基于北斗系统的土地及环境在线监测系统设计与实现

文凤伟

（临沂市生态环境监察支队兰山大队，山东 临沂 276000）

引言

北斗系统在我国土地及环境领域的应用越来越广泛，更是我国环保产业中的新兴力量，北斗系统有短报文能力，抗遮挡能力强，随着该系统在全球应用范围的扩大，大幅提升了我国环境变化监测和预测的水平，提升了我国环境防灾减灾能力，提高环保技能。

1 总体设计需求与系统架构

1.1 满足土地及环境在线监测系统的业务需求

（1）借助遥感卫片、高点视频监控等方式，有效获取一手数据，使用人工智能深度学习技术使其能够自动识别功能，借助单目摄影测量及北斗卫星实现精准定位，将定位的数据与国土规划审批技术进行叠加，实时自动监测跟踪监督，有效代替人工外业实地巡查。

（2）借助系统监测我国森林资源、水域资源等自然资源的变化情况，采取更加有效的手段保护并管理自然资源。

（3）为降低地质灾害对供电线路的影响，需要对山体滑坡进行连续观测，实现地质变动在线监测，围绕基于北斗高精度定位系统的地质灾害监测方法，以及北斗高精定位技术和无线通信技术，获取地质变动的动态信息，为生态环境监察人员及时准确地实施灾害预防，以保证土地及环境数据监测可靠性，支撑地质灾害预警系统建设。

1.2 北斗系统的土地及环境在线监测系统架构

1.2.1 原理架构

土地及环境监测系统，依靠北斗数传终端PD06（或PDSS）与网络融合技术整合，将北斗物联网监测、传感器、北斗系统等信息感知设备连接，利用北斗RDSS实现数据传输、监控、采集和管理。达到智能识别、数据采集和传输、定位、监控的目的。通过北斗进行信息交换和通信，以及北斗数传终端PD06无线数传设备，将采集到的信号和参数、数据输出到服务器端，实现实时、连续、稳定、快速的监测传输数据。供客户端进行土地及环境等监测参数数据查看、远程操作等（见图1）。

1.2.2 设计原则

1.2.2.1 实用性

这是影响系统运行效果的重要因素，土地及环境在线监测系统将面向不同的用户使用需求，系统的实际运行效果也得到不断的改进。同时，根据需求提供“常规监测”和“应急监测”，真正做到环境监测高精度、超快速完成。

1.2.2.2 安全性

野外环境质量对生态环境安全和人体健康均有一定的影响，再加上监控范围分散、环境恶劣、地理位置偏远等因素的影响，给环境监测数据传输安全性带来威胁，采用智能化的监测仪器和安全可靠的北斗卫星通信数据传输方式，在确保其操作使用安全的前提下，用户的操作权限和角色管理安全性也有一定保证，可实现多部分环境区域信息的采集、分析、保存等；二是基于北斗高精度定位技术的毫秒级感知能力，能迅速获取监测点的静态处理位置，利用监测点的上一相对位置与当前相对位置，就可以计算出监测点的实时偏移变化量或累计变化量，实时掌握地质和环境变化状态。例如：北斗高精度定位终端机作为关键联结载体，拥有高精度变形监测实力、自动控制能力和智慧化管理能力，高度适配高精度卫星定位系统GNSS、数字化裂缝计、无线智能倾角计、数字化静力水准仪等监测设备，通过无线网络上传至监控平台，实时掌握地质和环境的状态。

1.2.2.3 稳定性

系统的稳定性是系统运行的重要因素，更是决定系统能否保持长期运行的关键要素，可利用北斗短报文通信技术+数字化信息采集技术，解决土地及环境监管单一问题，提升监测、查询、预警和应急处理能力。例如：在恶劣天气下，通过北斗卫星实时监测，可提前预警，为环境灾害关键期信息可靠性提供坚实保障。此外，北斗系统相关技术软件均具备一定备份、容错及恢复机制，若出现某些不可控因素，特别在无信号，弱信号地区，加设低功耗、高稳定性、高精度保护措施，实时数据采集、传输、监控、管理和储存的全过程。解决特殊灾害环境下人工监测的盲区。

1.2.2.4 高效性

围绕着数据库，通过优化数据库对数据的管理与储存，提升系统服务器的运行效率，对此进行了针对性的提升设计，以期满足在接收并储存大量数据的基础下实现系统的高效运行[1]。

1.2.2.5 规范性

系统整体设计完全遵循相关国内外设计开发标准，系统的数据库设计、功能板块设计、整体设计架构，界面风格设计及代码风格完全符合现今已有标准。

1.2.2.6 开放性

使用天地图在线 API服务的GIS服务器及MariaDB数据库平台和有关的开发技术能够实现很好的结合，通过集成作用在系统中发挥各自软件功能，促使系统后期维护及改革更新能够与更加先进的高新技术进行结合进而产生效应。

2 北斗系统关键技术的应用

2.1 北斗多系统组合精密单点定位

北斗系统继GPS、GLONASS之后的卫星导航系统，土地及环境在线监测系统的定位设计是基于北斗的多系统组合精密定位技术所实现。例如：目前人们使用的智能设备都具备多模定位功能，但除了北斗卫星定位系统之外，其他系统只能定位到终端位置，而且必须联网。北斗利用距离求解位置，借助MGEX所提供的精密卫星中差和精密卫星轨道形成北斗的多系统组合精密单点定位技术和空间冷原子钟组装备，实现精准定位。将各项误差进行改正需建立多种模型或组合，综合卫星数据计算出接收机的具体位置。考虑到各种系统存在硬件延迟偏差，最终确定模型方法为自适应的伪距相位比随机模型为显示对单台接收机进行精准的绝对定位需借助GPS/北斗/Galileo/GLONASS非差载波相位观测值，结合基准站网与北斗地基增强系统的多系统数据，为建设监测系统提供较为稳定的空间测量基准[2]。

