北斗衛(wèi)星的應用之環(huán)境災害監(jiān)測

任紅達 陳益瀟 秦山河 文思涵 焦一帆 尚遠望

【摘要】自然災害是當前造成人員傷亡和從財產(chǎn)損失主要來源之一，災害監(jiān)測預警已迫在眉睫。目前市面存在的自然災害的監(jiān)測或預防裝置具有較大的弊端，局限性高、成本昂貴、系統(tǒng)性低，無法普及使用，大大阻礙了該行業(yè)的發(fā)展。本文重點介紹了一種新型的環(huán)境災害監(jiān)測方法，論述了其在技術(shù)理論、成本、前景等方面的可行性。

【關(guān)鍵詞】災害監(jiān)測;北斗衛(wèi)星;信息監(jiān)測

中圖分類號：G212 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06.086

1. 目前嚴峻的環(huán)境災害監(jiān)測現(xiàn)狀

在當前科技不斷發(fā)展的過程中，由于人工建設(shè)等因素對于自然環(huán)境影響，環(huán)境災害的發(fā)生頻率表現(xiàn)出越來越高的發(fā)展趨勢，并且環(huán)境災害發(fā)生的嚴重程度也越來也高。各種地區(qū)諸如山地、河流區(qū)域等發(fā)生山體滑坡、泥石流的頻率普遍較高，并且其損失也隨著當?shù)亟ㄔO(shè)成本的增加而不斷加大。單就地質(zhì)災害而言，據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局水問地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究所統(tǒng)計資料顯示，1995～2002年，地質(zhì)災害共造成9000多人失蹤或死亡，突發(fā)性地質(zhì)災害共造成直接經(jīng)濟損失524億元，緩慢性地質(zhì)災害造成直接經(jīng)濟損失590億元，間接經(jīng)濟損失2700億元。地質(zhì)災害已經(jīng)成為嚴重制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。倘若能將現(xiàn)有科技諸如互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信應用于環(huán)境災害的監(jiān)測，有效的獲取到環(huán)境災害發(fā)生時的各種信息并進行分析，或許可以為后續(xù)自然災害的預防和減災提供更好的方法。

滑坡、崩塌、泥石流等災害雖然突發(fā)性強，來勢兇猛，但是這些災害發(fā)生前有明顯的前兆。對滑坡、崩塌體和建筑的裂縫經(jīng)常進行簡易的測量，是避免人員傷亡的最有效的方法。很多地區(qū)常用的簡易監(jiān)測方法主要有埋樁法、埋釘法、上漆法、貼片法等。這種方法固然有很好的簡便性，但是我們能明顯看到這種方法的不足——不利于后續(xù)對災害進行分析且本身效果較差

正如研究員韓子夜，薛星橋所提及到的，隨著近年來科技的發(fā)展，遙感和自動化領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)生巨變，隨之便產(chǎn)生了較為先進的監(jiān)測方法，該類監(jiān)測方法多以獲得災害體地表的絕對變形信息為主，采用網(wǎng)式施測;特別是突發(fā)性地質(zhì)災害的前后，具有安全、快捷等特點。如激光微位移監(jiān)測、測量機器人、遙感雷達監(jiān)測等。但是我們不得不承認這種監(jiān)測方法仍存在以下較大的弊端，這主要表現(xiàn)為以下幾點：

1.1 依賴性強

在如今萬物互聯(lián)的時代，4G、5G網(wǎng)絡早已成為絕大多數(shù)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)方式。頭豹研究院（中國行業(yè)覆蓋面最廣、數(shù)據(jù)規(guī)模最大、產(chǎn)品矩陣最完備的行業(yè)和市場大數(shù)據(jù)庫之一）統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，目前中國基站數(shù)量約370萬座，5G時代下，5G基站數(shù)量將達到4G的1至2.5倍，即500至700萬座。然而野外地區(qū)或較為偏僻的場地，其地區(qū)的信號塔的搭建往往不能完全覆蓋，這就導致基于網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測器往往失去了其有效性和及時性。并且對某些特定環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測時，檢測人員或監(jiān)測機器人進出監(jiān)測環(huán)境十分困難，導致采集到的數(shù)據(jù)無法及時傳輸，使數(shù)據(jù)喪失了時效性，給災害監(jiān)測帶來很大不便。

1.2 機器昂貴、易于損壞

成本往往是阻礙市場發(fā)展的重要因素之一。而目前市場種存在的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備往往不盡人意，其昂貴的價格和易于損壞的性質(zhì)往往難以達到預期的普及和使用效果。并且基于當下物聯(lián)網(wǎng)市場不斷升級的背景和電子設(shè)備維修價格的提高，安裝基于網(wǎng)絡的災害監(jiān)測系統(tǒng)的總成本勢必會逐漸攀升

