肖海平，陳蘭蘭，劉德兒，郭鐘群，郭觀明

(江西理工大學(xué)，江西贛州341000)

基于GPS/GIS集成的遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的研究

肖海平，陳蘭蘭，劉德兒，郭鐘群，郭觀明

(江西理工大學(xué)，江西贛州341000)

通過分析研究系統(tǒng)的集成模型、設(shè)計內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)對實時的海量GPS數(shù)據(jù)與GIS技術(shù)的有效集成，并為建立遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)提供重要的技術(shù)保障。

遠程監(jiān)測;變形監(jiān)測;GPS/GIS集成;反演分析;智能預(yù)警

一、引 言

近年來，由于受到各種因素的影響，越來越多的大規(guī)模工程建筑產(chǎn)生了形變。如果形變超過變形體所規(guī)定的范圍，則可能會影響到工程建筑的正常運營，嚴(yán)重時還會危及工程建筑的安全，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來巨大的隱患。因此，國內(nèi)外都非常重視對工程建筑的安全監(jiān)測，將其作為工程施工和管理過程中極為重要的組成部分。并且，由于社會對工程的安全預(yù)防和對實時預(yù)警要求的不斷提高，實施遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)更顯得尤為迫切。隨著科學(xué)技術(shù)和信息化的發(fā)展，以數(shù)字化、信息化為核心的信息系統(tǒng)對變形監(jiān)測的設(shè)計模式和監(jiān)測手段都產(chǎn)生了深遠的影響。而信息系統(tǒng)的自動化、網(wǎng)絡(luò)化，以及監(jiān)測技術(shù)和GIS技術(shù)的發(fā)展為解決變形監(jiān)測中存在的不足提供了重要的方法和手段。為了能夠及時、準(zhǔn)確地對變形體的狀態(tài)、穩(wěn)定程度和變形情況進行分析，并長期安全地保存監(jiān)測信息，實現(xiàn)信息化施工和運營，本文通過采用GPS監(jiān)測技術(shù)、遠程無線傳輸手段，以及GIS強大的數(shù)據(jù)管理功能，實現(xiàn)了對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、處理和評價，并將三者有機地結(jié)合起來，建立了GPS/GIS集成的遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)，極大地提高了工程的信息化水平，并為施工單位實時掌握工程安全和決策分析提供了輔助作用［1-2］。

二、GPS/GIS集成的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

GPS和GIS的集成模式大致有基于數(shù)據(jù)的集成(data-focused integration)、基于位置的集成(position-focused integration)和基于技術(shù)的集成(technology-focused integration)3種方式［3］。因此，在建立基于GPS/GIS集成的遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的過程中，選擇集成方式是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。但是在這3種集成方式中，基于數(shù)據(jù)的集成只能簡單地將GPS數(shù)據(jù)單向地傳入到GIS數(shù)據(jù)庫;基于位置的集成雖然能對GPS和GIS部分功能實現(xiàn)自動處理，但是彼此之間是相對獨立的，這兩種集成方式對于系統(tǒng)的設(shè)計都存在一定的缺陷，不利于實際應(yīng)用發(fā)展的需要。而基于技術(shù)的集成則是在相同的開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)對GPS和GIS功能的控制，以達到系統(tǒng)的無縫集成。系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)由GPS數(shù)據(jù)接收機、通信串口和GIS數(shù)據(jù)分析處理平臺3部分組成，其結(jié)構(gòu)模型［4-5］如圖1所示。

圖1 GPS/GIS集成的結(jié)構(gòu)模型圖

三、系統(tǒng)的設(shè)計

1.系統(tǒng)設(shè)計平臺的選擇

1)系統(tǒng)開發(fā)工具：采用的是Visua1 Basic 6.0可視化開發(fā)工具，其編程簡單、可視化程度高。

2)GIS開發(fā)平臺：采用的是基于MapX的組件式二次開發(fā)技術(shù)，并以MapInfo作為系統(tǒng)開發(fā)平臺。它可以充分發(fā)揮GIS強大的空間數(shù)據(jù)管理、分析及三維立體化等功能，也可以發(fā)揮其他可視化開發(fā)語言高效、簡便等特點，極大地擴展了系統(tǒng)的開發(fā)途徑，使得系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應(yīng)性，為其他領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)提供了條件。

