三維變形災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

　　導(dǎo)語：

　　自然界變形危害廣泛存在，加強(qiáng)監(jiān)測并及時預(yù)警是防范災(zāi)害的重要手段。本期轉(zhuǎn)化果平臺推薦的《三維變形災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)》，采用GNSS定位原理，結(jié)合實時動態(tài)定位(RTK)方法，實現(xiàn)對監(jiān)測點的全天候三維動態(tài)監(jiān)測，可廣泛應(yīng)用于山體滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以及橋梁和大型建筑物形變監(jiān)測，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

　　一、研究背景

　　1.三維變形及其危害

　　變形是自然界的普遍現(xiàn)象，它是指變形體在各種荷載作用下，其形狀、大小及位置在時空域中的變化。變形體的變形在一定范圍內(nèi)被認(rèn)為是允許的，如果超出允許值，則可能引發(fā)災(zāi)害。自然界的變形危害現(xiàn)象時刻都在我們周邊發(fā)生著，如滑坡、巖崩、地表沉陷、潰壩、橋梁與建筑物的倒塌等。

　　2.常規(guī)的變形監(jiān)測技術(shù)

　　常規(guī)的變形監(jiān)測技術(shù)包括采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀等常規(guī)測量儀器測定點的變形值，其優(yōu)點是：①能夠提供變形體整體的變形狀態(tài);②適用于不同的監(jiān)測精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測環(huán)境;③可以提供絕對變形信息。

　　這些常規(guī)的變形監(jiān)測技術(shù)，具有外業(yè)工作量大，布點受地形條件影響較大，有些技術(shù)的測量精度受天氣及周邊環(huán)境影響較大，不易實現(xiàn)自動化監(jiān)測等缺點。

　　二、基本原理

　　GNSS即全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System)，目前GNSS泛指美國的GPS、中國的BDS(北斗)、俄羅斯的GLONASS、以及歐盟的GALILEO。目前使用范圍最多的是美國的GPS系統(tǒng)。

　　1.GNSS定位系統(tǒng)由GNSS衛(wèi)星空間部分、地面控制部分和用戶GNSS接收機(jī)三部分組成。

　　2.GNSS定位原理

　　由于GNSS衛(wèi)星軌道是人為事先設(shè)計的，在任何時間都可以得知其在天空的位置。假設(shè)t時刻t在地面待測點上安置GNSS接收機(jī)，可以測定GNSS信號到達(dá)接收機(jī)的時間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)，通過解方程式的方式獲得地面待測點的位置。

　　3.GNSS實時動態(tài)定位(RTK)方法

　　RTK的基本原理：將一臺接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺或幾臺接收機(jī)置于載體(稱為流動站)上，基準(zhǔn)站和流動站同時接收同一時間、同一GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準(zhǔn)站所獲得的觀測值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GNSS差分改正值。然后將這個改正值通過無線傳輸?shù)姆绞郊皶r傳遞給共視衛(wèi)星的流動站，精化其GNSS觀測值，從而得到經(jīng)差分改正后流動站較準(zhǔn)確的實時位置。

　　常規(guī)RTK的基本定位算法相對已經(jīng)較為成熟，但在一些復(fù)雜觀測環(huán)境下,比如繁華市E、樹木遮擋嚴(yán)重等地區(qū)，因為可視衛(wèi)星數(shù)相對較少，衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)較弱等因素制約著其定位性能，本系統(tǒng)的開發(fā)人員對RTK定位算法和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，實現(xiàn)了GNSS中長距離下的高精度測量。

　　三、系統(tǒng)組成及特點

　　1.基于GNSS定位的變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成

　　2.基于GNSS定位的變形監(jiān)測系統(tǒng)的特點

　　(1)多模GNSS接收機(jī)

　?、僦С諫PS(L1/L2)、BDS(B1/B2/B3)、GLONASS(L1/L2)三系統(tǒng);

　?、讵毺氐娜跣盘柛櫤投嗦窂揭种扑惴ǎ瑢崿F(xiàn)惡劣環(huán)境下的可靠定位;

　?、壑С?a href=http://getpedicuristjobs.com/fgbz/mabz/ target=_blank class=infotextkey>標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183、RTCM3.0/3.2、BINEX協(xié)議，可定制用戶自定義協(xié)議;

　?、茇S富的對外接口，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)。

　　(2)高精度扼流圈天線

　　①自研抗多徑效應(yīng)的扼流圈，保證了惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)高性能;

　?、谧匝卸帱c饋電的高精度全頻段測量型天線，相位中心偏差小，定位精度可靠。

　　(3)數(shù)據(jù)分析與預(yù)警報警系統(tǒng)

　?、僮孕虚_發(fā)數(shù)據(jù)分析與預(yù)警報警系統(tǒng)，多導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合解算及優(yōu)化，保證了解算結(jié)果的正確。實時數(shù)據(jù)處理精度為2~3mm;

　　②B/S、C/S架構(gòu)，可遠(yuǎn)程瀏覽與操作;

　　③支持點、斷面、變化速度及變化加速度等分析功能;

　?、茏詣由蓤蟊?，并通過E-MAIL方式發(fā)給指定人員;

　?、荻滔?、E-MAIL、聲光等多種報警方式;

　?、薅喾N預(yù)測功能，如線性回歸等;

　?、吒鞣N觀測量圖形顯示、形象生動。

　　四、系統(tǒng)應(yīng)用范圍

　　利用GNSS定位技術(shù)進(jìn)行山體滑坡、塌方等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以及橋梁和大型建筑物形變監(jiān)測時具有下列優(yōu)點：

　　1.全天候、不間斷的三維高精度測量;

　　2.無需通視，量程大，可進(jìn)行大范圍監(jiān)測;

　　3.全系統(tǒng)自動化，無人值守，實時;

　　4.產(chǎn)品壽命長，工作地域廣;

　　5.可以獲得毫米級精度的變形數(shù)據(jù)。

　　本系統(tǒng)是利用GNSS進(jìn)行準(zhǔn)實時解算三維變形量分析的系統(tǒng)。對于人工建筑變形分析——如大型橋梁、水壩、大型人工建筑以及山體滑坡監(jiān)測、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)測等等具有非常大的現(xiàn)實意義。

　　五、應(yīng)用案例

　　目前正在某集團(tuán)下屬的鎳礦(該鎳礦的鎳產(chǎn)量居全球第四位，鈷產(chǎn)量居全球第二位)安裝60套監(jiān)測點。