基于北斗系統(tǒng)的土地及環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

文鳳偉

（臨沂市生態(tài)環(huán)境監(jiān)察支隊蘭山大隊，山東 臨沂 276000）

引言

北斗系統(tǒng)在我國土地及環(huán)境領域的應用越來越廣泛，更是我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)中的新興力量，北斗系統(tǒng)有短報文能力，抗遮擋能力強，隨著該系統(tǒng)在全球應用范圍的擴大，大幅提升了我國環(huán)境變化監(jiān)測和預測的水平，提升了我國環(huán)境防災減災能力，提高環(huán)保技能。

1 總體設計需求與系統(tǒng)架構

1.1 滿足土地及環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的業(yè)務需求

（1）借助遙感衛(wèi)片、高點視頻監(jiān)控等方式，有效獲取一手數(shù)據(jù)，使用人工智能深度學習技術使其能夠自動識別功能，借助單目攝影測量及北斗衛(wèi)星實現(xiàn)精準定位，將定位的數(shù)據(jù)與國土規(guī)劃審批技術進行疊加，實時自動監(jiān)測跟蹤監(jiān)督，有效代替人工外業(yè)實地巡查。

（2）借助系統(tǒng)監(jiān)測我國森林資源、水域資源等自然資源的變化情況，采取更加有效的手段保護并管理自然資源。

（3）為降低地質災害對供電線路的影響，需要對山體滑坡進行連續(xù)觀測，實現(xiàn)地質變動在線監(jiān)測，圍繞基于北斗高精度定位系統(tǒng)的地質災害監(jiān)測方法，以及北斗高精定位技術和無線通信技術，獲取地質變動的動態(tài)信息，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)察人員及時準確地實施災害預防，以保證土地及環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測可靠性，支撐地質災害預警系統(tǒng)建設。

1.2 北斗系統(tǒng)的土地及環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)架構

1.2.1 原理架構

土地及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，依靠北斗數(shù)傳終端PD06（或PDSS）與網(wǎng)絡融合技術整合，將北斗物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、傳感器、北斗系統(tǒng)等信息感知設備連接，利用北斗RDSS實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控、采集和管理。達到智能識別、數(shù)據(jù)采集和傳輸、定位、監(jiān)控的目的。通過北斗進行信息交換和通信，以及北斗數(shù)傳終端PD06無線數(shù)傳設備，將采集到的信號和參數(shù)、數(shù)據(jù)輸出到服務器端，實現(xiàn)實時、連續(xù)、穩(wěn)定、快速的監(jiān)測傳輸數(shù)據(jù)。供客戶端進行土地及環(huán)境等監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)查看、遠程操作等（見圖1）。

1.2.2 設計原則

1.2.2.1 實用性

這是影響系統(tǒng)運行效果的重要因素，土地及環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)將面向不同的用戶使用需求，系統(tǒng)的實際運行效果也得到不斷的改進。同時，根據(jù)需求提供“常規(guī)監(jiān)測”和“應急監(jiān)測”，真正做到環(huán)境監(jiān)測高精度、超快速完成。

1.2.2.2 安全性

野外環(huán)境質量對生態(tài)環(huán)境安全和人體健康均有一定的影響，再加上監(jiān)控范圍分散、環(huán)境惡劣、地理位置偏遠等因素的影響，給環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸安全性帶來威脅，采用智能化的監(jiān)測儀器和安全可靠的北斗衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸方式，在確保其操作使用安全的前提下，用戶的操作權限和角色管理安全性也有一定保證，可實現(xiàn)多部分環(huán)境區(qū)域信息的采集、分析、保存等；二是基于北斗高精度定位技術的毫秒級感知能力，能迅速獲取監(jiān)測點的靜態(tài)處理位置，利用監(jiān)測點的上一相對位置與當前相對位置，就可以計算出監(jiān)測點的實時偏移變化量或累計變化量，實時掌握地質和環(huán)境變化狀態(tài)。例如：北斗高精度定位終端機作為關鍵聯(lián)結載體，擁有高精度變形監(jiān)測實力、自動控制能力和智慧化管理能力，高度適配高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)GNSS、數(shù)字化裂縫計、無線智能傾角計、數(shù)字化靜力水準儀等監(jiān)測設備，通過無線網(wǎng)絡上傳至監(jiān)控平臺，實時掌握地質和環(huán)境的狀態(tài)。

