吳文壇，高星偉，田 摯，田時雨，鄭 闊

(1.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050031；2.河北省測繪資料檔案館，石家莊 050031；3.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；4.河北省第二測繪院，石家莊 050031；5.北京奧騰巖石科技有限公司，北京 101102)

1 概述

全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)技術(shù)用于形變監(jiān)測已經(jīng)有十多年的時間，具有實(shí)時、高效和高精度的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁和地表等形變監(jiān)測，同時也取得了非常好的效果[1-4]。后來，在GPS形變監(jiān)測的基礎(chǔ)上，引入或發(fā)展出一些相關(guān)的新技術(shù)，如偽衛(wèi)星、一機(jī)多天線、合成孔徑雷達(dá)和激光等，使得形變監(jiān)測的技術(shù)越來越靈活便捷[5-10]。近些年，隨著連續(xù)運(yùn)行跟蹤站(continuously operating reference stations，CORS)技術(shù)越來越成熟，也逐漸應(yīng)用于形變監(jiān)測中[11-12]。

河北CORS系統(tǒng)始建于2008年，于2010年正式投入運(yùn)營，已廣泛應(yīng)用于測繪、國土、規(guī)劃、氣象、水利電力、石油物探等多個行業(yè)部門，期間經(jīng)過多次升級改造，截止目前共建設(shè)64個站點(diǎn)。實(shí)時目標(biāo)高精度監(jiān)測是河北CORS服務(wù)的一個主要內(nèi)容，監(jiān)測目標(biāo)包括各種不同的運(yùn)動狀態(tài)，如低動態(tài)的大壩、橋梁和建筑物等的形變監(jiān)測，高動態(tài)的人員和車載用戶的實(shí)時監(jiān)測。本文將重點(diǎn)對河北CORS系統(tǒng)在形變監(jiān)測中的應(yīng)用情況進(jìn)行探討和測試分析。

2 方法研究

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括兩部分內(nèi)容：一是CORS站網(wǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時處理，二是監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時處理[13]。

2.1.1 CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時處理

對于CORS站網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時處理主要是為了得到CORS網(wǎng)的彌散誤差(主要是電離層延遲)和非彌散誤差(主要是對流層延遲和軌道誤差等)。本文的方法是首先進(jìn)行雙差組合，盡可能多地消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，并削弱具有相關(guān)性的系統(tǒng)誤差；然后由于CORS站坐標(biāo)精確已知，可分別通過無幾何誤差組合和無電離層組合求出雙差后的CORS網(wǎng)的彌散誤差和非彌散誤差大小。

2.1.2 監(jiān)測站數(shù)據(jù)的實(shí)時處理

對于監(jiān)測站的數(shù)據(jù)處理主要是為了實(shí)時得到每個監(jiān)測站的實(shí)時準(zhǔn)確位置。本文采用的方法是首先跟距離較近的CORS站進(jìn)行雙差組合；然后利用前面求出的CORS網(wǎng)的誤差信息內(nèi)插監(jiān)測站的相關(guān)誤差，并進(jìn)行改進(jìn)，求解整周模糊度和精確坐標(biāo)信息。

2.2 形變分析

形變分析中包含兩類模型：觀測模型和形變模型。觀測模型可參見2.1節(jié)或文獻(xiàn)[13]。形變模型可表示為

X=BS+w

(1)

式(1)中，X為形變模型的觀測值；S為形變參數(shù)；B為設(shè)計矩陣；w為模型噪聲向量。根據(jù)最小二乘原理可以計算出形變參數(shù)S的估值。上面的形變模型也可以與前面的觀測模型融合在一起。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、結(jié)果分析等五個主要子系統(tǒng)，另外還包括供電、避雷等。

數(shù)據(jù)采集：為系統(tǒng)提供原始觀測數(shù)據(jù)。主要包括基準(zhǔn)站和監(jiān)測站全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)接收機(jī)，另外根據(jù)監(jiān)測對象的不同，可增加一些安全監(jiān)測輔助傳感器，如氣象設(shè)備、傾斜儀和視頻傳感器等。

數(shù)據(jù)傳輸：將野外采集的原始觀測數(shù)據(jù)傳回系統(tǒng)中心。目前支持有線通訊和無線通訊兩種模式，或者兩種模式相結(jié)合。

