GPS實時監(jiān)測技術(shù)在撫順西露天礦邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

王翠珀，陳躍月

（1.遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，遼寧沈陽110032；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，遼寧沈陽110032）

GPS實時監(jiān)測技術(shù)在撫順西露天礦邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

王翠珀1，陳躍月2

（1.遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，遼寧沈陽110032；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，遼寧沈陽110032）

撫順西露天礦采坑是亞洲最大的露天采坑.長期高強度的礦山開采誘發(fā)了一系列滑坡地質(zhì)災(zāi)害.在西露天礦邊坡變形監(jiān)測實踐工作中，總結(jié)出GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的特點、構(gòu)成，詳細介紹了撫順市西露天礦北幫變形監(jiān)測的GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，根據(jù)實際運行狀況評價了GPS實時監(jiān)測技術(shù)的可行性和可靠性.

GPS；實時監(jiān)測技術(shù)；地面變形；撫順市西露天礦；遼寧省

GPS（Global Positioning System）意為全球定位系統(tǒng)，是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)，用于無線電導(dǎo)航定位的覆蓋全球的龐大系統(tǒng).GPS技術(shù)在導(dǎo)航、定位、精密測量等應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展，在精密控制網(wǎng)建設(shè)、工程變形監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害變形等領(lǐng)域的實驗與應(yīng)用事例愈來愈多.尤其是GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)以其實時性被廣泛地應(yīng)用于滑坡變形實時監(jiān)測領(lǐng)域，并取得了較好的效果.撫順市西露天礦邊坡變形監(jiān)測引進了GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了對重大地質(zhì)災(zāi)害體的實時化監(jiān)測預(yù)警.本文將以撫順西露天礦邊坡變形監(jiān)測實踐工作為基礎(chǔ)，總結(jié)GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的特點、構(gòu)成，詳細介紹西露天礦北幫變形監(jiān)測的GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，針對實際運行狀況評價GPS實時監(jiān)測技術(shù)的可行性和可靠性.

1 撫順西露天礦邊坡變形監(jiān)測工作簡介

撫順西露天煤礦采坑是亞洲最大的露天采坑，坐落撫順市東南，采坑面積約10.87 km2，東西長6.6 km，南北寬2.2 km，平均深度約405 m.

該煤礦采坑北幫緊鄰撫順市區(qū)及一批大型企業(yè)單位.長期高強度的礦山開采誘發(fā)了一系列滑坡地質(zhì)災(zāi)害.如1995年7月27日強降雨導(dǎo)致北幫部分地段發(fā)生滑坡.

為了減少滑坡災(zāi)害對國家財產(chǎn)及人民群眾生命安全的威脅，項目組引進GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了24小時不間斷的對地質(zhì)災(zāi)害體監(jiān)測及滑坡體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程自動傳輸.該系統(tǒng)為災(zāi)害體的預(yù)警和應(yīng)急預(yù)案的啟動提供有效的技術(shù)保障.

2 GPS實時監(jiān)測的含義和特點

GPS實時監(jiān)測技術(shù)是指通過對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、發(fā)布等相關(guān)技術(shù)，讓監(jiān)測人員在第一時間了解、掌握監(jiān)測對象的變形動態(tài)和發(fā)展趨勢，進而做出決策的多種技術(shù)的集合［1］.

2.1 實時性

實時性即遠程的目標層人員可在第一時間獲取監(jiān)測對象的GPS監(jiān)測信息.而獲取的過程是自動的，無需技術(shù)人員值守干預(yù).顯而易見，實時的特性可以最大限度地解放勞動力，降低監(jiān)測人員風(fēng)險和運營成本.

同傳統(tǒng)GPS靜態(tài)監(jiān)測技術(shù)相比，GPS實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集方式是連續(xù)的、跟蹤式的.數(shù)據(jù)的采集周期很短，通常在數(shù)小時之內(nèi)，甚至更短.這對于跟蹤災(zāi)害體變形過程，進行反演分析具有十分重要的意義.其寵大的數(shù)據(jù)量通常也會對軟硬件配置提出較高的要求.

