专利知识讲座

基于北斗和WebGlS勺地质灾害实时监测系统1立项的依据1.1问题勺提出根据中国《地质灾害防治条例》勺规定，地质灾害是指包括自然因素或者人为活动引发勺危害人民生命和财产安全勺山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关勺灾害。

地质灾害可分为突发型和缓变型两种基本类型，其中，突发型地质灾害主要包括山体崩塌、滑坡、泥石流等，缓变型地质灾害主要有地面塌陷、地裂缝、地面沉降等。

我国地质环境条件复杂，气候条件时空差异大，地质灾害具有种类多、分布广、危害大等特点。

仅 2012 年，全国各地共发生滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等各类地质灾害 17751起。

其中造成人员伤亡或直接经济损失 50 万元以上勺地质灾害854起，全年共造成人员伤亡 1021人，其中死亡 578人，失踪 104人，受伤 339 人。

其中，滑坡和地面沉降是我国主要勺地质灾害。

除上海外，全国各省（自治区、直辖市）均存在崩塌、滑坡、泥石流灾害。

其中，福建、广东、广西、云南、四川、陕西等省（自治区）最为严重。

据初步调查，全国山区丘陵区共发现崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等灾害隐患点达 20 余万处。

地面沉降则集中在华北平原地区和长江三角洲地区。

华北平原发生地面沉降勺地区包括北京、天津、河北和山东等地勺平原地区。

北京地面沉降面积达到了 1800 余 km2，沉降量大于200mm的地区达到350km2。

天津地区主要沉降中心为塘沽、汉沽、市区等地区，最大累计沉降量为3187m m；河北地区，主要沉降中心为沧州、任丘等地区，最大累计沉降量为2457mm；山东德州沉降区最大累计沉降量达 936m m。

华北平原不同区域的沉降中心仍在不断发展，并且有连成一片的趋势。

可见，地质灾害是我国主要自然灾害之一，严重威胁着人民生命财产安全，制约着我国社会经济的可持续发展。

1.2北斗卫星系统应用现状及技术优势1 ．北斗卫星系统应用现状“北斗一号”卫星系统是我国自主研发的拥有自主知识产权的军民两用的导航定位系统，是我国的第一代导航定位系统，也是世界上继美国的 GPS 和俄罗斯的 GLONASS 之后的第三个已建成并投入使用的卫星导航定位系统。

下一代北斗卫星系统也正在建设之中，除了定位功能外，北斗卫星系统还具备短报文通信功能，这是目前其它全球导航卫星系统所不具备的特点。

自从 2003年 12月系统建成以来，“北斗一号”卫星系统开始应用于中国及周边地区的地质灾害监测、渔业、抢险救灾、交通运输、森林防火等领域并取得了一定的成果。

我国从 2002 年就开始研究利用“北斗一号”卫星系统传输水情信息，并且陆续建设了一批基于“北斗一号”卫星系统水文远程监测系统，截至 2006年我国已有800 多个水文监测站利用“北斗一号”卫星系统进行数据传输。

2007年 3 月我国正式建成了基于“北斗一号”卫星系统的“南沙渔船船位监测系统”。

系统为广东、广西、海南三省以及港澳地区 900多艘渔船安装了基于“北斗一号”卫星的监控设备。

该系统综合利用“北斗一号”卫星系统的定位与通信功能，在南海海域实现了渔船的实时监测管理，不仅为渔业管理部门提供船位监测、科学调度以及紧急救援指挥等功能，而且还为捕捞渔船提供导航信息、航海通告、遇险求救、海况、渔讯等服务，此外，还能为渔业经营者提供市场信息、运输信息等服务。

此外，北斗卫星系统还成功的应用于大兴安岭地区森林防火、新疆雪灾、珠峰测量等领域。

值得一提的是，在 2008 年汶川大地震期间，北斗卫星系统在救灾的过程中发挥了非常重要的作用，是当时唯一一个可以正常工作的通信系统，灾情信息通过北斗卫星在第一时间传送给相关部门，为救灾争取了宝贵的时间。

但是，整体上“北斗一号”卫星系统注册用户数量增长缓慢，北斗卫星资源闲置比较严重，据统计，全年有数亿元的资源未能充分发挥作用。

为此， 2005 年 1 月，王礼恒、杨嘉墀、屠善澄、张履谦、戚发轫和童铠六位院士根据 2004 年中国北斗导航系统论坛上反映的情况，向国务院提出《关于促进北斗导航系统应用的建议》，并提出了实施典型示范工程等相关建议。

“国家投了那么多钱在北斗导航系统的研发上，我们希望它能给国家、社会起到更大的作用，军民结合，把军用科技产品用在社会发展中。

”2．北斗卫星系统技术优势现阶段在个人消费领域的商业应用方面， GPS 一直处于垄断地位，全球汽车导航中使用的基本都是 GPS 设备。

随着北斗卫星导航系统的逐步建设，北斗系统将有希望打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。

相比较而言，北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m,授时精度优于100nso北斗应用具有以下五大优势：（1）同时具有定位与通信功能，不需要其他通信系统的支持，而GPS 则没有通信功能；（2）覆盖范围大， 24 小时全天候服务，没有通讯盲区。

北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国也可为周边国家服务；（3）特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；（4）融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富；（5）自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。

北斗卫星通信是地质灾害监测数据传输手段中一种行之有效的方法，特别是在山区、边远地区，而且，在某些应急情况下，北斗卫星通信可能是唯一的数据传输手段。

1.3国内外相关技术现状及发展趋势滑坡和地面沉降是我国两类主要的地质灾害，这里选取滑坡和地面沉降两类具有典型代表性的地质灾害监测作为例子，分析比较国内外地质灾害监测技术现状。

