2022年形變監(jiān)測行業(yè)專題研究

1、2022年形變監(jiān)測行業(yè)專題研究1.高精度定位是形變監(jiān)測的重要依仗精準化、智能化是形變監(jiān)測下一階段的發(fā)展方向形變得以監(jiān)測，生命財產(chǎn)安全得以保障。物體的形狀變化在自然界及日常生活中較為常 見，比如地表的隆起或塌陷、大壩的崩塌、橋梁的倒塌、橋梁的傾斜等。這種變化往往 是由微小的形變量不斷積累，通過量變引發(fā)某一時刻的宏觀位移，從而造成巨大的災害 和損失。以滑坡為例，斜坡上的巖石、土壤，長時間受到自然（如河流、地震等）和人 為因素影響，在重力作用下，就有可能沿著軟弱層面向下滑動。我國屬于地質災害較嚴 重的國家，根據(jù)自然資源部披露，2021 年全國發(fā)生地質災害 4772 起，造成 80 人死亡、 11 人

2、失蹤，直接經(jīng)濟損失達 32 億。當前，地質災害和工程建筑隱患仍無法被完全消除， 但可以通過監(jiān)測和預測手段減少災害的發(fā)生和損失。形變監(jiān)測逐漸從“被動”向“主動”轉變。中國形變監(jiān)測起步較晚，但發(fā)展迅速，技術、 方法的發(fā)展推動監(jiān)測從被動治理逐漸轉變?yōu)橹鲃宇A防。該行業(yè)可分為三個發(fā)展階段：簡 易觀測階段手段單一，使用工具簡單，依賴人工的檢查、測量，難以及時發(fā)現(xiàn)異常狀況； 儀器監(jiān)測階段采用人工巡查和儀器測量相結合的方式，利用各種儀器大大提升監(jiān)測精度； 監(jiān)測系統(tǒng)階段將各種儀器和技術高度集成，促使監(jiān)測向智能化發(fā)展。作為“事后”向“事前”轉變的核心手段，形變監(jiān)測重要性日益凸顯。形變監(jiān)測利用測 量與專用儀器和方法

3、開展對變形體的變形現(xiàn)象進行持續(xù)觀測、對其變形形態(tài)進行分析和 發(fā)展態(tài)勢進行預測等各項工作。其任務是確定在各種載荷和外力作用下，變形體的形狀、 大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間狀態(tài)，根據(jù)前后測量結果對比數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)其變化 特征，從而判斷和預測變形，并及時、有效地采取防護措施，減少災害發(fā)生。我國隱患 點數(shù)量較多且類型繁雜，監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和普及仍需時間，精準化、智能化將成為下一 階段發(fā)展的主題。形變監(jiān)測的意義在于數(shù)據(jù)分析和預測預警，精準化與智能化系統(tǒng)有望全面普及。隨著我 國近幾年地質災害的頻發(fā)和基礎設施的大規(guī)模建設，需要監(jiān)測的場景越來越多。具體來 看，對象場景涉及地質災害、橋梁、水庫大壩、高速公路等，

4、不同的場景應用搭配不同 的傳感器設備，如 GNSS 接收機、測斜儀、位移計、裂縫計、監(jiān)測雷達等。所涉及技術 包括高精度定位技術、傳感器技術、通信技術等。使用精度高、時間精準的形變監(jiān)測系 統(tǒng)，在災害發(fā)生前做出準確預測預警，對減少災害具有重要的作用。國家政府推進地質災害防治工作已初見成效。我國地質災害分布廣、危害大，截至 2020 年底，全國已發(fā)現(xiàn)地質災害隱患點超 33 萬處，亟需從注重災后救助向注重災前預防轉 變。根據(jù)國家自然資源部披露，2021 年全國共發(fā)生地質災害 4772 起，造成 91 人傷亡 （失蹤），直接經(jīng)濟損失 32 億元。與前五年同期平均值相比，2021 年地質災害發(fā)生數(shù) 量、造

