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“北斗+广播”技术,赋能地灾防范

地质灾害是人类面临的一种多因素破坏性灾害。

地质灾害是人类面临的一种多因素破坏性灾害。自然资源部要求,要提高地质灾害监测预警技术装备能力水平,最大限度地减少人民群众生命财产损伤。

地处南方山地丘陵地区的广西,今年的汛期来得比往年早,已出现了几次持续强降雨天气,又叠加疫情影响,地质灾害防范压力更大。如何加强地灾隐患点的监测预警?“群测群防”还不够,“科技防灾”来加持。广西壮族自治区自然资源厅(下简称“广西自然资源厅”)联合广西广播电视局、深圳思凯微电子公司、武汉大学等机构,成功研发了“北斗+广播”边坡高精度自动监测系统,以“北斗+广播”的技术跨界融合方式,通过技术创新攻关赋能地灾防范。试验3个月,效用初显,业内看好。

“北斗+广播”跨界融合创新数据传输方式

传统的地灾监测技术,通常是采用卫星导航定位技术,通过在监测点周边建立卫星导航定位基准站,通过移动通讯信号向监测点发送定位修正信息,将地表变形的监测精度从米级提升至厘米或毫米级,再通过移动通讯信号回传监测信息,给后方的地质灾害防治工作人员及监测员提供应急处置数据参考。“由于卫星导航定位基准站造价高昂、移动通讯稳定性差且持续产生后续费用等局限性,给这类技术的推广使用带来了一定难度。”广西自然资源厅副厅长黎修旦介绍道。

在广西,传统技术的短板愈发明显。工作人员发现,单个卫星导航定位基准站建设成本在5万元以上,边远山区造价更高。若不单独建站,而是使用现有各类卫星导航定位基准站网提供的定位增强服务,由于地灾监测点数量巨大,其同时容纳的高精度定位请求并发数量有限,难以满足海量监测点的不间断定位需求。

广西地质灾害隐患点多面广,目前自治区登记在册的隐患点达10474处,其中易发区5634个,涉及人口约143万人,威胁人民群众财产安全约120亿元。2019年发生滑坡、崩塌等地灾386起,造成人员伤亡27人,直接经济损失13245.86万元。既然传统技术有缺陷,那么如何创新?出路在哪?

广西自然资源厅国土测绘处处长王龙波介绍说:“广西有测绘技术的优势,早在2018年底,我们就建成了北斗高精度基准站网。我们想,能不能把北斗高精度基准站网运用到地灾监测中?这就需要在现有资源和技术基础上进行再挖掘、再创新。”为推进监测预警技术创新,今年1月,该厅组织相关单位开展了“北斗+广播”监测预警技术研究,利用共生数字调频广播信号技术和北斗卫星导航高精度定位技术相结合,在定位信息广域覆盖基础上,融合武汉大学GNSS核心解析算法和MEMS四维监测系统的技术体系,实现地质灾害监测预警功能。

据了解,广西于2018年底建成了覆盖全自治区的北斗高精度基准站网,其包含1个数据中心和110座平均布设的北斗高精度基准站。利用现有的北斗高精度基准站网提供定位服务,无需重新在监测点周边建设北斗导航定位基准站,既可以实现毫米级的定位精度,又可以省去独立建设基准站的费用,可谓一举两得!

有了广西北斗高精度基准站网提供定位服务,那么接下来还要解决定位信号的播发问题。传统的导航定位基准站网以测绘定位服务为设计初衷,其系统平台能够同时容纳的高精度导航定位服务数量有限。按传统模式,当海量监测点24小时不间断地向北斗高精度基准站网系统平台发送定位信息,信号“堵车”可能导致系统平台崩溃,定位信号数据的稳定性和传输的实时性难以保障。这就好像一条原本设计为双向四车道“县道”的公路,涌入了大量车流并24小时不停运行,必将导致交通瘫痪。

为解决这一“堵点”,研发人员创新性地采用“广播”技术播发定位信号,将以往“一对一”的移动网络信号传输方式,利用“广播”的特性提升为“一对多”传输,将“县道”变成了“高速公路”,不仅完全满足了海量监测设备的定位请求,大规模播发也不会造成信号堵塞,同时还解决了移动通讯信号在偏远地区不稳定的问题。

深圳思凯微电子有限公司总经理助理罗青介绍,利用我国自主创新的共生调频数据广播技术——CDRadio(数字和模拟信号同播技术),播发北斗卫星导航差分修正数据,具有成本低廉、覆盖广阔、信号强大、部署快捷和普遍适用的特点。

说干就干!今年1月,在思凯微公司等多方支持下,广西“北斗+广播”监测系统在梧州市长洲区宝石园北侧山坡开展试运行。目前,“监测系统试运行状态良好,已经完成了前期各项试验工作。”广西自然资源厅总工程师周涛说,总结前期试验成果,监测系统至少有三个优势:一是利用了广西北斗高精度基准站网资源,这是广西多年积累的优势;二是借助广播广域播发北斗信号,破解了播发难点、增强了监测稳定性;三是利用LPWAN物联网技术取代4G、5G等传统数据回传手段,配合“广播”播发技术,实现了稳定性高、后续成本近乎为零的信号传输技术闭环。

