挡能力强，低纬度地区性能优势明显的特点，并且具有双向通信能力，应用场景十分丰富。其次北斗卫星具有独特的短报文通信功能。北斗短报文功能是北斗卫星定位系统的特色功能区别于世界上几大导航系统。北斗一代的两颗静止轨道的卫星，可以与国际通信卫星一样完成通信任务，因此它的特点是既能定位又能通信。将该短报文能力应用于低轨卫星测控中，可实现对低轨卫星全轨道、准实时的关键状态监视、轨道控制、健康管理、载荷控制、应用效能快速评估等应用。

2.1.2 传感器技术的发展现状

传感器技术是现代电子技术的核心内容，通过将传感器技术应用在电子设中，有效的提高信息数据采集获取效率和质量。在资源探测，海洋，环境监测等領域，传感器技术已经有了广泛应用。在当下，传感器技术已经于多个产业相结合，成为工业领域不可或缺的一部分。学者武帅曾表示，通过将传感器技术应用在电子设备生产制造中，能够有效提高信息数据采集获取效率和质量，推动我国该行业发展。

2.2 基于北斗卫星的监测系统

基于目前北斗卫星优秀的导航功能和独特的短报文系统，我们便可以通过采用北斗短报文模块加单片机作为终端，通过GPS和北斗卫星系统，内嵌离线地图来实现野外无网络条件下的信息传输。并以传感器技术为辅，将传感器的感应参数发送至北斗卫星终端，以此来实现任何条件下的信息传输。

2.3 监测系统的方法理论和缺点弥补

2.3.1 双星定位的精确理论

与以往的卫星定位方式不同，北斗卫星与GPS都有着良好的定位功能，但是事实情况往往具有诸多不确定因素的存在，这无疑削弱了二者的能力。为了解决上述灾害监测的资源浪费问题，我们无疑需要将设备进行回收处理。因此我们可以考虑将GPS和北斗卫星两系统进行结合，来弥补彼此的弊端。在河套学院机电工程系进行的双模定位实验中，该方式有着相当不错的定位能力。

2.3.2 监测的系统性

现实情况的场景往往具有多样性和不确定性，如果能有一种方法可以实现同时监测多处灾害发生情况，并进行集中处理，则能大大缓解灾害监测的压力。LoRa是美国Semtech（升特）公司2013年发布和推广的一种基于扩频技术的超远距离、低功耗无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗相矛盾的问题，为用户提供一种简单的能实现较远距离、长电池寿命的无线技术，它具有一点对多点的功能。通过方法，理论上可以实现同一监测地区，例如在同一高原、山地上多个监测设备之间的数据共享，同时在总控制端对监测数据进行集中处理，事后发送给北斗卫星。通过此方法便可在一定程度上弥补北斗卫星短报文功能存在的延迟性和数据之间同时传输带来的的干扰。

另外，由于LoRa扩频技术的特性，或许能带来一种新型功率性的近距离点对点搜寻装置，为近距离搜寻提供新的方向。

2.3.3 摆脱依赖更具广阔发展方向

针对以往监测方式对于网络的依赖性，本灾害监测系统采用北斗卫星的短报文功能进行信息传输，可实现随时、各地的信息传输，摆脱了对网络的依赖。并且因为信息传输具有了及时的效果，对自然灾害发生过程中的环境参数便有了及时的数据进行分析。进而为后续自然灾害的预防和减灾提供可行性方案。该理论方法同样适用于其他领域该方面的信息传输。

2.3.4 低耗能、成本的优点

相比市面上动辄数万的昂贵监测设备或机器人，本方法则提供了一种较为廉价的监测设备，据估计，可将成本降至千元左右。其设备耗能和LoRa信息传输低功率，相比之下，极大降低了其能量消耗，缓解了该行业市场的痛处，给灾害监测提供了一种较为不错的发展方向。

3. 结语

北京市山洪和地质灾害情况的调研报告中对灾害的分析表明，灾害监测涉及部门多，数据整合有障碍。山洪和地质灾害防治涉及的部门众多，不同部门之间的信息资源共享存在阻隔。其中作为“前线”的灾害监测数据无疑是重中之重，唯有获取到真实、全面、及时的数据，方可为后续工作做好充足准备。

不可否认，自然灾害无疑是人类最大的敌人之一，随着社会的发展，人们已经懂得用科学道理、实用的方法来进行防护和预防，减少灾害威胁到自己的生命。我们希望通过提供这样一种基于北斗卫星的自然灾害监测方法，为无论身在何处的人给予一种安全保障，为专业人士对自然灾害的研究提供一种可行的方法来弥补该行业一直以来的痛处。随着技术的不断革新，该方法一定能将来开拓出更多更新的市场。

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