劉紫平,吳凌輝,陳春花,敖敏思

(湖南省測繪科技研究所, 湖南 長沙 410007)

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基于HNCORS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)集成應(yīng)用

劉紫平,吳凌輝,陳春花,敖敏思

(湖南省測繪科技研究所, 湖南 長沙 410007)

本文主要闡述綜合運用 GNSS空間定位、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊、3G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),對監(jiān)測點的地表位移進(jìn)行實時監(jiān)測、分析和預(yù)警,并介紹以HNCORS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要功能及實現(xiàn)過程,為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作提供可行的技術(shù)支持。

地質(zhì)災(zāi)害;HNCORS;位移監(jiān)測;誤差模型;預(yù)警

0 引 言

湖南省是全國地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一,截至2013年底,全省共查明滑坡、崩塌、泥石流等各類地質(zhì)災(zāi)害隱患點18 494處,威脅153.7萬人,威脅財產(chǎn)244.7億元。2014年,受多輪強(qiáng)降雨的影響,全省共突發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害4 740起,造成38人死亡失蹤、經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失7.2億元。根據(jù)2015年汛前排查結(jié)果,需重點防范的245處重要地質(zhì)災(zāi)害隱患點分布在全省91個縣市區(qū),其中險情特大型18處,大型27處,共威脅12.5萬余人,直接威脅財產(chǎn)約44.5億元。

2014年,我省入圍全國地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系建設(shè)重點省。為全面建成地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系,全省下一步將開展調(diào)查評價、監(jiān)測預(yù)警、搬遷避讓、災(zāi)害治理、能力建設(shè)五大工程項目實施?！邦A(yù)防為主,專群結(jié)合”是我省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的重要措施。現(xiàn)有專業(yè)監(jiān)測手段主要為分階段人工測試、記錄及資料處理,技術(shù)人員需巡回值守,造成大量的人力資源及資金的浪費,監(jiān)測技術(shù)人員缺乏人身安全保障,監(jiān)測預(yù)警效率低,不能實現(xiàn)實時自動監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與及時預(yù)報(特別是夜晚或連續(xù)大雨的監(jiān)測、臨災(zāi)前的及時報警),更不便決策部門與專家及時了解地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場的監(jiān)測結(jié)果,不能快速制訂臨災(zāi)狀況的處理方案。如何實現(xiàn)對重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點開展專業(yè)監(jiān)測,及時掌握災(zāi)害體的發(fā)展變化情況,提高我省地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測科技水平和監(jiān)測預(yù)警能力是亟需解決的關(guān)鍵問題。

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)可以定義為一個或若干個固定、連續(xù)運行的GNSS參考站,利用現(xiàn)代計算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò),實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GPS觀測值(載波相位,偽距)、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息以及其他有關(guān)GPS服務(wù)的系統(tǒng)[1-2]。CORS系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于具有高質(zhì)量的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)、較為嚴(yán)密的完備性檢驗功能,保證了監(jiān)測基準(zhǔn)的可靠性。相關(guān)資料表明,利用CORS技術(shù)建設(shè)和維護(hù)區(qū)域動態(tài)形變監(jiān)測基準(zhǔn)點年變化速度精度可達(dá)2～5 mm[3-4].目前,國內(nèi)外已有很多基于GPS靜態(tài)控制測量技術(shù)應(yīng)用于大型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的案例[5]。如陳永立等實現(xiàn)了基于CORS系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[6],張國合建設(shè)了基于CORS的浙江省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[7],劉小丁等實現(xiàn)了基于GDCORS的廣東省滑坡災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[8]。

本文結(jié)合湖南省國土資源廳“應(yīng)急測繪平臺與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測決策系統(tǒng)研究”項目實際需求開發(fā)了基于HNCORS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了將CORS基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)、監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)無縫集成到該系統(tǒng)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。并實現(xiàn)對監(jiān)測點地表位移的實時監(jiān)測,為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作提供了可靠保障。

