地災(zāi)監(jiān)測的大數(shù)據(jù)信息平臺研究及應(yīng)用

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(上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 210702)

我國西部地區(qū)地質(zhì)地貌復(fù)雜，是滑坡、泥石流、地震三大地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，其中秦嶺西部地區(qū)褶皺帶屬炭灰夾雜的土質(zhì)，山體分化破碎較為嚴(yán)重，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生尤為頻繁。2010年8月7日夜，甘南藏族自治州舟曲縣城東北部山區(qū)因突降特大暴雨，誘使三眼峪、羅家峪等4條溝系爆發(fā)總體積約750萬m3的特大山洪地質(zhì)災(zāi)害，造成1500余人遇難、近300人失蹤。2017年6月24日凌晨，位于阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)的新磨村發(fā)生高位山體垮塌，掩埋道路1.6 km，堵塞河道2 km，造成46戶房屋被掩埋，140余人失聯(lián)。

在變形監(jiān)測領(lǐng)域，傳統(tǒng)的技術(shù)手段主要使用常規(guī)光學(xué)和電子測量儀器。而隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，GNSS衛(wèi)星定位、導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)深度融合，在空間定位技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)革命性變化，應(yīng)用范圍大大拓展。GNSS測量具有三維定位能力強(qiáng)、精度高的顯著優(yōu)勢，與傳統(tǒng)方法相比較，更加簡潔高效，而且GNSS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)便于與現(xiàn)代通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)等深度集成，能夠?qū)崿F(xiàn)對變形體的全自動化、實(shí)時監(jiān)測。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)正日趨完善，已經(jīng)正式對外提供服務(wù)。為充分實(shí)現(xiàn)BDS系統(tǒng)的功能，BDS+GPS+GLONASS多星座融合將成為未來的發(fā)展主流。本文在深入分析地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，歸納、總結(jié)適合我國特點(diǎn)的形變監(jiān)測系統(tǒng)指標(biāo)體系和技術(shù)方法，并進(jìn)一步提出適合我國西部地區(qū)滑坡監(jiān)測實(shí)際情況的基本內(nèi)容和指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)信息化平臺的設(shè)計與構(gòu)建。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

常規(guī)大地測量技術(shù)、攝影測量技術(shù)、特殊變形測量技術(shù)和GNSS技術(shù)是現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)的主體。本文擬構(gòu)建一套地災(zāi)監(jiān)測大數(shù)據(jù)信息平臺，來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的各類需求。

1.1 地災(zāi)監(jiān)測大數(shù)據(jù)信息平臺建設(shè)

該項(xiàng)目主要研發(fā)內(nèi)容為開發(fā)一款實(shí)時GPS數(shù)據(jù)解算軟件和一款監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、展示、預(yù)警的監(jiān)測平臺，滿足下列要求：

(1) 解算軟件支持GPS、GLONASS、BDS衛(wèi)星系統(tǒng)。

(2) 解算軟件支持RTK解算、靜態(tài)解算，并支持高精度長基線的解算。

(3) 解算軟件兼容主要品牌接收機(jī)，兼容CORS。

(4) 應(yīng)用系統(tǒng)支持地表位移、地下水位、滲流、最小干灘、土壤溫度、土壤含水率、裂縫、柔性位移、土壓力、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、濕度、地聲、次生等17類目標(biāo)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與預(yù)警，涵蓋地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與分析的主要數(shù)據(jù)源。

(5) 支持監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時報警，支持超限、速度、加速度報警和報警數(shù)據(jù)推送。

(6) 支持報警數(shù)據(jù)推送，包括短信、郵件、軟件界面、聲光報警器多種方式。

(7) 支持?jǐn)?shù)據(jù)庫自動備份，安全可靠性高。

(8) 支持任意時段數(shù)據(jù)和報警信息報表導(dǎo)出。

(9) 支持Android及Apple手機(jī)客戶端，及時發(fā)布數(shù)據(jù)通告和報警通知。

針對北斗系統(tǒng)引入后，GPS+GLONAS/BDS組合高精度定位的難題，提出了基于BDS+GPS+GLONASS的改進(jìn)型相對定位方法。該方法在惡劣觀測環(huán)境下對定位精度和可靠性提升，以及縮短初始化時間等方面效果顯著，有力保障了高精度靜態(tài)相對定位、動態(tài)相對定位的實(shí)現(xiàn)。

