“北斗+廣播”技術(shù)，賦能地災(zāi)防范

黃尚寧 范雁陽

地質(zhì)災(zāi)害是人類面臨的一種多因素破壞性災(zāi)害。自然資源部要求，要提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)裝備能力水平，最大限度地減少人民群眾生命財產(chǎn)損傷。

地處南方山地丘陵地區(qū)的廣西，今年的汛期來得比往年早，已出現(xiàn)了幾次持續(xù)強降雨天氣，又疊加疫情影響，地質(zhì)災(zāi)害防范壓力更大。如何加強地災(zāi)隱患點的監(jiān)測預(yù)警？“群測群防”還不夠，“科技防災(zāi)”來加持。廣西壯族自治區(qū)自然資源廳（下簡稱“廣西自然資源廳”）聯(lián)合廣西廣播電視局、深圳思凱微電子有限公司、武漢大學(xué)等機構(gòu)，成功研發(fā)了“北斗+廣播”邊坡高精度自動監(jiān)測系統(tǒng)，以“北斗+廣播”的技術(shù)跨界融合方式，通過技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)賦能地災(zāi)防范。試驗3 個月，效用初顯，業(yè)內(nèi)看好。

“北斗+廣播”跨界融合創(chuàng)新數(shù)據(jù)傳輸方式

傳統(tǒng)的地災(zāi)監(jiān)測技術(shù)，通常采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，在監(jiān)測點周邊建立衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站，通過移動通信信號向監(jiān)測點發(fā)送定位修正信息，將地表變形的監(jiān)測精度從米級提升至厘米或毫米級，再通過移動通信信號回傳監(jiān)測信息，給后方的地質(zhì)災(zāi)害防治工作人員及監(jiān)測員提供應(yīng)急處置數(shù)據(jù)參考?！坝捎谛l(wèi)星導(dǎo)航定位基準站造價高昂、移動通信穩(wěn)定性差且持續(xù)產(chǎn)生后續(xù)費用等局限性，給這類技術(shù)的推廣使用帶來了一定難度。”廣西自然資源廳副廳長黎修旦介紹道。

在廣西，傳統(tǒng)技術(shù)的短板愈發(fā)明顯。工作人員發(fā)現(xiàn)，單個衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站建設(shè)成本在5 萬元以上，邊遠山區(qū)造價更高。若不單獨建站，而是使用現(xiàn)有各類衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)提供的定位增強服務(wù)，由于地災(zāi)監(jiān)測點數(shù)量巨大，其同時容納的高精度定位請求并發(fā)數(shù)量有限，難以滿足海量監(jiān)測點的不間斷定位需求。

廣西地質(zhì)災(zāi)害隱患點多面廣，目前自治區(qū)登記在冊的隱患點達10474 處，其中易發(fā)區(qū)5634 個，涉及人口約143 萬人，威脅人民群眾財產(chǎn)安全約120 億元。2019 年發(fā)生滑坡、崩塌等地災(zāi)386 起，造成人員傷亡27 人，直接經(jīng)濟損失13245.86 萬元。既然傳統(tǒng)技術(shù)有缺陷，那么如何創(chuàng)新？出路在哪？

廣西自然資源廳國土測繪處處長王龍波介紹說：“廣西有測繪技術(shù)的優(yōu)勢，早在2018 年底，我們就建成了北斗高精度基準站網(wǎng)。我們想，能不能把北斗高精度基準站網(wǎng)運用到地災(zāi)監(jiān)測中？這就需要在現(xiàn)有資源和技術(shù)基礎(chǔ)上進行再挖掘、再創(chuàng)新?！睘橥七M監(jiān)測預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新，今年1 月，該廳組織相關(guān)單位開展了“北斗+廣播”監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究，利用共生數(shù)字調(diào)頻廣播信號技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)相結(jié)合，在定位信息廣域覆蓋基礎(chǔ)上，融合武漢大學(xué)GNSS核心解析算法和MEMS 四維監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)體系，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警功能。

● 邊坡易滑動體及受災(zāi)區(qū)域示意圖

據(jù)了解，廣西于2018 年底建成了覆蓋全自治區(qū)的北斗高精度基準站網(wǎng)，其包含1 個數(shù)據(jù)中心和110 座平均布設(shè)的北斗高精度基準站。利用現(xiàn)有的北斗高精度基準站網(wǎng)提供定位服務(wù)，無需重新在監(jiān)測點周邊建設(shè)北斗導(dǎo)航定位基準站，既可以實現(xiàn)毫米級的定位精度，又可以省去獨立建設(shè)基準站的費用，可謂一舉兩得！

