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标题: 形变监测行业专题研究：形变监测东风初起 [打印本页]

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作者: Nino    时间: 2022-7-21 09:41
标题: 形变监测行业专题研究：形变监测东风初起
高精度定位是形变监测的重要依仗
精准化、智能化是形变监测下一阶段的发展方向

形变得以监测，生命财产安全得以保障。物体的形状变化在自然界及日常生活中较为常 见，比如地表的隆起或塌陷、大坝的崩塌、桥梁的倒塌、桥梁的倾斜等。这种变化往往 是由微小的形变量不断积累，通过量变引发某一时刻的宏观位移，从而造成巨大的灾害 和损失。以滑坡为例，斜坡上的岩石、土壤，长时间受到自然（如河流、地震等）和人 为因素影响，在重力作用下，就有可能沿着软弱层面向下滑动。我国属于地质灾害较严 重的国家，根据自然资源部披露，2021 年全国发生地质灾害 4772 起，造成 80 人死亡、 11 人失踪，直接经济损失达 32 亿。当前，地质灾害和工程建筑隐患仍无法被完全消除， 但可以通过监测和预测手段减少灾害的发生和损失。

形变监测逐渐从“被动”向“主动”转变。中国形变监测起步较晚，但发展迅速，技术、 方法的发展推动监测从被动治理逐渐转变为主动预防。该行业可分为三个发展阶段：简 易观测阶段手段单一，使用工具简单，依赖人工的检查、测量，难以及时发现异常状况； 仪器监测阶段采用人工巡查和仪器测量相结合的方式，利用各种仪器大大提升监测精度； 监测系统阶段将各种仪器和技术高度集成，促使监测向智能化发展。

作为“事后”向“事前”转变的核心手段，形变监测重要性日益凸显。形变监测利用测 量与专用仪器和方法开展对变形体的变形现象进行持续观测、对其变形形态进行分析和 发展态势进行预测等各项工作。其任务是确定在各种载荷和外力作用下，变形体的形状、 大小及位置变化的空间状态和时间状态，根据前后测量结果对比数据分析，发现其变化 特征，从而判断和预测变形，并及时、有效地采取防护措施，减少灾害发生。我国隐患 点数量较多且类型繁杂，监测系统的发展和普及仍需时间，精准化、智能化将成为下一 阶段发展的主题。

形变监测的意义在于数据分析和预测预警，精准化与智能化系统有望全面普及。随着我 国近几年地质灾害的频发和基础设施的大规模建设，需要监测的场景越来越多。具体来 看，对象场景涉及地质灾害、桥梁、水库大坝、高速公路等，不同的场景应用搭配不同 的传感器设备，如 GNSS 接收机、测斜仪、位移计、裂缝计、监测雷达等。所涉及技术 包括高精度定位技术、传感器技术、通信技术等。使用精度高、时间精准的形变监测系 统，在灾害发生前做出准确预测预警，对减少灾害具有重要的作用。

国家政府推进地质灾害防治工作已初见成效。我国地质灾害分布广、危害大，截至 2020 年底，全国已发现地质灾害隐患点超 33 万处，亟需从注重灾后救助向注重灾前预防转 变。根据国家自然资源部披露，2021 年全国共发生地质灾害 4772 起，造成 91 人伤亡 （失踪），直接经济损失 32 亿元。与前五年同期平均值相比，2021 年地质灾害发生数 量、造成的死亡失踪人数分别减少 30.3%和 63.2%，直接经济损失持平；与上年同期相 比，则分别对应减少 39.1%、34.5%、36.3%。2022 年自然资源部将继续推动地质灾害 群专结合监测预警实验面，并计划建设 20040 处地质灾害预警实验点。总体来说，我国仍有大量地质灾害隐患未发现，且隐患点监测覆盖面较低，形变监测仍是地质灾害防治 的重点。

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高精度定位技术是形变监测发展的关键

形变监测核心在于监测位移，高精度的定位设备和技术是其最核心的部件。2020 年行 业高精度应用发展迅速，在电力、精准农业、形变监测等细分市场中的基础设施建设、 高精度器件和产品的销售规模呈现加速增长趋势，其中国内市场各类精度应用终端（含 测量型接收机）总销量接近 150 万台。目前市面上常见的 GNSS 定位设备（接收机） 按精度可分为 3 类：1~10 米级别、分米至厘米级别和毫米级别，三类设备的定位精度 差异主要由内部的 GNSS 接收机芯片决定，其中实时定位的设备，在接收机处理器解码 卫星信息后，导航处理会存在多种不同的算法模式（单点定位、SBAS、RTD、RTK 等）， 不同的算法导致不同的定位精度，而测量型接收机往往会将解码的卫星信号保存下来， 用于事后分析解算，从而获得更高精度的定位结果。

