| 标题 | 基于BDS的地表沉降监测系统设计 |
| 范文 | 胡志远 宁彬 摘 要： 地质灾害造成直接或间接的损失巨大，本文提出一种基于北斗卫星导航系统（BDS）和传感技术的地表沉降安全监测方法。利用连续运行卫星定位参考站（CORS）技术，采用双差解算模式，在优化载波相位差分数据处理方法的基础上，同时处理基准站和监测站载波相位等数据，得到精确的监测点相对于基准点的形变量，实现了对地表沉降的实时监测、综合分析、分级预警和预测评估等功能。研究以武汉市后湖片区为例，该系统的应用显著提高了地表沉降监测的实时性、准确性和预测评估的可靠性。 关键词： 地质灾害； 地表沉降； 安全监测； BDS 中图分类号：TP316.8 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）08-40-03 Design of land subsidence monitoring system based on BDS Hu Zhiyuan1，2， Ning Bin1 （1. School of Computer Engineering， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China； 2. School of computer， China University of Geosciences） Abstract： The direct or indirect loss caused by geological disasters is enormous， this paper presents a method of surface subsidence safety monitoring based on BDS （BeiDou Navigation Satellite System） and sensing technology. Using the method of CORS（Continuously Operating Reference Station）and double differential model， on the basis of optimizing the carrier phase difference data processing method， the data such as the carrier phase of the reference station and the carrier phase of the monitoring station are parallel processed， and the deformation of the monitoring point relative to the reference point is obtained， realizing the real-time monitoring， comprehensive analysis， classification and forecasting and evaluation of the surface settlement. Taking Wuhan as the experimental area， the application of the system significantly improves the real-time， accuracy and reliability of the prediction of surface subsidence monitoring. Key words： geological hazard； surface subsidence； safety monitoring； BDS 0 引言 地表沉降（land subsidence）是指由于自然因素或人類工程活动引发的地下松散岩层固结压缩并导致一定区域内地面高程降低的地质现象。地表沉降具有易发性、缓变性、累进性和不可逆性等特点。当大面积地表沉降发展到一定程度后，会对轨道交通设施、地下管线、道路、地面桥涵及地面建（构）筑物的正常使用带来不利影响、甚至造成破坏。 我国乃至全球地质灾害频发，造成直接或间接的损失巨大，其经济和社会损害面呈上升趋势，而科学有效的预报技术的相对缺失，导致预防和控制工作的开展相对滞后。因此，需要科学、先进、有效的地质灾害监测预警系统。 随着地球空间信息技术的发展，以全球导航卫星系统（GNSS）与地理信息系统（GIS）为代表的集成技术[1]，为地表沉降监测方法的研究提供了有力的支持。传统的地表沉降监测方法通常利用全站仪、水准仪等光学仪器对沉降区进行水平和垂直方向的位移测定。这种测量方式不仅工作量大、过程复杂，而且具有一定的局限性，很难满足沉降预警管理的要求[2]。由于北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）具有定位快，全天候，自动化，测站之间无需通视，同时测定三维坐标，测量精度高等特点[3]，这是普通人工借助光学仪器测量地质沉降的技术无法比拟的，高精度北斗监测地质沉降技术具有很强的先进性和实用性。 