基于北斗的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：我國(guó)幅員遼闊，地形種類(lèi)多樣且地勢(shì)復(fù)雜，其中三分之二的地域是山地。給中國(guó)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了極大地理優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本課題研究了基于北斗衛(wèi)星的環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)一體化系統(tǒng)。首先，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料及分析環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中的現(xiàn)實(shí)需要，構(gòu)造監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)一體化系統(tǒng)的總體框架，為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在監(jiān)視與預(yù)報(bào)水文災(zāi)害、農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提出了有效的實(shí)現(xiàn)路徑；進(jìn)而，在理解北斗數(shù)字程控交換的技術(shù)特征和流程結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上提出了運(yùn)用3D虛擬技術(shù)，融合B/S架構(gòu)、WebLogic、JSP、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)等信息技術(shù)模擬預(yù)測(cè)場(chǎng)景變化的新

概念。

關(guān)鍵詞：北斗定位；環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用；3D虛擬技術(shù)；數(shù)字化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-00-06

0 引 言

關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，目前使用較為廣泛的有美國(guó)的GPS全球定位系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、歐盟的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]，均為無(wú)源定位。相比較而言，這些國(guó)家在衛(wèi)星定位、導(dǎo)航技術(shù)上起步較早，且經(jīng)過(guò)多年研究已取得了較大成果。近年來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在已經(jīng)擁有的較為成熟的星基增強(qiáng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)始進(jìn)一步向監(jiān)測(cè)微弱信號(hào)以及快速檢索信號(hào)方面拓展，并為了追求更高的監(jiān)測(cè)效率，在研發(fā)與改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)不斷刷新最短啟動(dòng)時(shí)間。相對(duì)于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，技術(shù)發(fā)展方面落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，但隨著近年來(lái)我國(guó)不斷加大北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研發(fā)力度，也取得了快速進(jìn)展。在未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)中，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，以航天航空事業(yè)發(fā)展為例，未來(lái)飛機(jī)管制系統(tǒng)極有可能依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航定位。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星發(fā)展見(jiàn)表1所列，表2中對(duì)目前幾種常用的通信方式的各項(xiàng)性能特點(diǎn)進(jìn)行了比較。

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)自動(dòng)化程度，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為簡(jiǎn)易人工監(jiān)測(cè)、半自動(dòng)監(jiān)測(cè)和全自動(dòng)監(jiān)測(cè)三類(lèi)。表3對(duì)這三類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了比較。可以看出，全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中具有自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要條件，代表了目前地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向[2]。

目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家大多實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能和無(wú)線電通信技術(shù)，并較為廣泛地應(yīng)用到全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。例如，美國(guó)利用太陽(yáng)能無(wú)線電通信技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)加州公路進(jìn)行全自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。我國(guó)目前正在逐步利用Internet、衛(wèi)星通信、GPRS/CDMA、GSM短信等現(xiàn)代通信技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造。但我國(guó)目前主要的監(jiān)測(cè)手段仍然是簡(jiǎn)易的人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)方式為群測(cè)群防方式[3]。

2 研究目標(biāo)

我國(guó)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，氣候差異大，地質(zhì)災(zāi)害具有分布廣、種類(lèi)多、危害大等特點(diǎn)，因此我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也具有一定的復(fù)雜性與風(fēng)險(xiǎn)性。比如地質(zhì)災(zāi)害流沙，這種由地下水和暗流引起的危險(xiǎn)的地質(zhì)環(huán)境，不僅會(huì)重創(chuàng)周?chē)纳鷳B(tài)，還會(huì)影響到陸地上因人類(lèi)生活生產(chǎn)需要所建設(shè)的大型設(shè)施，包括承擔(dān)社會(huì)交通功能的公路和鐵路，滿足人類(lèi)日常生活所需的住宅樓以及其它公共設(shè)施等。復(fù)雜且具危險(xiǎn)性的地質(zhì)因素還會(huì)連帶其它危險(xiǎn)，或引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，造成不可估量的損失。因此，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)因素，并迅速作出精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)便可有效減少不必要的損失。

