胡志遠(yuǎn)　寧彬

摘 要： 地質(zhì)災(zāi)害造成直接或間接的損失巨大，本文提出一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和傳感技術(shù)的地表沉降安全監(jiān)測(cè)方法。利用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站（CORS）技術(shù)，采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站載波相位等數(shù)據(jù)，得到精確的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的形變量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、綜合分析、分級(jí)預(yù)警和預(yù)測(cè)評(píng)估等功能。研究以武漢市后湖片區(qū)為例，該系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了地表沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)評(píng)估的可靠性。

關(guān)鍵詞： 地質(zhì)災(zāi)害； 地表沉降； 安全監(jiān)測(cè)； BDS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP316.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）08-40-03

Design of land subsidence monitoring system based on BDS

Hu Zhiyuan1，2， Ning Bin1

（1. School of Computer Engineering， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China；

2. School of computer， China University of Geosciences）

Abstract： The direct or indirect loss caused by geological disasters is enormous， this paper presents a method of surface subsidence safety monitoring based on BDS （BeiDou Navigation Satellite System） and sensing technology. Using the method of CORS（Continuously Operating Reference Station）and double differential model， on the basis of optimizing the carrier phase difference data processing method， the data such as the carrier phase of the reference station and the carrier phase of the monitoring station are parallel processed， and the deformation of the monitoring point relative to the reference point is obtained， realizing the real-time monitoring， comprehensive analysis， classification and forecasting and evaluation of the surface settlement. Taking Wuhan as the experimental area， the application of the system significantly improves the real-time， accuracy and reliability of the prediction of surface subsidence monitoring.

Key words： geological hazard； surface subsidence； safety monitoring； BDS

0 引言

地表沉降（land subsidence）是指由于自然因素或人類(lèi)工程活動(dòng)引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象。地表沉降具有易發(fā)性、緩變性、累進(jìn)性和不可逆性等特點(diǎn)。當(dāng)大面積地表沉降發(fā)展到一定程度后，會(huì)對(duì)軌道交通設(shè)施、地下管線、道路、地面橋涵及地面建（構(gòu)）筑物的正常使用帶來(lái)不利影響、甚至造成破壞。

我國(guó)乃至全球地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成直接或間接的損失巨大，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損害面呈上升趨勢(shì)，而科學(xué)有效的預(yù)報(bào)技術(shù)的相對(duì)缺失，導(dǎo)致預(yù)防和控制工作的開(kāi)展相對(duì)滯后。因此，需要科學(xué)、先進(jìn)、有效的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

隨著地球空間信息技術(shù)的發(fā)展，以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）為代表的集成技術(shù)[1]，為地表沉降監(jiān)測(cè)方法的研究提供了有力的支持。傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測(cè)方法通常利用全站儀、水準(zhǔn)儀等光學(xué)儀器對(duì)沉降區(qū)進(jìn)行水平和垂直方向的位移測(cè)定。這種測(cè)量方式不僅工作量大、過(guò)程復(fù)雜，而且具有一定的局限性，很難滿足沉降預(yù)警管理的要求[2]。由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）具有定位快，全天候，自動(dòng)化，測(cè)站之間無(wú)需通視，同時(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)，測(cè)量精度高等特點(diǎn)[3]，這是普通人工借助光學(xué)儀器測(cè)量地質(zhì)沉降的技術(shù)無(wú)法比擬的，高精度北斗監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降技術(shù)具有很強(qiáng)的先進(jìn)性和實(shí)用性。

本文以湖北省武漢市后湖片區(qū)為應(yīng)用示范，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套基于BDS及傳感技術(shù)等多種技術(shù)融合的地表沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它具有全天候、全自動(dòng)、高精度和實(shí)時(shí)性好的特性，為地表沉降的防治工作提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。

1 地表沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地表沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以北斗地表沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主，輔以分層沉降監(jiān)測(cè)、地下水位/孔隙水壓力監(jiān)測(cè)網(wǎng)、精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和InSAR監(jiān)測(cè)構(gòu)成，各監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)共同形成地下、地面和空中三維一體的監(jiān)測(cè)模式，點(diǎn)面結(jié)合對(duì)武漢市后湖地區(qū)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？傮w布置如表1所示。

其中的北斗沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用CORS連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站技術(shù)、現(xiàn)代化的傳感技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等對(duì)在不同的天氣或環(huán)境下實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映城市沉降區(qū)域變形情況[4]。根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，對(duì)分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分類(lèi)、提取、統(tǒng)計(jì)等處理，為中心站日常管理提供各類(lèi)報(bào)表、圖形，為城市沉降預(yù)警分析提供決策依據(jù)或參考以達(dá)到最短的時(shí)間通過(guò)短消息、E-MAIL或者聲響預(yù)警、報(bào)警的功效。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由三部分組成。