5、成的死亡失蹤人數(shù)分別減少 30.3%和 63.2%，直接經(jīng)濟損失持平；與上年同期相 比，則分別對應減少 39.1%、34.5%、36.3%。2022 年自然資源部將繼續(xù)推動地質災害 群專結合監(jiān)測預警實驗面，并計劃建設 20040 處地質災害預警實驗點。總體來說，我國仍有大量地質災害隱患未發(fā)現(xiàn)，且隱患點監(jiān)測覆蓋面較低，形變監(jiān)測仍是地質災害防治 的重點。高精度定位技術是形變監(jiān)測發(fā)展的關鍵形變監(jiān)測核心在于監(jiān)測位移，高精度的定位設備和技術是其最核心的部件。2020 年行 業(yè)高精度應用發(fā)展迅速，在電力、精準農(nóng)業(yè)、形變監(jiān)測等細分市場中的基礎設施建設、 高精度器件和產(chǎn)品的銷售規(guī)模呈現(xiàn)加速增長趨勢，其中國內市

6、場各類精度應用終端（含 測量型接收機）總銷量接近 150 萬臺。目前市面上常見的 GNSS 定位設備（接收機） 按精度可分為 3 類：110 米級別、分米至厘米級別和毫米級別，三類設備的定位精度 差異主要由內部的 GNSS 接收機芯片決定，其中實時定位的設備，在接收機處理器解碼 衛(wèi)星信息后，導航處理會存在多種不同的算法模式（單點定位、SBAS、RTD、RTK 等）， 不同的算法導致不同的定位精度，而測量型接收機往往會將解碼的衛(wèi)星信號保存下來， 用于事后分析解算，從而獲得更高精度的定位結果。應用領域逐漸拓寬，地質災害監(jiān)測成為發(fā)力點。GNSS 定位技術與現(xiàn)代通信技術及計算 機技術結合，促使監(jiān)測逐步

7、走向全天時全天候、實時、高精度、連續(xù)、自動化，現(xiàn)已廣 泛應用于形變監(jiān)測領域，如沉降監(jiān)測、水資源安全監(jiān)測、高速公路監(jiān)測等。其中，地質 災害監(jiān)測主要利用高精度定位獲取被監(jiān)測對象實時三維坐標變化實現(xiàn)預警預報，近年來 受到國家主管部門的高度重視和推動支持，呈現(xiàn)高速的發(fā)展態(tài)勢，成為行業(yè)主要發(fā)力點。 隨著北斗三號全球組網(wǎng)，導航衛(wèi)星核心性能的提升將助力構建定位更精準、應用更全面 的監(jiān)測系統(tǒng)。形變監(jiān)測將向高精度、自動化、智能化方向發(fā)展，高精度定位技術將起關鍵作用。目前， 常用高精度定位設備有動態(tài)和靜態(tài)相對定位兩種方式，精度分別可達厘米級和毫米級， 實際監(jiān)測場景中，由于變形通常處于微小的量級，監(jiān)測系統(tǒng)一般采用

8、GNSS 測量型接收 機。考慮到測量誤差和監(jiān)測需求，定位精度決定了監(jiān)測系統(tǒng)的可用性和可靠性，因此相 關技術發(fā)展的目標和首要任務是不斷提高形變監(jiān)測的精度和監(jiān)測儀器的性能，這使得高 精度定位技術逐漸成為行業(yè)技術革新的催化劑。美國、日本形變監(jiān)測發(fā)展模式可供參考地質災害、建筑物等的形變隱患是一個全球性問題，世界各國在發(fā)展過程中結合自身實 際情況，探索出了各自的發(fā)展路徑和經(jīng)驗。我國幅員遼闊，地質條件復雜，平原、丘陵 地區(qū)易發(fā)生地面沉降與塌陷，山地地區(qū)易發(fā)生斜坡變形破壞，監(jiān)測應根據(jù)時空分布采用 合適的手段推進。美國地廣人稀，地質災害多發(fā)，十分重視地質災害的防治，為工程和 政策制度有機結合提供了契機；日本人

9、口密集，是自然災害最多的國家之一，建立了法 制化的防災減災管理體系。此外，美國和日本在基礎設施建設上均處于全球領先水平， 對高樓、橋梁等工程建筑物建立了較完善的監(jiān)測體系，其發(fā)展模式對我國具有參考意義。美國重視地質災害的預測和預防，尤其是對重點區(qū)域開展監(jiān)測，其建立了全國范圍內的 災害網(wǎng)絡，包括監(jiān)測、預報、救災、通訊等，各服務系統(tǒng)可對災情的自動響應。美國地 質災害調查局 USGS 成立于 1879 年，不斷擴展和強化地震、滑坡、火山等地質災害監(jiān) 測網(wǎng)絡并保障監(jiān)測站點可靠性，且實現(xiàn)了重點監(jiān)測站點實時監(jiān)測。美國海岸線長，處于 環(huán)太平洋火山帶，據(jù) Smithsonian Institution 統(tǒng)計，美

