三維變形災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

　　導(dǎo)語(yǔ)：

　　自然界變形危害廣泛存在，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并及時(shí)預(yù)警是防范災(zāi)害的重要手段。本期轉(zhuǎn)化果平臺(tái)推薦的《三維變形災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)》，采用GNSS定位原理，結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全天候三維動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可廣泛應(yīng)用于山體滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及橋梁和大型建筑物形變監(jiān)測(cè)，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

　　一、研究背景

　　1.三維變形及其危害

　　變形是自然界的普遍現(xiàn)象，它是指變形體在各種荷載作用下，其形狀、大小及位置在時(shí)空域中的變化。變形體的變形在一定范圍內(nèi)被認(rèn)為是允許的，如果超出允許值，則可能引發(fā)災(zāi)害。自然界的變形危害現(xiàn)象時(shí)刻都在我們周邊發(fā)生著，如滑坡、巖崩、地表沉陷、潰壩、橋梁與建筑物的倒塌等。

　　2.常規(guī)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　常規(guī)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)包括采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀等常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)定點(diǎn)的變形值，其優(yōu)點(diǎn)是：①能夠提供變形體整體的變形狀態(tài);②適用于不同的監(jiān)測(cè)精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境;③可以提供絕對(duì)變形信息。

　　這些常規(guī)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有外業(yè)工作量大，布點(diǎn)受地形條件影響較大，有些技術(shù)的測(cè)量精度受天氣及周邊環(huán)境影響較大，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)。

　　二、基本原理

　　GNSS即全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System)，目前GNSS泛指美國(guó)的GPS、中國(guó)的BDS(北斗)、俄羅斯的GLONASS、以及歐盟的GALILEO。目前使用范圍最多的是美國(guó)的GPS系統(tǒng)。

　　1.GNSS定位系統(tǒng)由GNSS衛(wèi)星空間部分、地面控制部分和用戶GNSS接收機(jī)三部分組成。

　　2.GNSS定位原理

　　由于GNSS衛(wèi)星軌道是人為事先設(shè)計(jì)的，在任何時(shí)間都可以得知其在天空的位置。假設(shè)t時(shí)刻t在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GNSS接收機(jī)，可以測(cè)定GNSS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)，通過(guò)解方程式的方式獲得地面待測(cè)點(diǎn)的位置。

　　3.GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)方法

　　RTK的基本原理：將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于載體(稱為流動(dòng)站)上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GNSS差分改正值。然后將這個(gè)改正值通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞郊皶r(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的流動(dòng)站，精化其GNSS觀測(cè)值，從而得到經(jīng)差分改正后流動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置。

　　常規(guī)RTK的基本定位算法相對(duì)已經(jīng)較為成熟，但在一些復(fù)雜觀測(cè)環(huán)境下,比如繁華市E、樹(shù)木遮擋嚴(yán)重等地區(qū)，因?yàn)榭梢曅l(wèi)星數(shù)相對(duì)較少，衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)較弱等因素制約著其定位性能，本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員對(duì)RTK定位算法和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)了GNSS中長(zhǎng)距離下的高精度測(cè)量。

　　三、系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

　　1.基于GNSS定位的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

　　2.基于GNSS定位的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　(1)多模GNSS接收機(jī)

　　①支持GPS(L1/L2)、BDS(B1/B2/B3)、GLONASS(L1/L2)三系統(tǒng);

　?、讵?dú)特的弱信號(hào)跟蹤和多路徑抑制算法，實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的可靠定位;

　?、壑С?a href=http://myworldofnumbers.com/fgbz/mabz/ target=_blank class=infotextkey>標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183、RTCM3.0/3.2、BINEX協(xié)議，可定制用戶自定義協(xié)議;

　?、茇S富的對(duì)外接口，方便用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

　　(2)高精度扼流圈天線

　?、僮匝锌苟鄰叫?yīng)的扼流圈，保證了惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)高性能;

　　②自研多點(diǎn)饋電的高精度全頻段測(cè)量型天線，相位中心偏差小，定位精度可靠。

　　(3)數(shù)據(jù)分析與預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)

　?、僮孕虚_(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析與預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)，多導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合解算及優(yōu)化，保證了解算結(jié)果的正確。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理精度為2~3mm;

　　②B/S、C/S架構(gòu)，可遠(yuǎn)程瀏覽與操作;

　?、壑С贮c(diǎn)、斷面、變化速度及變化加速度等分析功能;

　?、茏詣?dòng)生成報(bào)表，并通過(guò)E-MAIL方式發(fā)給指定人員;

　?、荻滔?、E-MAIL、聲光等多種報(bào)警方式;

　　⑥多種預(yù)測(cè)功能，如線性回歸等;

　?、吒鞣N觀測(cè)量圖形顯示、形象生動(dòng)。

　　四、系統(tǒng)應(yīng)用范圍

　　利用GNSS定位技術(shù)進(jìn)行山體滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及橋梁和大型建筑物形變監(jiān)測(cè)時(shí)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

　　1.全天候、不間斷的三維高精度測(cè)量;

　　2.無(wú)需通視，量程大，可進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè);

　　3.全系統(tǒng)自動(dòng)化，無(wú)人值守，實(shí)時(shí);

　　4.產(chǎn)品壽命長(zhǎng)，工作地域廣;

　　5.可以獲得毫米級(jí)精度的變形數(shù)據(jù)。

　　本系統(tǒng)是利用GNSS進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)解算三維變形量分析的系統(tǒng)。對(duì)于人工建筑變形分析——如大型橋梁、水壩、大型人工建筑以及山體滑坡監(jiān)測(cè)、油田沉陷、礦山采空區(qū)沉陷、城市地下水漏斗沉陷、火山監(jiān)測(cè)等等具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

　　五、應(yīng)用案例

　　目前正在某集團(tuán)下屬的鎳礦(該鎳礦的鎳產(chǎn)量居全球第四位，鈷產(chǎn)量居全球第二位)安裝60套監(jiān)測(cè)點(diǎn)。