首页测绘新技术

基于BDS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统

更新时间:2013-10-23

摘要:本文通过基于COMPASS/GPS双系统的监测预警系统在三峡滑坡的具体应用,分析了基于COMPASS/GPS双系统的技术用于灾害监测的可行性;通过基于COMPASS/GPS双系统相对定位监测方法,针对每个监测点位,解算出毫米级别的高精度位移量,利用安全监测预警系统对监测成果进行分析,得出被监测区域当前滑坡趋向,及时作出预警通知,同时以图形界面的形式对监测成果进行在线发布。

关键词:COMPASS;GPS;三峡滑坡;安全监测;高精度;预警

 引言

1  三峡滑坡监测站点布设

(1)  基准站点

为了监测滑坡体的变形,在远离滑坡区域1550米的稳固岩体上布设了一个基准站点,如图1左上角“基准站”字样所示。

(2)  监测站点

根据当地滑坡体特点选择监测点,这些点要能反映滑坡体整体变形方向、变形量、又能反映滑坡体范围和变形速率。每个点还要考虑接收卫星信号情况,测点上空不要有大面积遮挡物[3]。在黄土坡监测区域总共布设了7个监测站点,如图1所示,其中选取了两大监测纵面,图上黄色线条表示,分别是“监测纵面1”与“监测纵面2”,在监测纵面1上部署4个监测站点,从上到下分别是“1号监测站”、“2号监测站”、“3号监测站”以及“4号监测站”,在监测纵面2上部署了3个监测站点,从上到下分别是“5号监测站”、“6号监测站”和“7号监测站”,详细如图1所示。

1.长江三峡滑坡监测站布设图

每个站点的建设,供电系统采用的是太阳能加上蓄电池组合供电,在正常的情况下,可以保证监测点位每天24小时连续不断电连续监测,这样的设计省去了现场拉线引电的麻烦,并且方便日后维护工作;同时还在监测点位安装了防雷设施,使VNET8系列接收机设备安全运行;在数据通信方面,本系统采用的是GPRS无线网络通信,VNET8系列接收机自带支持GPRS无线网络通信,同时这样也可以免去有线网络的线路部署问题,同样可以方便日后的维护工作。

COMPASS/GPS双系统技术

北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。与美国GPS俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS),是除美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统

变形监测一般采用相对定位技术,GPS相对定位技术目前已经广泛应用在各种变形监测中,随着我国COMPASS系统的快速建设,COMPASS/GPS组合相对定位应用于变形监测成为可能。相比于单一系统变形监测而言,多系统组合变形监测在连续性、可用性、可靠性、精度以及效率等各方面都更具优势[4];可以利用丰富的导航信息,极大地提高用户的可用性、精确性、完好性和可靠性[5]。COMPASS作为一个完全独立的全球卫星导航定位系统,采用了类GPS的设计方式,如与GPS一样采用码分多址技术,广播星历的数据内容基本相同;采用的时间系统、坐标系统也容易统一至同一系统进行解算。因此,如果只采用伪距进行组合相对定位不存在关键性难题,易于实现[6]。但是由于GPS系统和COMPASS系统的载波频率不一致,采用载波相位进行组合相对定位时模糊度的处理方法与单一系统定位存在较大的差别。因此,在COMPASS/GPS组合变形监测算法中整周模糊度的固定方法是关键,中海达变形监控核心处理软件解决了不同系统模糊度的处理问题,并在多个实际工程项目中成功应用。

以三峡滑坡监测项目为例,项目使用了中海达GPS/COMPASS双星系统参考站接收机VNet8,内部主板为和芯星通UB240。以其中3号监测站测试数据为例,分别于5月17日至6月27日、6月28日至7月11日两个时间段进行精度统计,采样率为30秒,得出在1300个小时的时间跨度中的平面与高程变形值曲线,并以多项式拟合方法得出光滑的变形趋势线。

3.监测点3变形曲线图

由图3可以看出3号监测点的变形情况,统计得到的变形信息精度如下表所示:

站点

5月17日至6月27日

6月28日至7月11日

精度(mm)

精度(mm)

平面

高程

平面

高程

Moni3

2.19

3.74

1.87

3.93

1 3号监测站点在627日前后的精度统计

由表1可以看出3号监测点的平面精度在2~3mm,高程精度在3~4mm,根据变形趋势线可得出在这1300个小时中监测点的变形情况,如下表所示:

 

前后时间点变形量(mm)

变化值(mm)

站点

5月17日

7月11日

 

平面

高程

平面

高程

平面

高程

Moni3

4

-10

7

-18

3

-8

2 3号监测站点1300小时时间跨度变形情况

  可以看出,3号监测点在这1300个小时中均发生了微小变形,其中高程方向均下降,最大下降18mm,平面方向最大变化7mm。

在山体滑坡监测中,对精度的要求极高,一般都要求在毫米级别以内,目前单独依靠COMPASS系统已经能够进行相对定位解算,但在卫星数目和星座分布上不如GPS系统;GPS/COMPASS组合相对定位在理想观测条件下相比于单一系统的优势并不明显,但在不理想观测条件下能够很好地增强了观测卫星的几何图形强度,比单一系统在可靠性、精度上均有明显的提高。而基于COMPASS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统在高精度解算方面采用的是GPS/COMPASS双系统组合解算,精度比一般的GPS单系统解算还要高,大大满足了安全监测的要求。

