任紅達(dá) 陳益瀟 秦山河 文思涵 焦一帆 尚遠(yuǎn)望

【摘要】自然災(zāi)害是當(dāng)前造成人員傷亡和從財(cái)產(chǎn)損失主要來(lái)源之一，災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警已迫在眉睫。目前市面存在的自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)或預(yù)防裝置具有較大的弊端，局限性高、成本昂貴、系統(tǒng)性低，無(wú)法普及使用，大大阻礙了該行業(yè)的發(fā)展。本文重點(diǎn)介紹了一種新型的環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(zāi)害監(jiān)測(cè);北斗衛(wèi)星;信息監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：G212 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06.086

1. 目前嚴(yán)峻的環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

在當(dāng)前科技不斷發(fā)展的過(guò)程中，由于人工建設(shè)等因素對(duì)于自然環(huán)境影響，環(huán)境災(zāi)害的發(fā)生頻率表現(xiàn)出越來(lái)越高的發(fā)展趨勢(shì)，并且環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的嚴(yán)重程度也越來(lái)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(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)成本的增加而不斷加大。單就地質(zhì)災(zāi)害而言，據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水問(wèn)地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究所統(tǒng)計(jì)資料顯示，1995～2002年，地質(zhì)災(zāi)害共造成9000多人失蹤或死亡，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害共造成直接經(jīng)濟(jì)損失524億元，緩慢性地質(zhì)災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失590億元，間接經(jīng)濟(jì)損失2700億元。地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(yīng)用于環(huán)境災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，有效的獲取到環(huán)境災(zāi)害發(fā)生時(shí)的各種信息并進(jìn)行分析，或許可以為后續(xù)自然災(zāi)害的預(yù)防和減災(zāi)提供更好的方法。

滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害雖然突發(fā)性強(qiáng)，來(lái)勢(shì)兇猛，但是這些災(zāi)害發(fā)生前有明顯的前兆。對(duì)滑坡、崩塌體和建筑的裂縫經(jīng)常進(jìn)行簡(jiǎn)易的測(cè)量，是避免人員傷亡的最有效的方法。很多地區(qū)常用的簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(duì)災(zāi)害進(jìn)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(lái)科技的發(fā)展，遙感和自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)生巨變，隨之便產(chǎn)生了較為先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法，該類監(jiān)測(cè)方法多以獲得災(zāi)害體地表的絕對(duì)變形信息為主，采用網(wǎng)式施測(cè);特別是突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的前后，具有安全、快捷等特點(diǎn)。如激光微位移監(jiān)測(cè)、測(cè)量機(jī)器人、遙感雷達(dá)監(jiān)測(cè)等。但是我們不得不承認(rèn)這種監(jiān)測(cè)方法仍存在以下較大的弊端，這主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1.1 依賴性強(qiáng)

在如今萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，4G、5G網(wǎng)絡(luò)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(guó)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(chǎng)大數(shù)據(jù)庫(kù)之一）統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)基站數(shù)量約370萬(wàn)座，5G時(shí)代下，5G基站數(shù)量將達(dá)到4G的1至2.5倍，即500至700萬(wàn)座。然而野外地區(qū)或較為偏僻的場(chǎng)地，其地區(qū)的信號(hào)塔的搭建往往不能完全覆蓋，這就導(dǎo)致基于網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)器往往失去了其有效性和及時(shí)性。并且對(duì)某些特定環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員或監(jiān)測(cè)機(jī)器人進(jìn)出監(jiān)測(cè)環(huán)境十分困難，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸，使數(shù)據(jù)喪失了時(shí)效性，給災(zāi)害監(jiān)測(cè)帶來(lái)很大不便。

1.2 機(jī)器昂貴、易于損壞

成本往往是阻礙市場(chǎng)發(fā)展的重要因素之一。而目前市場(chǎng)種存在的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備往往不盡人意，其昂貴的價(jià)格和易于損壞的性質(zhì)往往難以達(dá)到預(yù)期的普及和使用效果。并且基于當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)不斷升級(jí)的背景和電子設(shè)備維修價(jià)格的提高，安裝基于網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總成本勢(shì)必會(huì)逐漸攀升

1.3 數(shù)據(jù)、設(shè)備資源浪費(fèi)

面對(duì)紛雜的惡劣環(huán)境，如何準(zhǔn)確去除干擾因素實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在野外應(yīng)用的一大難題。若無(wú)法去除外界干擾篩選出有效的數(shù)據(jù)，這不僅無(wú)法給勘探人員帶來(lái)便利，繁復(fù)的無(wú)效信息反而會(huì)引來(lái)更多的資源損耗。其次在災(zāi)害過(guò)程中，昂貴的災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備極易造成損壞、掩埋、丟失等問(wèn)題，直接造成了設(shè)備資源浪費(fèi)，還造成了該項(xiàng)目資金投入的浪費(fèi)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)上述不足，我們認(rèn)為，只有實(shí)現(xiàn)災(zāi)害信息傳輸?shù)娜我庑浴⒌统杀净?，才能擴(kuò)大災(zāi)害監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)，簡(jiǎn)易方便的災(zāi)害監(jiān)測(cè)方式必然成為未來(lái)防災(zāi)減災(zāi)的一個(gè)趨勢(shì)。