1.2 檢測數(shù)據(jù)解算軟件功能實(shí)現(xiàn)

(1) 信息解算。項(xiàng)目組首先根據(jù)觀測量計算衛(wèi)星位置及接收機(jī)位置，由解調(diào)數(shù)據(jù)提取導(dǎo)航電文參數(shù)，然后根據(jù)PVT信息獲得鐘差鐘漂數(shù)據(jù)，調(diào)整時鐘參數(shù)和TIC值，最后根據(jù)PVT信息作衛(wèi)星預(yù)報，并指導(dǎo)捕獲跟蹤PVT解算。其中，在PVT解算中重點(diǎn)圍繞北斗+GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系開展了深入研究，針對統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)下BDS、GPS和GLONASS衛(wèi)星的聯(lián)合解算開展了算法研發(fā)，如圖1所示。

(2) 差分解算。偽距差分和載波相位差分是差分解算的主要部分。其中，載波相位差分主要涉及模糊度搜索和解算。差分解算部分的開發(fā)是對解碼得到的GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、濾波、差分等數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而得到最終的定位結(jié)果。本項(xiàng)目的差分解算軟件研發(fā)主要依托前期開展的北斗和GPS組合高精度定位技術(shù)相關(guān)研究，如圖2所示。

2 軟件詳細(xì)設(shè)計

2.1 GNSS實(shí)時監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)HCmonitor開發(fā)

針對GNSS實(shí)時監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用，本項(xiàng)目研發(fā)一款北斗和GPS自動化變形監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件HCmonitor，它基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用GNSS實(shí)時解算監(jiān)測物體三維坐標(biāo)，并可對監(jiān)測物體的三維變形量進(jìn)行實(shí)時分析，可應(yīng)用于各種變形監(jiān)測項(xiàng)目，包括尾礦、橋梁、滑坡、調(diào)度、沉降、超高層建筑、橋梁等。該軟件的整體架構(gòu)如圖3所示。

2.1.1 軟件功能

(1) 管理功能。GNSS解算以基線為基礎(chǔ)，基線由測站的設(shè)置來約束。測站的設(shè)置重點(diǎn)考量接收機(jī)和天線類型、接入方式、測站信息3個部分。兩個測站組成了一條基線，基線除了測站信息之外，還包括解算間隔、解算參數(shù)、濾波設(shè)置和基線基本信息(基線名稱、編號等)等內(nèi)容，如圖4所示。

(2) 輸入功能。根據(jù)接入方式實(shí)現(xiàn)接收接收機(jī)等硬件輸出，獲取原始數(shù)據(jù)，如圖5所示。

(3) 計算功能。數(shù)據(jù)解算是整個軟件的核心。根據(jù)接收機(jī)類型來解析接收到的數(shù)據(jù)，將二進(jìn)制的數(shù)據(jù)解析成可以識別的觀測數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)。然后進(jìn)入質(zhì)量分析模塊，對實(shí)時數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行分析、濾波等處理，剔除質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)。將處理過的數(shù)據(jù)傳入解算、平差模塊，根據(jù)基線的設(shè)置解算出結(jié)果，如圖6所示。

(4) 輸出功能。輸出功能包括輸出和記錄兩大塊內(nèi)容。輸出包括界面顯示和報告輸出；記錄內(nèi)容涉及原始觀測數(shù)據(jù)與解算結(jié)果兩部分，如圖7所示。

2.1.2 軟件設(shè)計性能要求

(1) 精度。所有坐標(biāo)和坐標(biāo)精度值保留至毫米；基線解和基線精度也同樣保留至毫米。

(2) 時間特性。系統(tǒng)的解算分前臺和后臺兩個部分，其中前臺將實(shí)時顯示解算的結(jié)果，每個歷元顯示一個結(jié)果，并同時更新點(diǎn)位分布曲線和離散圖等，前臺運(yùn)行程序?qū)r間的要求較高，有必要實(shí)時顯示。后臺包括快速動態(tài)和后處理，根據(jù)用戶的定義處理從2 min至24 h不等間隔的原始數(shù)據(jù)，并生成結(jié)果，隨著數(shù)據(jù)量的增加，無法做到實(shí)時解算，在運(yùn)行解算軟件時應(yīng)該提示用戶目前正在運(yùn)行的程序處理什么數(shù)據(jù)，并在處理結(jié)束時給出不中斷用戶操作的提示。

