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北斗環(huán)境多要素智能監(jiān)測與大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺

作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的后起之秀，我國自主北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)近年來迅猛發(fā)展。“十二五”及未來“十三五”期間，已有和正在發(fā)展大規(guī)模的各類地基北斗 /GPS 站網(wǎng)(CORS 網(wǎng)、GNSS/MET 網(wǎng)等)，同時(shí)，空基(無人機(jī)、有人機(jī))和天基觀測載荷研制已提上日程。所有這些觀測數(shù)據(jù)將形成天空地一體化網(wǎng)絡(luò)的北斗大數(shù)據(jù)資源。隨著導(dǎo)航、定位、授時(shí)等北斗傳統(tǒng)應(yīng)用的日趨成熟(圖 1)，北斗大數(shù)據(jù)附加值發(fā)掘及新型應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn) 業(yè)鏈的拓展將前景廣闊。本項(xiàng)目為導(dǎo)航衛(wèi)星創(chuàng)新增值應(yīng)用及北斗大數(shù)據(jù)信息的深度挖掘，將干擾導(dǎo)航定位精度的大氣折射、地表反射等誤差源，“變廢為寶”為遙感探測的信號源，在突破我國自主導(dǎo)航衛(wèi) 星遙感探測關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，從地基探測和空基(無人機(jī)、有人機(jī))探測兩個(gè)層面，實(shí)現(xiàn) 軟硬件一體化的北斗/GPS 雙模氣象水文生態(tài)多要素綜合監(jiān)測系統(tǒng)。方案及成果將面向行業(yè) 應(yīng)用需求，引進(jìn)吸收國際前端技術(shù)，緊密結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢，打造內(nèi)蒙古自治區(qū)成為國內(nèi)率先開展北斗氣象水文生態(tài)增值創(chuàng)新應(yīng)用的省份，拓展北斗大數(shù)據(jù)在氣象預(yù)報(bào)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧水利、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用(圖 1)。圖 2 為北斗/GPS 環(huán)境多要素智能監(jiān)測與大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺總體方案。圍繞“數(shù)據(jù)獲取——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——分析挖掘——應(yīng)用服務(wù)”這一主線進(jìn)行。其中: 數(shù)據(jù)獲取分為地空天三類:(1)自主研發(fā)的低成本北斗/GPS 環(huán)境多要素智能監(jiān)測設(shè)備;(2)無人機(jī)搭載北斗/GPS 智能監(jiān)測傳感器;(3)GNSS 遙感衛(wèi)星。環(huán)境監(jiān)測要素包括:農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)(土壤濕度、植被水分等)、氣象水文(大氣水汽、積雪深度、水位等)、海洋(潮位、風(fēng)場、鹽度、海冰等)。該方案將充分發(fā)揮導(dǎo)航衛(wèi)星無源探測、高時(shí)空分辨率、低成本高產(chǎn)出、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢。同時(shí)，方案涉及的監(jiān)測要素及方法可實(shí)現(xiàn)同衛(wèi)星遙感(高分衛(wèi)星、降水衛(wèi)星、重力衛(wèi)星等) 監(jiān)測的有效結(jié)合和優(yōu)勢互補(bǔ)，作為國土資源實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，共同實(shí)現(xiàn)國家級、區(qū)域級空天地一體化物聯(lián)網(wǎng)遙感大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測服務(wù)。清華大學(xué)在利用地基、空基北斗/GPS 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象水文生態(tài)要素監(jiān)測技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品研發(fā)、軟硬件研發(fā)集成等方面具備豐富的研究積累，尤其針對我國自主北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)成果國內(nèi)領(lǐng)先且得到國際同行的高度認(rèn)可，開發(fā)并集成了一套完備的“北斗 /GPS 雙模多要素智能監(jiān)測”整體解決方案。除發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文外，已申請多項(xiàng)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)(表 1)，2016 年技術(shù)成果已通過軟硬件服務(wù)在青海(氣象/水利/環(huán)境)、四川(農(nóng)業(yè)/氣象)、山東(農(nóng)業(yè))、北京(科研單位)等地取得了初期經(jīng)濟(jì)效益。中心已具備的技術(shù)基礎(chǔ)與部分成果展示如圖 3-圖 6 所示，包括全國范圍地基綜合觀測站網(wǎng)建設(shè)(圖 3)、空基試驗(yàn)與技術(shù)攻關(guān)(圖 4)、監(jiān)測產(chǎn)品研發(fā)(圖 5)、軟硬件設(shè)備自主研發(fā)(圖 6)。所有這些技術(shù)積累將為本方案的順利實(shí)施提供有力保障。目前市場上尚無相關(guān)產(chǎn)品，并且本項(xiàng)目的成果產(chǎn)出可從如下幾個(gè)方向進(jìn)行多層次、全方位的市場化對接:(1)軟件模塊:研制內(nèi)容一產(chǎn)出的氣象水文生態(tài)監(jiān)測要素估算軟件模塊，可同以北斗導(dǎo)航定位為主打方向的企業(yè)對接，通過嵌入本軟件模塊，拓寬其業(yè)務(wù)范圍，在為農(nóng)業(yè)、氣象、水利等部門提供導(dǎo)航定位服務(wù)的同時(shí)，融入氣象水文生態(tài)要素同步監(jiān)測的功能。不同需求定制的軟件模塊按 1-10 萬元每套計(jì)算，初期市場年需求量預(yù)計(jì) 50 套，預(yù)計(jì)每年產(chǎn)生收益 50-500 萬元，市場成熟后可面向全國推廣，年收益可達(dá) 1000-5000 萬元。(2)監(jiān)測產(chǎn)品:研制內(nèi)容一產(chǎn)出的氣象水文生態(tài)監(jiān)測要素產(chǎn)品，如通過 SDCORS 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)附加得到的多要素監(jiān)測產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)政府買單為行業(yè)公眾提供服務(wù)。可與高校、科研院所等聯(lián)合申報(bào)國家級、省部級科研項(xiàng)目，預(yù)計(jì)單個(gè)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi) 500-1000 萬元。(3)新型監(jiān)測設(shè)備:研究內(nèi)容二所產(chǎn)出的面向氣象農(nóng)業(yè)水文應(yīng)用的北斗/GPS 雙模氣象水文生態(tài)多要素綜合監(jiān)測設(shè)備，具有低成本、小型化、多功能等優(yōu)勢，可獨(dú)立進(jìn)行市場推廣。按單套收益 5 萬元計(jì)算，初期市場年需求量 50 套，預(yù)計(jì)年收益 250 萬元，市場成熟后可面向全國推廣，年收益可達(dá) 500-3000 萬元，并可與目前市場上通用的 GNSS 定位型接收機(jī)競爭，實(shí)現(xiàn)行業(yè)接收機(jī)的更新?lián)Q代及初期市場壟斷。(4)演示系統(tǒng):研究內(nèi)容三所產(chǎn)出的北斗/GPS 雙模氣象水文生態(tài)多要素綜合監(jiān)測演示系統(tǒng)，可率先在山東省(青島市)開展示范應(yīng)用，且該創(chuàng)新應(yīng)用模式在全國具有推廣價(jià)值。可聯(lián)合申報(bào)科研項(xiàng)目，預(yù)計(jì)單個(gè)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi) 500-1000 萬元，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化推廣應(yīng)用，名利雙收。

清華大學(xué) 2021-04-11

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