⑴ 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)：GNSS天線到GNSS主機(jī)由同軸電纜通訊；GNSS主機(jī)及其他傳感器與控制中心通訊采用有線或無(wú)線的通訊方式；

⑵ 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)：由布置在監(jiān)控中心的小型機(jī)系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)處理與Web發(fā)布；

⑶ 輔助支持系統(tǒng)：包括外場(chǎng)機(jī)柜、配電及UPS、防雷和遠(yuǎn)程電源監(jiān)控。

2 地表沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)已發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)域相對(duì)分散、變化相對(duì)緩慢等特點(diǎn)，總體技術(shù)路線為：采用北斗技術(shù)對(duì)沉降區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，初步建立覆蓋后湖地區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)采用INSAR、精密水準(zhǔn)測(cè)量作為補(bǔ)充，開(kāi)展定期監(jiān)測(cè)，研究和分析重點(diǎn)地區(qū)地表沉降的分布規(guī)律、形成機(jī)理以及綜合防治方法。

主要采用基于GIS組件的二次開(kāi)發(fā)模式，其中GIS組件選擇ESRI和MapObjects。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)顯示；地圖數(shù)據(jù)通過(guò)切片處理后，發(fā)布為地圖服務(wù)，供客戶端訪問(wèn)；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在服務(wù)器端查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，并將結(jié)果通過(guò)WebService返回到客戶端顯示。

⑴ GIS功能：包括監(jiān)測(cè)區(qū)域平面圖瀏覽、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖、基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬性表、地圖打印、名稱(chēng)或者坐標(biāo)定位、地圖量測(cè)、地圖標(biāo)繪、圖層管理等功能。

⑵ 工程管理：可添加、刪除、修改工程屬性信息；可上傳、瀏覽參考站和監(jiān)測(cè)站等實(shí)景圖片；可添加、刪除工程范圍內(nèi)的監(jiān)控參考站或者監(jiān)測(cè)站。

⑶ 監(jiān)測(cè)站沉降查詢：可按監(jiān)控點(diǎn)編號(hào)、高程、期沉降量、期沉降速率、累計(jì)沉降量、累計(jì)沉降速率等條件查詢?cè)摫O(jiān)控點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，并以列表的方式顯示；支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel生成監(jiān)控點(diǎn)沉降成果表。

⑷ 監(jiān)控點(diǎn)沉降曲線圖：對(duì)變形分析系統(tǒng)中的沉降過(guò)程曲線、沉降速度曲線、等沉降曲線圖進(jìn)行繪制或展示。

⑸ 監(jiān)測(cè)信息錄入：將北斗按時(shí)間段靜態(tài)解算的高程信息和地下水位信息自動(dòng)讀入系統(tǒng)中，以便進(jìn)行變形數(shù)據(jù)處理。將定期的常規(guī)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

⑹ 數(shù)據(jù)計(jì)算處理：包括沉降量計(jì)算、沉降速度計(jì)算、圖形繪制等功能。沉降量計(jì)算包括本次靜態(tài)解算高程與前次靜態(tài)解算高程之差（本次沉降量）、某一時(shí)間段（如幾天、幾月等）的沉降量、總累計(jì)沉降量、區(qū)域多點(diǎn)平均沉降量等；沉降速度計(jì)算包括本次沉降速度、某一時(shí)間段（如幾天、幾月等）的沉降速度、總沉降速度，區(qū)域平均沉降速度等；圖形繪制由監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)（x，y）和沉降量s構(gòu)成監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)（x，y，s），以區(qū)域?yàn)閱挝唤⑷蔷W(wǎng)三維立體模型，自動(dòng)跟蹤等沉降量曲線，繪制等沉降量曲線圖。

⑺ 數(shù)據(jù)分析對(duì)比：采用回歸分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。

⑻ 分級(jí)預(yù)警：根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值的對(duì)比，進(jìn)行分級(jí)預(yù)警。

⑼ 自動(dòng)報(bào)表：根據(jù)預(yù)設(shè)模板自動(dòng)生成地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析報(bào)表，并提供下載、刪除等功能。

經(jīng)測(cè)試，北斗沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

3 結(jié)束語(yǔ)

北斗地表沉降安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將BDS實(shí)時(shí)獲取高精度空間信息和各類(lèi)傳感器技術(shù)進(jìn)行了集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、綜合分析、分級(jí)預(yù)警及預(yù)測(cè)評(píng)估等功能，有利于提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，為管理者的地表沉降防治工作提供了決策依據(jù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為研究和控制地面沉降提供準(zhǔn)確、可靠的資料，更可作為北斗技術(shù)的行業(yè)示范應(yīng)用，推動(dòng)北斗這一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及在水利、礦業(yè)、橋梁等方面的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，具有較大的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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