CN106066178A - 一种冰川运动监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种冰川运动监测方法及系统，包括以下：在冰川表面布设采集节点；采集节点采集冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量；将冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量传输至地面基站；根据冰川表面的三维运动加速度、表面高程以及变形量得到冰川位移量；判断所述采集节点中是否有3处及以上采集节点存在位移量；当判断结果表示是时，触发报警机制。本申请中的自动监测方法不需要人工干预，节约人力物力；本发明采用了高精度的MEMS芯片和Sirfstarii Ⅱ定位系统，并利用RF无线射频技术进行现场数据的汇聚，保证了监测数据的精度和传输的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及冰川运动监测领域，特别是涉及一种冰川运动监测方法及系统。
背景技术
全球气候变暖导致冰川区域消融加剧，从而冰川储量和面积大幅度减少。近几十年，冰川消融又出现了加剧趋势，导致许多小型冰川消融殆尽，由此也引起了一系列水资源和生态环境问题。因此，采用现代科技手段，对冰川运动进行监测显得尤为重要。随着现代科学技术的发展，对冰川研究的重点仅仅局限在冰川面积和体积的监测上，而越来越多的国家将目光放在了冰川运动姿态的监测上面。
对于冰川运动姿态的监测，常规手段是通过手持GPS、设定测量桩等方式进行监测，该类方法需要人工方式采集GPS数据、人工测定测量桩和固定桩的距离来反应冰川体的相对位置变化，该类方法较为落后也浪费人力物力，不够科学。采用卫星遥感影像图的方法对冰川体运动进行监测，该方法结合GIS技术使用DEM数据来提取相关信息，过程较为复杂，对技术人员的要求相对较高，另外天气的变化对卫星遥感影像的采集也会产生不同程度的影响，从而影响了数据的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种冰川运动监测方法及系统，通过将能够反应冰川体运动状态的装置埋设于冰川体上，监测出随冰川体的运动而发生变化，并通过无线局域网或北斗卫星传输方式将数据传输到监控中心，提高了监测的精度，并为相关技术人员进行研究分析和判断提供了依据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
在冰川表面布设采集节点；
所述采集节点采集冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量；
将所述冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量传输至地面基站；
根据所述冰川表面的三维运动加速度、表面高程以及变形量得到冰川位移量；
判断所述采集节点中是否有3处及以上采集节点存在位移量；
当所述判断结果表示是时，触发报警机制。
可选的，所述在冰川表面布设采集节点，具体为：
采用无人机抛撒的方式在冰川表面布设采集节点，所述采集节点具有休眠模式。
可选的，所述触发报警机制具体为：
通过北斗传输技术向监控中心发送报警信号。
可选的，所述三维运动加速度为X、Y、Z三个方向运动加速度。
本申请还包括一种冰川运动监测系统，其特征在于，包括以下：
采集节点布设单元，用于在冰川表面布设采集节点；
数据采集单元，用于所述采集节点采集冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量；
数据传输单元，用于将所述冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量传输至地面基站；
测量单元，用于根据所述冰川表面的三维运动加速度、表面高程以及变形量得到冰川位移量；
判断单元，用于判断所述采集节点中是否有3处及以上采集节点存在位移量；
报警单元，用于当所述判断单元的结果表示是时，触发报警机制。
可选的，所述采集节点布设单元具体采用无人机抛撒的方式进行布设。
可选的，所述报警单元用于通过北斗传输技术向监控中心发送报警信号。
本发明的冰川运动监测方法及系统，通过软件和硬件相结合的方式实现，自动监测运动态势不需要人工干预，节约人力物力；针对人力无法到达的监测区域，可采用无人机抛撒的方式进行监测网的布设；另外，本发明采用了高精度的MEMS芯片和SirfstariiⅡ定位系统，并利用RF无线射频技术进行现场数据的汇聚，保证了监测数据的精度和传输的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的冰川运动监测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的冰川运动监测系统的结构图；
图3为本发明实施例提供的地面基站功能组成图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种冰川运行监测方法。图1为本发明实施例冰川运动监测方法的流程图。如图1所示，所述方法包括：
步骤101，在冰川表面布设采集节点；
步骤102，所述采集节点采集冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量；