10、國是世界上全新世火山數(shù)量最多 的國家，達到 161 個，其 1960 年以來活躍火山數(shù)達到 40 個，僅次于印度尼西亞。目 前，USGS 已建立 21 個山體滑坡監(jiān)測站和 5 個火山觀測站，后者建立了由 300 多個 GPS 連續(xù)運行參考站組成的活動火山監(jiān)測網(wǎng)絡，全天候不間斷地對全國各地潛在的活 動火山進行高精度形變監(jiān)測。此外，其數(shù)據(jù)采集和分發(fā)能力為社會公眾提供了數(shù)據(jù)入口。日本地處板塊邊緣，地勢狹長陡峭，地質條件差，在長期與災害抗爭的過程中，建立了 具有世界領先水平的防災、減災、抗災、救災綜合應對體系。日本擁有齊全的防災救災 法律，相關法律法規(guī)達到 200 多部，從制度層面助力構建全國防治體系

11、；經(jīng)濟基礎雄厚、 科技實力強勁，對相關計劃均有專門的國家預算予以特別支持，如：災害科研、災情監(jiān) 測等。日本人多地少，人口和建筑密度較高，雖然地理環(huán)境惡劣，但其高樓建筑仍位居 世界前列。日本頻發(fā)強烈的地震活動以及季節(jié)性強風和臺風，針對此類極端事件，基礎 設施（如大跨度橋梁）、高層建筑等建筑結構監(jiān)測成為重點。常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)的大規(guī)模建 設逐漸在實時結構監(jiān)測、養(yǎng)護、管理等環(huán)節(jié)發(fā)揮用武之地。工業(yè)化促進我國社會經(jīng)濟和工程技術迅速發(fā)展，然而也引發(fā)了滑坡、泥石流、地面塌陷、 地裂縫、地面沉降等地質災害；隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口的快速增長，橋梁、高層建 筑、公路鐵路等建筑設施也迅速增加，易產(chǎn)生位移、傾斜、裂縫等形

12、變風險。上述問題 易造成巨大生命財產(chǎn)安全損失，給我國安全監(jiān)測帶來了更大的挑戰(zhàn)。相比發(fā)達國家，我國形變監(jiān)測起步較晚，美國、日本的地質災害和工程建筑水平與我國 有相似性，其發(fā)展經(jīng)驗值得借鑒。結合實際情況，對于地質災害，我國仍需加強政府推 動和規(guī)范，擴展和強化形變監(jiān)測，尤其需對重點分布區(qū)域加強監(jiān)控，形成覆蓋范圍廣、 控制程度高、測量精度高的監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)；對于橋梁等基礎設施，根據(jù)結構變化，加強 科技賦能，有望實現(xiàn)以形變監(jiān)測提供健康狀況預警。2.形變監(jiān)測行業(yè)拐點已至，政策+市場雙驅政策端：重視程度不斷提高，近年法規(guī)密集發(fā)布隱患意識覺醒，政府對形變監(jiān)測重視程度不斷提高。自 2003 年國務院發(fā)布地質災害

13、防治條例起，國家不斷加強對形變監(jiān)測發(fā)展的支持力度，推動地質災害監(jiān)測體系建設。 中央財政從 2009 年起設立特大型地質災害防治專項資金，用于實施重大隱患點的監(jiān)測 預警、勘察等。2011 年國務院發(fā)布國務院關于加強地質災害防治工作的決定，明確 提出“要加密部署氣象、水文、地質災害等專業(yè)監(jiān)測設備，加強監(jiān)測預報”。我國是基礎 設施建設大國， 除了地質災害需要監(jiān)測外，橋梁、水庫大壩、高速公路等基建也是形變 監(jiān)測的重要落地場景。2013 年水利部發(fā)布水利部關于加強水庫大壩安全監(jiān)測工作的 通知，提出“建設大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)”和“開展大壩形變觀測及滲壓監(jiān)測”。隨著我 國社會經(jīng)濟日漸增強，政府逐漸將地質災害及