1.3 數(shù)據(jù)、設(shè)備資源浪費

面對紛雜的惡劣環(huán)境，如何準確去除干擾因素實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳輸是當今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在野外應用的一大難題。若無法去除外界干擾篩選出有效的數(shù)據(jù)，這不僅無法給勘探人員帶來便利，繁復的無效信息反而會引來更多的資源損耗。其次在災害過程中，昂貴的災害監(jiān)測設(shè)備極易造成損壞、掩埋、丟失等問題，直接造成了設(shè)備資源浪費，還造成了該項目資金投入的浪費，造成較大的經(jīng)濟損失。

針對上述不足，我們認為，只有實現(xiàn)災害信息傳輸?shù)娜我庑?、低成本化，才能擴大災害監(jiān)測的應用范圍和市場，簡易方便的災害監(jiān)測方式必然成為未來防災減災的一個趨勢。

2. 一種基于北斗衛(wèi)星的環(huán)境災害監(jiān)測方法

2.1 技術(shù)前提

2.1.1 北斗衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著北斗三號衛(wèi)星組網(wǎng)完成，北斗系統(tǒng)開啟了全球運營服務新時代。自2012年12月27日北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務，并公布北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件（ICD）正式版以來，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域得到廣泛應用，并取得顯著成效。郝雅楠、祝彬、朱華橋曾在《北斗專題》中表示：隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷發(fā)展，北斗衛(wèi)星已經(jīng)具有抗遮擋能力強，低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢明顯的特點，并且具有雙向通信能力，應用場景十分豐富。其次北斗衛(wèi)星具有獨特的短報文通信功能。北斗短報文功能是北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的特色功能區(qū)別于世界上幾大導航系統(tǒng)。北斗一代的兩顆靜止軌道的衛(wèi)星，可以與國際通信衛(wèi)星一樣完成通信任務，因此它的特點是既能定位又能通信。將該短報文能力應用于低軌衛(wèi)星測控中，可實現(xiàn)對低軌衛(wèi)星全軌道、準實時的關(guān)鍵狀態(tài)監(jiān)視、軌道控制、健康管理、載荷控制、應用效能快速評估等應用。

2.1.2 傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)的核心內(nèi)容，通過將傳感器技術(shù)應用在電子設(shè)中，有效的提高信息數(shù)據(jù)采集獲取效率和質(zhì)量。在資源探測，海洋，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，傳感器技術(shù)已經(jīng)有了廣泛應用。在當下，傳感器技術(shù)已經(jīng)于多個產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，成為工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的一部分。學者武帥曾表示，通過將傳感器技術(shù)應用在電子設(shè)備生產(chǎn)制造中，能夠有效提高信息數(shù)據(jù)采集獲取效率和質(zhì)量，推動我國該行業(yè)發(fā)展。

2.2 基于北斗衛(wèi)星的監(jiān)測系統(tǒng)

基于目前北斗衛(wèi)星優(yōu)秀的導航功能和獨特的短報文系統(tǒng)，我們便可以通過采用北斗短報文模塊加單片機作為終端，通過GPS和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，內(nèi)嵌離線地圖來實現(xiàn)野外無網(wǎng)絡條件下的信息傳輸。并以傳感器技術(shù)為輔，將傳感器的感應參數(shù)發(fā)送至北斗衛(wèi)星終端，以此來實現(xiàn)任何條件下的信息傳輸。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)的方法理論和缺點彌補

2.3.1 雙星定位的精確理論

與以往的衛(wèi)星定位方式不同，北斗衛(wèi)星與GPS都有著良好的定位功能，但是事實情況往往具有諸多不確定因素的存在，這無疑削弱了二者的能力。為了解決上述災害監(jiān)測的資源浪費問題，我們無疑需要將設(shè)備進行回收處理。因此我們可以考慮將GPS和北斗衛(wèi)星兩系統(tǒng)進行結(jié)合，來彌補彼此的弊端。在河套學院機電工程系進行的雙模定位實驗中，該方式有著相當不錯的定位能力。