有了廣西北斗高精度基準站網(wǎng)提供定位服務(wù)，那么接下來還要解決定位信號的播發(fā)問題。傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)以測繪定位服務(wù)為設(shè)計初衷，其系統(tǒng)平臺能夠同時容納的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)數(shù)量有限。按傳統(tǒng)模式，當海量監(jiān)測點24 小時不間斷地向北斗高精度基準站網(wǎng)系統(tǒng)平臺發(fā)送定位信息時，信號“堵車”可能導(dǎo)致系統(tǒng)平臺崩潰，定位信號數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和傳輸?shù)膶崟r性難以保障。這就好像一條原本設(shè)計為雙向四車道“縣道”的公路，擁入了大量車流并24 小時不停運行，必將導(dǎo)致交通癱瘓。

為解決這一“堵點”，研發(fā)人員創(chuàng)新性地采用“廣播”技術(shù)播發(fā)定位信號，將以往“一對一”的移動網(wǎng)絡(luò)信號傳輸方式，利用“廣播”的特性提升為“一對多”傳輸，將“縣道”變成了“高速公路”，不僅完全滿足了海量監(jiān)測設(shè)備的定位請求，大規(guī)模播發(fā)也不會造成信號堵塞，同時還解決了移動通信信號在偏遠地區(qū)不穩(wěn)定的問題。

深圳思凱微電子有限公司總經(jīng)理助理羅青介紹，利用我國自主創(chuàng)新的共生調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播技術(shù)——CDRadio（數(shù)字和模擬信號同播技術(shù)），播發(fā)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航差分修正數(shù)據(jù)，具有成本低廉、覆蓋廣闊、信號強大、部署快捷和普遍適用的特點。

說干就干！今年1 月，在思凱微公司等多方支持下，廣西“北斗+廣播”監(jiān)測系統(tǒng)在梧州市長洲區(qū)寶石園北側(cè)山坡開展試運行。目前，“監(jiān)測系統(tǒng)試運行狀態(tài)良好，已經(jīng)完成了前期各項試驗工作?！睆V西自然資源廳總工程師周濤說，總結(jié)前期試驗成果，監(jiān)測系統(tǒng)至少有三個優(yōu)勢：一是利用了廣西北斗高精度基準站網(wǎng)資源，這是廣西多年積累的優(yōu)勢；二是借助廣播廣域播發(fā)北斗信號，破解了播發(fā)難點、增強了監(jiān)測穩(wěn)定性；三是利用LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取代4G、5G 等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)回傳手段，配合“廣播”播發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了穩(wěn)定性高、后續(xù)成本近乎為零的信號傳輸技術(shù)閉環(huán)。

業(yè)內(nèi)人士評價說，高精度、低成本、易維護、自動化，這套“北斗+廣播”邊坡高精度自動監(jiān)測系統(tǒng)具有的特點，正是一套優(yōu)秀的地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)所應(yīng)具備的品質(zhì)。

系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)濟適用監(jiān)測成本大幅降低

常規(guī)的地災(zāi)監(jiān)測，每個監(jiān)測點需要建一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站，大約5 萬元，同時每年還會產(chǎn)生1000 元左右的4G 網(wǎng)絡(luò)通信費。監(jiān)測點越多，投入就越大。高昂的成本和持續(xù)的費用，是全面鋪開監(jiān)測的“痛點”“難點”。

與傳統(tǒng)監(jiān)測不同的是，經(jīng)濟適用正是廣西“北斗+廣播”監(jiān)測系統(tǒng)的一大亮點。無需建設(shè)基準站，沒有通信費等后續(xù)使用成本——如果這個系統(tǒng)在全自治區(qū)10474 個登記在冊的地災(zāi)隱患點全面推廣應(yīng)用，就能節(jié)省近5 億元的建設(shè)資金，后續(xù)每年還將節(jié)約通信費用約1000 萬元。同時，采用“廣播”技術(shù)播發(fā)定位信號，將直接節(jié)省監(jiān)測點后續(xù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費用，每個監(jiān)測點每年可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)費用約800 元，從而滿足地災(zāi)隱患點的大規(guī)模應(yīng)用需求。

以目前在梧州市長洲區(qū)寶石園北側(cè)山坡的滑坡隱患點試點為例，該邊坡共需安裝4 套監(jiān)測設(shè)備，按傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測方案核算，一套監(jiān)測設(shè)備成本約10.3 萬元。而采用“北斗+廣播”邊坡高精度自動監(jiān)測系統(tǒng)的一體化設(shè)備，只需要約一半的費用。同時，根據(jù)這套系統(tǒng)研發(fā)的一體化監(jiān)測設(shè)備，也價廉實用。

