【導(dǎo)讀】某滑坡GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

　　

【正文】 警告裝置，避免非工作人員破壞。 存儲(chǔ)及處理系統(tǒng) 微機(jī)應(yīng)有以下性能： 34 （ 1） 高的散熱技術(shù)，更好的穩(wěn)定性（ MTBF 20,000 小時(shí)），并能支持高達(dá) 2GHZ主頻的 CPU,1G 內(nèi)存 ,Windows XP 操作系統(tǒng) （ 2） 數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái) （ 3） 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)：具有固定 IP 地址，帶寬至少為 2M； （ 4） 小巧簡(jiǎn)約的外形設(shè)計(jì)，節(jié)省辦公空間，可以隨意擺放和移動(dòng)位置。 (5) 服務(wù)器上應(yīng)集成數(shù)據(jù)采集、傳輸、解算、分析，客戶端等軟件，滿足整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的需要。 監(jiān)測(cè)設(shè)備防盜措施 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警的功能，所以 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)防盜措施主 要通過(guò)以下 3 個(gè)方面： 1) 建立 監(jiān)測(cè)點(diǎn)保護(hù)房 ，放置 GNSS 主機(jī)和天線切換器等； 2) 當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備被人拿走或關(guān)掉，控制中心就會(huì)通過(guò)短消息或 EMAIL 的方式發(fā)送沒(méi)有數(shù)據(jù)的警告給相關(guān)人員； 3) 觀測(cè)蹲 及 監(jiān)測(cè)點(diǎn)保護(hù)房 周圍設(shè)置防護(hù)柵欄（如 太陽(yáng)能電池板供電示意圖 ），在柵欄上貼上電力警示標(biāo)志； 4) 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)做到無(wú)人照管有人照看。 35 監(jiān)測(cè)時(shí)間X Y H 相對(duì)參考站距離 X Y H 相對(duì)距離 △X △Y △H 相對(duì)距離變化率 X Y H 相對(duì)距離變化率 △X △Y △H相對(duì)距離累計(jì)變化率 △X △Y △H 相對(duì)距離累計(jì)變化率預(yù)估下一周期變化本周期變化率本周期位移初始坐標(biāo) 本期監(jiān)測(cè)坐標(biāo) 累計(jì)位移所生成的報(bào)表 注：報(bào)表的內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)際需要增加或刪除。 [鍵入文字 ] 6 軟件系統(tǒng) 應(yīng)用背景 CDMonitor是由 上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航 技術(shù)有限公司基 于 GNSS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)并利用現(xiàn)代通訊技術(shù)進(jìn)行的實(shí)時(shí)與準(zhǔn)時(shí) GNSS 原始 數(shù)據(jù)分析 、 處理 、 獨(dú)立環(huán)網(wǎng)平差及數(shù)據(jù)管理等功能研發(fā)的 系統(tǒng)軟件。這套軟件對(duì)于人工建筑變形分析－－比如大型橋梁，水壩，大型人工建筑以及油田沉陷，礦山采空區(qū)沉陷，城市地下水漏斗沉陷，火山監(jiān)測(cè)，山體滑坡監(jiān)測(cè)等等具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。 GNSS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）自八十年代中期投入民用后，已廣泛地在導(dǎo)航、定位等各領(lǐng)域應(yīng)用，尤其在測(cè)量界的控制測(cè)量中起了劃時(shí)代的作用。正因?yàn)槭撬陟o態(tài)相對(duì)定位中的高精度、高效益、全天候、不需通視等優(yōu)點(diǎn)，使人們普遍采用其 來(lái)代替常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實(shí)踐中取得了可喜的成果。在精密工程變形監(jiān)測(cè)中也逐步得到廣泛的應(yīng)用。 從國(guó)內(nèi)外的有關(guān)研究和應(yīng)用可以看出 GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在橋梁、大型建筑、地震、大壩等行業(yè)中應(yīng)用并取得較好的效益。目前，采用 GNSS 技術(shù)用于橋梁等工程變形監(jiān)測(cè)的手段已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于世界各地。例如：英國(guó) Humber 橋的 GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、日本明石海峽大橋的 GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、虎門大橋 GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋的 GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 上海曾經(jīng)是中國(guó)緩變性地面沉降較為嚴(yán)重的城市，自 1921 年發(fā)現(xiàn)地面沉降至今已有80 余年，開(kāi)展地面沉降專項(xiàng)勘查與研究至今已有 40 年。