2.3.2 監(jiān)測的系統(tǒng)性

現(xiàn)實情況的場景往往具有多樣性和不確定性，如果能有一種方法可以實現(xiàn)同時監(jiān)測多處災害發(fā)生情況，并進行集中處理，則能大大緩解災害監(jiān)測的壓力。LoRa是美國Semtech（升特）公司2013年發(fā)布和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離、低功耗無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗相矛盾的問題，為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)較遠距離、長電池壽命的無線技術(shù)，它具有一點對多點的功能。通過方法，理論上可以實現(xiàn)同一監(jiān)測地區(qū)，例如在同一高原、山地上多個監(jiān)測設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享，同時在總控制端對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中處理，事后發(fā)送給北斗衛(wèi)星。通過此方法便可在一定程度上彌補北斗衛(wèi)星短報文功能存在的延遲性和數(shù)據(jù)之間同時傳輸帶來的的干擾。

另外，由于LoRa擴頻技術(shù)的特性，或許能帶來一種新型功率性的近距離點對點搜尋裝置，為近距離搜尋提供新的方向。

2.3.3 擺脫依賴更具廣闊發(fā)展方向

針對以往監(jiān)測方式對于網(wǎng)絡的依賴性，本災害監(jiān)測系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星的短報文功能進行信息傳輸，可實現(xiàn)隨時、各地的信息傳輸，擺脫了對網(wǎng)絡的依賴。并且因為信息傳輸具有了及時的效果，對自然災害發(fā)生過程中的環(huán)境參數(shù)便有了及時的數(shù)據(jù)進行分析。進而為后續(xù)自然災害的預防和減災提供可行性方案。該理論方法同樣適用于其他領(lǐng)域該方面的信息傳輸。

2.3.4 低耗能、成本的優(yōu)點

相比市面上動輒數(shù)萬的昂貴監(jiān)測設(shè)備或機器人，本方法則提供了一種較為廉價的監(jiān)測設(shè)備，據(jù)估計，可將成本降至千元左右。其設(shè)備耗能和LoRa信息傳輸?shù)凸β?，相比之下，極大降低了其能量消耗，緩解了該行業(yè)市場的痛處，給災害監(jiān)測提供了一種較為不錯的發(fā)展方向。

3. 結(jié)語

北京市山洪和地質(zhì)災害情況的調(diào)研報告中對災害的分析表明，災害監(jiān)測涉及部門多，數(shù)據(jù)整合有障礙。山洪和地質(zhì)災害防治涉及的部門眾多，不同部門之間的信息資源共享存在阻隔。其中作為“前線”的災害監(jiān)測數(shù)據(jù)無疑是重中之重，唯有獲取到真實、全面、及時的數(shù)據(jù)，方可為后續(xù)工作做好充足準備。

不可否認，自然災害無疑是人類最大的敵人之一，隨著社會的發(fā)展，人們已經(jīng)懂得用科學道理、實用的方法來進行防護和預防，減少災害威脅到自己的生命。我們希望通過提供這樣一種基于北斗衛(wèi)星的自然災害監(jiān)測方法，為無論身在何處的人給予一種安全保障，為專業(yè)人士對自然災害的研究提供一種可行的方法來彌補該行業(yè)一直以來的痛處。隨著技術(shù)的不斷革新，該方法一定能將來開拓出更多更新的市場。

參考文獻：

[1]韓子夜，薛星橋.地質(zhì)災害監(jiān)測方法技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[A].中國災害防御協(xié)會.全國突發(fā)性地質(zhì)災害應急處置與災害防治技術(shù)高級研討會論文集[C].中國災害防御協(xié)會：中國災害防御協(xié)會，2010：8.

[2]林然.天線：5G與物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)終端與基站齊升[J].股市動態(tài)分析，2021（05）：54-55.

[3]陳益瀟，姜浩，趙一燃，關(guān)一江，候?qū)W凱，胡佳，牛志攀.基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在野外勘探方面的應用[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2020（01）：13-15.

[4]郝雅楠，祝彬，朱華橋.全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與特點分析[J].國防科技工業(yè)，2020（07）：20-24.

[5]劉保國，張國亭，郭永強.北斗三號短報文低軌衛(wèi)星測控應用研究[J].遙測遙控，2021，42（01）：1-6.

[6]武帥.淺析傳感器技術(shù)在機械電子中的應用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（07）：161.

[7]蘇日古格，于新海，國芳，王睿聰.基于STM32單片機的北斗/GPS雙模定位系統(tǒng)設(shè)計及測試[J].信息與電腦（理論版），2021，33（01）：123-125.

[8]趙文舉.低功耗廣覆蓋LoRa系統(tǒng)的研究與應用[D].北京郵電大學，2019.

[9]何碩文.全面統(tǒng)籌災害防治打通山區(qū)防汛堵點[N].中國應急管理報，2021-01-30（007）.