1．滑坡监测技术在滑坡监测方面，美国、日本等发达国家已经做了很多研究，特别是单体滑坡已经达到真正实时监测的阶段，监测内容包括地面位移、地裂缝、地下位移、地下水位和水温、以及地声等。

采用的监测技术手段包括常规人工监测、自动监测测以及GPS 和卫星通信等结合的技术手段。

近年来，我国在滑坡灾害监测方面取得了长足的进步，例如在水电、铁路、公路、矿山等部门，已经对数十个乃至数百个单体滑坡位移和孔隙水压力等指标进行了长期的监测，取得了许多宝贵的资料。

1999年 1 月，国土资源部在三峡库区秭归—新滩段建立了“长江三峡库区崩滑地质灾害监测工程试验区” ，初步建立了库区地质灾害 GPS 基准网，在局部滑坡体上建立了单体监测网，采用了滑坡位移、地下水自动监测设备。

但是，我国滑坡监测主要局限于位移和孔隙水压力监测，而对有关演化状况的其它指标，如温度、水化学场、地应力、推力等，则很少顾及。

同时我国对滑坡监测网的布置、监测仪器及精度要求等都缺乏统一的标准，使得监测数据可比性和共享性受到一定的限制。

2．地面沉降监测技术在地面沉降监测方面，美国、荷兰、日本等发达国家做了许多相关的研究。

监测的内容包括地下水水位、基岩标和分层标等，监测手段包括常规的分层标监测系统、GPS测量以及合成孔径雷达干涉测量等。

我国自 1961 年以来，在上海市开始建立区域地下水动态监测网，通过新建或利用已有地面水准点，进行市区地面沉降监测，逐步建立基岩标、分层标监测不同土层的变形特征。

1999 年以来，国土资源部在国土资源大调查中，逐步建立了上海 -苏州-无锡 -常州地区和华北地区地面沉降监测系统。

上海市建立了包括GPS测量、地下水和分层标监测所组成的自动监测系统。

2004年，北京也开始了类似上海的地面沉降自动监测系统的建设。

但是，我国的地面沉降在各地发育过程、程度和所造成的危害不同，各地采取的监测防治措施也不同，大部分发生地面沉降的地区还没有采取监测防治措施。

存在的普遍问题是缺乏区域统一规划及信息沟通，采用的仪器设备陈旧、技术落后，数据采集和分析处理的周期过长，不能适应区域地面沉降实时监测预警和防治的需要。

3．数据传输技术要实现地质灾害自动化监测，数据传输技术是关键之一，而数据传输技术依赖于现代通信技术，如 GPRS/CDMA、GSM短信、Internet、卫星通信等技术。

一般来说， GPRS/CDMA、 GSM 短信通信相对简单，易于架设，传输速率也基本满足地质灾害实时监测的需要，但是对基站依赖性强，在基站通信繁忙或者网络信号不好的时候，容易发生数据阻塞，导致数据传输延时，而且在某些偏远的地方（如山区与城市郊区）存在通信盲区，不利于建立覆盖全国范围内地质灾害实时监测系统。

Internet 传输速率快，在某些地方甚至可以用来传输视频信息。

但是In ternet是有线传输方式，不易架设，仅适合城市地质灾害监测（如城市地面沉降监测），另一方面，某些保密性要求高的地质灾害监测数据不适合在 Internet 上传输。

卫星通信最大的优点在于在很大的区域内不存在通信盲区，适合其他通信手段无法覆盖的偏远地区的地质灾害监测。

但是由于其通信容量小，运行费用比较高，不适合大数据量的地质灾害监测。

欧美等发达国家，通信基础设施相对完善，大部分地质灾害监测都采用了通信技术手段实现了自动化实时监测。

采用的通信技术主要包括电话网、GPRS/CDMA、GSM，甚至有些地质灾害监测采用In ternet传输视频信息，在某些常规通信不能覆盖的地方或者紧急情况下，则采用卫星通信技术传输地质灾害监测数据，如Inmarsat移动卫星通信技术、VAST卫星通信技术。

如日本的Kizuna 卫星一个很重要应用就是地质灾害监测以及地质灾害发生后的紧急救援。

我国也在逐步的利用各种现代通信技术建立地质灾害监测系统。

目前应用最多的数据传输技术是 GPRS/CDMA 以及短信通信，首先，这些技术是基于无线通信网络，架设维护相对比较方便，而且建设成本也相对比较低，另外，覆盖面比较广。

此外，也有部分地质灾害监测系统采用了卫星通信技术传输监测数据，如前面提到的Inmarsat卫星通信。

但是，商业卫星通信费用高昂，不适合大规模的应用，而且卫星终端野外适应性也不够强。

当然，目前也有个别灾害监测场合采用北斗卫星系统，如水文监测，但是整体上应用范围比较小，还没有实现全国性的监测网络。

就目前我国地质灾害监测主要采用的数据传输技术来说，存在两个无法回避的缺陷。

一是常规的数据传输技术，如 GPRS/CDMA 等，存在通信盲区，尤其是在山区、边远地区。

因此，常规的数据传输技术不能满足建立全国性地质灾害监测系统的要求。

二是GPRS/CDMA 等技术过于依赖基站，一旦通信繁忙或者基站遭到破坏时，地质灾害监测系统将无法正常运转，这一点在地面通信基础设施遭到地质灾害破坏后（如地震、洪水、冰灾等）显得尤为突出。