2.2 弥补传统卫星通信服务短板，延伸北斗系统的保障能力

该项功能如同人们日常生活中的手机“发短信”功能，就是一项双向功能，在这个过程中，北斗卫星系统可以为接收终端发送相关讯息，通过授权服务的用户也能反向为北斗系统提供信息，地质监测中多数运用4G网络，但大多数地区没有4G，利用北斗短报文传输数据，解决4G网络覆盖盲区的难题。例如：在网络盲区，通过短报文通信的优势，可在任何环境下追踪实时位置，将导航、定位、授时与位置报告、短报文通信射频基带一体化芯片功能融合，将通信技术、区块链、大数据、人工智能等新兴技术融入环境监测中，将指挥机搭建、通信基带芯片成本控制、通信性能检测、信息安全保障、用户注册等多个产业链维系正常运转，使短报文服务精准授时、应急预警，即使在网络盲区，也能一直在线，使高精度定位Hi-RTP和星地融合增强等系统融合，扩大环境监测和应用空间。

2.3 功能的实现

借助北斗卫星的多系统融合技术、人工智能深度学习技术、精准定位摄影测量技术，建立空间测量基准系统，实现高效识别土地及环境中的违法目标，并对其进行精准的定位，在排除虚警情况的同时，监测环境资源的安全，提升环保工作高效性和准确性[3]。

2.3.1 土地监测（扬尘在线监测系统）

雾霾天气污染严重，影响空气质量，对人们的生活、工作产生很大的伤害，针对我国目前环境状况，土地监测（扬尘在线监测系统）传感器精度高，平台功能完善，适合实时监测现场环境数据的场合，用户可组网连接扬尘在线监测平台，该平台支持远程配置、固件更新等。例如：“北斗+InSAR”融合多传感器，结合地质勘察技术、测斜仪、裂缝位移计、土壤湿度传感器、雨量计监测仪和视频监控等高精度设备（精度<2毫米，垂直<4毫米），对隐患点进行精准地测量，实时连续地从点到面地观测，实现RTK、长时间静态连续观测，多分辨率监测数据、多通道数据传输，形成动态监测预警，在地质土壤边坡稳定性较差的情况早期，及时发现并预警，通过网络定向发布，保护环境安全，随时掌控环境发生的变化[4]。

2.3.2 环境污染监测

环境污染监测系统通过多种通信方式传送至环境监测中心站进行实时控制、数据管理及图表生成。2023年3月2日，枣庄市生态环境监测中心邀请专家培训并传授使用监测环境多样性的工作及操作方式，提升工作人员在野外监测的实操能力。6月14日，山东省开展检测生态质量工作，范围涵盖枣庄市的16个生态质量监测样地，其中包含6个城乡、2个森林及8个水体生态区，分别位于枣庄市的五区一市，技术人员详细记录每个点位的数据信息，反复与省生态环境检测中心进行沟通解决在监测中遇到的新问题[5]。

2.3.2.1 定期监测

生态环境能够有效避免出现环境污染等情况，对于直接污染环境的行为，我们更应该及时地监测并阻止。每年农忙结束后，都会出现在露天环境焚烧秸秆等行为，借助系统配有的热红外相机能够有效锁定热源目标，借助可见光相机对焚烧位置进行高清拍摄留取证据，与此同时监测平台将迅速形成报警信息。

2.3.2.2 智能识别技术

利用智能识别可见光烟雾及火焰技术及红外热感技术，明确火源，准确报警着火情况，避免出现因非燃烧热源产生的虚警。自动确定视频中的火源位置，叠加土地基本及调查的农田数据，判断其是否为违法烧荒行为，准确监测火源能够为土地管理决策和监察提供支持[6]。

2.3.2.3 北斗卫星遥感与电力基建联合，监测地面固体污染源

随着经济社会发展与不断进步，地面垃圾乱堆放造成的环境污染在我国各大城市乃至乡村随处可见，“垃圾围城”的现象已十分普遍。一些固体废物排放逐年增加，城市建设、建筑工地产生的灰尘成为主要监测目标，但人工监测对于大型项目或偏远地区来说，效果差强人意。通过高分辨率遥感卫星图像提取技术，利用遥感技术对固体废弃物进行监测管理，建立北斗的电力基建施工地质环境监测方法及系统，根据有关的遥感图像解译标志，定期利用高光谱和高分辨率遥感图像进行固体废弃物堆积的监测（例如：一些工业、生活垃圾的堆放状况，堆放点的分布，堆放点的面积、数量等），获取电力基建施工地质环境布设的基准点和监测点的位置信息，进而对偏远地区污染源采样，进行遥感实时监测，一旦偏移变化量或累计变化量，与预设阈值进行对比，若超出阈值，则按照预定义报警级别进行报警，使环境监测更加集约化和精益化。

3 结语

综上所述，现今大多监测土地及环境的手段仍需依靠人力，国内部分地区生态环境局建立了移动巡查及视频监测系统，但由于缺少精准定位及智能识别，因此仍存在虚警率高、人工视频监察效率低等问题。而借助北斗卫星技术，能实现高效识别土地及环境中的精准定位，监测森林、水域、耕地等环境资源，实现实时在线监测，为实现高效环保提供技术支撑。