GNSS+GIS遠(yuǎn)程滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

肖海平，陳蘭蘭，郭廣禮，劉小生，何琦敏

(1. 江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

隨著礦山企業(yè)的不斷開采，我國(guó)出現(xiàn)了大量的高陡露天邊坡，受到多種要素的影響，給人民帶來(lái)了巨大的生命財(cái)產(chǎn)安全隱患。逐步消除露天礦山邊坡事故隱患，防止與杜絕礦區(qū)應(yīng)急災(zāi)害事故，推動(dòng)能源安全開采的新局勢(shì)，開展遠(yuǎn)程滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究，可以為礦山的安全生產(chǎn)、邊坡治理、滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等提供技術(shù)支持和保障，不僅具有理論價(jià)值，而且在實(shí)際中具有廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以全站儀測(cè)量與攝影測(cè)量模式為主[1]，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位(global navigation satellite system,GNSS)作為現(xiàn)代成熟的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于山體滑坡等變形監(jiān)測(cè)中，并且作為防災(zāi)減災(zāi)的主要手段之一，顯著提高了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。隨著近年來(lái)空間信息科學(xué)的發(fā)展，以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)與GIS為代表的集成技術(shù)，為邊坡安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究提供了有力的支撐[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于ArcGIS Server平臺(tái)，以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，設(shè)計(jì)的一款實(shí)時(shí)滑坡網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，拓展了傳統(tǒng)本地計(jì)算機(jī)的表格形式數(shù)據(jù)分析方式，但沒(méi)有將衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)結(jié)合到一起，可靠性與精度還有待提升。郭承燕[4]等借助WEB-GIS技術(shù)，開發(fā)了南京市滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)信息共享平臺(tái)，為城市提供了參考，但相應(yīng)的災(zāi)害預(yù)測(cè)模型主要針對(duì)的區(qū)域?yàn)槌鞘?，模型適用性較差，有時(shí)造成不必要的恐慌和資源浪費(fèi)問(wèn)題。王威[5]等以滑坡監(jiān)測(cè)為研究背景，設(shè)計(jì)了一套三維GIS滑坡預(yù)警系統(tǒng)與地質(zhì)體模型，提高了滑坡災(zāi)害的預(yù)警快速性與響應(yīng)性，但由于沒(méi)有將外界環(huán)境、工程活動(dòng)、物理參數(shù)及穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)起來(lái)，使得實(shí)際應(yīng)用中還存在局限性。

本文提出一套以GNSS數(shù)據(jù)采集技術(shù)為監(jiān)測(cè)手段、利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和GIS平臺(tái)的信息化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了GNSS定位、互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信傳輸、GIS可視化操作等多種功能。它不僅可以實(shí)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且監(jiān)測(cè)信息能夠長(zhǎng)期一體化集中管理，以便用戶隨時(shí)、高響應(yīng)地查詢信息，而且還可以對(duì)變形體進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，為降低災(zāi)害事故提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)工程施工。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般而言，基于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和GIS的集成方式可分為如下3種：基于數(shù)據(jù)的集成(data-focused integration)、基于空間位置的集成(position-focused integration)和基于技術(shù)的集成(technology-focused integration)[6]。

鑒于基于技術(shù)集成方式借助GIS的強(qiáng)大信息可視化與空間分析功能，并結(jié)合GNSS數(shù)據(jù)控制能力，在兼容的開發(fā)環(huán)境中形成渾然一體的諸多優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)互聯(lián)通信協(xié)議的解譯技術(shù)和數(shù)據(jù)采集與信息處理理論方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并研發(fā)了以GIS應(yīng)用程序?yàn)榛A(chǔ)的GNSS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)。

系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)由GNSS數(shù)據(jù)接收與處理裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心和GIS數(shù)據(jù)分析與研究平臺(tái)3部分組成：首先通過(guò)接收的多衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算，然后接收裝置通過(guò)GPRS、SMS網(wǎng)絡(luò)傳輸上傳至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)中心，最后中心依據(jù)TCP/IP、HTTP等通信協(xié)議發(fā)送至客戶端，進(jìn)行GIS的數(shù)據(jù)處理分析，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 GNSS+GIS集成模型

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 研發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)開發(fā)工具:本系統(tǒng)擬采用基于微軟Visual Studio 2012編譯工具，編程語(yǔ)言為C#4.0，環(huán)境為.NET Framework 4.5，編程方式簡(jiǎn)單，具有較好的靈活性和兼容性。