1 HNCORS簡介

湖南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位公共服務(wù)平臺 (HNCORS),是覆蓋全省的連續(xù)運行衛(wèi)星導(dǎo)航定位綜合服務(wù)系統(tǒng),在全省共布設(shè)122個基準(zhǔn)站,其中85個站兼容北斗系統(tǒng)。2015年1月,完成北斗信號加載調(diào)試工作,使得HNCORS成為全國首家能提供北斗信號的省級衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)站服務(wù)綜合系統(tǒng)。截至目前,用戶涵蓋國土測繪、氣象預(yù)報、高等教育、城市規(guī)劃、勘察、交通、水利、電力等行業(yè)。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和防控領(lǐng)域,HNCORS已經(jīng)開始作為全省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的統(tǒng)一基準(zhǔn),對災(zāi)害隱患點的位移進(jìn)行監(jiān)測,逐步取代原有分散的局部基準(zhǔn)站,在提升可靠性的同時,節(jié)約資源。

2 系統(tǒng)簡介

地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測(RTM)通過各種數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、傳輸、發(fā)布技術(shù),是讓目標(biāo)層人員在第一時間內(nèi)了解、掌握有關(guān)災(zāi)害體的變形動態(tài)和發(fā)展趨勢,進(jìn)而做出決策的多種技術(shù)的集合[9]?；贖NCORS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),是以HNCORS系統(tǒng)為基礎(chǔ),綜合運用 GNSS空間定位、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊、3G網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù),對監(jiān)測點的地表位移進(jìn)行實時監(jiān)測和分析。系統(tǒng)功能主要包括CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析、監(jiān)測預(yù)警等,如圖1所示。該系統(tǒng)依托HNCORS連續(xù)、高質(zhì)量的基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù),無需單獨建設(shè)GNSS監(jiān)測網(wǎng),且CORS基準(zhǔn)站坐標(biāo)精度高于單獨建設(shè)GNSS監(jiān)測網(wǎng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)精度,這就能最大限度利用HNCORS系統(tǒng)的優(yōu)勢,提高工作效率的同時,降低建設(shè)成本。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集分為CORS基準(zhǔn)站和監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集,CORS基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ǚ?wù)器,監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)通過3G通訊網(wǎng)絡(luò)回傳到服務(wù)器中,再由服務(wù)器推送到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本文中的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)加載了4個監(jiān)測點及2個CORS基準(zhǔn)站,監(jiān)測點與相應(yīng)CORS基準(zhǔn)站之間的距離在30 km以內(nèi),監(jiān)測點分布圖如圖2所示。

3.2 動態(tài)數(shù)據(jù)解算模型及處理

本系統(tǒng)可提供實時厘米級和準(zhǔn)實時毫米級兩種精度結(jié)果。通過網(wǎng)絡(luò)RTK算法,聯(lián)合相應(yīng)CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)可以獲取監(jiān)測點實時厘米級的精度結(jié)果,而準(zhǔn)實時毫米級可以實現(xiàn)平面精度在±5 mm,高程精度在±1 cm以內(nèi)。

動態(tài)數(shù)據(jù)解算模型由CORS誤差模型與雙頻模糊度實時解算模型構(gòu)成,其定位參數(shù)估計的最終觀測方程為[10]

(1)

Sφ=-I+T+O,

(2)

通過卡爾曼濾波方法進(jìn)行除噪、自動閾值分類和假設(shè)檢驗的形跡位移參數(shù)自動探測,對已有位移監(jiān)測數(shù)據(jù)提取特征點信息,并分解為與災(zāi)害監(jiān)測目標(biāo)顯著性形變相關(guān)的不同時間尺度的相對位移、速度及加速度等運動狀態(tài)參數(shù)信息,并作為監(jiān)測點實時位移監(jiān)測、預(yù)警的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