2. 一種基于北斗衛(wèi)星的環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)完成，北斗系統(tǒng)開(kāi)啟了全球運(yùn)營(yíng)服務(wù)新時(shí)代。自2012年12月27日北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，并公布北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（ICD）正式版以來(lái)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(qiáng)，低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢(shì)明顯的特點(diǎn)，并且具有雙向通信能力，應(yīng)用場(chǎng)景十分豐富。其次北斗衛(wèi)星具有獨(dú)特的短報(bào)文通信功能。北斗短報(bào)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(dǎo)航系統(tǒng)。北斗一代的兩顆靜止軌道的衛(wèi)星，可以與國(guó)際通信衛(wèi)星一樣完成通信任務(wù)，因此它的特點(diǎn)是既能定位又能通信。將該短報(bào)文能力應(yīng)用于低軌衛(wèi)星測(cè)控中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌衛(wèi)星全軌道、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的關(guān)鍵狀態(tài)監(jiān)視、軌道控制、健康管理、載荷控制、應(yīng)用效能快速評(píng)估等應(yīng)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(guò)將傳感器技術(shù)應(yīng)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(cè)，海洋，環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，傳感器技術(shù)已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。在當(dāng)下，傳感器技術(shù)已經(jīng)于多個(gè)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(xué)者武帥曾表示，通過(guò)將傳感器技術(shù)應(yīng)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(dòng)我國(guó)該行業(yè)發(fā)展。

2.2 基于北斗衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于目前北斗衛(wèi)星優(yōu)秀的導(dǎo)航功能和獨(dú)特的短報(bào)文系統(tǒng)，我們便可以通過(guò)采用北斗短報(bào)文模塊加單片機(jī)作為終端，通過(guò)GPS和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，內(nèi)嵌離線地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)野外無(wú)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)參數(shù)發(fā)送至北斗衛(wèi)星終端，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)任何條件下的信息傳輸。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法理論和缺點(diǎn)彌補(bǔ)

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(shí)情況往往具有諸多不確定因素的存在，這無(wú)疑削弱了二者的能力。為了解決上述災(zāi)害監(jiān)測(cè)的資源浪費(fèi)問(wèn)題，我們無(wú)疑需要將設(shè)備進(jìn)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(jìn)行結(jié)合，來(lái)彌補(bǔ)彼此的弊端。在河套學(xué)院機(jī)電工程系進(jìn)行的雙模定位實(shí)驗(yàn)中，該方式有著相當(dāng)不錯(cuò)的定位能力。

2.3.2 監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)性

現(xiàn)實(shí)情況的場(chǎng)景往往具有多樣性和不確定性，如果能有一種方法可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)多處災(zāi)害發(fā)生情況，并進(jìn)行集中處理，則能大大緩解災(zāi)害監(jiān)測(cè)的壓力。LoRa是美國(guó)Semtech（升特）公司2013年發(fā)布和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)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(wèn)題，為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命的無(wú)線技術(shù)，它具有一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的功能。通過(guò)方法，理論上可以實(shí)現(xiàn)同一監(jiān)測(cè)地區(qū)，例如在同一高原、山地上多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享，同時(shí)在總控制端對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，事后發(fā)送給北斗衛(wèi)星。通過(guò)此方法便可在一定程度上彌補(bǔ)北斗衛(wèi)星短報(bào)文功能存在的延遲性和數(shù)據(jù)之間同時(shí)傳輸帶來(lái)的的干擾。

另外，由于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的特性，或許能帶來(lái)一種新型功率性的近距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)以往監(jiān)測(cè)方式對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的依賴性，本災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文功能進(jìn)行信息傳輸，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、各地的信息傳輸，擺脫了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴。并且因?yàn)樾畔鬏斁哂辛思皶r(shí)的效果，對(duì)自然災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中的環(huán)境參數(shù)便有了及時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。進(jìn)而為后續(xù)自然災(zāi)害的預(yù)防和減災(zāi)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(diǎn)

相比市面上動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)的昂貴監(jiān)測(cè)設(shè)備或機(jī)器人，本方法則提供了一種較為廉價(jià)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，據(jù)估計(jì)，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(chǎng)的痛處，給災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供了一種較為不錯(cuò)的發(fā)展方向。

3. 結(jié)語(yǔ)

北京市山洪和地質(zhì)災(zāi)害情況的調(diào)研報(bào)告中對(duì)災(zāi)害的分析表明，災(zāi)害監(jiān)測(cè)涉及部門(mén)多，數(shù)據(jù)整合有障礙。山洪和地質(zhì)災(zāi)害防治涉及的部門(mén)眾多，不同部門(mén)之間的信息資源共享存在阻隔。其中作為“前線”的災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)疑是重中之重，唯有獲取到真實(shí)、全面、及時(shí)的數(shù)據(jù)，方可為后續(xù)工作做好充足準(zhǔn)備。

不可否認(rèn)，自然災(zāi)害無(wú)疑是人類最大的敵人之一，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們已經(jīng)懂得用科學(xué)道理、實(shí)用的方法來(lái)進(jìn)行防護(hù)和預(yù)防，減少災(zāi)害威脅到自己的生命。我們希望通過(guò)提供這樣一種基于北斗衛(wèi)星的自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，為無(wú)論身在何處的人給予一種安全保障，為專業(yè)人士對(duì)自然災(zāi)害的研究提供一種可行的方法來(lái)彌補(bǔ)該行業(yè)一直以來(lái)的痛處。隨著技術(shù)的不斷革新，該方法一定能將來(lái)開(kāi)拓出更多更新的市場(chǎng)。

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