我國(guó)土壤環(huán)境種類(lèi)多，如何有效監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境實(shí)時(shí)狀況是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。和傳統(tǒng)人力測(cè)量相比，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有其獨(dú)特優(yōu)越性，在執(zhí)行測(cè)量指令時(shí)，可對(duì)土壤實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)構(gòu)建虛擬環(huán)境模型及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的整合，可將模型與相關(guān)參數(shù)擬合成虛擬場(chǎng)景，以判斷未來(lái)事物發(fā)展方向，如：播種的可行性、農(nóng)作物生長(zhǎng)分析、地質(zhì)變化結(jié)果預(yù)測(cè)及規(guī)劃建設(shè)的可行性等。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有定位快速，反饋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)高度準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其自動(dòng)化的特點(diǎn)更適合大面積用于地質(zhì)、土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)。因此高精度北斗定位功能在環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境分析中起到的作用相較于傳統(tǒng)光學(xué)儀器的效果具有更為明顯的優(yōu)越性。

3 創(chuàng)新性

北斗連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)由多個(gè)固定運(yùn)轉(zhuǎn)且連續(xù)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)站共同構(gòu)成，通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)結(jié)合組建而成，可以為各類(lèi)用戶提供相應(yīng)需求的北斗衛(wèi)星觀測(cè)信息，主要包括狀態(tài)信息、位置信息、載波相位及偽距等。

（1）將北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)工作是一項(xiàng)創(chuàng)新之舉，隨之衍生的是一系列新方法、新規(guī)劃以及新措施。同時(shí)，借助衛(wèi)星定位站作參考的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在一定程度上既優(yōu)化了PTK技術(shù)，又整體處理了監(jiān)測(cè)站以及基準(zhǔn)站的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)站當(dāng)作憑依，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各項(xiàng)地質(zhì)、土壤變化情況做到有效掌握。此外，北斗衛(wèi)星獨(dú)有的短報(bào)文通信功能，能以120字/次的通信速率將信息傳達(dá)給居民，在緊急情況下做到各方快速反應(yīng)，減少傷亡。新應(yīng)用既開(kāi)拓了市場(chǎng)，又帶動(dòng)了新型企業(yè)的發(fā)展。

（2）本系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建3D虛擬環(huán)境模型及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的整合，將模型與相關(guān)參數(shù)擬合成虛擬場(chǎng)景，以判斷將來(lái)事物的發(fā)展方向，如：播種的可行性、農(nóng)作物生長(zhǎng)分析、地質(zhì)變化結(jié)果預(yù)測(cè)、規(guī)劃建設(shè)的可行性等。

（3）相較于傳統(tǒng)文字性分析系統(tǒng)，本系統(tǒng)更注重用戶體驗(yàn)，在獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)能基于對(duì)數(shù)據(jù)精度和位置關(guān)系的分析，將分析結(jié)果通過(guò)3D模型或圖表更直觀地展現(xiàn)出來(lái)。

4 主要研究?jī)?nèi)容及實(shí)現(xiàn)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、界面展示模塊。通過(guò)三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)、土壤環(huán)境進(jìn)行全方位、圖形化、高效率監(jiān)測(cè)，做到實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，盡量減少自然災(zāi)害帶來(lái)的損失，提高土地資源利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量。

4.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

模擬前端是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的一個(gè)重要部分，由基帶部分與RF部分組合而成。模擬前端體系構(gòu)造的主體部分分為下變頻器、帶通濾波器、模擬轉(zhuǎn)換器和低噪聲放大器，模擬前端的電路能夠自發(fā)進(jìn)行匯集，從而有效降低能源消耗，以達(dá)到降低成本的效果[4]。除此之外，模擬前端的特性還能夠有效縮減模擬前端的體積。在北斗衛(wèi)星接收器中，F(xiàn)PGA以及DSP是實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理通道、后續(xù)結(jié)算用戶位置以及計(jì)算星歷等各部分內(nèi)容的主要方式[5]，而整個(gè)北斗衛(wèi)星接收器的系統(tǒng)控制都由ARM7 MCU實(shí)現(xiàn)及完成。北斗衛(wèi)星接收機(jī)原理框圖如圖1所示。