14、建筑工程隱患問題列入工作內容。十四五規(guī)劃期間政府持續(xù)發(fā)力，形變監(jiān)測相關政策出臺頻率進一步加快，推動各監(jiān)測場 景應用落地。2020 年 12 月，交通運輸部關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意 見點明未來工作目標：“到 2025 年，跨江跨?？鐛{谷等特殊橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)全 面建立；到 2035 年，公路橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)全面建立”。中華人民共和國國民經(jīng) 濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035 年遠景目標綱要于 2021 年 3 月正式發(fā)布， 提出“開展災害事故風險隱患排查治理，實施公共基礎設施安全加固和自然災害防治能 力提升工程”。2021 年 12 月，國務院批復“十四五”水庫除險加

15、固實施方案，強調 “加快病險水庫除險加固，消除大壩安全隱患，加強監(jiān)測預警設施建設”。2021 年起， 多個地質災害、水庫大壩等相關政策陸續(xù)發(fā)布，刺激行業(yè)市場拐點出現(xiàn)。2022 年 4 月， 交通運輸部印發(fā)“十四五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要，明確“到 2025 年，實現(xiàn)高速公 路技術狀況（MQI）優(yōu)等路率保持在 90%以上，高速公路路面技術狀況（PQI）優(yōu)等路 率保持在 88%以上”，并指出要“加快公路技術狀況檢測監(jiān)測及養(yǎng)護裝備研發(fā)”。產(chǎn)業(yè)端：北三組網(wǎng)完成，產(chǎn)業(yè)鏈及技術完備北斗三號組網(wǎng)完成，高精度定位將助力構建北斗形變監(jiān)測產(chǎn)業(yè)鏈。北斗三號已于 2020 年全面建成，中國境內已建成高精度衛(wèi)星定位增強網(wǎng)

16、，最高精度可達實時處理厘米級、 事后處理毫米級。北斗系統(tǒng)的研制成功突破了美國的技術封鎖，具有重大的國家戰(zhàn)略意 義。相比 GPS 系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)具有后發(fā)優(yōu)勢，使用三頻信號更好地消除高階電離層延 遲影響，且高軌衛(wèi)星數(shù)量多，抗遮擋能力強，從而提高了定位可靠性和抗干擾能力。北 斗的平面精度與高程精度水平基本相當，而 GPS 系統(tǒng)的高程精度則成為軟肋，特別在 亞太地區(qū)，北斗三號系統(tǒng)的信號和性能遠好于 GPS。隨著北斗產(chǎn)業(yè)鏈的全面升級，GPS 的壟斷被打破，北斗定位導航進一步滲透到民用領域，其高精度定位將廣泛服務于形變 監(jiān)測。產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，核心部件發(fā)展迅速形變監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈主要可分為三部分：傳感器、數(shù)據(jù)

17、傳輸、數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)。其 中，傳感器是監(jiān)測點功能的關鍵。監(jiān)測系統(tǒng)常常涉及多個監(jiān)測點，針對不同的監(jiān)測內容 需配置不同類型的傳感器，各場景雖然應用有差異，但所用技術存在相通性，常用的傳 感器包括 GNSS 接收機、裂縫計、傾角計、測斜儀、壓力計等。在諸多傳感器中，GNSS 接收機為最核心、價值量最高的傳感器，在各場景中均有應用。 GNSS 接收機通過對衛(wèi)星信號接收，內部信號處理，搭配解算算法，可得出高精度位置， 從而監(jiān)測各類結構物的水平和垂直位移變化，高精度的 GNSS 測量型接收機是監(jiān)測系 統(tǒng)中重要的決策依據(jù)。2010 年，華測導航研制的國內第一款完全自主知識產(chǎn)權的測量型 GNSS 接收機通

18、過權威專家鑒定，結束了 GNSS 接收機核心技術一直被國外企業(yè)完 全壟斷的歷史。此后，國內廠商憑借技術積累和成本優(yōu)勢，逐漸贏得客戶并替代國外廠 商產(chǎn)品。經(jīng)過多年市場競爭，目前 GNSS 接收機市場格局已逐漸趨于穩(wěn)定，形成了華測 導航、南方測繪、中海達三足鼎立的競爭局面。GNSS 接收機是 GNSS 系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)業(yè)的對接點，北斗導航系統(tǒng)的建立為 GNSS 接 收機信號源帶來新增量。北斗接收機基礎構件主要包括射頻芯片、基帶芯片、核心算法 軟件、天線和板卡等。GNSS 板卡的核心器件集成了射頻芯片和基帶芯片，其主要功能 為接收北斗衛(wèi)星信號、數(shù)模轉換、數(shù)字信號處理和輸出高精度位置信息。芯片和板卡性