特別是近十余年來(lái)，采用 GIS（地理信息系統(tǒng)）和 GNSS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)，對(duì)全市監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面更新與調(diào)整，并正在建設(shè)完善全市地面沉降自動(dòng)化預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)工程。 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工程是國(guó)家在三峽庫(kù)區(qū)實(shí)施的一項(xiàng)重大減災(zāi)工程，國(guó)土資源部將實(shí)施這一工程。三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工程于 2020 年 3 月正式啟動(dòng)后，三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部在全庫(kù)區(qū)建成包括 GNSS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)、綜合立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)和遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的專業(yè)監(jiān)測(cè)工程，建立各類監(jiān) 測(cè)網(wǎng)點(diǎn) 1447個(gè)，配備 GNSS接收機(jī) 46臺(tái)（套）， 37 并在重慶市和湖北省的 18 個(gè)區(qū)、縣的 129 處滑坡和庫(kù)岸監(jiān)測(cè)運(yùn)行。完成了包括地表位移監(jiān)測(cè)、深部變形監(jiān)測(cè)、滑坡推力監(jiān)測(cè)、滑坡地下水監(jiān)測(cè)和宏觀巡查監(jiān)測(cè)在內(nèi)的 18 個(gè)區(qū)、縣的 125 處崩塌滑坡庫(kù)岸綜合立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)。 由 CDMonitor 為核心構(gòu)成的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè) GNSS 接收機(jī)只需要輸出 GNSS 的原始數(shù)據(jù)和星歷，原始數(shù)據(jù)包含了 GNSS 解算所有必要的偽距和載波相位數(shù)據(jù)等，星歷指 GNSS 衛(wèi)星發(fā)播的廣播星歷。數(shù)據(jù)通過(guò)廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)絡(luò)、串口、無(wú)線設(shè)備等傳到控制中心，控制中心 的 CDMonitor 軟件根據(jù)每臺(tái) GNSS 接收機(jī)對(duì)應(yīng)的 IP 地址和端口號(hào)，獲得每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流， CDMonitor 軟件對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)站的坐標(biāo)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)或發(fā)送給客戶端。 利用 CDMonitor 軟件能進(jìn)行 7 24 小時(shí)不間斷觀測(cè)。而且，與傳統(tǒng)的 RTK 方式相比，CDMonitor 具有精度更高，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的特點(diǎn)。 CDMonitor 支持各種主流品牌的單 多頻GNSS 接收機(jī)混合監(jiān)控。 CDMonitor 采用了 C/S 架構(gòu)，用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。 具體的 CDMonitor 實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)測(cè)軟 件的工作流程可用下圖表示： CDMonitor工作流程 如圖所示， CDMonitor 變形監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)監(jiān)控站的實(shí)時(shí)差分定位，并具有圖形顯示、接收機(jī)設(shè)置、監(jiān)控站參數(shù)設(shè)置、觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警等功能。 38 采用 C/S 架構(gòu)的 CDMonitor 軟件方便用戶在辦公室、監(jiān)控中心、家中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的健康狀況。 CDMonitor 實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)控軟件支持英文和中文。 CDMonitor 的開(kāi)發(fā)工具為 VC++ 。 39 CDMonitor 數(shù)據(jù)處理軟件 CDMonitor 功能簡(jiǎn)介 : CDMonitor 的功能模塊 這里用框圖來(lái)表示 CDMonitor 的主要功能模塊。 CDMonitor功能模塊 CDMonitor 的基本功能 CDMonitor 實(shí)時(shí)差分變形監(jiān)控軟件具有下面的一些基本功能： ? 對(duì) GNSS 原始數(shù)據(jù)進(jìn)行 7 24 小時(shí) 實(shí)時(shí)差分處理，進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，永不間斷； ? 根據(jù)接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)輸出率，數(shù)據(jù)更新率最高可達(dá) 20Hz； ? 可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，對(duì)不同的監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)差分結(jié)果進(jìn)行 Kalman 濾波，達(dá)到不同的動(dòng)態(tài)要求和精度要求； ? 