3)GPS開發(fā)方式：采用的是基于技術(shù)的集成方式，通過設(shè)計專門的GPS模塊，實現(xiàn)GPS和GIS的無縫集成。

2.系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容

基于GPS/GIS集成的遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)利用遠程無線傳輸?shù)姆椒▽ΡO(jiān)測區(qū)的GPS數(shù)據(jù)進行傳輸，并利用GIS技術(shù)對該數(shù)據(jù)進行管理和分析，以實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)內(nèi)變形的分析和預(yù)警。系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容包括以下4個方面。

1)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集與遠程傳輸。將通過靜態(tài)GPS接收機獲取到的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)傳輸模塊，進行數(shù)據(jù)解算，得到所需的坐標(biāo)值，再傳輸?shù)奖镜胤?wù)器中，形成本系統(tǒng)所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2)GPS系統(tǒng)與組件式GIS的無縫集成。利用GPS接收機所提供的定位數(shù)據(jù)和GIS中的電子地圖，建立數(shù)據(jù)集成的結(jié)構(gòu)模型，完成GPS與GIS的無縫集成，以實現(xiàn)GPS和GIS之間數(shù)據(jù)坐標(biāo)或數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、地圖的匹配及顯示等。

3)動態(tài)監(jiān)測預(yù)測模型的構(gòu)建。由于變形體的變形受到很多內(nèi)外界因素的影響，為了實時地預(yù)測出變形體的變形狀態(tài)和趨勢，利用傳統(tǒng)的變形預(yù)測的基本理論和方法，如回歸分析、時間序列分析和灰色系統(tǒng)等建立預(yù)測模型很難滿足實際工作的需求。因此，只有對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，找出規(guī)律，建立動態(tài)監(jiān)測預(yù)測模型，才能更有效地反映出變形特征及其趨勢。

4)遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的功能的設(shè)計及其開發(fā)。遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)和監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)兩部分組成。其中，數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)是監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支持;監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)是監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是利用GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)和GIS相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)對遠程監(jiān)測區(qū)的實時監(jiān)測和變形預(yù)警。

3.系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

(1)GPS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及一體化管理

在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和一體化管理對GPS和GIS的集成至關(guān)重要。為了實現(xiàn)以GIS數(shù)據(jù)(圖形、圖像和屬性等形式的數(shù)據(jù))定位GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)，就必須將由GPS接收機所采集到的屬于WGS-84坐標(biāo)系的監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到1954北京坐標(biāo)系中，再經(jīng)高斯投影變換轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，利用特定的地圖匹配算法實現(xiàn)與地圖的匹配。因此，利用GIS技術(shù)對GPS數(shù)據(jù)進行分析處理、動態(tài)存儲、管理和可視化，是實現(xiàn)變形監(jiān)測系統(tǒng)專業(yè)化和智能化的重要手段。另外還可以通過數(shù)據(jù)傳輸接口將GPS和GIS系統(tǒng)、有效地集合起來，以解決數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理和分析過程中存在的問題，為GPS和GIS的集成和應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。

(2)集成系統(tǒng)的可視化

可視化是描述變形體變形最直觀的表現(xiàn)形式。因此，如何將集成系統(tǒng)中大量的與變形有關(guān)的空間圖形、圖像等信息一目了然地體現(xiàn)出來，使用戶能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地掌握工程項目的運行狀況，是GPS和GIS集成的遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的內(nèi)容。

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維仿真技術(shù)近年來快速發(fā)展，可利用三維可視化實施遠程監(jiān)控、指揮調(diào)度和對反饋回來的數(shù)據(jù)進行管理、分析和決策等，并在計算機上生動形象地將各種信息資源綜合直觀地加以表現(xiàn)，進行交互式操作［6］，實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化?；贕PS和GIS集成的遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)就是充分利用了GIS強大的對空間數(shù)據(jù)的存儲、管理、顯示、分析及三維立體化等功能，不僅提高了系統(tǒng)建模的效率和準(zhǔn)確性，縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)費用，還彌補了傳統(tǒng)變形監(jiān)測研究方法和手段中存在的不足，方便了工程人員對變形監(jiān)測系統(tǒng)進行全面、直觀的理解和決策。

