安 慶，況小馳，李 方

（1.武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430206；2.武漢中學(xué)，湖北 武漢430061；3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

武漢后湖地區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

安 慶1，況小馳2，李 方3

（1.武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430206；2.武漢中學(xué)，湖北 武漢430061；3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

基于北斗高精度定位和GIS集成技術(shù)，研發(fā)了一套北斗地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)。以武漢后湖地區(qū)為應(yīng)用示范，通過在該區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)北斗參考站網(wǎng)和監(jiān)測站網(wǎng)，建設(shè)北斗數(shù)據(jù)處理中心，利用接收到的北斗觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解算，對該區(qū)域的地面沉降進(jìn)行監(jiān)測。定位精度實時可達(dá)cm級，事后可達(dá)mm級。該系統(tǒng)可以針對城市地面沉降進(jìn)行多級預(yù)警和趨勢分析，為城市建設(shè)管理提供決策依據(jù)。

BDS/GIS集成；高精度；數(shù)據(jù)通信；沉降監(jiān)測

地面沉降是由于自然因素或者人類工程活動引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。地面沉降具有易發(fā)性、緩變性、累進(jìn)性和不可逆性等特點(diǎn)[2]。2013年以來，武漢市江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)以及武昌區(qū)有多個小區(qū)、單位相繼發(fā)生地面不均勻沉降，造成部分墻體開裂，進(jìn)戶臺階、未經(jīng)處理或架空的首層室內(nèi)地坪、建筑物周邊散水、場區(qū)道路、地面及管線下沉，部分附屬建筑物玻璃幕墻局部變形、破損，少數(shù)門窗開關(guān)受阻，個別結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物發(fā)生結(jié)構(gòu)梁及墻體開裂，嚴(yán)重影響了居民的正常生活和工作。特別是江岸區(qū)的后湖片區(qū)群眾投訴尤為明顯，經(jīng)調(diào)查，該區(qū)域目前沉降量為100～400 mm，且尚未穩(wěn)定，有繼續(xù)發(fā)展的趨勢，正呈現(xiàn)大面積地面沉降的征兆。

武漢市城建委高度重視該區(qū)域存在的安全隱患，委托光谷北斗公司利用先進(jìn)的北斗技術(shù)編制泛后湖地區(qū)的地面沉降監(jiān)測方案，并組織專家論證。隨后，對東起武漢二七長江大橋，西至漢口三眼橋路，南到解放大道，北至三環(huán)線三金潭立交，面積約35 km2的后湖片區(qū)進(jìn)行地面沉降安全監(jiān)測試點(diǎn)工作。開展此項工作不僅對保障國家和人民生命財產(chǎn)的安全有著重要的作用，而且對發(fā)展北斗產(chǎn)業(yè)有著現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

北斗地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)是一個集北斗技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)[3]。它根據(jù)對實時及事后地面沉降數(shù)據(jù)的處理和分析，為數(shù)據(jù)中心的日常管理者提供各類報表、圖形，可以達(dá)到多級預(yù)警和趨勢分析的目的，為城市管理者提供決策依據(jù)和參考。

該系統(tǒng)主要由參考站、監(jiān)測站、通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及數(shù)據(jù)控制中心等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 北斗地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)建設(shè)方案

2.1 北斗參考站建設(shè)

北斗參考站系統(tǒng)是以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他GNSS系統(tǒng)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)[4]，它主要是由北斗扼流圈天線、觀測墩、天線饋線、防雷系統(tǒng)、北斗接收機(jī)、市電電源、有線數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)7個部份構(gòu)成[5]。其中觀測墩和防雷系統(tǒng)兩個部份需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行建設(shè)，其他部分均為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。它集成了傳統(tǒng)大地測量、現(xiàn)代大地測量、衛(wèi)星大地測量、現(xiàn)代無線通信、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件工程等多專業(yè)技術(shù)為一體[6]，通過地面通信系統(tǒng)播發(fā)導(dǎo)航信號修正量和輔助定位信號，向用戶提供cm級精密導(dǎo)航定位和事后mm級增強(qiáng)服務(wù)[7]。

參考站要求建立在地基穩(wěn)定的地點(diǎn)，場地應(yīng)滿足以下要求[8]：

1）參考站盡量建在穩(wěn)定的基巖上，或凍土層以下2 m。

2）視野盡量開闊。

3）遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺，電臺，微波站等），其距離不小于200 m，遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50 m。