可同時(shí)處理 多個(gè)基站和監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)； 40 ? 根據(jù)多天運(yùn)行的結(jié)果，建立近期的 大氣延遲（對(duì)流層、電離層）模型，提高定位精度和可靠性； ? 多基站支持，多基站不但提高了系統(tǒng)的可靠性，而且，根據(jù)多基站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以建立電離層模型，提高長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的精度；根據(jù)多基站的處理結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)平差功能，提高點(diǎn)位精度和可靠性； ? 原始數(shù)據(jù)后處理功能； ? 輸入接口協(xié)議： RS23 CAN、 TCP/IP； ? 輸出接口（遠(yuǎn)程服務(wù)）協(xié)議： TCP/IP； ? 實(shí)時(shí)顯示接收機(jī)的信號(hào)跟蹤狀況，如星空?qǐng)D、信噪比、鐘差等； ? 實(shí)時(shí)顯示基線的變化情況，點(diǎn)位的移動(dòng)情況等； ? 原始數(shù)據(jù)、解算結(jié)果的自動(dòng)保存功能，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)置； ? 對(duì)監(jiān)測(cè)站、基站接收機(jī)的遠(yuǎn)程設(shè)置功能，軟件上有各個(gè) GNSS 接收機(jī)的獨(dú)立監(jiān)控模塊，可以向 GNSS 接收機(jī)發(fā)送用戶更改參數(shù)的命令（如采樣間隔、高度截止角等）； ? 系統(tǒng)完備性監(jiān)測(cè)功能，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)； ? 每個(gè)監(jiān)控站的監(jiān)控范圍可根據(jù)用戶設(shè)置，可從 5 厘米到 5 米，相對(duì)的，精度可從 2mm 到 1cm（平面），高程 4mm 到 2cm。 ? 環(huán)境參數(shù)輸入功能。比如，輸入監(jiān)測(cè)站周圍障礙物的分布情況，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，能剔除常規(guī)方法不能自動(dòng)剔出的壞數(shù)據(jù)，提高定位精度。 ? 具有防死機(jī)功能，一旦某個(gè)監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，軟件馬上會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào) 觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自動(dòng)重啟； ? 可以調(diào)整各個(gè)監(jiān)測(cè)站的位置更新率； ? 支持網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算； ? 軟件實(shí)現(xiàn) C/S 架構(gòu)，客戶端可以運(yùn)行在遠(yuǎn)程； 41 ? 提供第三方軟件接口，如用 COM 組件的方式實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢、管理、報(bào)警； 另外， CDMonitor 軟件可用于橋梁、大壩、礦區(qū)等的監(jiān)測(cè)，可針對(duì)不同的工作環(huán)境對(duì)用戶圖形界面進(jìn)行定制。如針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)， CDMonitor 的客戶端能提供如下功能： ? 數(shù)據(jù)庫(kù)功能，長(zhǎng)期觀測(cè)的數(shù)據(jù)能保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中； ? 三維動(dòng)畫； ? 整體變形示意圖； ? 歷史數(shù)據(jù)分析； ? 趨勢(shì)圖； ? 報(bào)警功能，報(bào)警項(xiàng)可根據(jù)用戶要求設(shè)定，可 通過(guò)短信、電子郵件等方式進(jìn)行報(bào)警。 ? 權(quán)限管理：一般用戶只能瀏覽數(shù)據(jù)，系統(tǒng)管理員才可能對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 ? 數(shù)據(jù)分析，即對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行頻域和時(shí)域分析。 數(shù)據(jù)記錄 連接數(shù)據(jù)庫(kù)， CDMonitor 能夠記錄用戶需要保留的各項(xiàng)信息，根據(jù)用戶的選擇，記錄的內(nèi)容如下 ： GNSS 定位數(shù)據(jù) 坐標(biāo)； 精度（水平和垂直）； PDOP 值； 使用衛(wèi)星顆數(shù)； 解類型。 衛(wèi)星數(shù)據(jù) 衛(wèi)星顆數(shù)； 每顆衛(wèi)星的坐標(biāo)； 每顆衛(wèi)星的信噪比； 每顆衛(wèi)星的仰角； 42 基線解信息 基線向量； 基線誤差（中誤差和相對(duì)誤差）； 比率值； 協(xié)方差 陣。 系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù) 軟件本身的工作狀態(tài)； 各個(gè)機(jī)站的工作狀態(tài)是否正常； 網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。 CDMonitor 算法 的特點(diǎn)（與 RTK 和傳統(tǒng)靜態(tài)模式比較） 集成了 RTK 功能的 CDMonitor 軟件，除了也能采用 RTK 方法之外，采用其自身與RTK 和傳統(tǒng)靜態(tài)不同的算法后，還具有如下一些特點(diǎn)。 