(3)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)反演

反演分析是對工程項目進行反饋分析的一種方法，是對實測數(shù)據(jù)和其他觀測數(shù)據(jù)的一系列反饋處理，是系統(tǒng)設(shè)計過程中重要的組成部分［7］。

變形預(yù)測值是指導(dǎo)工程項目生產(chǎn)運營的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它的好壞直接影響到工程項目的安全評估，而工程項目的安全評估又是以原始監(jiān)測值作為基礎(chǔ)的。但是在實際監(jiān)測中，由于受到各種因素的影響，原始監(jiān)測數(shù)據(jù)會不可避免地存在一定的誤差，這就勢必導(dǎo)致實測值的不準(zhǔn)確，由此所得出的預(yù)測值也就必然存在較大的偏差。為了獲得更加準(zhǔn)確、真實的預(yù)測值，本文利用反饋分析的方法，首先依據(jù)原始監(jiān)測值，檢驗、計算影響變形的各種參數(shù)是否與實際相符合，若一致，則符合要求;若仍存在一定的偏差，則需進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使得計算值盡量與實測值接近。然后再根據(jù)計算的參數(shù)值推算出預(yù)測值，以此來實現(xiàn)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)反演，并為工程的安全生產(chǎn)、變形預(yù)測及方案設(shè)計提供技術(shù)保障。

四、結(jié) 論

本文在對GPS與GIS集成技術(shù)和遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進行分析研究的基礎(chǔ)上，建立了一套基于GPS/GIS集成的遠程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)主要可以解決以下幾個方面的問題：

1)實現(xiàn)對遠程監(jiān)測區(qū)內(nèi)變形體的實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)的遠程傳輸，方便用戶實時、準(zhǔn)確地查詢監(jiān)測信息。

2)實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時更新、管理和共享，使資源的配置更為合理，調(diào)度更為方便。

3)實現(xiàn)三維的可視化操作，通過這種更為直觀、更為生動的方式將變形體的變形展現(xiàn)出來，為用戶進行分析和決策提供便利。

4)實現(xiàn)對變形體實時、準(zhǔn)確地分析和預(yù)測，提高各部門的反應(yīng)能力和協(xié)同處理問題的能力，為降低災(zāi)害事故、科學(xué)決策和工程施工運營提供有力的保障。

［1］ 胡友健，梁新美，許成功.論GPS變形監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.測繪科學(xué)，2006，31(5)：155-157.

［2］ 王曉華，胡友健，柏柳.變形監(jiān)測研究現(xiàn)狀綜述［J］.測繪科學(xué)，2006，31(2)：130-132.

［3］ 黃萬里，林廣發(fā)，江輝仙.GPS與GIS的集成方法［J］.測繪通報，2005(4)：33-35.

［4］ 劉利君，武文波.GPS與GIS集成技術(shù)在礦山沉降監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.測繪科學(xué)，2009，34(S1)：101-102.

［5］ 昂勤樹，畢金斌，唐環(huán).基于GPS/GIS集成理論的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［J］.自動化與儀表，2007，22(2)：10-14.

［6］ 鹿新高，鹿新陽，鄧愛麗，等.基于3S的三維可視化防汛減災(zāi)指揮系統(tǒng)［J］.水利水運工程學(xué)報，2010(4)：68-72.

［7］ 張平.獅子灘大壩監(jiān)測資料分析與參數(shù)反演［D］.成都：四川大學(xué)，2004.

Research on Remote Deformation Monitoring and Intelligent Warning System Based on GPS/GIS Integration

XIAO Haiping，CHEN Lanlan，LIU Deer，GUO Zhongqun，GUO Guanming

0494-0911(2012)09-0071-03

P208

B

2011-11-28

江西省教育廳科技計劃(GJJ11472);江西理工大學(xué)科研基金(JXXJ10031)

肖海平(1980—)，男，江西新干人，碩士，講師，主要研究方向為數(shù)據(jù)處理、GIS應(yīng)用與開發(fā)。