步骤103，将所述冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量传输至地面基站；
步骤104，根据所述冰川表面的三维运动加速度、表面高程以及变形量得到冰川位移量；
步骤105，判断所述采集节点中是否有3处及以上采集节点存在位移量；
步骤106，当所述判断结果表示是时，触发报警机制。
布设在冰川表面上的采集节点通过传感器采集冰川表面目标体三维运动加速度、表面高程、变形量等GPS定位数据，采集节点不做数据分析，将采集的数据通过无线方式传输至地面路由节点，如果传感器采集到的信息表明该处冰川体未发生移动，则该采集节点处于休眠状态节约电量，只有在监测到有变化时才启动采集节点工作并把监测信息传输到地面监测基站。为了避免单处采集节点自身采集数据失稳而误报，地面监测基站经过数据比较当前数据和之前数据，并计算两次发生位移量，同时判断是否超过3处采集节点都有数据发送过来，是则进行报警，否则不报。对冰川判定为移动的标准是经过前后两次数据的比较，分析发生的位移量，若有位移量则解译数据，分析出位移方向、加速度、发生位移量位置的经纬度坐标，再根据发生位移的数据计算出位移量。
具体的，出于低功耗及采集准确性要求，采集节点选用MSP430单片机芯片。在降低功耗的考虑上，设计休眠机制，即冰川体静止状态下采集节点处于休眠状态，只有微功耗CPU处于工作模式下，监测到ADXL362发生异常后立即启动采集任务并进行下一步工作。MSP430单片机称之为混合信号处理器，其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中，冰川监测采集节点采用锂电池供电，也是出于这个原因。MSP430其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处：1)该单片机的电源电压采用1.8V-3.6V电压，因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA；2)在该芯片系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环时候总系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶振(32.768kHz)，也可以使用两个晶振，由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对功耗的控制。在实时时钟模式下，芯片功耗可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。
MEMS三轴加速度芯片选用ADI公司的ADXL362芯片。ADXL362是一款超低功耗、3轴MEMS加速度计，输出数据速率为100Hz时功耗低于2μA，在运动触发唤醒模式下功耗为270nA。与使用周期采样来实现低功耗的加速度计不同，ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号；它采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。ADXL362通常提供12位输出分辨率；在较低分辨率足够时，还提供8位数据输出以实现更高效的单字节传送。测量范围为±2g、±4g及±8g，±2g范围内的分辨率为1mg/LSB。噪声电平要求低于ADXL362正常值550μg/7Hz的应用可以选择两个低噪声模式(典型值低至175μg/7Hz)之一，电源电流增加极小。除了超低功耗以外，ADXL362还具有许多特性来实现真正的系统级节能。该器件包含了一个深度多模式输出FIFO、一个内置微功耗温度传感器和几个运动检测模式，其中包括阙值可调的睡眠和唤醒工作模式，在该模式下当测量速率为6HZ左右时功耗低至270nA。此外，ADXL362还支持对采样时间和/或系统时钟进行外部控制。ADXL362可以在1.6V-3.5V的宽电源电压范围内工作，并且必要时可以与采用独立低电源电压工作的主机接口。重要的是，根据冰川监测特性，采集节点只给CPU芯片MSP430供电，ADXL362可在检测到运动时提供一个引脚输出给MSP430来直接控制外部开关，非运动时刻芯片处于关闭状态，这样在很大程度上降低了功耗。
GPS核心芯片是冰川GPS监测系统的关键部分之一，核心芯片的优劣在很大程度上决定了不同GPS模块的性能差异。同样考虑系统低功耗和电路稳定性方面因素，芯片选用美国SIRF公司的sirfstarii产品。SIRF公司成立于1995年2月，其产量占全球GPS芯片出货量的70％。SIRF公司的芯片由一块射频集成电路、一块数字信号处理电路和标准嵌入式GPS软件构成。射频集成电路用于检测和处理GPS射频信号，数字信号处理电路用于处理中频信号，标准嵌入式GPS软件用于搜索和跟踪GPS卫星信号，并根据这些信号求解用户坐标和速度。Sirfstarii是SIRF公司研制的第二代芯片系列，是该公司的一款低功耗产品，最大电流只有60ma，在tricklepower模式下电流只有20mA。
采集节点和地面基站的数据传输和接收采用微功率扩频无线模块YL-800IL，是一款高性能、低功耗、远距离的微功率射频无线数据收发模块，内部自动扩频计算和前导CRC纠错处理，不改变用户的任何数据和协议，采用半双工透明传输机制，实现无线代替的功能。模块的射频芯片基于扩频跳频技术，在稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度上都超越现有的GFSK模块。配置STM低功耗高速处理器，数据处理能力、运算速度均有所提高。