应用领域逐渐拓宽，地质灾害监测成为发力点。GNSS 定位技术与现代通信技术及计算 机技术结合，促使监测逐步走向全天时全天候、实时、高精度、连续、自动化，现已广 泛应用于形变监测领域，如沉降监测、水资源安全监测、高速公路监测等。其中，地质 灾害监测主要利用高精度定位获取被监测对象实时三维坐标变化实现预警预报，近年来 受到国家主管部门的高度重视和推动支持，呈现高速的发展态势，成为行业主要发力点。 随着北斗三号全球组网，导航卫星核心性能的提升将助力构建定位更精准、应用更全面 的监测系统。

形变监测将向高精度、自动化、智能化方向发展，高精度定位技术将起关键作用。目前， 常用高精度定位设备有动态和静态相对定位两种方式，精度分别可达厘米级和毫米级， 实际监测场景中，由于变形通常处于微小的量级，监测系统一般采用 GNSS 测量型接收 机。考虑到测量误差和监测需求，定位精度决定了监测系统的可用性和可靠性，因此相 关技术发展的目标和首要任务是不断提高形变监测的精度和监测仪器的性能，这使得高 精度定位技术逐渐成为行业技术革新的催化剂。

美国、日本形变监测发展模式可供参考

地质灾害、建筑物等的形变隐患是一个全球性问题，世界各国在发展过程中结合自身实 际情况，探索出了各自的发展路径和经验。我国幅员辽阔，地质条件复杂，平原、丘陵 地区易发生地面沉降与塌陷，山地地区易发生斜坡变形破坏，监测应根据时空分布采用 合适的手段推进。美国地广人稀，地质灾害多发，十分重视地质灾害的防治，为工程和 政策制度有机结合提供了契机；日本人口密集，是自然灾害最多的国家之一，建立了法 制化的防灾减灾管理体系。此外，美国和日本在基础设施建设上均处于全球领先水平， 对高楼、桥梁等工程建筑物建立了较完善的监测体系，其发展模式对我国具有参考意义。

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美国重视地质灾害的预测和预防，尤其是对重点区域开展监测，其建立了全国范围内的 灾害网络，包括监测、预报、救灾、通讯等，各服务系统可对灾情的自动响应。美国地 质灾害调查局 USGS 成立于 1879 年，不断扩展和强化地震、滑坡、火山等地质灾害监 测网络并保障监测站点可靠性，且实现了重点监测站点实时监测。美国海岸线长，处于 环太平洋火山带，据 Smithsonian Institution 统计，美国是世界上全新世火山数量最多 的国家，达到 161 个，其 1960 年以来活跃火山数达到 40 个，仅次于印度尼西亚。目 前，USGS 已建立 21 个山体滑坡监测站和 5 个火山观测站，后者建立了由 300 多个 GPS 连续运行参考站组成的活动火山监测网络，全天候不间断地对全国各地潜在的活 动火山进行高精度形变监测。此外，其数据采集和分发能力为社会公众提供了数据入口。

日本地处板块边缘，地势狭长陡峭，地质条件差，在长期与灾害抗争的过程中，建立了 具有世界领先水平的防灾、减灾、抗灾、救灾综合应对体系。日本拥有齐全的防灾救灾 法律，相关法律法规达到 200 多部，从制度层面助力构建全国防治体系；经济基础雄厚、 科技实力强劲，对相关计划均有专门的国家预算予以特别支持，如：灾害科研、灾情监 测等。日本人多地少，人口和建筑密度较高，虽然地理环境恶劣，但其高楼建筑仍位居 世界前列。日本频发强烈的地震活动以及季节性强风和台风，针对此类极端事件，基础 设施（如大跨度桥梁）、高层建筑等建筑结构监测成为重点。常规监测系统的大规模建 设逐渐在实时结构监测、养护、管理等环节发挥用武之地。

工业化促进我国社会经济和工程技术迅速发展，然而也引发了滑坡、泥石流、地面塌陷、 地裂缝、地面沉降等地质灾害；随着经济的高速发展和人口的快速增长，桥梁、高层建 筑、公路铁路等建筑设施也迅速增加，易产生位移、倾斜、裂缝等形变风险。上述问题 易造成巨大生命财产安全损失，给我国安全监测带来了更大的挑战。

