基于BDS的地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)設計

胡志遠　寧彬

摘 要： 地質災害造成直接或間接的損失巨大，本文提出一種基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）和傳感技術的地表沉降安全監(jiān)測方法。利用連續(xù)運行衛(wèi)星定位參考站（CORS）技術，采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分數(shù)據處理方法的基礎上，同時處理基準站和監(jiān)測站載波相位等數(shù)據，得到精確的監(jiān)測點相對于基準點的形變量，實現(xiàn)了對地表沉降的實時監(jiān)測、綜合分析、分級預警和預測評估等功能。研究以武漢市后湖片區(qū)為例，該系統(tǒng)的應用顯著提高了地表沉降監(jiān)測的實時性、準確性和預測評估的可靠性。

關鍵詞： 地質災害； 地表沉降； 安全監(jiān)測； BDS

中圖分類號：TP316.8 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）08-40-03

Design of land subsidence monitoring system based on BDS

Hu Zhiyuan1，2， Ning Bin1

（1. School of Computer Engineering， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China；

2. School of computer， China University of Geosciences）

Abstract： The direct or indirect loss caused by geological disasters is enormous， this paper presents a method of surface subsidence safety monitoring based on BDS （BeiDou Navigation Satellite System） and sensing technology. Using the method of CORS（Continuously Operating Reference Station）and double differential model， on the basis of optimizing the carrier phase difference data processing method， the data such as the carrier phase of the reference station and the carrier phase of the monitoring station are parallel processed， and the deformation of the monitoring point relative to the reference point is obtained， realizing the real-time monitoring， comprehensive analysis， classification and forecasting and evaluation of the surface settlement. Taking Wuhan as the experimental area， the application of the system significantly improves the real-time， accuracy and reliability of the prediction of surface subsidence monitoring.

Key words： geological hazard； surface subsidence； safety monitoring； BDS

0 引言

地表沉降（land subsidence）是指由于自然因素或人類工程活動引發(fā)的地下松散巖層固結壓縮并導致一定區(qū)域內地面高程降低的地質現(xiàn)象。地表沉降具有易發(fā)性、緩變性、累進性和不可逆性等特點。當大面積地表沉降發(fā)展到一定程度后，會對軌道交通設施、地下管線、道路、地面橋涵及地面建（構）筑物的正常使用帶來不利影響、甚至造成破壞。

我國乃至全球地質災害頻發(fā)，造成直接或間接的損失巨大，其經濟和社會損害面呈上升趨勢，而科學有效的預報技術的相對缺失，導致預防和控制工作的開展相對滯后。因此，需要科學、先進、有效的地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)。

隨著地球空間信息技術的發(fā)展，以全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）為代表的集成技術[1]，為地表沉降監(jiān)測方法的研究提供了有力的支持。傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測方法通常利用全站儀、水準儀等光學儀器對沉降區(qū)進行水平和垂直方向的位移測定。這種測量方式不僅工作量大、過程復雜，而且具有一定的局限性，很難滿足沉降預警管理的要求[2]。由于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）具有定位快，全天候，自動化，測站之間無需通視，同時測定三維坐標，測量精度高等特點[3]，這是普通人工借助光學儀器測量地質沉降的技術無法比擬的，高精度北斗監(jiān)測地質沉降技術具有很強的先進性和實用性。

本文以湖北省武漢市后湖片區(qū)為應用示范，設計和實現(xiàn)了一套基于BDS及傳感技術等多種技術融合的地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)，它具有全天候、全自動、高精度和實時性好的特性，為地表沉降的防治工作提供數(shù)據參考和決策依據。

1 地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)設計

地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)，以北斗地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)為主，輔以分層沉降監(jiān)測、地下水位/孔隙水壓力監(jiān)測網、精密水準監(jiān)測網和InSAR監(jiān)測構成，各監(jiān)測網絡共同形成地下、地面和空中三維一體的監(jiān)測模式，點面結合對武漢市后湖地區(qū)地表沉降進行監(jiān)測。總體布置如表1所示。

其中的北斗沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要應用CORS連續(xù)運行衛(wèi)星定位參考站技術、現(xiàn)代化的傳感技術、現(xiàn)代網絡通訊技術等對在不同的天氣或環(huán)境下實時準確地反映城市沉降區(qū)域變形情況[4]。根據對實時位移數(shù)據的實時分析，對分析后的數(shù)據進行存儲、分類、提取、統(tǒng)計等處理，為中心站日常管理提供各類報表、圖形，為城市沉降預警分析提供決策依據或參考以達到最短的時間通過短消息、E-MAIL或者聲響預警、報警的功效。

系統(tǒng)架構如圖1所示，由三部分組成。

⑴ 數(shù)據傳輸子系統(tǒng)：GNSS天線到GNSS主機由同軸電纜通訊；GNSS主機及其他傳感器與控制中心通訊采用有線或無線的通訊方式；

⑵ 數(shù)據處理與控制子系統(tǒng)：由布置在監(jiān)控中心的小型機系統(tǒng)、服務器系統(tǒng)、數(shù)據實時自動處理與Web發(fā)布；

