肖海平,陳蘭蘭,郭廣禮,劉小生,何琦敏
(1. 江西理工大學,江西 贛州 341000; 2. 中國礦業(yè)大學,江蘇 徐州 221116)
隨著礦山企業(yè)的不斷開采,我國出現(xiàn)了大量的高陡露天邊坡,受到多種要素的影響,給人民帶來了巨大的生命財產(chǎn)安全隱患。逐步消除露天礦山邊坡事故隱患,防止與杜絕礦區(qū)應(yīng)急災(zāi)害事故,推動能源安全開采的新局勢,開展遠程滑坡實時監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究,可以為礦山的安全生產(chǎn)、邊坡治理、滑坡地質(zhì)災(zāi)害預警等提供技術(shù)支持和保障,不僅具有理論價值,而且在實際中具有廣闊的應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測技術(shù)主要以全站儀測量與攝影測量模式為主[1],全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位(global navigation satellite system,GNSS)作為現(xiàn)代成熟的變形監(jiān)測技術(shù),已廣泛應(yīng)用于山體滑坡等變形監(jiān)測中,并且作為防災(zāi)減災(zāi)的主要手段之一,顯著提高了社會和經(jīng)濟效益[1]。隨著近年來空間信息科學的發(fā)展,以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)與GIS為代表的集成技術(shù),為邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了有力的支撐[2]。文獻[3]提出了一種基于ArcGIS Server平臺,以SQL Server數(shù)據(jù)庫為支撐,設(shè)計的一款實時滑坡網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng),拓展了傳統(tǒng)本地計算機的表格形式數(shù)據(jù)分析方式,但沒有將衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)結(jié)合到一起,可靠性與精度還有待提升。郭承燕[4]等借助WEB-GIS技術(shù),開發(fā)了南京市滑坡災(zāi)害預報信息共享平臺,為城市提供了參考,但相應(yīng)的災(zāi)害預測模型主要針對的區(qū)域為城市,模型適用性較差,有時造成不必要的恐慌和資源浪費問題。王威[5]等以滑坡監(jiān)測為研究背景,設(shè)計了一套三維GIS滑坡預警系統(tǒng)與地質(zhì)體模型,提高了滑坡災(zāi)害的預警快速性與響應(yīng)性,但由于沒有將外界環(huán)境、工程活動、物理參數(shù)及穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)起來,使得實際應(yīng)用中還存在局限性。
本文提出一套以GNSS數(shù)據(jù)采集技術(shù)為監(jiān)測手段、利用遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和GIS平臺的信息化遠程監(jiān)測預警系統(tǒng),實現(xiàn)了GNSS定位、互聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸、GIS可視化操作等多種功能。它不僅可以實行遠程實時監(jiān)測,并且監(jiān)測信息能夠長期一體化集中管理,以便用戶隨時、高響應(yīng)地查詢信息,而且還可以對變形體進行及時準確的預測,為降低災(zāi)害事故提供科學依據(jù),指導工程施工。
一般而言,基于導航衛(wèi)星系統(tǒng)和GIS的集成方式可分為如下3種:基于數(shù)據(jù)的集成(data-focused integration)、基于空間位置的集成(position-focused integration)和基于技術(shù)的集成(technology-focused integration)[6]。
鑒于基于技術(shù)集成方式借助GIS的強大信息可視化與空間分析功能,并結(jié)合GNSS數(shù)據(jù)控制能力,在兼容的開發(fā)環(huán)境中形成渾然一體的諸多優(yōu)勢。本文對互聯(lián)通信協(xié)議的解譯技術(shù)和數(shù)據(jù)采集與信息處理理論方法進行研究,設(shè)計并研發(fā)了以GIS應(yīng)用程序為基礎(chǔ)的GNSS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)。