相比发达国家，我国形变监测起步较晚，美国、日本的地质灾害和工程建筑水平与我国 有相似性，其发展经验值得借鉴。结合实际情况，对于地质灾害，我国仍需加强政府推 动和规范，扩展和强化形变监测，尤其需对重点分布区域加强监控，形成覆盖范围广、 控制程度高、测量精度高的监测网络系统；对于桥梁等基础设施，根据结构变化，加强 科技赋能，有望实现以形变监测提供健康状况预警。

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行业拐点已至，政策+市场双驱
政策端：重视程度不断提高，近年法规密集发布

隐患意识觉醒，政府对形变监测重视程度不断提高。自 2003 年国务院发布《地质灾害 防治条例》起，国家不断加强对形变监测发展的支持力度，推动地质灾害监测体系建设。 中央财政从 2009 年起设立特大型地质灾害防治专项资金，用于实施重大隐患点的监测 预警、勘察等。2011 年国务院发布《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》，明确 提出“要加密部署气象、水文、地质灾害等专业监测设备，加强监测预报”。我国是基础 设施建设大国， 除了地质灾害需要监测外，桥梁、水库大坝、高速公路等基建也是形变 监测的重要落地场景。2013 年水利部发布《水利部关于加强水库大坝安全监测工作的 通知》，提出“建设大坝自动化监测系统”和“开展大坝形变观测及渗压监测”。随着我 国社会经济日渐增强，政府逐渐将地质灾害及建筑工程隐患问题列入工作内容。

十四五规划期间政府持续发力，形变监测相关政策出台频率进一步加快，推动各监测场 景应用落地。2020 年 12 月，《交通运输部关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意 见》点明未来工作目标：“到 2025 年，跨江跨海跨峡谷等特殊桥梁结构健康监测系统全 面建立；到 2035 年，公路桥梁结构健康监测系统全面建立”。《中华人民共和国国民经 济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》于 2021 年 3 月正式发布， 提出“开展灾害事故风险隐患排查治理，实施公共基础设施安全加固和自然灾害防治能 力提升工程”。2021 年 12 月，国务院批复《“十四五”水库除险加固实施方案》，强调 “加快病险水库除险加固，消除大坝安全隐患，加强监测预警设施建设”。2021 年起， 多个地质灾害、水库大坝等相关政策陆续发布，刺激行业市场拐点出现。2022 年 4 月， 交通运输部印发《“十四五”公路养护管理发展纲要》，明确“到 2025 年，实现高速公 路技术状况（MQI）优等路率保持在 90%以上，高速公路路面技术状况（PQI）优等路 率保持在 88%以上”，并指出要“加快公路技术状况检测监测及养护装备研发”。

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产业端：北三组网完成，产业链及技术完备

北斗三号组网完成，高精度定位将助力构建北斗形变监测产业链。北斗三号已于 2020 年全面建成，中国境内已建成高精度卫星定位增强网，最高精度可达实时处理厘米级、 事后处理毫米级。北斗系统的研制成功突破了美国的技术封锁，具有重大的国家战略意 义。相比 GPS 系统，北斗系统具有后发优势，使用三频信号更好地消除高阶电离层延 迟影响，且高轨卫星数量多，抗遮挡能力强，从而提高了定位可靠性和抗干扰能力。北 斗的平面精度与高程精度水平基本相当，而 GPS 系统的高程精度则成为软肋，特别在 亚太地区，北斗三号系统的信号和性能远好于 GPS。随着北斗产业链的全面升级，GPS 的垄断被打破，北斗定位导航进一步渗透到民用领域，其高精度定位将广泛服务于形变 监测。

产业链逐渐成熟，核心部件发展迅速

形变监测系统产业链主要可分为三部分：传感器、数据传输、数据处理和控制系统。其 中，传感器是监测点功能的关键。监测系统常常涉及多个监测点，针对不同的监测内容 需配置不同类型的传感器，各场景虽然应用有差异，但所用技术存在相通性，常用的传 感器包括 GNSS 接收机、裂缝计、倾角计、测斜仪、压力计等。（报告来源：未来智库）

在诸多传感器中，GNSS 接收机为最核心、价值量最高的传感器，在各场景中均有应用。 GNSS 接收机通过对卫星信号接收，内部信号处理，搭配解算算法，可得出高精度位置， 从而监测各类结构物的水平和垂直位移变化，高精度的 GNSS 测量型接收机是监测系 统中重要的决策依据。

来源：未来智库

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