在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的過(guò)程中使用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有兩個(gè)方面，分別是地下水監(jiān)測(cè)與位移監(jiān)測(cè)。在地下水監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，首先要認(rèn)識(shí)到地下水的活動(dòng)對(duì)環(huán)境具有十分重要的影響，地下水的活動(dòng)是動(dòng)態(tài)的、不穩(wěn)定的，并且還會(huì)在一定程度上受到氣候環(huán)境的影響，進(jìn)而改變活動(dòng)狀態(tài)。因此在此項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)中要針對(duì)不同的環(huán)境以及不同的氣候進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析。以此來(lái)切實(shí)掌握地下水活動(dòng)的準(zhǔn)確狀況，并結(jié)合觀察結(jié)果以及結(jié)論來(lái)判斷地下水的活動(dòng)是否能夠引起明顯的環(huán)境變化或者存在對(duì)環(huán)境造成的潛在威脅。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步掌握對(duì)應(yīng)地下水的活動(dòng)數(shù)據(jù)信息，預(yù)測(cè)可能的不利影響。由于地質(zhì)環(huán)境變化所引發(fā)的自然災(zāi)害種類(lèi)繁多，比如類(lèi)似山體滑坡以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生，就會(huì)造成毀滅性的傷害：不僅對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，而且如果災(zāi)害發(fā)生地接近人類(lèi)聚集地，就會(huì)對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。對(duì)地下水的水量以及水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)是地下水監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容。只有準(zhǔn)確掌握地下水活動(dòng)的各項(xiàng)情況，才可知地下水對(duì)地質(zhì)狀態(tài)所造成的影響是否會(huì)引起地質(zhì)災(zāi)害以及增大發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的幾率。進(jìn)行地下水活動(dòng)監(jiān)測(cè)最根本的目的是要獲取環(huán)境的各項(xiàng)信息，從而為預(yù)警提供數(shù)據(jù)參考。數(shù)字處理通道原理如圖2所示。

位移監(jiān)測(cè)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，將北斗衛(wèi)星定位技術(shù)充分運(yùn)用到監(jiān)測(cè)工作過(guò)程中，可以有效提高監(jiān)測(cè)的工作質(zhì)量與工作效率。區(qū)域位移量、滑體活動(dòng)范圍以及位移變形速度是位移監(jiān)測(cè)工作的核心內(nèi)容。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生環(huán)境變化的區(qū)域而言，位移監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是進(jìn)行地表位移監(jiān)測(cè)和深部位移監(jiān)測(cè)。而地表位移監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是平面位移量監(jiān)測(cè)與垂直位移量監(jiān)測(cè)[6]。進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)時(shí)，首先需了解當(dāng)?shù)厍闆r，大致掌握相關(guān)數(shù)據(jù)信息。然后根據(jù)實(shí)際情況妥善選擇觀察的方式。通常會(huì)借助高精度、數(shù)據(jù)接收較快的北斗衛(wèi)星接收器完成對(duì)環(huán)境的位移監(jiān)測(cè)，這是目前為止最有效、最穩(wěn)妥的一種監(jiān)測(cè)方式。實(shí)際工作中，只需借助北斗接收器，就能同時(shí)監(jiān)測(cè)水平位移與垂直位移，在提高工作質(zhì)量的同時(shí)大大提高工作效率。對(duì)深部位移監(jiān)測(cè)的常用方法包括放射性同位素法、電阻絲法、測(cè)斜儀法，三種方法中普及范圍最廣以及實(shí)用價(jià)值最高的是測(cè)斜儀法。

此外，北斗衛(wèi)星定位功能技術(shù)還可以用于設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站。在整體區(qū)域形變特征點(diǎn)上分別設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)，并將高精度、數(shù)據(jù)接收較快的北斗衛(wèi)星接收器裝配于每一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上監(jiān)察與觀測(cè)監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)的狀態(tài)與情況。監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)發(fā)生形變的程度以及是否保持水平是監(jiān)測(cè)與觀察的主要內(nèi)容[7]。通過(guò)以上信息初步判斷整個(gè)區(qū)域發(fā)生形變的情況以及嚴(yán)重程度。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的選擇是一項(xiàng)十分重要的工作，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇過(guò)程中有三項(xiàng)基本要求：（1）所選擇的地質(zhì)條件必須有發(fā)生位移的跡象且表現(xiàn)較明顯，具備地質(zhì)錯(cuò)層的地質(zhì)條件特點(diǎn)；（2）通過(guò)實(shí)際情況確定具體位置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行觀測(cè)墩的設(shè)計(jì)與建造；（3）正確識(shí)別干擾源頭并避開(kāi)，保證在工作過(guò)程中有一個(gè)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，最重要的是保證電能供應(yīng)的穩(wěn)定性與安全性。除此之外，在設(shè)計(jì)與建造觀測(cè)墩的過(guò)程中，必須將觀測(cè)墩的建造高度保持在高于1.5 m且低于1.7 m的范圍。這樣的高度可以有效避免出現(xiàn)多路徑反射，還能防止因高建筑物遮擋而出現(xiàn)不準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)[8]，使得觀測(cè)工作失去觀測(cè)價(jià)值，因此按照規(guī)范進(jìn)行觀測(cè)墩的設(shè)計(jì)與建造十分重要。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖3所示。