羅青介紹，“北斗+廣播”監(jiān)測系統(tǒng)研制的一體化監(jiān)測設(shè)備，通過采用邊緣計算技術(shù)和LPWAN 通信技術(shù)，能直接獲取并上傳精確位置坐標，自動化程度高，大幅減少移動通信網(wǎng)絡(luò)流量需求，可完全實現(xiàn)遠程監(jiān)測、遠程數(shù)據(jù)下載與共享，便于預(yù)警信息發(fā)布。監(jiān)測設(shè)備直接獲取的是監(jiān)測點的三維坐標及其絕對或相對變化量，不存在變形范圍限制，較聲吶類、光波類、影像類、頻譜類監(jiān)測手段優(yōu)勢明顯。此外，該系統(tǒng)的一體化監(jiān)測設(shè)備將全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位終端、通信終端、供電及診斷設(shè)備高度集成于單一柱體內(nèi)部，易于安裝，能耗也低。

“T”字形的一體化監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，北斗衛(wèi)星接收機、基合接收機、無線通信設(shè)備和鋰電池集成于柱體內(nèi)部，頂端有北斗衛(wèi)星天線、無線通信天線、基合系統(tǒng)天線、太陽能板和避雷針等，集成度非常高。廣西自然資源信息中心主任楊如軍坦言 ：“過去我們在地災(zāi)‘技防’上使用了一些不同廠家的產(chǎn)品，采用了不同的數(shù)據(jù)平臺，相互不共享，使用起來有‘硬傷’。新技術(shù)在傳輸方式上進行了創(chuàng)新，且數(shù)據(jù)集成度高，如果進一步試驗取得成功，完全可以考慮逐步推廣應(yīng)用?！?/p>

推廣應(yīng)用還有待進一步研發(fā)試驗

梧州市長洲區(qū)寶石園北側(cè)山坡的滑坡隱患點，是一個高60 米的陡峭邊坡，經(jīng)周圍施工影響及常年降雨沖刷，坡面土質(zhì)松軟，如遇強暴雨天氣，極易發(fā)生山體滑坡次生災(zāi)害。2016 年，邊坡西側(cè)受降雨影響發(fā)生過一次滑坡，所幸未造成人員傷亡。此處一旦再次發(fā)生滑坡，將會沖擊到公路和對面的居民區(qū)，輕則導(dǎo)致交通阻塞，重則傷及行人或周邊居民。

地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)，很大程度上取決于現(xiàn)場地質(zhì)條件和周邊環(huán)境。因此，廣西自然資源廳在該隱患點布設(shè)了4 臺GNSS 位移監(jiān)測設(shè)備、1 臺自動化雨量站和1 套系統(tǒng)監(jiān)測平臺（軟件）。系統(tǒng)的運行流程為：監(jiān)測設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)，通過LORA 無線通信技術(shù)回傳至梧州市自然資源局頂樓接收網(wǎng)關(guān)，然后通過有線寬帶網(wǎng)絡(luò)回傳至云端服務(wù)，為群測群防提供決策參考。

到目前為止，“北斗+廣播”監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)對該隱患點實時監(jiān)控了3 個月，整體運行良好，監(jiān)測平面精度達到±6 毫米，高程精度達±10 毫米，符合預(yù)期標準。這期間，梧州市有過連續(xù)40 多天的綿綿陰雨天氣，對設(shè)備的供電能力提出了巨大考驗。在陰雨天氣下，太陽能板發(fā)揮不了作用，鋰電池最多撐20 天，如何更好地解決設(shè)備供電問題，還需要繼續(xù)推進研究。

日前廣西自然資源廳召開的“北斗+廣播”新技術(shù)監(jiān)測地災(zāi)有關(guān)工作研究會議透露，新技術(shù)的試驗和推廣應(yīng)用，將會納入廣西地質(zhì)災(zāi)害防治三年行動計劃，繼續(xù)推廣研發(fā)和技術(shù)攻關(guān)，進一步擴大試驗范圍，以期實現(xiàn)全域內(nèi)地災(zāi)隱患點的實時監(jiān)測。

多山地丘陵的廣西，96.65%的陸地面積屬于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。除了“北斗+廣播”監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，廣西自然資源主管部門還積極推進超融合實景三維應(yīng)用平臺、1∶5 萬遙感技術(shù)的運用，充分發(fā)揮廣西的技術(shù)優(yōu)勢。

“群測群防仍是當前地質(zhì)災(zāi)害防治的最有效手段，但僅靠人的力量是防不過來的，監(jiān)測預(yù)警一定要依靠科技力量。‘北斗+廣播’新技術(shù)的應(yīng)用，正是體現(xiàn)了廣西從傳統(tǒng)‘人防’到‘人防+技防’的深刻轉(zhuǎn)變?！睆V西自然資源廳廳長陳建軍表示，下一步該廳將加快地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警普適性設(shè)備的推廣應(yīng)用，盡最大努力提升對“隱患什么時候發(fā)生”的預(yù)警能力。

●“北斗+廣播”邊坡高精度自動監(jiān)測系統(tǒng)在梧州市長洲區(qū)寶石園滑坡地災(zāi)隱患點開展試運行 黃尚寧/攝