19、能決定了整機的性能，也是北斗接收終端最核心的元器件和成本占比最高的部分。目前， 毫米級精度的監(jiān)測接收機價格約為 1 萬元。在高精度專業(yè)應用領域，芯片和板卡占據(jù)北 斗接收機價值的 65%左右。3.形變監(jiān)測行業(yè)潛在市場巨大， 競爭格局穩(wěn)定地災、水壩場景落地較快，形變市場規(guī)?；蜻h超千億形變監(jiān)測市場空間和需求巨大，企業(yè)紛紛布局各應用場景。目前應用主要圍繞地質災害 的安全監(jiān)控和建筑工程的健康監(jiān)測。其中，地質災害具有隱蔽性、突發(fā)性和破壞性強的 特點，防范難度大，監(jiān)測對象包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫 等；建筑工程則主要針對水利、水電、交通、高層建筑等人工建筑增設監(jiān)測系統(tǒng)，保障 建筑質量

20、和后期養(yǎng)護管理。地質災害監(jiān)測預警全面推進，科技水平和覆蓋面將顯著提高。我國地質災害監(jiān)測起步較 晚但進展很快，科研能力已接近國際領先水平，在政府推動下，已在各場景開展項目應 用。地質災害按照人員傷亡、經(jīng)濟損失大?。ɑ驖撛谕{），可分為四個等級：特大型、 大型、中型和小型。自 2019 年始，自然資源部在山西、浙江、福建等 17 個省份建成并 運行地質災害監(jiān)測點 2.5 萬余處，并在 2022 年計劃繼續(xù)建設 20040 處實驗點，預期在 “十四五”期間新建 8.2 萬處地質災害群專結合監(jiān)測點。根據(jù)自然資源部數(shù)據(jù)，截至 2020 年我國已發(fā)現(xiàn)地質災害點 33 萬個，相比于 2019 年 28.8

21、萬個有所增長，但仍有大量地質災害點未被我們發(fā)現(xiàn)。截至 2021 年，約 2.5 萬個 災害點已經(jīng)完成監(jiān)測站建設。根據(jù)地質災害防治條例內容，地質災害按照人員傷亡、 經(jīng)濟損失的大小，分為四個等級：(一)特大型：因災死亡 30 人以上或者直接經(jīng)濟損失 1000 萬元以上的；(二)大型：因災死亡 10 人以上 30 人以下或者直接經(jīng)濟損失 500 萬元以上 1000 萬元以 下的；(三)中型：因災死亡 3 人以上 10 人以下或者直接經(jīng)濟損失 100 萬元以上 500 萬元以下；(四)小型：因災死亡 3 人以下或者直接經(jīng)濟損失 100 萬元以下的。測算假設：1、目前暫無各等級災害點數(shù)詳細數(shù)據(jù)，我們按照

22、災害點與監(jiān)測站 1：4 的較 低比例進行估算；2、當前單個監(jiān)測站建設金額假設為 1.25 萬元。在上述假設下，我們 測算出當前 33 萬個災害點對應的市場空間約為 165 億元。從災害實際發(fā)生情況來看， 仍有大量災害點未被發(fā)現(xiàn)，其潛在數(shù)量或在 100-200 萬個，我們認為其潛在市場或遠大 于 165 億元。水庫大壩監(jiān)測有望于 2022 年落地，成為形變監(jiān)測行業(yè)新增長點。我國水庫總數(shù)超 9.8 萬座，各種橋梁總數(shù)超 100 萬座，水利設施長期受水流沖擊，易產(chǎn)生水平位移甚至滑動， 而橋梁則會產(chǎn)生振動，導致產(chǎn)生位移、裂縫甚至坍塌。2021 年，中央財政水利發(fā)展資金安排 65.8 億元用于小型水庫建設及除險加固，交通運輸部基本完成 11 座在役公路橋梁 的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)試點項目，并計劃于 2022 年全面推開公路長大橋梁結構健康監(jiān)測 系統(tǒng)建設。水庫大壩監(jiān)測有望于 2022 年落地，成為形變監(jiān)測市場另一重要應用場景。根據(jù)國家統(tǒng) 計局數(shù)據(jù)，截至 2020 年我國大型水庫 774 個，中型水庫 4098 個，小型水庫 93694 個。 參考華測導航官網(wǎng)施工案例，我們假設大型水庫所需基站+監(jiān)測點平均為 30