融合北斗与天通卫星通信技术的堤坝水文监测卫星图传系统

洪涝灾害是威胁我国水利基础设施安全的主要自然灾害之一，堤坝作为防洪减灾的核心工程，其动态监测的连续性、实时性直接关系到灾害应对成效。

传统堤坝水文监测体系高度依赖地面通信网络与人工巡检，存在显著技术瓶颈：

1、通信稳定性不足

极端灾害场景下，地面通信设施易因损毁或断电失效，导致监测数据传输链路中断，形成“数据孤岛”，无法为防汛决策提供连续、实时的数据支撑，这一问题在流域性洪水等灾害中表现尤为突出。

2、人工巡检效能低且风险高

传统人工巡检模式覆盖范围有限，单人次日均有效监测里程短，难以满足大范围堤坝的常态化监测需求，同时，在暴雨、滑坡等恶劣环境下，巡检人员面临的安全风险显著升高，存在安全与效率难以平衡的矛盾。

3、地面网络覆盖存在盲区

4G/5G等地面通信网络在山区峡谷、偏远流域等复杂地形区域覆盖不足，存在大量信号盲区，导致水位突变、堤坝结构形变等关键监测数据传输延迟，无法满足应急响应的时效性要求，可能因险情上报滞后而扩大灾害损失。

卫星图传系统凭借“全域覆盖、抗灾能力强”的核心优势，成为突破地面网络约束的关键技术路径。

其中，北斗卫星导航系统与天通一号卫星通信系统，均可借助先进的压缩编码技术实现图片传输。

北斗凭借短报文通信与高精度定位功能，能满足小容量应急图片数据传输需求；

天通一号则可进一步支持语音、图像等中数据量信息的高效交互，在压缩编码技术加持下，可进一步优化图片传输性能。

二者融合可构建天地一体化传输架构，为堤坝水文监测提供稳定可靠的通信保障。

本文针对融合北斗与天通技术的堤坝水文监测卫星图传系统展开研究，从系统架构设计、核心技术特性、创新方向及应用效果等维度进行阐述，为堤坝监测数字化升级提供技术参考。

一、堤坝水文监测卫星图传系统

（一）系统整体架构

堤坝水文监测卫星图传系统（图1）采用“感知－传输－处理－应用”四层协同架构，实现监测数据从采集、传输到决策支持的全流程高效处理，各层级功能设计如下：

图1堤坝水文监测卫星图传系统

1、感知层

感知层作为数据源头，通过分布式布设高精度设备构建立体化监测网络。

核心设备包括：

① 4k高清红外摄像头，具备IP68级防护与自适应夜视算法，在-40℃~70℃的极端温度范围内可实现全黑环境500m内昼夜不间断监测；

② 多参数传感器，集成水位、流速与堤坝位移监测功能，测量精度分别达±2cm、±0.05m/s与±5mm，采样间隔不大于10s，确保关键参数高频次、高准确性采集；

③ 北斗定位工卡，防爆等级达ExibIIBT4，待机时长72h，支持一键SOS卫星报警，为巡检人员安全提供保障。

2、传输层

传输层针对不同数据类型的传输需求，采用北斗与天通卫星技术动态适配方案。

北斗短报文系统主要承担报警指令、水位值等小容量结构化数据传输，解决极端环境下“应急通信”刚需；

天通一号卫星通信系统主要负责压缩图像、语音等中数据量非结构化信息交互，满足可视化监测需求。

通过智能链路切换算法，系统可根据通信质量与数据优先级自动选择最优链路，确保卫星信号接收成功率达99.5%，8级暴雨环境下仍能保持连续通信。

3、处理层

处理层采用“本地化预处理+云端深度分析”模式，平衡数据传输效率与分析精度。

边缘计算节点部署于前端（现场），与感知终端相连，通过滤波、降噪与特征提取等方式过滤无效信息，将数据量压缩60%以上；

搭载渐进式图像压缩引擎，基于分块小波变换与感兴趣区域（ROI）编码策略，可实现百倍高倍率压缩，10MB原始图像压缩至10kB后，水位刻度、堤坝裂缝等关键特征清晰度仍保持。

云端平台承担大规模数据存储、分布式AI分析任务，深度学习险情识别算法，对堤坝裂缝、管涌的识别准确率达98%以上。

4、应用层

应用层构建面向不同用户群体的交互体系，提升监测信息利用效率：

Web端监控平台采用浏览器/服务器（B/S）架构，支持多屏联动与地理信息系统（GIS）三维可视化，可将监测数据与堤坝CAD模型空间叠加，直观呈现水位变化、堤坝位移等状态；

