生态环境监测预警系统在乾陵遗址保护中的应用研究

张健

摘 要：该系统基于遥测RTU与北斗卫星通讯方式实现对遗址保护区陵墓周边及内部生态环境指数的安全监测；系统完成墓冢内部与周边环境监测参数的实时不间断采集，并通过卫星信道将参数实时传输至后台监控中心，并在管理平台软件上进行统计分析、存储与实时显示；该系统具有测量精度高、参数测量类型多、灵活性与实时性好、远程监控便捷等特点，具有广泛的应用推广价值。

关键词：生态环境；在线监测；遗址保护

中图分类号：TP277 文献标识码：A

1. 引言

乾陵位于陕西省乾县城北梁山上，距西安市80km，陵墓凿山穿穴而建、规模宏伟、封闭严密、距今已1200多年。由于陵墓位于地壳表层风化岩体内，透水性强；遇水或扰动后极易失稳破坏；而遗址所处地区属暖温带，大部分古遗址处于高含水状态；同时，乾陵地处高原丘陵、沟壑区南缘的石灰岩残丘区，渗水情况十分严重；而人类活动、地震等因素破坏了遗址原有封闭的地质环境，改变了遗址赋存条件；致使乾陵遗址出现诸多地质病害，若不对上述灾害及时加以监测与治理将会严重影响到遗址及其古文物的封存[1]。

针对目前乾陵地质灾害与周边生态环境破坏的严峻局面，陵区管理部门拟建立一整套针对唐乾陵墓区周边生态环境动态变化进行监测的在线监测预警系统，并在此基础之上结合遗址保护的具体要求及工程特点探讨生态环境监测所须解决的关键问题和防治对策，力求在遗址完整性保护与危害预测方面制定切实有效的解决方案。

2. 生态环境在线监测预警系统设计方案

2.1 整体目标设计

本系统能够有效提升生态环境数据采集、传输与处理条件；增强信息处理的时效性与可靠性、缩短数据汇集与统计分析所需时间，为灾害监测与预警提供快捷的气象、环境信息和预报成果[2]。

2.2 系统结构设计

生态环境在线监测预警系统是由：前端传感器阵列、数据采集子系统、数据传输子系统、卫星数据通信中心、分析预警与监测管理子系统等五大部分组成[3]：其中，数据采集部分基于遥测RTU对各传感器采集到的数据进行汇聚、处理；数据传输部分则通过北斗衛星通讯系统为遥测站点与监测中心提供数据通讯；卫星数据通信中心中的卫星地面指挥机接收传来的卫星数据并对其进行解析、处理与存储；同时联接GIS服务器并通过网关接口接入Internet；分析预警与综合管理子系统为监测数据的分析预警中心，也是整个系统的后台分析处理核心之所在[3]。

数据采集与传输子系统共设置3个监测站；根据实地勘验，拟将由市电供电的采集装置立杆布署于离墓冢西南方向约50米的边坡顶部；周围视野开阔，附近无大型变电设施及无线电发射装置，便于卫星通讯终端全向天线的架设；由电池供电的采集装置立杆布署于墓冢边坡中上部隆起的滑坡台阶上；由太阳能供电的采集装置立杆布署于墓冢西北方向约30米处；每套采集装置中的RTU均与不同类别的传感器相联，采集到的数据通过RTU汇聚处理后由卫星通讯终端传输至后台监测中心；考虑到系统长期安全、稳定、可靠运行的需要，系统中全部设置了防雷击设备与卫星通讯终端保护装置[4]；

2.3 主要硬件设备选型与设计

根据系统整体建设目标及技术指标的要求，我们对系统中的主要硬件设备进行如下设计：

北斗卫星数据通讯子系统主要包括北斗卫星数据通讯模块、北斗二号卫星、北斗地面指挥机与监控中心；数据通讯端主要完成终端与空间卫星之间上、下行数据的通讯、发送监测站业务请求、接收指挥机控制指令并提供必要的显示及数据接口；空间卫星部分由2-3颗北斗地球同步卫星组成，负责执行地面中心站与卫星通讯终端之间双向无线电信号的中继任务；每颗卫星主要载荷是变频转发器及覆盖定位通信区域点的全波束或区域波束天线；地面指挥机部分完成与空间卫星之间上、下行数据处理并对各测站发送的业务请求进行响应，完成全部测站定位数据处理与通信数据交换工作，同时对发送方进行通信回执确认。

该子系统具有通信速度快、支持多用户并发、抗雨衰、可靠性高、功耗低、设备结构简单易维护等诸多优点，能够很好地满足陵区生态环境多参数自动监测与传输的应用需求。

2.4 系统软件设计

生态环境在线监测预警系统的主要组成从软件实现上可分为四部分：即环境监测前端、环境分析前端与环境监督管理前端；从系统架构上可分为三部分：即应用程序客户端、网络应用程序和数据后台。软件设计采用三层架构的设计方式：即通过服务器层实现应用前端与后台数据库的数据共享、通过Java语言和相关服务程序及XML电子数据交换格式实现网络形式的新形态综合管理系统。

3. 结语

系统建设目标明确、功能完备、流程清晰，具有鲜明的针对性；系统设计方面既考虑了监测功能、数据传输环境、测量精度要求，同时也兼顾了工程投资的经济性与实用性；系统建设实施全过程监理，方案设计能够完全满足客户实际需求，实现了系统设计的整体目标，遗址管理方通过该系统的运行能够准确掌握陵区内环境动态信息，为遗址的环境保护与管理提供了有力支撑。

基金资助：2018年度湖北省教育厅人文社会科学基金重点项目：18D028

参考文献

[1] 马涛. 陕西乾陵地理_地质环境条件与病害的初步勘查与研究[J]. 西北地质，1994（4）： 57-62.

[2] 袁慧梅，汤均友. 基于NiosⅡ软核处理器的无线电力参数监测系统[J]. 仪表技术与传感器， 2012（9）：43-46.

[3] 何满潮. 滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用[J]. 岩石力学与工程学报， 2009（6）：116-119.

[4] 靳红涛，赵勇进. 高精度模数转换芯片AD7656与DSP的接口设计[J]. 电子元器件应用， 2009（12）：14-17.