不難理解，實時監(jiān)測是更高層次上的自動化監(jiān)測.因此要求所有的監(jiān)測儀器均能自動化作業(yè).監(jiān)測儀器自動化分為兩種，一種是監(jiān)測儀器本身具備定時采樣和存儲功能，另一種是通過第三方的自動采集控制采樣.不管使用何種方式或基于何種原理，其數(shù)據(jù)采集是能夠自動或觸發(fā)實現(xiàn)的.

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸

監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸是實時監(jiān)測的另一主要特點.通常情況下，監(jiān)測控制中心設(shè)立在遠離災(zāi)體、經(jīng)濟相對發(fā)達的城鎮(zhèn)區(qū)，需要借助公眾通信網(wǎng)絡(luò)或其他介質(zhì)將各種類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)“搬運”過來，進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換計算，生成目標層人員所需要的成果.這個“搬運”過程即監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸，如借助GSM/GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)、UHF數(shù)傳電臺或通信衛(wèi)星等.撫順西露天礦實時監(jiān)測網(wǎng)采用CDMA網(wǎng)絡(luò)方式.

2.3 系統(tǒng)風(fēng)險性

由于GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、發(fā)布等多個技術(shù)單鏈集合構(gòu)成，其中的任何一個環(huán)節(jié)失敗均可導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，因此，GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)存在著一定的風(fēng)險性.其風(fēng)險構(gòu)成除了電力（如斷電停電）等保障體系風(fēng)險和監(jiān)測儀器（如傳感器、采集儀故障）、傳輸系統(tǒng)（如占線、網(wǎng)絡(luò)資源不足、數(shù)據(jù)安全）、發(fā)布系統(tǒng)（如網(wǎng)路阻塞、系統(tǒng)崩潰）等技術(shù)風(fēng)險外，還包括人為抗力風(fēng)險，如監(jiān)測儀器設(shè)施的人為破壞、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的惡意攻擊等.對于風(fēng)險的營救除最大程度地降低保障體系風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險外，還需要通過立法、宣傳等有效措施降低人為抗力風(fēng)險，并設(shè)技術(shù)人員對監(jiān)測系統(tǒng)進行即時維護，保障系統(tǒng)正常運行.

從以上GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的含義及特點可以看出，構(gòu)建GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)不僅要在致災(zāi)地質(zhì)作用分析的基礎(chǔ)上，選擇合理的監(jiān)測方法，設(shè)計有效的監(jiān)測網(wǎng)，更重要的是需要自動化監(jiān)測儀器、自動化的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸方式、監(jiān)測數(shù)據(jù)自動處理與存儲以及監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等軟、硬件技術(shù)與之配合.使用簡捷、高效、經(jīng)濟的方案將這些配合技術(shù)和設(shè)備與監(jiān)測網(wǎng)有機結(jié)合在一起，并最大程度地降低系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險，是進行監(jiān)測系統(tǒng)總體部署的主要任務(wù).

3 GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)按照系統(tǒng)的功能，可以分成①GPS監(jiān)測站；②通信子系統(tǒng)；③數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)（見圖1）.

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System framework chart

3.1 GPS監(jiān)測站?

基準站包括在撫順市建設(shè)的2個基準站及周邊的IGS（International GPS Service）站.在不同地點分別設(shè)立了7個觀測站.

3.2 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)采用無線傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、下載預(yù)報精密星歷和IGS站原始等數(shù)據(jù)的Internet服務(wù).通信方式有有線通信、無線公網(wǎng)通信等.

3.3 數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)設(shè)在遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，主要實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接收、GPS原始數(shù)據(jù)處理、位移數(shù)據(jù)存儲、位移分析顯示服務(wù)等功能.