1.2.2.3 穩(wěn)定性

系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)運行的重要因素，更是決定系統(tǒng)能否保持長期運行的關鍵要素，可利用北斗短報文通信技術+數(shù)字化信息采集技術，解決土地及環(huán)境監(jiān)管單一問題，提升監(jiān)測、查詢、預警和應急處理能力。例如：在惡劣天氣下，通過北斗衛(wèi)星實時監(jiān)測，可提前預警，為環(huán)境災害關鍵期信息可靠性提供堅實保障。此外，北斗系統(tǒng)相關技術軟件均具備一定備份、容錯及恢復機制，若出現(xiàn)某些不可控因素，特別在無信號，弱信號地區(qū)，加設低功耗、高穩(wěn)定性、高精度保護措施，實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、監(jiān)控、管理和儲存的全過程。解決特殊災害環(huán)境下人工監(jiān)測的盲區(qū)。

1.2.2.4 高效性

圍繞著數(shù)據(jù)庫，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的管理與儲存，提升系統(tǒng)服務器的運行效率，對此進行了針對性的提升設計，以期滿足在接收并儲存大量數(shù)據(jù)的基礎下實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行[1]。

1.2.2.5 規(guī)范性

系統(tǒng)整體設計完全遵循相關國內外設計開發(fā)標準，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計、功能板塊設計、整體設計架構，界面風格設計及代碼風格完全符合現(xiàn)今已有標準。

1.2.2.6 開放性

使用天地圖在線 API服務的GIS服務器及MariaDB數(shù)據(jù)庫平臺和有關的開發(fā)技術能夠實現(xiàn)很好的結合，通過集成作用在系統(tǒng)中發(fā)揮各自軟件功能，促使系統(tǒng)后期維護及改革更新能夠與更加先進的高新技術進行結合進而產(chǎn)生效應。

2 北斗系統(tǒng)關鍵技術的應用

2.1 北斗多系統(tǒng)組合精密單點定位

北斗系統(tǒng)繼GPS、GLONASS之后的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，土地及環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的定位設計是基于北斗的多系統(tǒng)組合精密定位技術所實現(xiàn)。例如：目前人們使用的智能設備都具備多模定位功能，但除了北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)之外，其他系統(tǒng)只能定位到終端位置，而且必須聯(lián)網(wǎng)。北斗利用距離求解位置，借助MGEX所提供的精密衛(wèi)星中差和精密衛(wèi)星軌道形成北斗的多系統(tǒng)組合精密單點定位技術和空間冷原子鐘組裝備，實現(xiàn)精準定位。將各項誤差進行改正需建立多種模型或組合，綜合衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算出接收機的具體位置?？紤]到各種系統(tǒng)存在硬件延遲偏差，最終確定模型方法為自適應的偽距相位比隨機模型為顯示對單臺接收機進行精準的絕對定位需借助GPS/北斗/Galileo/GLONASS非差載波相位觀測值，結合基準站網(wǎng)與北斗地基增強系統(tǒng)的多系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為建設監(jiān)測系統(tǒng)提供較為穩(wěn)定的空間測量基準[2]。

2.2 彌補傳統(tǒng)衛(wèi)星通信服務短板，延伸北斗系統(tǒng)的保障能力

該項功能如同人們日常生活中的手機“發(fā)短信”功能，就是一項雙向功能，在這個過程中，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可以為接收終端發(fā)送相關訊息，通過授權服務的用戶也能反向為北斗系統(tǒng)提供信息，地質監(jiān)測中多數(shù)運用4G網(wǎng)絡，但大多數(shù)地區(qū)沒有4G，利用北斗短報文傳輸數(shù)據(jù)，解決4G網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)的難題。例如：在網(wǎng)絡盲區(qū)，通過短報文通信的優(yōu)勢，可在任何環(huán)境下追蹤實時位置，將導航、定位、授時與位置報告、短報文通信射頻基帶一體化芯片功能融合，將通信技術、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術融入環(huán)境監(jiān)測中，將指揮機搭建、通信基帶芯片成本控制、通信性能檢測、信息安全保障、用戶注冊等多個產(chǎn)業(yè)鏈維系正常運轉，使短報文服務精準授時、應急預警，即使在網(wǎng)絡盲區(qū)，也能一直在線，使高精度定位Hi-RTP和星地融合增強等系統(tǒng)融合，擴大環(huán)境監(jiān)測和應用空間。

2.3 功能的實現(xiàn)

借助北斗衛(wèi)星的多系統(tǒng)融合技術、人工智能深度學習技術、精準定位攝影測量技術，建立空間測量基準系統(tǒng)，實現(xiàn)高效識別土地及環(huán)境中的違法目標，并對其進行精準的定位，在排除虛警情況的同時，監(jiān)測環(huán)境資源的安全，提升環(huán)保工作高效性和準確性[3]。

