生態環境監測預警系統在乾陵遺址保護中的應用研究

張健

摘 要：該系統基于遙測RTU與北斗衛星通訊方式實現對遺址保護區陵墓周邊及內部生態環境指數的安全監測；系統完成墓冢內部與周邊環境監測參數的實時不間斷采集，并通過衛星信道將參數實時傳輸至后臺監控中心，并在管理平臺軟件上進行統計分析、存儲與實時顯示；該系統具有測量精度高、參數測量類型多、靈活性與實時性好、遠程監控便捷等特點，具有廣泛的應用推廣價值。

關鍵詞：生態環境；在線監測；遺址保護

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A

1. 引言

乾陵位于陜西省乾縣城北梁山上，距西安市80km，陵墓鑿山穿穴而建、規模宏偉、封閉嚴密、距今已1200多年。由于陵墓位于地殼表層風化巖體內，透水性強；遇水或擾動后極易失穩破壞；而遺址所處地區屬暖溫帶，大部分古遺址處于高含水狀態；同時，乾陵地處高原丘陵、溝壑區南緣的石灰巖殘丘區，滲水情況十分嚴重；而人類活動、地震等因素破壞了遺址原有封閉的地質環境，改變了遺址賦存條件；致使乾陵遺址出現諸多地質病害，若不對上述災害及時加以監測與治理將會嚴重影響到遺址及其古文物的封存[1]。

針對目前乾陵地質災害與周邊生態環境破壞的嚴峻局面，陵區管理部門擬建立一整套針對唐乾陵墓區周邊生態環境動態變化進行監測的在線監測預警系統，并在此基礎之上結合遺址保護的具體要求及工程特點探討生態環境監測所須解決的關鍵問題和防治對策，力求在遺址完整性保護與危害預測方面制定切實有效的解決方案。

2. 生態環境在線監測預警系統設計方案

2.1 整體目標設計

本系統能夠有效提升生態環境數據采集、傳輸與處理條件；增強信息處理的時效性與可靠性、縮短數據匯集與統計分析所需時間，為災害監測與預警提供快捷的氣象、環境信息和預報成果[2]。

2.2 系統結構設計

生態環境在線監測預警系統是由：前端傳感器陣列、數據采集子系統、數據傳輸子系統、衛星數據通信中心、分析預警與監測管理子系統等五大部分組成[3]：其中，數據采集部分基于遙測RTU對各傳感器采集到的數據進行匯聚、處理；數據傳輸部分則通過北斗衛星通訊系統為遙測站點與監測中心提供數據通訊；衛星數據通信中心中的衛星地面指揮機接收傳來的衛星數據并對其進行解析、處理與存儲；同時聯接GIS服務器并通過網關接口接入Internet；分析預警與綜合管理子系統為監測數據的分析預警中心，也是整個系統的后臺分析處理核心之所在[3]。

數據采集與傳輸子系統共設置3個監測站；根據實地勘驗，擬將由市電供電的采集裝置立桿布署于離墓冢西南方向約50米的邊坡頂部；周圍視野開闊，附近無大型變電設施及無線電發射裝置，便于衛星通訊終端全向天線的架設；由電池供電的采集裝置立桿布署于墓冢邊坡中上部隆起的滑坡臺階上；由太陽能供電的采集裝置立桿布署于墓冢西北方向約30米處；每套采集裝置中的RTU均與不同類別的傳感器相聯，采集到的數據通過RTU匯聚處理后由衛星通訊終端傳輸至后臺監測中心；考慮到系統長期安全、穩定、可靠運行的需要，系統中全部設置了防雷擊設備與衛星通訊終端保護裝置[4]；

2.3 主要硬件設備選型與設計

根據系統整體建設目標及技術指標的要求，我們對系統中的主要硬件設備進行如下設計：

北斗衛星數據通訊子系統主要包括北斗衛星數據通訊模塊、北斗二號衛星、北斗地面指揮機與監控中心；數據通訊端主要完成終端與空間衛星之間上、下行數據的通訊、發送監測站業務請求、接收指揮機控制指令并提供必要的顯示及數據接口；空間衛星部分由2-3顆北斗地球同步衛星組成，負責執行地面中心站與衛星通訊終端之間雙向無線電信號的中繼任務；每顆衛星主要載荷是變頻轉發器及覆蓋定位通信區域點的全波束或區域波束天線；地面指揮機部分完成與空間衛星之間上、下行數據處理并對各測站發送的業務請求進行響應，完成全部測站定位數據處理與通信數據交換工作，同時對發送方進行通信回執確認。

該子系統具有通信速度快、支持多用戶并發、抗雨衰、可靠性高、功耗低、設備結構簡單易維護等諸多優點，能夠很好地滿足陵區生態環境多參數自動監測與傳輸的應用需求。

2.4 系統軟件設計

生態環境在線監測預警系統的主要組成從軟件實現上可分為四部分：即環境監測前端、環境分析前端與環境監督管理前端；從系統架構上可分為三部分：即應用程序客戶端、網絡應用程序和數據后臺。軟件設計采用三層架構的設計方式：即通過服務器層實現應用前端與后臺數據庫的數據共享、通過Java語言和相關服務程序及XML電子數據交換格式實現網絡形式的新形態綜合管理系統。

3. 結語

系統建設目標明確、功能完備、流程清晰，具有鮮明的針對性；系統設計方面既考慮了監測功能、數據傳輸環境、測量精度要求，同時也兼顧了工程投資的經濟性與實用性；系統建設實施全過程監理，方案設計能夠完全滿足客戶實際需求，實現了系統設計的整體目標，遺址管理方通過該系統的運行能夠準確掌握陵區內環境動態信息，為遺址的環境保護與管理提供了有力支撐。

基金資助：2018年度湖北省教育廳人文社會科學基金重點項目：18D028

參考文獻

[1] 馬濤. 陜西乾陵地理_地質環境條件與病害的初步勘查與研究[J]. 西北地質，1994（4）： 57-62.

[2] 袁慧梅，湯均友. 基于NiosⅡ軟核處理器的無線電力參數監測系統[J]. 儀表技術與傳感器， 2012（9）：43-46.

[3] 何滿潮. 滑坡地質災害遠程監測預報系統及其工程應用[J]. 巖石力學與工程學報， 2009（6）：116-119.

[4] 靳紅濤，趙勇進. 高精度模數轉換芯片AD7656與DSP的接口設計[J]. 電子元器件應用， 2009（12）：14-17.