在建設(shè)完成監(jiān)測(cè)站基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)處理中心以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心后，在監(jiān)測(cè)環(huán)境的過(guò)程中，還要協(xié)調(diào)各合作站點(diǎn)保持良好的通信功能。而實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中各站點(diǎn)進(jìn)行有效通信與交流的主要方式是通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的北斗地質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在通信方面主要選用無(wú)線藍(lán)牙、無(wú)線WiFi以及有線光纖三種方式[9]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，既有單種方式的應(yīng)用，也有多種方式的組合應(yīng)用，最優(yōu)應(yīng)用方式需要根據(jù)實(shí)際通信情況與需求進(jìn)行選擇與組合。從地質(zhì)監(jiān)測(cè)中心點(diǎn)的布局設(shè)計(jì)上來(lái)講，間距小是中心點(diǎn)的一個(gè)重要特征。當(dāng)中心點(diǎn)普遍分布在有著豐富的植被及繁多的樹(shù)木區(qū)域之間時(shí)，若采用有線傳輸方式，則會(huì)因有線傳輸建設(shè)在遮擋物過(guò)多的情況下具有較大的局限性以及高難度操作性而難以實(shí)現(xiàn)。此時(shí)選擇無(wú)線WiFi或者無(wú)線藍(lán)牙的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的快速傳輸是不錯(cuò)的選擇，或?qū)⑦_(dá)到實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域信號(hào)全面覆蓋的目的。由于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)所需包含的數(shù)據(jù)量十分龐大，且與其他監(jiān)測(cè)站點(diǎn)距離遙遠(yuǎn)。因此考慮到實(shí)際應(yīng)用中的特殊性，通常情況下將不同的通信方式進(jìn)行組合，再加以應(yīng)用，并以此來(lái)進(jìn)一步保障信息傳輸過(guò)程的準(zhǔn)確性[10]。

4.2 數(shù)據(jù)分析模塊

北斗具有強(qiáng)大的定位功能，可以對(duì)地貌進(jìn)行精確測(cè)量，建立詳細(xì)的地形3D圖像，對(duì)地面的各區(qū)域光照時(shí)間及強(qiáng)度、坡度斜角、植被覆蓋情況、水流情況、建筑情況等進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。地面環(huán)境監(jiān)測(cè)基站在對(duì)環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有一定的區(qū)域局限性，只能對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，可以通過(guò)網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)改善該缺點(diǎn)。網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由環(huán)境檢測(cè)器、數(shù)據(jù)收集主控系統(tǒng)、通信設(shè)備、供電設(shè)備、軟件系統(tǒng)平臺(tái)組成，用于測(cè)量PM2.5、PM10、風(fēng)速風(fēng)向、空氣溫濕度、大氣壓、光照強(qiáng)度、噪聲、土壤水分含量、土壤各元素含量等網(wǎng)格化環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)。采用模塊化階梯式設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同地域環(huán)境對(duì)環(huán)境要素增加或減少相應(yīng)的模塊和傳感器數(shù)量，構(gòu)建三維環(huán)境監(jiān)測(cè)圖，將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備上傳至中控中心，運(yùn)用大數(shù)據(jù)智能分析各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)。北斗可對(duì)環(huán)境物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，地面環(huán)境監(jiān)測(cè)基站對(duì)環(huán)境化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，如果把北斗精確定位與地面環(huán)境監(jiān)測(cè)基站連接，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)。北斗與監(jiān)測(cè)基站數(shù)據(jù)整合構(gòu)思圖如圖4所示。

根據(jù)以往各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)及北斗和地面環(huán)境監(jiān)測(cè)基站對(duì)當(dāng)前環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量，并將兩者整合后與環(huán)境指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，用相應(yīng)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，借助VR、超算技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析篩選技術(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行3D建模，在各項(xiàng)數(shù)據(jù)的支持下，模擬相應(yīng)區(qū)域的場(chǎng)景，判斷事物發(fā)展方向。虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)構(gòu)思圖如圖5所示。