移动端APP适配野外巡检场景，支持数据查询、预警接收与离线缓存，确保无地面网络时仍能获取关键信息；

电子围栏与人员调度模块在险情发生时可自动触发声光报警，可在GIS地图上标注事发位置与周边资源分布，辅助指挥人员快速制定处置方案。

（二）核心技术特性

系统核心技术围绕“抗干扰、高压缩、低延迟”三大需求设计：

1、抗干扰

终端设备采用“金属屏蔽腔体+自适应跳频通信”复合设计，通过电磁兼容仿真优化屏蔽层厚度与跳频序列，提升极端环境下的通信稳定性。

2、数据压缩

100倍高倍率压缩技术相较行业主流的10倍压缩方案，在数据缩减幅度提升10倍的同时，关键特征识别准确率仍保持95%以上。

3、传输延迟控制

天地一体化链路将水位、位移等监测数据的传输延迟控制在30s以内，为应急决策争取关键时间窗口。

二、系统创新与建设目标

堤坝水文监测卫星图传系统突破传统单一卫星通信的带宽约束，基于深度学习智能路由算法，实现数据类型与卫星信道的动态适配。

小容量结构化数据（如水位值、报警指令）优先分配至北斗短报文信道，中数据量非结构化信息（如压缩图像、语音）切换至天通一号链路，从根本上解决“卫星带宽有限与高清图像传输需求”的矛盾，提升通信资源利用效率。

针对堤坝监测场景的复杂气候与电磁环境，终端设备采用“金属屏蔽+跳频通信”双重抗干扰策略，通过电磁兼容仿真优化硬件结构，在暴雨、强电磁干扰环境下，卫星信号接收成功率从传统方案的85%提升至99.5%，确保监测数据传输的连续性与可靠性。

通过融合边缘计算与AI识别技术，构建“异常状态自动抓拍－数据压缩卫星回传－云端智能分析－多终端预警推送”的自动化流程，无需人工干预即可完成险情识别与信息同步，大幅缩短响应周期，提升应急处置效率。

系统可以突破对地面通信网络的依赖，在暴雨、洪水、地震等极端灾害环境下，通过北斗与天通卫星融合链路，确保水位、流速、堤坝位移及现场影像的实时传输，避免“数据孤岛”现象，为监测数据的连续性与完整性提供保障。

通过全流程自动化预警机制，将传统模式下“人工发现－上报－分析”的30min险情响应时间，缩短至5min以内，为抢险处置争取关键时间，最大限度降低灾害损失。

同时实现对人员非法入侵、堤坝滑坡、水位超限等12类安全场景的全覆盖监测，形成“监测-预警-处置”的闭环管理体系，通过精准监测与及时干预，年减少因堤坝安全事故造成的经济损失超5000万元，提升堤坝安全管理的智能化与精细化水平。

三、应用效果

（一）核心效能提升

项目实施以来，相较于传统监测方案，系统在数据传输、响应时效与运营成本方面实现显著提升：

数据传输成功率从传统方案的70%～85%提升至99.5%，确保监测数据的完整性；

险情响应时间从30min以上缩短至5min以内，应急处置效率提升83.3%；

针对100km堤坝（多个水库）监测范围，年运营成本从以人工巡检为主的80万元降至30万元，成本降幅达62.5%，实现了“降本增效”双重目标。

（二）试点实战验证

系统已在珠江中下游某重点防洪流域试点落地，覆盖100km堤坝干线及10座中型水库。

在2024年7月广州市从化区良口镇汛期，系统通过堤坝位移传感器与图像识别算法，提前3h捕捉到堤坝管涌初期迹象，同步通过天通一号/北斗三号短报文链路将压缩后的高清图像实时回传至省级指挥中心，如图2所示。

基于预警信息，指挥体系在15min内完成20人抢险队伍调度与砂石、土工布等物资调配，成功封堵管涌口，避免溃堤风险。此次事件直接规避经济损失约8000万元，涵盖周边1200亩农田、3个居民区及2条交通干线的潜在损毁价值。

图2  广州市从化区良口镇某水库暴雨前后水库卫星回传图片比对

该系统通过北斗/天通卫星与边缘计算的深度融合，成功破解了偏远地区堤坝监测的“最后一公里”瓶颈，其空天地一体化架构摆脱了对地面基础设施的依赖，为山区峡谷、偏远流域等复杂地理环境下的水利工程安全监管提供了创新方案。

系统的技术路径与实施经验对推动防汛减灾工作的数字化、智能化升级具有重要参考意义，可作为“数字孪生流域”建设的核心监测单元推广应用。

四、结语

融合北斗与天通卫星通信技术的堤坝水文监测卫星图传系统，通过“感知－传输－处理－应用”四层架构设计与多维度技术创新，有效解决了传统堤坝监测“通信断、响应慢、成本高”的痛点，构建了全域无缝覆盖的空天地一体化监测体系。

随着我国低轨卫星星座的不断完善，系统将进一步提升传输带宽与实时性，未来可拓展至地质灾害监测、矿山生态监管等户外场景，为“数字中国”建设中的安全监测领域提供可复制的技术方案，助力国家防汛减灾与应急管理能力现代化升级。