1) 算法 相比 RTK 及傳統(tǒng)靜態(tài)方法而言， CDMonitor 的算法具有如下特點(diǎn)： ? CDMonitor 采用采用同時(shí)刻（在 1 微秒之內(nèi)）的 GNSS 原始觀測(cè)值進(jìn)行差分解算；而 RTK 方法不需要差分改正數(shù)和流動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)保持同步， 一般的參考站接收機(jī)差分改正數(shù)廣播更新率為 1Hz，因此，一般情況下差分改正數(shù)會(huì)延遲 秒到 2 秒不等，在特別情況下，流動(dòng)站能允許 1 分鐘之前的差分改正數(shù)參與解算； ? CDMonitor 可以采用擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)非線性 Kalman 濾波算法進(jìn)行差分解算。 ? CDMonitor 的算法對(duì)系統(tǒng)的硬件要求較高，通常在高性能計(jì)算機(jī)，而 RTK 的算法總是有 GNSS 接收機(jī)生產(chǎn)廠商提供，固化在 GNSS 接收機(jī)內(nèi)部；靜態(tài)解算需人工干預(yù)，一般采用雙差固定解得方式。 2) 精度 CDMonitor 直接應(yīng)用 GNSS 接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)，參考站和流動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)保 持嚴(yán)格的同步，所以，大氣層延遲造成的公共誤差被最大程度地抵消， CDMonitor 還采用濾波方法消除 GNSS 動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)中的各種隨機(jī)誤差，是輸出的定位結(jié)果更符合真實(shí)的情況，所以 CDMonitor 根據(jù)采用的 GNSS 接收機(jī)和 GNSS 天線的不同，可以保證毫米級(jí)的定位精度，而通常的 RTK 接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位精度為厘米級(jí)。 3) 通訊 因?yàn)?CDMonitor 僅要求收到 GNSS 接收機(jī)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，所以，原則上，應(yīng)要 43 求軟件（服務(wù)器）與 GNSS 接收機(jī)之間僅要求實(shí)現(xiàn)單向通訊。而通常的 RTK 方法，要求參考站和流動(dòng)站之間進(jìn)行通訊，又要求流動(dòng) 站和數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行通訊。 下圖是在采用串行端口 GNSS 接收機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的情況下， CDMonitor 和 RTK方式需要建立的數(shù)據(jù)通訊鏈路示意圖： RTK方式下的數(shù)據(jù)通訊圖 由圖可見(jiàn)， RTK 方式下，差分改正數(shù)和定位結(jié)果需要進(jìn)行多次傳輸，上圖中，一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，需要進(jìn)行 3 次串口數(shù)據(jù)傳輸，兩次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。 CDMonitor 數(shù)據(jù)傳輸圖 由圖可見(jiàn)，在 CDMonitor 方式下，流動(dòng)站的原始數(shù)據(jù)僅需要一次串口數(shù)據(jù)通訊和一次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，就可以到達(dá)數(shù)據(jù)中心，參考站可以直接與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器相連。 4) 系統(tǒng)可靠性 RTK 通常應(yīng)用于測(cè)量、高精度導(dǎo)航等，對(duì)于 RTK 接收機(jī)而言，如 GNSS 信號(hào)發(fā)生失鎖那么接收機(jī)需要重新初始化，求解整周模糊度，從而造成短時(shí)間隔內(nèi)不能正常輸出厘米級(jí)定位解。 傳統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理需要人工干預(yù)解算、網(wǎng)平差，同時(shí)需要在每一個(gè)點(diǎn)上分時(shí)段長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)是處于移動(dòng)狀態(tài)則不能解算出有效的結(jié)果。 而 CDMonitor 專為變形監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)，適用于橋梁、大壩、礦區(qū)、滑坡等的變形監(jiān)測(cè)，軟件能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)可靠工作，諸如 RTK 經(jīng)常需要重新初始化、靜態(tài)解算需要人工干預(yù)不能監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)物體、時(shí)效性差等缺點(diǎn)在 CDMonitor 里并不存在。 參考站 串口 / R J45 R J 45/ 串口 流動(dòng)站 串口 / R J45 數(shù)據(jù)中心 流動(dòng)站 串口 / R J 45 數(shù)據(jù)中心 參考站 44 CDMonitor 軟件運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)上，整個(gè)計(jì)算功能可以設(shè)計(jì)成冗余模式，增加系統(tǒng)的可靠性，而 RTK 方法不能實(shí)現(xiàn)類似的功能。 通過(guò)上面的介紹，我們可以對(duì) CDMonitor 軟件的各項(xiàng)性能和特點(diǎn)有了一個(gè)粗略的了解，其中，特別是 CDMonitor 對(duì)數(shù)據(jù)通訊的要求較低；同樣的數(shù)據(jù)， CDMonitor 可以獲得更高的精度； CDMonitor 可以實(shí)現(xiàn)比 RTK