此功能可用于農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、運(yùn)輸、減災(zāi)救災(zāi)等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，該功能可用于播種可行性判斷、作物生長(zhǎng)分析、種植規(guī)劃等方面，通過(guò)土壤屬性等判斷適合生長(zhǎng)的作物，通過(guò)各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)以及未來(lái)的指標(biāo)變化規(guī)律判斷農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)、成熟日期等；在漁業(yè)方面，通過(guò)水質(zhì)、水流以及氣候狀況判斷最合適養(yǎng)殖的魚(yú)類(lèi)等；通過(guò)虛擬環(huán)境變化判斷地質(zhì)變化的發(fā)展方向，有效規(guī)避自然災(zāi)害造成的損失；在規(guī)劃建設(shè)方面，可對(duì)環(huán)境情況進(jìn)行有效監(jiān)控，得到相應(yīng)區(qū)域的場(chǎng)景變遷，判斷選址的安全指數(shù)，以有效規(guī)避災(zāi)害帶來(lái)的損失。

4.3 界面展示模塊

獲取數(shù)據(jù)后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)精度和位置關(guān)系的時(shí)效性對(duì)土壤、地質(zhì)變化進(jìn)行分析，氣候變化是影響其的關(guān)鍵因素。本模塊致力于將分析結(jié)果通過(guò)3D模型或圖表等直觀方式，并借助視覺(jué)語(yǔ)言，將枯燥、專業(yè)、不直觀易讀的數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為有趣、淺顯的內(nèi)容，傳達(dá)給大屏觀看者。在當(dāng)前新技術(shù)的支持下，數(shù)據(jù)可視化除了“可視”還有可交流、可互動(dòng)等特點(diǎn)[10]。該技術(shù)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)空間到圖形空間的映射，是一種抽象的表達(dá)。

對(duì)比、關(guān)系、分布和構(gòu)成是數(shù)據(jù)分析常用的4個(gè)維度。在開(kāi)始設(shè)計(jì)界面之前必須明確展示的內(nèi)容，通過(guò)圖表表達(dá)的規(guī)律和信息。聯(lián)系即數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。分布即指標(biāo)中的數(shù)據(jù)主要集中的范圍，呈現(xiàn)的規(guī)律。比較即數(shù)據(jù)之間存在差異。構(gòu)成則是數(shù)據(jù)構(gòu)成，每部分的占比。在E-Chartsl2等網(wǎng)站，可以找到常用的可視化圖表和各類(lèi)實(shí)際案例的分析，并能找到適合的圖表類(lèi)型進(jìn)行分析。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)可視化圖表類(lèi)型有柱狀圖、折線圖、餅圖、條形圖、雷達(dá)圖和地圖等。每種圖表類(lèi)型適用于不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，不可隨意使用。圖6中列舉了數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)原則和常見(jiàn)的圖表類(lèi)型。

本模塊可分為動(dòng)圖模擬、預(yù)判未來(lái)趨勢(shì)、對(duì)比顯示數(shù)值差異三部分。

（1）動(dòng)圖模擬功能

動(dòng)圖模擬可讓用戶直觀感受變量的變化過(guò)程，例如，用戶可以選擇目標(biāo)城鎮(zhèn)和具體日期，即可顯示當(dāng)天的天氣情況及二維或三維模擬動(dòng)圖。繪制靜態(tài)圖像只能看到某一時(shí)刻的圖形，但若利用Python語(yǔ)言加入時(shí)間線，則能讓用戶直觀感受變量的變化過(guò)程。在Pycharm中先創(chuàng)建一幅圖，定義圖形中曲線、散點(diǎn)、標(biāo)注等各對(duì)象，然后在不同時(shí)刻更新這些對(duì)象的數(shù)據(jù)，matplotlib會(huì)自動(dòng)根據(jù)新的數(shù)據(jù)刷新圖形。

動(dòng)圖核心函數(shù)matplotlib.animation.FuncAnimation基本用法：

anim = animation.funcanimation（fig， animate， init_func=init，frames=100，interval=20，blit=true）

fig：創(chuàng)建畫(huà)布。

animat： 重點(diǎn)部分，即每個(gè)時(shí)刻要更新圖形對(duì)象的函數(shù)，返回值和init_func相同。

init_func： 初始化函數(shù)，其返回值就是每次需更新的對(duì)象，告知FuncAnimation在不同時(shí)刻需要更新的圖形。

frames： 相當(dāng)于時(shí)刻t，確定模擬圖畫(huà)數(shù)量，不同時(shí)刻的t相當(dāng)于animat的參數(shù)。

interval： 刷新頻率，毫秒。

blit： blit是非常重要的關(guān)鍵字，用于告知?jiǎng)赢?huà)重繪修改的部分，結(jié)合保存的時(shí)間，blit=true會(huì)使動(dòng)畫(huà)顯示得非