⑶ 輔助支持系統(tǒng)：包括外場機柜、配電及UPS、防雷和遠程電源監(jiān)控。

2 地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

根據已發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)域相對分散、變化相對緩慢等特點，總體技術路線為：采用北斗技術對沉降區(qū)域進行監(jiān)測，初步建立覆蓋后湖地區(qū)地表沉降監(jiān)測網絡；開展實時監(jiān)測工作，同時采用INSAR、精密水準測量作為補充，開展定期監(jiān)測，研究和分析重點地區(qū)地表沉降的分布規(guī)律、形成機理以及綜合防治方法。

主要采用基于GIS組件的二次開發(fā)模式，其中GIS組件選擇ESRI和MapObjects。以武漢市江岸區(qū)影像為底圖，疊加北斗監(jiān)控中心、監(jiān)控點、監(jiān)控區(qū)域等空間數(shù)據顯示；地圖數(shù)據通過切片處理后，發(fā)布為地圖服務，供客戶端訪問；監(jiān)控數(shù)據在服務器端查詢、統(tǒng)計、分析，并將結果通過WebService返回到客戶端顯示。

⑴ GIS功能：包括監(jiān)測區(qū)域平面圖瀏覽、各監(jiān)測點布置平面圖、基準點和監(jiān)測點屬性表、地圖打印、名稱或者坐標定位、地圖量測、地圖標繪、圖層管理等功能。

⑵ 工程管理：可添加、刪除、修改工程屬性信息；可上傳、瀏覽參考站和監(jiān)測站等實景圖片；可添加、刪除工程范圍內的監(jiān)控參考站或者監(jiān)測站。

⑶ 監(jiān)測站沉降查詢：可按監(jiān)控點編號、高程、期沉降量、期沉降速率、累計沉降量、累計沉降速率等條件查詢該監(jiān)控點的沉降數(shù)據，并以列表的方式顯示；支持數(shù)據導出到Excel生成監(jiān)控點沉降成果表。

⑷ 監(jiān)控點沉降曲線圖：對變形分析系統(tǒng)中的沉降過程曲線、沉降速度曲線、等沉降曲線圖進行繪制或展示。

⑸ 監(jiān)測信息錄入：將北斗按時間段靜態(tài)解算的高程信息和地下水位信息自動讀入系統(tǒng)中，以便進行變形數(shù)據處理。將定期的常規(guī)沉降監(jiān)測數(shù)據導入系統(tǒng)中進行處理。

⑹ 數(shù)據計算處理：包括沉降量計算、沉降速度計算、圖形繪制等功能。沉降量計算包括本次靜態(tài)解算高程與前次靜態(tài)解算高程之差（本次沉降量）、某一時間段（如幾天、幾月等）的沉降量、總累計沉降量、區(qū)域多點平均沉降量等；沉降速度計算包括本次沉降速度、某一時間段（如幾天、幾月等）的沉降速度、總沉降速度，區(qū)域平均沉降速度等；圖形繪制由監(jiān)測點平面坐標（x，y）和沉降量s構成監(jiān)測點三維坐標（x，y，s），以區(qū)域為單位建立三角網三維立體模型，自動跟蹤等沉降量曲線，繪制等沉降量曲線圖。

⑺ 數(shù)據分析對比：采用回歸分析數(shù)學模型，對沉降監(jiān)測數(shù)據進行分析對比。

⑻ 分級預警：根據監(jiān)測數(shù)據與預設閾值的對比，進行分級預警。

⑼ 自動報表：根據預設模板自動生成地表沉降監(jiān)測數(shù)據分析報表，并提供下載、刪除等功能。

經測試，北斗沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要技術指標如表2。

3 結束語

北斗地表沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)將BDS實時獲取高精度空間信息和各類傳感器技術進行了集成，實現(xiàn)了對地表沉降的實時監(jiān)測、綜合分析、分級預警及預測評估等功能，有利于提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，為管理者的地表沉降防治工作提供了決策依據。該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)手段無法實現(xiàn)的自動實時監(jiān)測，為研究和控制地面沉降提供準確、可靠的資料，更可作為北斗技術的行業(yè)示范應用，推動北斗這一項國家戰(zhàn)略新興產業(yè)的發(fā)展以及在水利、礦業(yè)、橋梁等方面的監(jiān)測應用，具有較大的實用和推廣價值。

參考文獻（References）：

[1] 李黎.GPS技術在變形監(jiān)測中的應用及發(fā)展趨勢[J].勘測科

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[2] 溫德華，周克清.城市高架橋梁GPS控制網的建立實踐與分

析[J].全球定位系統(tǒng)，2013.38（1）：28-31

[3] 李燕華.橋梁監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].內蒙古

公路與運輸，2014.6：15-17

[4] 孟利波，唐光武.基于云平臺的中小橋梁監(jiān)測系統(tǒng)架構方案

研究[J].公路交通技術，2013.4：106-109