4）盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

5）參考站觀測墩應(yīng)遠(yuǎn)離震動源（鐵路、公路等）50 m以上。

北斗基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)根據(jù)沉降體的情況而定，點(diǎn)位設(shè)計分布在沉降體周圍地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定、視野相對比較開闊且易于長期保存的地方。參考站須定時與就近的GNSS A、B級控制網(wǎng)或國家IGS網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測[9]，以利于分析基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的可靠性及變形情況。基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)基線向量的中誤差σ≤1 ppm·D，當(dāng)基線長度D＜3 km時，基線分量絕對精度≤3 mm[10]。

根據(jù)本項目地面沉降監(jiān)測范圍，參照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行站點(diǎn)選址、數(shù)據(jù)分析，最后結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)與備選點(diǎn)基線長度來合理確定選點(diǎn)的位置，本項目共勘定了6個點(diǎn)位布設(shè)參考站，如圖2所示。

圖2 北斗地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)參考站布點(diǎn)示意圖

2.2 北斗地面沉降監(jiān)測站建設(shè)

北斗地面沉降監(jiān)測站間無須通視，布設(shè)原則為：

1）在地鐵沿線及周邊區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位適當(dāng)加密。

2）典型建筑物（如高大建筑物等）周邊應(yīng)適當(dāng)布點(diǎn)，以作參考。

3）沉降監(jiān)測站盡量沿主要道路、地下管網(wǎng)、隧道、橋梁等沿線布設(shè)。

4）監(jiān)測站周圍應(yīng)視野開闊、視場內(nèi)高度角不宜大于10°，困難地區(qū)視場高度角大于10°的障礙物遮擋角累計不應(yīng)超過30°。

5）監(jiān)測站與周圍電視臺、電臺、微波站、通信基站、變電所等大功率無線電發(fā)射源的距離應(yīng)大于200 m，與高壓輸電線、微波通道的距離應(yīng)大于100 m。

6）監(jiān)測站附近不應(yīng)有大型建筑物、玻璃幕墻及大面積水域等強(qiáng)烈干擾接收機(jī)接收衛(wèi)星信號的物體。

在武漢市后湖片區(qū)35 km2進(jìn)行實地踏勘后，按沉降監(jiān)測網(wǎng)劃分為500 m×500 m網(wǎng)格，每個網(wǎng)格一個監(jiān)測點(diǎn)，兼顧適當(dāng)加密的原則，共設(shè)計布設(shè)187個監(jiān)測點(diǎn)。

2.3 供電系統(tǒng)建設(shè)

結(jié)合后湖沉降監(jiān)測區(qū)的實際情況，以及保障項目供電的可靠性，參考站采用市電和太陽能供電相結(jié)合的方式。監(jiān)測站在能夠牽引市電的地方采用市電供電，在不方便牽引市電的地方采用太陽能供電的方式。主要采用50 W的太陽能電池板和100 Ah的蓄電池，經(jīng)測試，該搭配在沒有太陽的情況下可以連續(xù)工作7 d。

2.4 數(shù)據(jù)通訊方案

本監(jiān)測項目區(qū)域較大，屬于環(huán)境復(fù)雜的市區(qū)，為達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、時延小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等要求，參考站數(shù)據(jù)傳輸采用光纖的方式，監(jiān)測站采用3G/4G的通信方式。

2.5 數(shù)據(jù)中心建設(shè)

北斗地面沉降數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)庫存儲、離線存儲、云計算、管理服務(wù)器等信息化基礎(chǔ)設(shè)施，目前規(guī)模能滿足后湖地區(qū)的北斗沉降監(jiān)測信息化服務(wù)，將來可以通過云計算無限動態(tài)擴(kuò)展，服務(wù)全武漢市各類沉降區(qū)地面沉降監(jiān)測的需求。其硬件設(shè)備主要組成為各類服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。服務(wù)器包括云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、利舊服務(wù)器、管理服務(wù)器等；數(shù)據(jù)存儲設(shè)備包括數(shù)據(jù)庫存儲、云存儲、利舊存儲、離線存儲等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括防火墻、核心交換機(jī)、負(fù)載均衡器等，其拓?fù)浼軜?gòu)如圖3所示。