常快[12]。

（2）預(yù)判未來(lái)趨勢(shì)功能

借助北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)處理監(jiān)測(cè)站以及基準(zhǔn)站的相關(guān)數(shù)據(jù)，可推測(cè)、預(yù)判出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。例如，用戶可通過(guò)折線圖或柱狀圖等直觀看出近期當(dāng)?shù)靥鞖怆S時(shí)間變化而變化的趨勢(shì)，比如降雨量、溫度、濕度、光照情況等。

（3）對(duì)比顯示數(shù)值差異功能

借助雷達(dá)圖在一定范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)比顯示，例如可以用實(shí)線表示此城鎮(zhèn)的數(shù)值，虛線表示平均數(shù)值，以此對(duì)比顯示各城鎮(zhèn)之間土壤、氣候環(huán)境各項(xiàng)數(shù)值的差異，同時(shí)突出了各城鎮(zhèn)的特點(diǎn)。加上文字說(shuō)明的雷達(dá)圖可以減輕用戶的閱讀負(fù)擔(dān)，更好地為用戶選擇提供參考，提升用戶體驗(yàn)。

5 應(yīng)用前景

高精度北斗定位的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)控和規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害，提升農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量等方面具有高效、準(zhǔn)確和自動(dòng)化等特性，讓產(chǎn)業(yè)具有更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。北斗衛(wèi)星定位技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作的諸多局限，例如傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作中需要消耗大量人力物力，效率低且誤差大，而基于高精度北斗定位的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使監(jiān)測(cè)工作更高效、準(zhǔn)確、智能。與此同時(shí)，我國(guó)北斗衛(wèi)星定位功能導(dǎo)航技術(shù)仍在不斷研究開(kāi)發(fā)中，在未來(lái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中必將通過(guò)不斷提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性來(lái)充分實(shí)現(xiàn)其社會(huì)效益與社會(huì)價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了通過(guò)北斗衛(wèi)星定位等技術(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究包括北斗衛(wèi)星定位信息的實(shí)時(shí)獲取、環(huán)境信息參數(shù)監(jiān)測(cè)、環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸、環(huán)境數(shù)據(jù)分析、內(nèi)容整合、模擬虛擬場(chǎng)景及展示等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境信息全方位的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。通過(guò)該系統(tǒng)能夠減輕環(huán)境監(jiān)管人員的工作量，更早發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)因素，并迅速做出精準(zhǔn)的應(yīng)對(duì)措施，可以有效減少不必要的損失，并大大提高環(huán)境監(jiān)管工作的效率和科學(xué)性。

注：本文通訊作者為羅愷韻。

參考文獻(xiàn)

[1]江一帆，潛軍偉，毛銘祺.基于北斗高精度定位技術(shù)推動(dòng)特高壓變電站地基沉降監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)模式的變革[J].數(shù)字通信世界，2018，14（2）：47.

[2]王駿，楊琦，徐文宏.基于北斗定位技術(shù)的輸電線路在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究及應(yīng)用[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2020，8（8）：54.

[3]王軍見(jiàn)，王金娜，高彥濤.北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警方面的應(yīng)用研究[J].河南科技，2018，34（2）：41-42.

[4]黃紅兵，張辰，劉俊毅，等.基于北斗定位技術(shù)的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2018，14（5）：51-53.

[5]李志偉，李克昭，趙磊杰，等.多變量灰色馬爾科夫模型在建筑物沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪地理信息，2018，43（3）：36-40.

[6]黃光龍，張欣.大數(shù)據(jù)信息可視化顯示界面設(shè)計(jì)研究[J].工業(yè)設(shè)

計(jì)，2019，15（1）：138-139.

[7]鄭戟明，柳青. Echarts在數(shù)據(jù)可視化課程中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，27（2）：9-11.

[8]何萍.信息可視化圖表架構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)意表達(dá)[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2019，40（22）：321-322.

[9]張開(kāi)智，萬(wàn)向，陳亞民.關(guān)于數(shù)據(jù)大屏可視化的設(shè)計(jì)流程與發(fā)展趨勢(shì)的分析研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（27）：130-133.

[10]胡貴偉，趙建國(guó)，王軍林.大屏幕可視化的設(shè)計(jì)和應(yīng)用發(fā)展[A].中國(guó)通信學(xué)會(huì)會(huì)議論文集[C]. 2019：295-304.