GIS開發(fā)平臺(tái):采用的是基于ArcEngine 10.2的組件式二次開發(fā)技術(shù)，配合DirectX技術(shù)。借助GIS強(qiáng)大的開放式環(huán)境及可擴(kuò)充性，能夠充分發(fā)揮GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、分析及三維立體化等功能，考慮系統(tǒng)成果的進(jìn)一步發(fā)展，方便系統(tǒng)維護(hù)擴(kuò)展功能并與其他應(yīng)用系統(tǒng)銜接整合，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，可為其他領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)提供條件。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

GNSS與GIS集成的遠(yuǎn)程滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析和變形預(yù)報(bào)3大部分組成，通過(guò)數(shù)據(jù)融合交換的方式，結(jié)合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)完成對(duì)滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，主要流程如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 功能模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)采集與分析處理

數(shù)據(jù)作為本軟件研發(fā)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)擬通過(guò)采用GNSS技術(shù)對(duì)滑坡體地面模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的連續(xù)監(jiān)測(cè)。而GNSS接收設(shè)備本質(zhì)上得到的數(shù)據(jù)為經(jīng)緯度及高程等參數(shù)值，通過(guò)坐標(biāo)參數(shù)變換可得到在WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，因此需要建立大地坐標(biāo)與滑坡點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)關(guān)系。首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其次將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后以GIS的類型數(shù)據(jù)——圖形、圖像、屬性等形式來(lái)定位GNSS數(shù)據(jù)，從而完成GNSS與GIS的數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)信息數(shù)據(jù)的一體化管理，可為GNSS和GIS的集成處理和應(yīng)用示范提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

另一方面，系統(tǒng)將比較不同GNSS觀測(cè)模式下的數(shù)據(jù)質(zhì)量，兼顧軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、多路徑效應(yīng)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)精度對(duì)滑坡位置解算的影響，包括精密單點(diǎn)定位和差分定位模式下天頂對(duì)流層延遲ZTD計(jì)算精度。由于GNSS接收的數(shù)據(jù)中存在很多無(wú)效、冗余、低精度的數(shù)據(jù)，為了獲得更加高精度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將對(duì)GNSS+GIS的背景場(chǎng)作相容性檢驗(yàn)、對(duì)稱性檢驗(yàn)，通過(guò)建立相應(yīng)的誤差模型進(jìn)行分析、刪除，以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3.2 滑坡災(zāi)情預(yù)報(bào)模型

在滑坡破壞時(shí)間預(yù)報(bào)方法中，常常遇到的是如何確定滑坡破壞時(shí)間的預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。由于滑坡變形規(guī)律的復(fù)雜性和多樣性，尋求統(tǒng)一的預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)幾乎沒(méi)有可能，在這一領(lǐng)域可望取得前進(jìn)和突破，即能夠確定一個(gè)統(tǒng)一的、定量的預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn),并且可選擇相應(yīng)的預(yù)報(bào)參數(shù)。系統(tǒng)綜合考慮滑坡變形中存在的隨機(jī)性和波動(dòng)性，將滑坡體的位移矢量角、位移變形速率、穩(wěn)定可靠概率等作為預(yù)報(bào)參數(shù)，對(duì)滑坡變形的損壞程度進(jìn)行判斷。一般的滑坡破壞時(shí)間預(yù)報(bào)，可分為長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)和臨滑預(yù)報(bào)4個(gè)階段。結(jié)合變形功率的量級(jí)，可將滑坡的穩(wěn)定程度劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、次不穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個(gè)狀態(tài)[7]。

滑坡本質(zhì)上是一種多因素影響極為復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)演變過(guò)程紛亂繁雜，并且具有一定的時(shí)效性。以往主要采用的預(yù)測(cè)模型針對(duì)具體某一或某些滑坡現(xiàn)象，由于考慮的因素不盡相同，實(shí)際的預(yù)測(cè)過(guò)程中可擴(kuò)展性較差，導(dǎo)致所體現(xiàn)的變形體變化狀態(tài)精度受限。從目前的滑坡預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展近況與實(shí)際預(yù)測(cè)應(yīng)用完備性分析，組合預(yù)測(cè)模型是變形監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的方法之一[8]，不僅能夠充分使用組合分析預(yù)報(bào)模型的先用信息，同時(shí)由于多模型融合，使得單一模型隨機(jī)影響得以削弱。因此，本系統(tǒng)擬采用灰色預(yù)測(cè)模型、回歸分析模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為組合模型的子模型，對(duì)滑坡體形變量進(jìn)行定性與定量分析[9]，對(duì)形變體的演變現(xiàn)象進(jìn)一步考慮，提升預(yù)測(cè)精度，其構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)滑坡組合預(yù)測(cè)模型流程

組合預(yù)測(cè)模型權(quán)系數(shù)的確定：一般來(lái)說(shuō)，組合模型由多種簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)物理模型組合而成，并且組合的方式較多，可以簡(jiǎn)易劃分為線性組合模型與非線性組合模型。本系統(tǒng)擬采用線性組合模型，即權(quán)系數(shù)組合預(yù)測(cè)模型，綜合各子模型有效信息，挖掘內(nèi)在聯(lián)系，提升系統(tǒng)可靠性。

考慮到權(quán)系數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)模型的影響程度較大，權(quán)系數(shù)的確定是關(guān)鍵內(nèi)容，當(dāng)前主要由權(quán)系數(shù)確定方法有：變權(quán)組合預(yù)測(cè)法和最優(yōu)權(quán)組合預(yù)測(cè)法。為提高系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)擬采用最優(yōu)權(quán)組合法。具體的權(quán)系數(shù)方式是方差倒數(shù)形式，首先通過(guò)各獨(dú)立子模型的預(yù)測(cè)誤差，求解殘差平方和，對(duì)其進(jìn)行倒數(shù)運(yùn)算，明確該子模型誤差在總模型中的權(quán)值，使其組合預(yù)測(cè)模型殘差平方和最小，其運(yùn)算公式為

(1)

式中，ej為第j個(gè)子模型的殘差平方項(xiàng)，即

(2)

2.3.3 三維可視化模型的構(gòu)建

滑坡三維可視化是滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，是用于解釋和闡述地表、地下的多種地質(zhì)現(xiàn)象的一種形式，是集合大量數(shù)據(jù)資料表征出的結(jié)果，不僅可以使用批量數(shù)據(jù)，檢查其連續(xù)、完備性[10-12]，合理敘述了滑坡實(shí)體的空間關(guān)系，能夠在一定程度上體現(xiàn)研究區(qū)域滑坡災(zāi)害發(fā)生的變化規(guī)律，并且可以在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)對(duì)滑坡的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行有效的預(yù)警、預(yù)報(bào)分析，為用戶進(jìn)行變形決策分析提供有效的手段[13-14]。其構(gòu)建過(guò)程為：從現(xiàn)有或外業(yè)基礎(chǔ)資料中獲取信息，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，再對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行位置轉(zhuǎn)換并實(shí)施下一步操作，然后進(jìn)行映射，最后構(gòu)建三維模型。其實(shí)質(zhì)就是在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和DEM的支持下，構(gòu)建滑坡三維模型。

圖4 邊坡分析軟件界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將GNSS和GIS集成技術(shù)對(duì)滑坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且利用三維可視化技術(shù)，直觀、形象地反映其變化規(guī)律。GNSS技術(shù)可接收的衛(wèi)星數(shù)量較為充足，在復(fù)雜山區(qū)和森林覆蓋區(qū)域能發(fā)揮相應(yīng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為了提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，耦合了多種預(yù)測(cè)模型的特點(diǎn)，建立了滑坡災(zāi)害動(dòng)態(tài)組合預(yù)測(cè)模型，并且提出方差倒數(shù)法確定其權(quán)重。最后，結(jié)合實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)反演的方式，評(píng)價(jià)影響滑坡各種參數(shù)與初始值的一致性并進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的可靠性。

然而，在GNSS的互操作方面，由于當(dāng)前廠商針對(duì)GNSS接收裝置存在兼容和互操作問(wèn)題[15]，且由于受到不同衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)交叉干擾，使得廠商與用戶單位的應(yīng)用成本較高，不利于大范圍推廣。同時(shí)，鑒于本文未考慮復(fù)雜的偏遠(yuǎn)村莊、山丘區(qū)等通信能力貧瘠區(qū)域的特征， 針對(duì)該部分區(qū)域需要重新規(guī)

劃GNSS通信協(xié)議等問(wèn)題。

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