數(shù)據(jù)處理：將外業(yè)觀測數(shù)據(jù)處理為對應(yīng)的位置信息。該子系統(tǒng)可以根據(jù)所監(jiān)測目標(biāo)的運(yùn)動情況，任意設(shè)置結(jié)果輸出頻率(監(jiān)測頻率)，最高可設(shè)置為單歷元，即與GNSS接收機(jī)的采樣率相一致。

數(shù)據(jù)存儲：采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可對所需要的原始觀測值和處理結(jié)果進(jìn)行存儲。

結(jié)果分析：對處理后的位置信息進(jìn)行分析，提取形變信息，并進(jìn)行顯示、生成工作日志和報警等。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3 實(shí)測分析

為了驗(yàn)證軟件系統(tǒng)的監(jiān)測效果，選取河北CORS網(wǎng)的尚義、陽原和涿鹿為基準(zhǔn)站網(wǎng)，測站間的平均距離大約為110 km，對位于張渤(張家口-渤海)斷裂帶上的懷安站進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，測站的分布如圖2所示。

圖2 測站分布圖

利用本文中方法開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示，對上述區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，結(jié)果如圖4所示。圖4為其中一個監(jiān)測點(diǎn)在2014-08-12的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，其中橫軸表示時間，單位為 s，縱軸表示形變量，單位為 m。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面

圖4中的結(jié)果為單歷元定位結(jié)果。通過對圖2情況下的定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析可知：北方向(N)、東方向(E)和天頂方向(U)的單歷元定位誤差分別為1.81 cm、1.62 cm和2.4 cm。

4 結(jié)論

隨著我國各地的CORS網(wǎng)建設(shè)的陸續(xù)完成，基于CORS的應(yīng)用也越來越廣泛，較之傳統(tǒng)的高精度實(shí)時定位，基于CORS的實(shí)時高精度定位具有明顯的優(yōu)勢。本文提出的基于CORS的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)方法有效監(jiān)測范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)單歷元厘米級的高精度實(shí)時監(jiān)測，可根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的運(yùn)動速度情況，調(diào)整監(jiān)測結(jié)果頻率，通過短時間的平均與濾波，可以很快實(shí)現(xiàn)毫米級的監(jiān)控效果，可以滿足快至車載目標(biāo)，慢至地表監(jiān)測的各類目標(biāo)監(jiān)測應(yīng)用。

圖4 2014-08-12的實(shí)時監(jiān)測結(jié)果/m

[1] 沈云中，張洪宇，劉大杰.上海三維形變監(jiān)測GPS試驗(yàn)網(wǎng)的建立[J].上海地質(zhì)，1995(2)：62-64.

[2] 張華海，李景芝，余學(xué)祥，等.GPS形變監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理模型[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，29(4)：423-427.

[3] 張小紅，李征航，徐紹銓.高精度GPS形變監(jiān)測的新方法及模型研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2001，26(5)：451-454.

[4] 邱斌，朱建軍，賀躍光.GPS在大地及工程變形觀測中的應(yīng)用[J].礦冶工程，2002，22(2)：16-19.

[5] 楊光.GPS和偽衛(wèi)星組合定位技術(shù)及其在形變監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].南京：河海大學(xué)，2004.

[6] 何秀鳳，華錫生，丁曉利，等.GPS一機(jī)多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2002，26(3)：34-36.

[7] 楊光，何秀鳳，侯新華，等.GPS多天線大壩形變監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].測繪通報，2003(8)：33-35+47.

[8] 張永紅，張繼賢，龔文瑜.基于SAR干涉點(diǎn)目標(biāo)分析技術(shù)的城市地表形變監(jiān)測[J].測繪學(xué)報，2009，38(6)：482-487.

[9] 馬超，單新.星載合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(D-InSAR)技術(shù)在形變監(jiān)測中的應(yīng)用概述[J].中國地震，2004，20(4)：410-418.

[10] 武百超，鄒徐文.GPS/INSAR數(shù)據(jù)融合在大范圍地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用[J].礦山測量，2006(1)：33-35.

[11] 史廷玉，汪偉，張志全.基于CORS站點(diǎn)的高層建筑物形變監(jiān)測研究[C]//第十三屆中國科協(xié)年會第12分會場-測繪服務(wù)災(zāi)害與應(yīng)急管理學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：[出版者不詳]，2011：1-5.

[12] 劉小丁，李成鋼，魏平新.基于GDCORS的廣東省滑坡災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].測繪通報，2012(3)：5-8.

[13] 高星偉，陳銳志，趙春梅.網(wǎng)絡(luò)RTK算法研究與實(shí)驗(yàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2009，34(11)：1350-1353.