地面基站负责采集节点监测数据的汇聚、分析处理和传输。地面基站建在距冰川3-5km处相对平稳的地面上，采用太阳能供电方式供电，由射频无线接收部分、数据处理分析部分、太阳能供电单元、北斗卫星传输部分组成，如图3所示。基站CPU芯片选用PIC32系列单片机，PIC32系列单片机是具有USB、CAN和以太网的高性能32位闪存单片机，带5级流水线32位MIPS32M4K内核，最高80MHz频率，零等待状态闪存访问时能力为1.56DMIPS/Hz，具有单周期乘法单元和高性能除法单元。工作电压为2.3V-3.6V范围，16KB-128KB的SRAM存储器和多种功耗管理模式，有效降低功耗，主要包含动态时钟切换、打盹模式工作、基于指令的节能模式等，属于超低功耗器件。
数据监控预警中心站通过布设专业服务器及数据接收软件平台，用于冰川监测数据的接收，提供冰川监测数据预警服务。监测基站将采集到的数据通过北斗卫星传输到监控预警中心，由管理人员分析判断监测数据。
可选的，所述在冰川表面布设采集节点，具体为：
采用无人机抛撒的方式在冰川表面布设采集节点，所述采集节点具有休眠模式。
可选的，所述触发报警机制具体为：
通过北斗传输技术向监控中心发送报警信号。
可选的，所述三维运动加速度为X、Y、Z三个方向运动加速度。
本申请还包括一种冰川运动监测系统。图2为本发明实施例冰川运动监测系统的结构图，如图2所示，该系统包括：
采集节点布设单元501，用于在冰川表面布设采集节点；
数据采集单元502，用于所述采集节点采集冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量；
数据传输单元503，用于将所述冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量传输至地面基站；
测量单元504，用于根据所述冰川表面的三维运动加速度、表面高程以及变形量得到冰川位移量；
判断单元505，用于判断所述采集节点中是否有3处及以上采集节点存在位移量；
报警单元506，用于当所述判断单元的结果表示是时，触发报警机制。
可选的，所述采集节点布设单元具体采用无人机抛撒的方式进行布设。
可选的，所述报警单元用于通过北斗传输技术向监控中心发送报警信号。
本发明中冰川运动状态监测方法的流程图如图1所示。通常采集节点CPU处于休眠状态，采集节点的加速度模块具有自启动功能，当加速度模块感知到加速度发生变化后输出一个开关量信号触发采集节点CPU工作，从而启动GPS电路和加速度电路，采集到的加速度数据和GPS定位数据通过RF无线设备技术传输给地面基站。每个采集节点具有唯一的识别编号，地面基站根据接收到的采集节点的唯一识别编号判断数量是否超过3个，超过3个则先向监控中心发送报警信号警示冰川在移动，之后地面基站处理并分析采集节点发送来的监测数据，将分析后的数据发送给监控中心供技术人员作出分析判断，至此，整个过程结束。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种冰川运动监测方法，其特征在于，包括以下：
在冰川表面布设采集节点；
所述采集节点采集冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量；
将所述冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量传输至地面基站；
根据所述冰川表面的三维运动加速度、表面高程以及变形量得到冰川位移量；
判断所述采集节点中是否有3处及以上采集节点存在位移量；
当所述判断结果表示是时，触发报警机制。
2.根据权利要求1所述的冰川运动监测方法，其特征在于，所述在冰川表面布设采集节点，具体为：
采用无人机抛撒的方式在冰川表面布设采集节点，所述采集节点具有休眠模式。
3.根据权利要求1所述的冰川运动监测方法，其特征在于，所述触发报警机制具体为：
通过北斗传输技术向监控中心发送报警信号。
4.根据权利要求1所述的冰川运动监测方法，其特征在于，所述三维运动加速度为X、Y、Z三个方向运动加速度，所述X、Y、Z三个方向相互正交。
5.一种冰川运动监测系统，其特征在于，包括以下：
采集节点布设单元，用于在冰川表面布设采集节点；
数据采集单元，用于所述采集节点采集冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量；
数据传输单元，用于将所述冰川表面三维运动加速度、表面高程以及变形量传输至地面基站；
测量单元，用于根据所述冰川表面的三维运动加速度、表面高程以及变形量得到冰川位移量；
判断单元，用于判断所述采集节点中是否有3处及以上采集节点存在位移量；
报警单元，用于当所述判断单元的结果表示是时，触发报警机制。
6.根据权利要求5所述的冰川运动监测系统，其特征在于，所述采集节点布设单元具体采用无人机抛撒的方式进行布设。
7.根据权利要求5所述的冰川运动监测系统，其特征在于，所述报警单元用于通过北斗传输技术向监控中心发送报警信号。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |