【文章內容簡介】 被批準列入國家“863計劃”。作為CORS系統(tǒng)的發(fā)展應用的熱點，南方測繪研發(fā)出了GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)SMOS（SOUTH Monitor System）。 解決方案先從硬件結構上介紹南方變形監(jiān)測系統(tǒng)，然后詳細介紹南方最新變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件SMOS，最后就南方以往實施的項目中總結的經(jīng)驗給出一些建議和展望。一、南方測繪變形監(jiān)測系統(tǒng)（SMOS）結構系統(tǒng)結構總體介紹 南方變形監(jiān)測系統(tǒng)由四個子系統(tǒng)組成：前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（數(shù)據(jù)通訊）、數(shù)據(jù)處理分析及管理子系統(tǒng)（控制中心），輔助支持子系統(tǒng)。四個子系統(tǒng)形成一個有機的整體，前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)跟蹤GPS衛(wèi)星并實時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡傳輸至控制中心，控制中心軟件對數(shù)據(jù)處理并分析，實時監(jiān)測變形體的位移情況。系統(tǒng)整體拓撲如下： 圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體拓撲圖各子系統(tǒng)介紹 （1）前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng) 前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由GPS接收機及天線、饋線、電源等組成。GPS接收機采用高精度進口主板，同時采用大地形扼流圈天線，其能夠有效抑制多路徑效應的影響，結合不妥協(xié)的穩(wěn)定的相位中心（）且可以抑制射頻干擾使系統(tǒng)更可靠。 （2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳輸是整個系統(tǒng)的大動脈，只有數(shù)據(jù)暢通穩(wěn)定的傳輸才能夠保證系統(tǒng)的正常運行，保證數(shù)據(jù)解算的精度。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞娇梢苑譃閮深悾? 1)有線通訊。有線通訊目前有多種接入技術。從數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、成本、維護等角度考慮，使用光纜作為媒介無疑是最理想的。使用光纖作為監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|，既能有效保證數(shù)據(jù)采集端與控制中心數(shù)據(jù)通信的帶寬和質量，又能為系統(tǒng)拓展提供充足的帶寬儲備，還能方便監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)。帶寬寬，傳輸距離較遠，傳輸速度不受距離的限制，傳輸介質物理性能穩(wěn)定，不受電磁干擾，因此光纜在監(jiān)測工程項目中得到廣泛的應用。 2)無線通訊。無線通訊我們最常用的有無線局域網(wǎng)(WIFI)技術，GPRS/CDMA，藍牙技術、ZigBee等。根據(jù)監(jiān)測點到控制中心的距離及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量選擇適當?shù)臒o線傳輸方式。一般的監(jiān)測點的分布范圍從幾百米到幾公里遠，WIFI通訊技術從性能、帶寬、傳輸距離是比較適用于監(jiān)測系統(tǒng)的。而GPRS/CDMA和現(xiàn)在發(fā)展得如火如荼的3G通信技術，由于其傳輸不受視距及距離因素影響而倍受青睞。但其依賴于信號基站，因此在偏僻山區(qū)并不適用。 接收機提供了RS23TCP/IP多種協(xié)議數(shù)據(jù)接口，方便選擇不同的通訊設備?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場情況確定最佳的通訊方式。 3)數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)：由監(jiān)控中心的服務器系統(tǒng)及監(jiān)測軟件、SQL Sever2005等組成。變形監(jiān)測系統(tǒng)整個體系是以數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)為中心節(jié)點的星型網(wǎng)絡。各監(jiān)測站作為系統(tǒng)網(wǎng)絡的子節(jié)點。應該說控制中心是整個系統(tǒng)的心臟，它的結構與性能也會直接影響整個系統(tǒng)的運行與可靠性。 4)輔助支持系統(tǒng)：包括外場機柜、外場機箱、配電箱及UPS、防雷和遠程電源監(jiān)控、報警裝置等組成。 輔助支持子系統(tǒng)是整個監(jiān)測系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，外場機柜、儀器保護箱等對安裝在野外的設備起到防水、防塵、防盜等作用。UPS保證了系統(tǒng)運行的連續(xù)性，穩(wěn)定性。防雷設備也起到至關重要的作用，一般的設備安裝在野外，雷擊對電源電路，GPS接收機內部電路，通訊電路等破壞比較嚴重，雷雨過后需要更換大量的電源板、通訊模塊等，因此防雷設備是非常重要的。二、南方變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件SMOS SMOS軟件是南方測繪在Visual C++環(huán)境下編寫的高精度變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件，軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、地圖表現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫建立、圖形管理和成果輸出功能。軟件系統(tǒng)軟件技術實現(xiàn)構架圖如圖2： 圖2 SMOS構架圖SMOS功能設計 （1）系統(tǒng)可以連續(xù)、自動、實時地完成監(jiān)測對象外部變形數(shù)據(jù)的采集及處理； （2）控制中心根據(jù)處理的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分析、過程線圖形繪制、判斷、預測、報表打印和WEB發(fā)布； （3）數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或者GPRS/CDMA等無線通信技術轉發(fā)其他分管中心或者上級單位，分管中心數(shù)據(jù)與現(xiàn)場控制中心的數(shù)據(jù)完全一致； （4）系統(tǒng)設置用戶權限，一般用戶可以對數(shù)據(jù)進行查詢、瀏覽、歷史數(shù)據(jù)回放等操作，而不能更改系統(tǒng)參數(shù)。 而只有系統(tǒng)管理員才能對系統(tǒng)進行全權管理； （5）參考相關標準規(guī)范及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為變形體設置預警值，實現(xiàn)超限報警功能。SMOS特點 （1）算法先進，精度更高 較傳統(tǒng)RTK算法，SMOS有如下特點： SMOS采用同時刻（在1微秒之內）的GPS原始觀測值進行差分解算；而RTK方法不需要差分改正數(shù)和流動站的觀測數(shù)據(jù)保持同步，一般的參考站接收機差分改正數(shù)廣播更新率為1Hz，因此，在特別情況下，流動站能允許1分鐘之前的差分改正數(shù)參與解算； SMOS可以采用擴展的動態(tài)非線性Kalman濾波算法進行差分解算。 SMOS的算法對系統(tǒng)的硬件要求較高，通常在高性能計算機上解算，而RTK的算法是由GPS接收機生產(chǎn)廠商提供，固化在GNSS接收機內部；靜態(tài)解算則需人工干預，一般采用雙差固定解的方式。 （2）兼容性高 SMOS軟件提供多種格式數(shù)據(jù)接入，以及提供第三方軟件數(shù)據(jù)接口。軟件可兼容進口及國產(chǎn)主流GPS接收機，最高可支持20Hz頻率接收機。 （3）系統(tǒng)可靠性 RTK通常應用于測量、高精度導航等，對于RTK接收機而言，如GPS信號發(fā)生失鎖，那么接收機需要重新初始化，求解整周模糊度，從而造成短時間隔內不能正常輸出厘米級定位解。而SMOS專為變形監(jiān)測而設計，適用于橋梁、大壩、礦區(qū)、滑坡等的變形監(jiān)測，軟件能長時間持續(xù)可靠工作，諸如RTK經(jīng)常需要重新初始化等缺點在SMOS里并不存在。 SMOS軟件運行在控制中心的服務器上，整個計算功能可以設計成冗余模式，增加系統(tǒng)的可靠性，而RTK方法不能實現(xiàn)類似的功能。 SMOS集成WEBSERVER，可以在遠程PC端查看各基站在線情況，方便管理、及時查看各站當前情況。數(shù)據(jù)庫采用安全可靠的MSSQL2005，實時保存解算成果，方便用戶查詢數(shù)據(jù)，并具有用戶權限管理,只有最高權限用戶方可對數(shù)據(jù)進編輯及修改。軟件具有參數(shù)轉換功能，根據(jù)客戶提供現(xiàn)場坐標參數(shù)進行轉換。SMOS還可以查看各個天線實時的衛(wèi)星情況，信噪比示意圖等。三、結論和建議 實際工程中為保證 GPS測量的正常進行和定位精度，一般監(jiān)測點的點位選擇自由度較低，從我們實施過的項目中發(fā)現(xiàn)，某些關鍵部位的監(jiān)測點衛(wèi)星遮擋情況比較嚴重，導致鎖定衛(wèi)星數(shù)目不足或者數(shù)據(jù)受到干擾等不良影響，而這些點又在關鍵部位，是不得不進行監(jiān)測的。鑒于以上情況，我們可以選擇雙星系統(tǒng)（GPS+GLONASS）的接收機進行監(jiān)測，它有效解決了GPS在遮擋情況比較嚴重的情況下出現(xiàn)觀測衛(wèi)星較少，每顆衛(wèi)星連續(xù)的時間短，導致整周模糊度無法固定。加入GLONASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，衛(wèi)星數(shù)增加，幾何圖形改善，因而定位精度也有所提高。 同時為了增強系統(tǒng)的可靠性，建議建立兩個參考站。南方變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件SMOS支持多個參考站，進行雙重檢核。如果其中一個參考站出現(xiàn)通訊故障，另外一個參考站可作為備份對任何基線組合進行處理。 在中心服務器上安裝NRS系列軟件，在服務器可以接入互聯(lián)網(wǎng)的條件下，基站可以為移動終端提供差分服務。 南方測繪變形監(jiān)測系統(tǒng)適用于大橋、水庫大壩、高層建筑物、崩塌滑坡等需要進行建構健康監(jiān)測及可能造成重大損失和人員傷亡的形變體。由于其全天候工作、自動化觀測，數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理（包括分析、管理）無需人為干預、成果精度可靠、超限自動報警，因此具有傳統(tǒng)監(jiān)測方法無法比擬的優(yōu)勢。變形監(jiān)測系統(tǒng)作為相關管理部門災害預警系統(tǒng)的一個分支，其監(jiān)測成果為領導人做出正確決策提供有力依據(jù)，同時提高管理部門處理突發(fā)事件的能力，為減輕災害對人民生命和財產(chǎn)安全造成的重大損失有著重要的意義。中海達高精度變形監(jiān)測預警系統(tǒng)中海達高精度變形監(jiān)測預警系統(tǒng)是中海達高精度GNSS 技術與中海達ZNetMonitor高精度變形監(jiān)控預警服務器軟件相結合的綜合變形監(jiān)測分析預警系統(tǒng)。中海達高精度變形監(jiān)測預警系統(tǒng)具有目標明確、結構簡單、流程清晰、功能完備等特點，解決方案因地制宜、具有鮮明的針對性，系統(tǒng)在確保監(jiān)測功能及精度性能的前提下，充分考慮工程的實際條件并兼顧工程投資的經(jīng)濟性，最大程度實現(xiàn)客戶的既定要求。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠、運行穩(wěn)定，既能準確表達監(jiān)測點的工作狀態(tài)，也能對相關數(shù)據(jù)進行分析并提出初步風險評價，還能多渠道多形式適時分級發(fā)布預警信息，為運行單位隨時隨地掌握工程結構安全和決策部門在關鍵時刻的決策分析提供了堅實的技術支持與信息參考。中海達高精度變形監(jiān)測預警系統(tǒng)技術成熟、穩(wěn)定經(jīng)濟，目前已成功應用于滑坡地質災害監(jiān)測、礦山邊坡變形監(jiān)測、尾礦壩變形監(jiān)測、礦山采空區(qū)沉陷監(jiān)測、水庫大壩變形監(jiān)測、堤防渠道變形監(jiān)測、深基坑及周 邊影響區(qū)變形監(jiān)測、大型橋梁健康監(jiān)測、高層建筑及大型場館健康監(jiān)測等領域，應用前景十分廣闊。應用領域安全監(jiān)測：滑坡監(jiān)測、大壩監(jiān)測、沉陷監(jiān)測健康監(jiān)測：大型橋梁監(jiān)測、大型場館監(jiān)測、高層建筑監(jiān)測痕移監(jiān)測：板塊漂移監(jiān)測、冰川運動監(jiān)測行業(yè)優(yōu)勢相對傳統(tǒng)測量手段，運用 GNSS 技術進行變形監(jiān)測具有非常明顯的優(yōu)越性，主要優(yōu)點如下：■ 觀測站之間無須通視，并且不要求網(wǎng)形具有良好的幾何結構，點位選擇更加靈活?！?觀測誤差不會被積累，各監(jiān)測點觀測精度分布均勻。■ 操作簡便，無需進行手工重復勞動，可以節(jié)省大量人力物力?！?定位精度高，即使在極短基線條件下其相對定位精度仍可達1106。■ 響應快速，可實現(xiàn)短基線快速定位，定位觀測時間僅需數(shù)分鐘?！?可全天候作業(yè)，真正實現(xiàn)連續(xù)實時觀測，特別適合變形監(jiān)測和高頻動態(tài)監(jiān)測?！?可直接提供三維坐標及其絕對或相對變化量，沒有量程限制，這是傳感器類、聲納類、光波類、影像類、頻普類監(jiān)測手段不可比擬的。■ 自動化程度高，可以完全實現(xiàn)遠程監(jiān)測、遠程控制、遠程數(shù)據(jù)下載與共享，方便實現(xiàn)預警信息發(fā)布。系統(tǒng)結構中海達高精度變形監(jiān)測預警系統(tǒng)是由：①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、②數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、③數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、④分析預警系統(tǒng)、⑤綜合管理系統(tǒng)等五個子系統(tǒng)組成，其中綜合管理系統(tǒng)是服務器軟件管理中心，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是GNSS數(shù)據(jù)解算中心，分析預警系統(tǒng)是監(jiān)測數(shù)據(jù)分析預警中心，也是中海達高精度變形監(jiān)測預警系統(tǒng)的核心。綜合管理系統(tǒng)（控制中心）：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——設備自檢 數(shù)據(jù)采集 遠程控制數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)——線路檢查 數(shù)據(jù)傳輸 遠程下載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)——基線解算 坐標計算 精度估算分析預警系統(tǒng)——曲線生成 監(jiān)測分析 預警發(fā)布系統(tǒng)管理 用戶管理 數(shù)據(jù)管理綜合管理系統(tǒng)：可有效進行用戶管理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)運行管理，確保系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全，可方便進行參數(shù)設置、狀態(tài)本地/遠程瀏覽、數(shù)據(jù)本地/遠程下載以及數(shù)據(jù)共享等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：中海達采集系統(tǒng)關鍵設備采用高精度進口主板，確保數(shù)據(jù)采集準確。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由基準站、監(jiān)測站以及包括野外電源和防雷系統(tǒng)組成的保障支持系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：中海達數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可采用 RS23專線有線/無線 Modem、TCP/IP、GPRS 無線、CDMA 無線、UHF 無線電臺等方式，組建方便靈活。系統(tǒng)不僅支持野外就地拖拽式數(shù)據(jù)下載，還能實現(xiàn)遠程實時數(shù)據(jù)流傳輸和文件包下載。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：中海達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可進行長時間連續(xù)實時數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)解算采用先進的卡爾曼濾波集成單歷元整數(shù)解算法，輕松達到毫米級定位精度，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定及數(shù)據(jù)的可靠性。分析預警系統(tǒng)：中海達監(jiān)測預警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力非常強大，分析角度多、手段豐富，能計算三維位移分量及各向變形速率，自動生成變形歷時曲線、變形分布圖和多因素相關圖；能根據(jù)實地地形數(shù)據(jù)生成三維仿真圖形，并生成變形場等高圖和漸變色譜圖以及變形場任意剖面圖；能綜合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進行初步分析與簡單評價；能根據(jù)預設警界值進行風險斷別，實時以短信或