本文以湖北省武汉市后湖片区为应用示范，设计和实现了一套基于BDS及传感技术等多种技术融合的地表沉降监测系统，它具有全天候、全自动、高精度和实时性好的特性，为地表沉降的防治工作提供数据参考和决策依据。 1 地表沉降监测系统设计 地表沉降监测系统，以北斗地表沉降监测系统为主，辅以分层沉降监测、地下水位/孔隙水压力监测网、精密水准监测网和InSAR监测构成，各监测网络共同形成地下、地面和空中三维一体的监测模式，点面结合对武汉市后湖地区地表沉降进行监测。总体布置如表1所示。 其中的北斗沉降监测系统主要应用CORS连续运行卫星定位参考站技术、现代化的传感技术、现代网络通讯技术等对在不同的天气或环境下实时准确地反映城市沉降区域变形情况[4]。根据对实时位移数据的实时分析，对分析后的数据进行存储、分类、提取、统计等处理，为中心站日常管理提供各类报表、图形，为城市沉降预警分析提供决策依据或参考以达到最短的时间通过短消息、E-MAIL或者声响预警、报警的功效。 系统架构如图1所示，由三部分组成。 ⑴ 数据传输子系统：GNSS天线到GNSS主机由同轴电缆通讯；GNSS主机及其他传感器与控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式； ⑵ 数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统、数据实时自动处理与Web发布； ⑶ 辅助支持系统：包括外场机柜、配电及UPS、防雷和远程电源监控。 2 地表沉降监测系统实现 根据已发现沉降区域相对分散、变化相对缓慢等特点，总体技术路线为：采用北斗技术对沉降区域进行监测，初步建立覆盖后湖地区地表沉降监测网络；开展实时监测工作，同时采用INSAR、精密水准测量作为补充，开展定期监测，研究和分析重点地区地表沉降的分布规律、形成机理以及综合防治方法。 主要采用基于GIS组件的二次开发模式，其中GIS组件选择ESRI和MapObjects。以武汉市江岸区影像为底图，叠加北斗监控中心、监控点、监控区域等空间数据显示；地图数据通过切片处理后，发布为地图服务，供客户端访问；监控数据在服务器端查询、统计、分析，并将结果通过WebService返回到客户端显示。 ⑴ GIS功能：包括监测区域平面图浏览、各监测点布置平面图、基准点和监测点属性表、地图打印、名称或者坐标定位、地图量测、地图标绘、图层管理等功能。 ⑵ 工程管理：可添加、删除、修改工程属性信息；可上传、浏览参考站和监测站等实景图片；可添加、删除工程范围内的监控参考站或者监测站。 ⑶ 监测站沉降查询：可按监控点编号、高程、期沉降量、期沉降速率、累计沉降量、累计沉降速率等条件查询该监控点的沉降数据，并以列表的方式显示；支持数据导出到Excel生成监控点沉降成果表。 ⑷ 监控点沉降曲线图：对变形分析系统中的沉降过程曲线、沉降速度曲线、等沉降曲线图进行绘制或展示。 ⑸ 监测信息录入：将北斗按时间段静态解算的高程信息和地下水位信息自动读入系统中，以便进行变形数据处理。将定期的常规沉降监测数据导入系统中进行处理。 ⑹ 数据计算处理：包括沉降量计算、沉降速度计算、图形绘制等功能。沉降量计算包括本次静态解算高程与前次静态解算高程之差（本次沉降量）、某一时间段（如几天、几月等）的沉降量、总累计沉降量、区域多点平均沉降量等；沉降速度计算包括本次沉降速度、某一时间段（如几天、几月等）的沉降速度、總沉降速度，区域平均沉降速度等；图形绘制由监测点平面坐标（x，y）和沉降量s构成监测点三维坐标（x，y，s），以区域为单位建立三角网三维立体模型，自动跟踪等沉降量曲线，绘制等沉降量曲线图。 ⑺ 数据分析对比：采用回归分析数学模型，对沉降监测数据进行分析对比。 ⑻ 分级预警：根据监测数据与预设阈值的对比，进行分级预警。 ⑼ 自动报表：根据预设模板自动生成地表沉降监测数据分析报表，并提供下载、删除等功能。 经测试，北斗沉降监测系统主要技术指标如表2。 3 结束语 北斗地表沉降安全监测系统将BDS实时获取高精度空间信息和各类传感器技术进行了集成，实现了对地表沉降的实时监测、综合分析、分级预警及预测评估等功能，有利于提前发现安全隐患，为管理者的地表沉降防治工作提供了决策依据。该系统的设计与实现，不仅可以实现传统手段无法实现的自动实时监测，为研究和控制地面沉降提供准确、可靠的资料，更可作为北斗技术的行业示范应用，推动北斗这一项国家战略新兴产业的发展以及在水利、矿业、桥梁等方面的监测应用，具有较大的实用和推广价值。 参考文献（References）： [1] 李黎.GPS技术在变形监测中的应用及发展趋势[J].勘测科 学技术，2012.2：42-45 [2] 温德华，周克清.城市高架桥梁GPS控制网的建立实践与分 析[J].全球定位系统，2013.38（1）：28-31 [3] 李燕华.桥梁监测系统数据采集系统设计与实现[J].内蒙古 公路与运输，2014.6：15-17 [4] 孟利波，唐光武.基于云平台的中小桥梁监测系统架构方案 研究[J].公路交通技术，2013.4：106-109 |
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