2  基于COMPASS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统

基于COMPASS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统的设计按照严格的现代计算机网络的规范与标准。严格遵守《测绘安全生产管理规定》、《测绘安全生产规程》《测绘作业人员安全规范》等规章制度,安全责任实行各级负责制,严格做到层层把关,杜绝安全事故的发生。整个系统是以数据中心为中心节点的星型网络。数据处理中心建立在高速广域网(100M)上,网络采用TCP/IP协议;服务器操作系统采用Windows Server 2003 Professional,灾害监测点采用的是中海达公司的支持北斗卫星导航技术的VNET8系列接收机,整个监测区域由1个基准站与7个监测站组成,采用GPRS无线网络通信。系统整体架构见下图5:

图5.长江三峡滑坡变形监测系统

三峡滑坡监测项目采用的是中海达公司的VNET8系列接收机,它支持所有GNSS信号接收,包括现有的美国GPS和俄罗斯GLONASS卫星信号、目前尚在部署中的GPS L2C信号、以及未来的GPS L5、欧洲伽利略系统的信号和北美的WAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS等SBAS信号,而这款产品最大的亮点在于它还支持北斗卫星导航技术,这对于我们使用COMPASS/GPS双系统进行高精度解算奠定了基础,使三峡滑坡监测预警系统能够获取更加精准的监测数据。

所有的VNET8接收机的数据将通过GPRS网络最终传送到数据处理中心中去,在数据处理中心中,部署了网络数据接收终端,专门用于接收VNET8系列接收机的GPS数据,同时在数据处理中心单元中还部署了中海达高精度解算软件,网络数据接收终端会将所有监测点位的实时监测数据汇总发送给解算软件,解算软件通过最终解算,获得高精度监测结果,并将结果值进行保存。

     中海达高精度解算软件采用抗差自适应卡尔曼滤波进行实时数据解算,噪声控制是决定解算精度的重要因素,通过对不同距离的监测站设置不同噪声,可极大程度地降低基准站与监测点距离对精度造成的影响,实际项目测试结果表明在短基线范围内,解算精度无明显偏差,在超出短基线范围后,精度才会随距离的增大而降低;同时还支持COMPASS/GPS多系统组合相对定位,实现了多系统数据的融合和处理。通过软件的基线解算设置模块既可以选择采用某一种系统进行单一系统相对定位解算,也可采用某几种系统进行组合相对定位解算。

     中海达高精度解算软件将监测点的监测数据保存至数据库后,基于COMPASS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统还包含了在线发布系统,实时将监测结果数据以WEB形式发布到网络上,只要任意一台连通互联网的计算机通过浏览器便可以进入到在线发布系统的登陆页面上,通过管理员赋予的权限登陆系统,对监测数据进行浏览操作。

     基于COMPASS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统于2011年6月开始正式投入运行使用,经过历时3个多月的连续运行监测,并顺利通过验收,已经证实基于COMPASS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统可以投入使用到滑坡体的监测中去。

3  结语

   基于COMPASS/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统试点项目的成功,实现以新型的卫星导航定位技术和产品为基础,向信息化服务和应用发展模式的转变,并逐步建立和规范面向地质灾害相关行业的信息服务模式和产业结构,带动“信息化减灾”服务和应用产业的发展。共同提升北斗卫星导航系统的应用规模、应用质量和应用效益,同时也能更好地促进北斗卫星导航产业在安全监测方面的推广,例如尾矿库安全监测、桥梁健康安全监测、大坝变形监测等等。

References (参考文献)

[1]      刘祖强、张正禄、邹启新、赵卫、郭再春.工程变形监测分析预报的理论与实践,2008,12

[2]      湖北省水文地质工程地质勘察院.长江三峡库区湖北省巴东县黄土坡滑坡勘查报告[R].荆州:湖北省水文地质工程地勘察院.2001.

[3]      徐绍铨、程温鸣.GPS用于三峡库区滑坡监测的研究[J].水利学报.2003.(1)

[4]      GUO Fei, ZHANG Xiaohong, WANG Minghua. ON COMPATIBILITY OFMULTI-GNSS INTEGRATION[J]. Journal of Geomatics, 2008, 33 (4):13215

郭斐,张小红,王明华. GNSS多系统集成兼容性问题[J ] . 测绘信息与工程,2008 ,33 (4).

[5]      Yang Yuanxi. Progress,Contribution and Challenges ofCompass/Beidou Satellite Navigation System[J]. Acta Geodaetica et CartographicaSinica, 2010, (01) .

杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报, 2010,(01) .

[6]      GAO XingWei,GE Maorong.Data Processing for Pseudo-rangeDifferentials of GPS/GLONASS [J]. BULLETIN OF SURVEYING AND MAPPING, 2000,(06).

高星伟,葛茂荣. GPS/GLONASS伪距差分的数据处理[J]. 测绘通报, 2000,(06).