2.3.1 土地監(jiān)測（揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)）

霧霾天氣污染嚴重，影響空氣質量，對人們的生活、工作產(chǎn)生很大的傷害，針對我國目前環(huán)境狀況，土地監(jiān)測（揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)）傳感器精度高，平臺功能完善，適合實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的場合，用戶可組網(wǎng)連接揚塵在線監(jiān)測平臺，該平臺支持遠程配置、固件更新等。例如：“北斗+InSAR”融合多傳感器，結合地質勘察技術、測斜儀、裂縫位移計、土壤濕度傳感器、雨量計監(jiān)測儀和視頻監(jiān)控等高精度設備（精度<2毫米，垂直<4毫米），對隱患點進行精準地測量，實時連續(xù)地從點到面地觀測，實現(xiàn)RTK、長時間靜態(tài)連續(xù)觀測，多分辨率監(jiān)測數(shù)據(jù)、多通道數(shù)據(jù)傳輸，形成動態(tài)監(jiān)測預警，在地質土壤邊坡穩(wěn)定性較差的情況早期，及時發(fā)現(xiàn)并預警，通過網(wǎng)絡定向發(fā)布，保護環(huán)境安全，隨時掌控環(huán)境發(fā)生的變化[4]。

2.3.2 環(huán)境污染監(jiān)測

環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)通過多種通信方式傳送至環(huán)境監(jiān)測中心站進行實時控制、數(shù)據(jù)管理及圖表生成。2023年3月2日，棗莊市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心邀請專家培訓并傳授使用監(jiān)測環(huán)境多樣性的工作及操作方式，提升工作人員在野外監(jiān)測的實操能力。6月14日，山東省開展檢測生態(tài)質量工作，范圍涵蓋棗莊市的16個生態(tài)質量監(jiān)測樣地，其中包含6個城鄉(xiāng)、2個森林及8個水體生態(tài)區(qū)，分別位于棗莊市的五區(qū)一市，技術人員詳細記錄每個點位的數(shù)據(jù)信息，反復與省生態(tài)環(huán)境檢測中心進行溝通解決在監(jiān)測中遇到的新問題[5]。

2.3.2.1 定期監(jiān)測

生態(tài)環(huán)境能夠有效避免出現(xiàn)環(huán)境污染等情況，對于直接污染環(huán)境的行為，我們更應該及時地監(jiān)測并阻止。每年農(nóng)忙結束后，都會出現(xiàn)在露天環(huán)境焚燒秸稈等行為，借助系統(tǒng)配有的熱紅外相機能夠有效鎖定熱源目標，借助可見光相機對焚燒位置進行高清拍攝留取證據(jù)，與此同時監(jiān)測平臺將迅速形成報警信息。

2.3.2.2 智能識別技術

利用智能識別可見光煙霧及火焰技術及紅外熱感技術，明確火源，準確報警著火情況，避免出現(xiàn)因非燃燒熱源產(chǎn)生的虛警。自動確定視頻中的火源位置，疊加土地基本及調查的農(nóng)田數(shù)據(jù)，判斷其是否為違法燒荒行為，準確監(jiān)測火源能夠為土地管理決策和監(jiān)察提供支持[6]。

2.3.2.3 北斗衛(wèi)星遙感與電力基建聯(lián)合，監(jiān)測地面固體污染源

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展與不斷進步，地面垃圾亂堆放造成的環(huán)境污染在我國各大城市乃至鄉(xiāng)村隨處可見，“垃圾圍城”的現(xiàn)象已十分普遍。一些固體廢物排放逐年增加，城市建設、建筑工地產(chǎn)生的灰塵成為主要監(jiān)測目標，但人工監(jiān)測對于大型項目或偏遠地區(qū)來說，效果差強人意。通過高分辨率遙感衛(wèi)星圖像提取技術，利用遙感技術對固體廢棄物進行監(jiān)測管理，建立北斗的電力基建施工地質環(huán)境監(jiān)測方法及系統(tǒng)，根據(jù)有關的遙感圖像解譯標志，定期利用高光譜和高分辨率遙感圖像進行固體廢棄物堆積的監(jiān)測（例如：一些工業(yè)、生活垃圾的堆放狀況，堆放點的分布，堆放點的面積、數(shù)量等），獲取電力基建施工地質環(huán)境布設的基準點和監(jiān)測點的位置信息，進而對偏遠地區(qū)污染源采樣，進行遙感實時監(jiān)測，一旦偏移變化量或累計變化量，與預設閾值進行對比，若超出閾值，則按照預定義報警級別進行報警，使環(huán)境監(jiān)測更加集約化和精益化。

3 結語

綜上所述，現(xiàn)今大多監(jiān)測土地及環(huán)境的手段仍需依靠人力，國內部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境局建立了移動巡查及視頻監(jiān)測系統(tǒng)，但由于缺少精準定位及智能識別，因此仍存在虛警率高、人工視頻監(jiān)察效率低等問題。而借助北斗衛(wèi)星技術，能實現(xiàn)高效識別土地及環(huán)境中的精準定位，監(jiān)測森林、水域、耕地等環(huán)境資源，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，為實現(xiàn)高效環(huán)保提供技術支撐。