系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)由GNSS數(shù)據(jù)接收與處理裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心和GIS數(shù)據(jù)分析與研究平臺3部分組成:首先通過接收的多衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)進行融合解算,然后接收裝置通過GPRS、SMS網(wǎng)絡(luò)傳輸上傳至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)中心,最后中心依據(jù)TCP/IP、HTTP等通信協(xié)議發(fā)送至客戶端,進行GIS的數(shù)據(jù)處理分析,其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
圖1 GNSS+GIS集成模型
系統(tǒng)開發(fā)工具:本系統(tǒng)擬采用基于微軟Visual Studio 2012編譯工具,編程語言為C#4.0,環(huán)境為.NET Framework 4.5,編程方式簡單,具有較好的靈活性和兼容性。
GIS開發(fā)平臺:采用的是基于ArcEngine 10.2的組件式二次開發(fā)技術(shù),配合DirectX技術(shù)。借助GIS強大的開放式環(huán)境及可擴充性,能夠充分發(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,考慮系統(tǒng)成果的進一步發(fā)展,方便系統(tǒng)維護擴展功能并與其他應(yīng)用系統(tǒng)銜接整合,使得系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應(yīng)性,可為其他領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)提供條件。
GNSS與GIS集成的遠程滑坡實時監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析和變形預報3大部分組成,通過數(shù)據(jù)融合交換的方式,結(jié)合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)與空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成對滑坡災(zāi)害實時預測,主要流程如圖2所示。
圖2 遠程滑坡實時監(jiān)測預警系統(tǒng)架構(gòu)
2.3.1 數(shù)據(jù)采集與分析處理
數(shù)據(jù)作為本軟件研發(fā)的基礎(chǔ),本系統(tǒng)擬通過采用GNSS技術(shù)對滑坡體地面模型的數(shù)據(jù)進行采集,以實現(xiàn)對邊坡的連續(xù)監(jiān)測。而GNSS接收設(shè)備本質(zhì)上得到的數(shù)據(jù)為經(jīng)緯度及高程等參數(shù)值,通過坐標參數(shù)變換可得到在WGS-84坐標系下的坐標值,因此需要建立大地坐標與滑坡點在直角坐標系下的對應(yīng)關(guān)系。首先要對數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換,其次將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中,最后以GIS的類型數(shù)據(jù)——圖形、圖像、屬性等形式來定位GNSS數(shù)據(jù),從而完成GNSS與GIS的數(shù)據(jù)集成,實現(xiàn)系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)的一體化管理,可為GNSS和GIS的集成處理和應(yīng)用示范提供基礎(chǔ)平臺。
另一方面,系統(tǒng)將比較不同GNSS觀測模式下的數(shù)據(jù)質(zhì)量,兼顧軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、多路徑效應(yīng)和地面觀測數(shù)據(jù)精度對滑坡位置解算的影響,包括精密單點定位和差分定位模式下天頂對流層延遲ZTD計算精度。由于GNSS接收的數(shù)據(jù)中存在很多無效、冗余、低精度的數(shù)據(jù),為了獲得更加高精度的監(jiān)測點數(shù)據(jù),系統(tǒng)將對GNSS+GIS的背景場作相容性檢驗、對稱性檢驗,通過建立相應(yīng)的誤差模型進行分析、刪除,以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性。
2.3.2 滑坡災(zāi)情預報模型
在滑坡破壞時間預報方法中,常常遇到的是如何確定滑坡破壞時間的預報標準問題。由于滑坡變形規(guī)律的復雜性和多樣性,尋求統(tǒng)一的預報標準幾乎沒有可能,在這一領(lǐng)域可望取得前進和突破,即能夠確定一個統(tǒng)一的、定量的預報標準,并且可選擇相應(yīng)的預報參數(shù)。系統(tǒng)綜合考慮滑坡變形中存在的隨機性和波動性,將滑坡體的位移矢量角、位移變形速率、穩(wěn)定可靠概率等作為預報參數(shù),對滑坡變形的損壞程度進行判斷。一般的滑坡破壞時間預報,可分為長期預報、中期預報、短期預報和臨滑預報4個階段。結(jié)合變形功率的量級,可將滑坡的穩(wěn)定程度劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、次不穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個狀態(tài)[7]。