业内人士评价说,高精度、低成本、易维护、自动化,这套“北斗+广播”边坡高精度自动监测系统具有的特点,正是一套优秀的地灾监测系统所应具备的品质。

系统设备经济适用监测成本大幅降低

常规的地灾监测,每个监测点需要建一个卫星导航定位基准站,大约5万元,同时每年还会产生1000元左右的4G网络通信费。监测的点越多,投入就越大。高昂的成本和持续的费用,是全面铺开监测的“痛点”“难点”。

与传统监测不同的是,经济适用正是广西“北斗+广播”监测系统的一大亮点。无需建设基准站,没有通信费等后续使用成本——如果这个系统在全自治区10474个登记在册的地灾隐患点全面推广应用,就能节省近5亿元的建设资金,后续每年还将节约通信费用约1000万元。同时,采用“广播”技术播发定位信号,将直接节省监测点后续网络服务费用,每个监测点每年可节省网络费用约800元,从而满足地灾隐患点的大规模应用需求。

以目前在梧州市长洲区宝石园北侧山坡的滑坡隐患点试点为例,该边坡共需安装4套监测设备,按传统边坡监测方案核算,一套监测设备成本约10.3万元。而采用“北斗+广播”边坡高精度自动监测系统的一体化设备,只需要约一半的费用。同时,根据这套系统研发的一体化监测设备,也价廉实用。

“北斗+广播”技术,赋能地灾防范

边坡范围示意图

“北斗+广播”技术,赋能地灾防范

边坡易滑动体及受灾区域示意图

罗青介绍,“北斗+广播”监测系统研制的一体化监测设备,通过采用边缘计算技术和LPWAN通信技术,能直接获取并上传精确位置坐标,自动化程度高,大幅减少移动通信网络流量需求,可完全实现远程监测、远程数据下载与共享,便于预警信息发布。监测设备直接获取的是监测点的三维坐标及其绝对或相对变化量,不存在变形范围限制,较声纳类、光波类、影像类、频谱类监测手段优势明显。此外,该系统的一体化监测设备将全球导航卫星系统(GNSS)定位终端、通信终端、供电及诊断设备高度集成于单一柱体内部,易于安装,能耗也低。

“北斗+广播”技术,赋能地灾防范

监测系统结构原理

“T”字型的一体化监测设备结构简单,北斗卫星接收机、基合接收机、无线通信设备和锂电池集成于柱体内部,顶端有北斗卫星天线、无线通信天线、基合系统天线、太阳能板和避雷针等,集成度非常高。广西自然资源信息中心主任杨如军坦言:“过去我们在地灾‘技防’上使用了一些不同厂家的产品,采用了不同的数据平台,相互不共享,使用起来有‘硬伤’。新技术在传输方式上进行了创新,并且数据集成度高,如果进一步试验取得成功,完全可以考虑逐步推广应用。”

推广应用还有待进一步研发试验

梧州市长洲区宝石园北侧山坡的滑坡隐患点,是一个高60米的陡峭边坡,经周围施工影响及常年降雨冲刷,坡面土质松软,如遇强暴雨天气,极易发生山体滑坡次生灾害。2016年,边坡西侧受降雨影响发生过一次滑坡,所幸未造成人员伤亡。此处一旦再次发生滑坡,将会冲击到公路和对面的居民区,轻则导致交通阻塞,重则伤及行人或周边居民。

地灾监测系统的布设,很大程度上取决于现场地质条件和周边环境。因此,广西自然资源厅在该隐患点布设了4台GNSS位移监测设备、1台自动化雨量站和1套系统监测平台(软件)。系统的运行流程为:监测设备将采集的数据,通过LORA无线通信技术回传至梧州市自然资源局顶楼接收网关,然后通过有线宽带网络回传至云端服务,为群测群防提供决策参考。

到目前为止,“北斗+广播”监测系统已经对该隐患点实时监控了3个月,整体运行良好,监测平面精度达到±6毫米,高程精度达±10毫米,符合预期标准。这期间,梧州市有过连续40多天的绵绵阴雨天气,对设备的供电能力提出了巨大的考验。在阴雨天气下,太阳能板发挥不了作用,锂电池最多能撑20天,但是如何更好地解决设备供电问题,还需要继续推进研究。

日前广西自然资源厅召开的“北斗+广播”新技术监测地灾有关工作研究会议透露,新技术的试验和推广应用,将会纳入广西地质灾害防治三年行动计划,继续推广研发和技术攻关,进一步扩大试验范围,以期实现全域内地灾隐患点的实时监测。

多山地丘陵的广西,96.65%的陆地面积属于地质灾害易发区。除了“北斗+广播”监测系统的建设,广西自然资源主管部门还积极推进超融合实景三维应用平台、1:5万遥感技术的运用,充分发挥广西的技术优势。

“群测群防仍然是当前地质灾害防治的最有效手段,但仅靠人的力量是防不过来的,监测预警一定要依靠科技的力量。‘北斗+广播’新技术的应用,正是体现了广西从传统‘人防’到‘人防+技防’的深刻转变。”广西自然资源厅厅长陈建军表示,下一步该厅将加快地灾监测预警普适性设备的推广应用,尽最大努力提升“隐患什么时候发生”的预警能力。

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