動態(tài)解算模型方法及流程,可分為模糊度固定(包括雙頻模糊度估計、搜索、檢核)以及定位參數(shù)求解兩個過程。監(jiān)測系統(tǒng)接收到CORS基準(zhǔn)站和監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)后,根據(jù)動態(tài)模型進(jìn)行處理。

3.3 監(jiān)測點處理結(jié)果

本文以監(jiān)測點south02為例,設(shè)置歷元間隔為1s采集2h觀測數(shù)據(jù),并每30min輸出一次監(jiān)測結(jié)果。該監(jiān)測點的實時監(jiān)測處理結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看到該系統(tǒng)的準(zhǔn)實時動態(tài)監(jiān)測結(jié)果,平面精度保持在±5mm,高程精度在±1cm以內(nèi)。

3.4 監(jiān)測點位移變化

該監(jiān)測系統(tǒng)記錄了監(jiān)測點south02從2016年6月28日下午4點57分到2016年7月4日下午4點57分期間平面和高程的位移情況,如圖4所示。該功能可以反映監(jiān)測點在一定監(jiān)測周期內(nèi)的位移變化情況,其中淺色線和黑色線分別為平面和高程精度變化情況。

3.5 速度/加速度變化

該功能主要反映監(jiān)測點在一定時期內(nèi)位移速度及加速度的變化情況,用來評估位移變化的趨勢,圖5示出了監(jiān)測點south02從6月28日到7月4日位移速度/加速度變化情況。

3.6 預(yù)警

依據(jù)已有的監(jiān)測點位移數(shù)據(jù)做預(yù)警,主要采用多項式擬合位移預(yù)測模型、指數(shù)回歸預(yù)測模型、生物生長位移預(yù)測模型及以上三種模型的加權(quán)組合預(yù)測模型等[10]。該系統(tǒng)的預(yù)警功能主要通過實時監(jiān)測相關(guān)監(jiān)測點表面位移變化及位移的速度/加速度變化趨勢,監(jiān)控是否超過設(shè)定的閾值,一旦超過即觸發(fā)預(yù)警功能。

4 結(jié)束語

本文基于HNCORS系統(tǒng),綜合運用GNSS空間定位技術(shù),計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測點信息采集、傳輸、處理、分析和預(yù)警等功能,避免了單獨建設(shè)GNSS監(jiān)測網(wǎng),降低了建設(shè)成本。從試驗結(jié)果來看,基于HNCORS系統(tǒng)建立的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)對監(jiān)測點地表位移動態(tài)監(jiān)測,采用的算法可保證監(jiān)測點平面精度保持在±5mm,高程精度在±1cm以內(nèi)。表明基于HNCORS系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于地災(zāi)監(jiān)測中是完全可行的。

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Integrated Application of Geological Disaster Monitoring and Forewarning System Based on HNCORS

LIU Ziping,WU Linghui,CHEN Chunhua,AO Minsi

(TheSurveyingandMappingScienceandTechnologyInstituteofHunanProvince,Changsha410007,China)

This paper discusses mainly the comprehensive use of GNSS space positioning、computer network communication、3G network and other technologies, and real-time monitoring,analysis and Forewarning of surface displacement for the monitoring points. Introduce the main function and Implementation process of the geological disaster monitor-ing and forewarning system based and HNCORS, to provide feasible technical support for the geological disaster harm monitoring and forewarning work.

Geological disaster; HNCORS; displacement monitoring; error model; forewarning

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.024

2016-10-10

; 湖南省國土資源廳科技研究計劃項目(編號：201510)

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0114-04

劉紫平 (1984-),男,湖南株洲人,碩士,工程師,主要從事大地測量及工程測量應(yīng)用研究工作。

吳凌輝 (1968-),男,湖南岳陽人,本科,高級工程師,主要從事測繪發(fā)展研究及國土規(guī)劃應(yīng)用研究工作。

陳春花 (1983-),女,湖南湘鄉(xiāng)人,碩士,工程師,主要從事空間測量定位技術(shù)研究。

聯(lián)系人： 劉紫平 E-mail:qzzgz@126.com