滑坡本質(zhì)上是一種多因素影響極為復雜的非線性動力學系統(tǒng),其動態(tài)演變過程紛亂繁雜,并且具有一定的時效性。以往主要采用的預測模型針對具體某一或某些滑坡現(xiàn)象,由于考慮的因素不盡相同,實際的預測過程中可擴展性較差,導致所體現(xiàn)的變形體變化狀態(tài)精度受限。從目前的滑坡預報技術(shù)發(fā)展近況與實際預測應(yīng)用完備性分析,組合預測模型是變形監(jiān)測預測領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的方法之一[8],不僅能夠充分使用組合分析預報模型的先用信息,同時由于多模型融合,使得單一模型隨機影響得以削弱。因此,本系統(tǒng)擬采用灰色預測模型、回歸分析模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為組合模型的子模型,對滑坡體形變量進行定性與定量分析[9],對形變體的演變現(xiàn)象進一步考慮,提升預測精度,其構(gòu)建流程如圖3所示。
圖3 實時滑坡組合預測模型流程
組合預測模型權(quán)系數(shù)的確定:一般來說,組合模型由多種簡單數(shù)學物理模型組合而成,并且組合的方式較多,可以簡易劃分為線性組合模型與非線性組合模型。本系統(tǒng)擬采用線性組合模型,即權(quán)系數(shù)組合預測模型,綜合各子模型有效信息,挖掘內(nèi)在聯(lián)系,提升系統(tǒng)可靠性。
考慮到權(quán)系數(shù)對預測模型的影響程度較大,權(quán)系數(shù)的確定是關(guān)鍵內(nèi)容,當前主要由權(quán)系數(shù)確定方法有:變權(quán)組合預測法和最優(yōu)權(quán)組合預測法。為提高系統(tǒng)的響應(yīng)實時性,本系統(tǒng)擬采用最優(yōu)權(quán)組合法。具體的權(quán)系數(shù)方式是方差倒數(shù)形式,首先通過各獨立子模型的預測誤差,求解殘差平方和,對其進行倒數(shù)運算,明確該子模型誤差在總模型中的權(quán)值,使其組合預測模型殘差平方和最小,其運算公式為
(1)
式中,ej為第j個子模型的殘差平方項,即
(2)
2.3.3 三維可視化模型的構(gòu)建
滑坡三維可視化是滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分,是用于解釋和闡述地表、地下的多種地質(zhì)現(xiàn)象的一種形式,是集合大量數(shù)據(jù)資料表征出的結(jié)果,不僅可以使用批量數(shù)據(jù),檢查其連續(xù)、完備性[10-12],合理敘述了滑坡實體的空間關(guān)系,能夠在一定程度上體現(xiàn)研究區(qū)域滑坡災(zāi)害發(fā)生的變化規(guī)律,并且可以在相應(yīng)時間段內(nèi)對滑坡的動態(tài)變化趨勢進行有效的預警、預報分析,為用戶進行變形決策分析提供有效的手段[13-14]。其構(gòu)建過程為:從現(xiàn)有或外業(yè)基礎(chǔ)資料中獲取信息,建立數(shù)據(jù)庫,再對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行位置轉(zhuǎn)換并實施下一步操作,然后進行映射,最后構(gòu)建三維模型。其實質(zhì)就是在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和DEM的支持下,構(gòu)建滑坡三維模型。
圖4 邊坡分析軟件界面
本文將GNSS和GIS集成技術(shù)對滑坡進行實時監(jiān)測,并且利用三維可視化技術(shù),直觀、形象地反映其變化規(guī)律。GNSS技術(shù)可接收的衛(wèi)星數(shù)量較為充足,在復雜山區(qū)和森林覆蓋區(qū)域能發(fā)揮相應(yīng)優(yōu)勢,同時為了提高預測的準確性,耦合了多種預測模型的特點,建立了滑坡災(zāi)害動態(tài)組合預測模型,并且提出方差倒數(shù)法確定其權(quán)重。最后,結(jié)合實測和預測數(shù)據(jù),通過動態(tài)反演的方式,評價影響滑坡各種參數(shù)與初始值的一致性并進行修正,以實現(xiàn)預測的可靠性。
然而,在GNSS的互操作方面,由于當前廠商針對GNSS接收裝置存在兼容和互操作問題[15],且由于受到不同衛(wèi)星系統(tǒng)的信號交叉干擾,使得廠商與用戶單位的應(yīng)用成本較高,不利于大范圍推廣。同時,鑒于本文未考慮復雜的偏遠村莊、山丘區(qū)等通信能力貧瘠區(qū)域的特征, 針對該部分區(qū)域需要重新規(guī)
劃GNSS通信協(xié)議等問題。
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