GPS監(jiān)測站的數(shù)據(jù)采集后，通過通信子系統(tǒng)實現(xiàn)遠程傳輸，最后到達數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)通過處理各個觀測站的GPS觀測數(shù)據(jù)和IGS站的星歷數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后，最終能夠得到撫順西露天礦GPS監(jiān)測點的位移數(shù)據(jù).

4 撫順市西露天礦實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立

根據(jù)撫順西露天礦北幫邊坡滑坡監(jiān)測預(yù)警工作方案的總體規(guī)劃，建立了GPS實時監(jiān)測網(wǎng).

（1）建立2個GPS基準站及7個GPS連續(xù)運行監(jiān)測站.

（2）接收2個基準站的GPS實時原始數(shù)據(jù)，通過無線回傳，能夠每天生成Rinex2.0觀測文件.

（3）利用覆蓋撫順市的GPS沉降網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，研發(fā)自動化的高精度處理軟件，自動下載原始數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)等文件，定時自動處理出高精度的GPS位移數(shù)據(jù).

（4）開發(fā)自動存儲、自動報警軟件，把自動處理后的數(shù)據(jù)存儲到Oracle數(shù)據(jù)庫中，為其他監(jiān)測分析軟件提供數(shù)據(jù)接口.

（5）開發(fā)網(wǎng)站軟件，能夠通過Web方式，隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)查看GPS觀測網(wǎng)位移變化，為撫順西露天礦地面變形監(jiān)測提供高精度、高時空分辨率、全天候的數(shù)據(jù).能夠通過Web方式，顯示各個監(jiān)測點的時程曲線、位移矢量圖.將定位數(shù)據(jù)作為一種寶貴的資源加以開發(fā)、共享，服務(wù)撫順市的其他社會需求.

5 GPS監(jiān)測站設(shè)施建設(shè)

監(jiān)測站外部設(shè)施是強制對中監(jiān)測墩、外部天線、避雷針等.

監(jiān)測站設(shè)備儀器包括雙頻GPS接收機、天線轉(zhuǎn)換器（部分站點）、無線通訊設(shè)備.

基準站和觀測站均通過無線公網(wǎng)自動登錄到數(shù)據(jù)中心，中心站軟件通過互聯(lián)網(wǎng)接收基準站和觀測點的數(shù)據(jù).根據(jù)一機多天線思想，建立了GPS一機多天線實時監(jiān)測系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)成本.其由野外采集子系統(tǒng)和室內(nèi)控制子系統(tǒng)組成.前者將天線陣列采集的GPS信號，經(jīng)分時器、信號放大器、無線路由器、WLAN天線傳輸至后者，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得各監(jiān)測點的坐標數(shù)據(jù)，既能滿足邊坡實時監(jiān)測的精度,又解決了衛(wèi)星信號在不同天線通道間切換產(chǎn)生的周跳問題，使數(shù)據(jù)處理簡化.

5 數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)

5.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

撫順市GPS實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要負責(zé)GPS數(shù)據(jù)的下載、軌道數(shù)據(jù)下載、形變計算、坐標變換和數(shù)據(jù)顯示等功能.數(shù)據(jù)中心的硬件包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和www服務(wù)器、交換機、路由器和外網(wǎng)接入設(shè)備等.

5.2 數(shù)據(jù)伺服處理程序

撫順西露天礦地面變形監(jiān)測的GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)是利用GPS數(shù)據(jù)，基于高精度軟件，通過自動采集GPS觀測數(shù)據(jù)，自動下載精密星歷，自動處理、存儲、顯示、報警的綜合處理系統(tǒng)，得到GPS精確定位結(jié)果.此系統(tǒng)自動化程度高，功能齊全，大大增強了海量數(shù)據(jù)的處理能力，減少人工投入，降低技術(shù)門檻.

5.3 監(jiān)測信息發(fā)布系統(tǒng)

信息發(fā)布主頁為遠程用戶提供所需的全部信息，包括監(jiān)測區(qū)域的實時監(jiān)測曲線、最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)等（圖2）.