圖3 北斗地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心拓?fù)鋱D

2.6主要技術(shù)指標(biāo)

該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)表

3 系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計與開發(fā)

3.1 系統(tǒng)軟件功能

北斗地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)基于北斗高精度定位技術(shù)，提供了位置信息的實時采集與動態(tài)解算，具有傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以實現(xiàn)的高精度、高可靠、全天候、全自動的優(yōu)勢。由于沉降是靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的實時性要求不高，而對精度要求較高，所以使用一段時間的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，從而可以獲得mm級的沉降觀測量。該時間段由數(shù)據(jù)中心后臺進(jìn)行配置，默認(rèn)為4 h解算一次，其成果數(shù)據(jù)可以按某一固定時段、日、周等配置提供。該系統(tǒng)主要包括GIS模塊、工程管理模塊、圖形顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

GIS模塊以武漢市江岸區(qū)影像為底圖，疊加北斗監(jiān)控中心、監(jiān)控點(diǎn)、監(jiān)控區(qū)域等空間數(shù)據(jù)，通過切片處理后，發(fā)布為地圖服務(wù)，供客戶端訪問。同時，監(jiān)控數(shù)據(jù)在服務(wù)器端統(tǒng)計、分析，并將結(jié)果通過WebService返回到客戶端顯示。主要功能包括監(jiān)測區(qū)域、基站點(diǎn)、沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖瀏覽、屬性信息展示、坐標(biāo)定位，以及監(jiān)測區(qū)域地圖量測、標(biāo)繪和圖層管理等。

工程管理模塊可瀏覽參考站和監(jiān)測站的實景圖片，以及工程概況、工程實施情況等信息。并可對各監(jiān)測站沉降的信息進(jìn)行查詢，以圖表統(tǒng)計的方式顯示，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel，生成監(jiān)控點(diǎn)沉降表。

圖形顯示模塊可根據(jù)沉降量繪制監(jiān)測點(diǎn)的沉降過程曲線，根據(jù)沉降速度繪制監(jiān)測點(diǎn)的沉降速度曲線，并可以由監(jiān)測點(diǎn)平面坐標(biāo)（x, y）和沉降量s構(gòu)成監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)（x, y, s）,以區(qū)域為單位建立三維立體模型，繪制沉降量曲線圖。

數(shù)據(jù)分析模塊包括回歸分析、對比分析、綜合分析。系統(tǒng)選擇了對數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)等15種函數(shù)作為沉降過程回歸分析的基本數(shù)學(xué)模型，用戶可以單獨(dú)使用，也可以組合疊加使用，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測。綜合分析按北斗實時采集與按時間段靜態(tài)解算的高程信息，結(jié)合常規(guī)沉降觀測信息等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，實現(xiàn)實時沉降報告、多級報警、沉降趨勢分析等。

3.2 系統(tǒng)集成開發(fā)模式

本系統(tǒng)采用了組件式二次開發(fā)模式，其中GIS開發(fā)組件選擇ArcGIS Engine。它是一套完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫，支持包括COM、．NET框架、Java和C++等多種開發(fā)語言，可以方便地將GIS功能嵌入到目標(biāo)開發(fā)軟件中。

4 結(jié) 語

采用北斗高精度定位技術(shù)，建立了覆蓋后湖地區(qū)的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，查明了該地區(qū)地面沉降災(zāi)害現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、形成原因及分布規(guī)律，逐步建成了集數(shù)據(jù)實時采集、傳輸、預(yù)報于一體的開放、動態(tài)的地面沉降監(jiān)測體系，并針對性地采取了綜合防治方法。該系統(tǒng)的建成，為武漢城市總體規(guī)劃的實施、城市建設(shè)綜合部署與精細(xì)化管理，以及保障國家和人民生命財產(chǎn)安全有重要意義，也為政府部門控制或防治地面沉降，合理開發(fā)和利用地下資源提供了規(guī)劃和決策依據(jù)，具有較為廣闊的推廣前景。

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B文章編號：1672-4623（2017）06-0096-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.030

安慶，碩士，高級工程師，主要從事3S集成技術(shù)研究與應(yīng)用工作 。

2016-03-25。

項目來源：武漢市北斗技術(shù)應(yīng)用示范項目（J15093186-2754）。