6 測量獲得的初步成果?

GPS實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，各監(jiān)測點均向南西方向移動.自2009年6月22日至2009年12月16日，各點∑ΔX累計變形量在-0.004～-0.091 m，∑ΔY累計變形量在0.004～0.027 m.

以3號監(jiān)測點為例分析變形發(fā)展趨勢：2009年6月至2009年12月16日呈近勻速緩慢變化趨勢，從總體趨勢來看，各曲線基本呈現(xiàn)直線型，表明滑坡基本處于近勻速變形狀態(tài)（圖3）.

7 實時監(jiān)測系統(tǒng)運行評價

根據(jù)1年多的撫順西露天礦北幫監(jiān)測工作記錄數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)故障主要發(fā)生在傳輸子系統(tǒng).故障表現(xiàn)形式為數(shù)據(jù)不傳輸或不正確傳輸，主要原因為網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定造成傳輸中斷所致.

其次，監(jiān)測站大部分位于廠區(qū)內(nèi)，工廠經(jīng)常檢修設(shè)備，經(jīng)常性的停電使保障體系失效.可見，實時監(jiān)測系統(tǒng)如果在基礎(chǔ)通信系統(tǒng)及供電系統(tǒng)保障完備的條件下，是能夠穩(wěn)定可靠運行的.

8 結(jié)束語

撫順西露天礦邊坡變形監(jiān)測的GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)自運行以來，在技術(shù)人員的維護下，系統(tǒng)運行正常，取得上千個監(jiān)測數(shù)據(jù)，編制防災(zāi)預(yù)案22個，發(fā)布實時監(jiān)測預(yù)報90多個，實現(xiàn)了監(jiān)測信息的遠程實時訪問，取得了良好的示范效果.實踐證明，這一技術(shù)的應(yīng)用提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的時效性和預(yù)警工程的準確性，減輕了監(jiān)測工作者的勞動強度，減少了災(zāi)害損失.因此將GPS實時監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報、預(yù)警中是完全可行的，也是比較可靠的.可以預(yù)見，GPS實時監(jiān)測技術(shù)將會在今后的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中顯示越來越重要的作用.

［1］王洪德，等.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)方法研究與示范［M］.北京：中國大地出版社，2008.

Abstract：The open pit of the Western Opencast Coal Mine in Fushun,Liaoning Province is the largest of its type in Asia.The opencast mining is adjacent to the urban area of Fushun and large enterprises.The long-term and high-intensity mining induced series of geologic disasters.With the practice in slope deformation monitoring for the Western Opencast Mine,the characteristics and construction of GPS real-time monitoring system is summed up.Based on the actual operation status of the system,the feasibility and reliability of the GPS real-time monitoring technology is assessed.

Key words：geological disaster;real-time monitoring system;slope deformation;Western Opencast Coal Mine;Liaoning

APPLICATION OF GPS REAL-TIME MONITORING IN THE SLOPE DEFORMATION CONTROL OF THE WESTERN OPENCAST MINE IN FUSHUN,LIAONING PROVINCE

WANG Cui-po1,CHEN Yue-yue2
（1.Liaoning Geo-environmental Monitoring Station,Shenyang 110032,China;2.Liaoning Institute of Geology and Mineral Resources,Shenyang 110032,China）

1671-1947（2010）02-0180-04

P694

A

2010－01－26；

2010-03-30.張哲編輯.

?北京洽恒公司.撫順市西露天礦監(jiān)測GPS分技術(shù)報告.

?北京洽恒公司.撫順市西露天礦監(jiān)測GPS分析技術(shù)報告.

王翠珀（1974—），女，碩士，高級工程師，1997年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）水文地質(zhì)及工程地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)就職于遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，通信地址沈陽市皇姑區(qū)北陵大街29號，郵政編碼110032，E-mail//wangcuipo2008@163.com.cn