(3) 輸入輸出。輸入設(shè)備為鼠標(biāo)、鍵盤。觀測數(shù)據(jù)的輸入可以通過串口，也可以通過網(wǎng)絡(luò)。輸出內(nèi)容包含RINEX格式記錄的原始觀測數(shù)據(jù)及星歷數(shù)據(jù)和解算結(jié)果。

(4) 數(shù)據(jù)管理能力。系統(tǒng)對一個月之內(nèi)的原始觀測數(shù)據(jù)和解算結(jié)果進(jìn)行記錄。原始觀測數(shù)據(jù)以RINEX格式保存，包括觀測值和星歷，記錄間隔可以在軟件中設(shè)置，每天生成一個單獨(dú)的文件夾，在工程目錄下的“rinex”文件夾中保存，以日期命名每天的文件夾，如2014年2月28日生成的文件夾名稱為“20140228”。解算結(jié)果以文本文件格式保存，一條基線的一個設(shè)置對應(yīng)一個結(jié)果文件，系統(tǒng)根據(jù)基線設(shè)置自動命名，命名規(guī)則為“基線名稱_解算類型_解算間隔.txt”，每天生成一個用于保存結(jié)果的文件夾，保存于工程目錄下名為“result”的文件夾下，命名和保存規(guī)則與觀測數(shù)據(jù)相關(guān)規(guī)則相同。

(5) 故障處理。系統(tǒng)將生成日志文件，記錄系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，并記錄出現(xiàn)的錯誤，供開發(fā)人員使用。

2.1.3 軟件設(shè)計性能指標(biāo)

開發(fā)出的GNSS實(shí)時監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)經(jīng)過上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院測試，其主要性能指標(biāo)如下：①實(shí)現(xiàn)北斗和GPS原始數(shù)據(jù)的實(shí)時差分處理；②數(shù)據(jù)更新率大于1 Hz；③分別支持RS232、TCP/IP協(xié)議；④實(shí)時展示數(shù)據(jù)視圖、網(wǎng)圖、衛(wèi)星視圖、趨勢圖和三維視圖等，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)管理等功能；⑤系統(tǒng)能7×24 h持續(xù)可靠地進(jìn)行工作。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)和相關(guān)指標(biāo)主要技術(shù)特點(diǎn)

(1) 支持GPS+GLONASS+BDS聯(lián)合解算、單系統(tǒng)解算(單GPS、單GLONASS、單BDS)以及任意組合系統(tǒng)解算(GPS+GLONASS、GPS+BDS、BDS+GLONASS)。

(2) 支持各種頻率組合自動最優(yōu)搜索，L1、L2、L1+L2、Ln、Lw、Lc各種組合結(jié)果自動優(yōu)選。

(3) 支持CORS-VRS，能夠?qū)ORS實(shí)現(xiàn)無縫兼容。

(4) 支持多種坐標(biāo)系統(tǒng)的管理，包括1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、CGCS2000、自建系統(tǒng)等。

(5) 支持多種GNSS誤差模型庫，曲面支持高精度長基線解算與精密星歷解算。

(6) 支持各種NGS認(rèn)證天線，擁有完整的天線參數(shù)體系。

(7) 支持原始數(shù)據(jù)20 Hz高動態(tài)RTK解算。

(8) 支持均值濾波器、Kalman濾波器。

(9) 支持多基站解算與網(wǎng)平差功能。

(10) 支持GNSS單、雙頻解算。

3 甘肅舟曲滑坡預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠高自動化地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理與結(jié)果分析，還可為抗震救災(zāi)提供實(shí)時、真實(shí)可靠的災(zāi)害預(yù)警信息，對防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)的有效開展意義重大。甘肅舟曲滑坡預(yù)警系統(tǒng)建于甘肅省舟曲縣鎖兒頭滑坡體區(qū)域，通過GPS表面位移、內(nèi)部測斜、裂縫計、滲壓計、TDR等多種傳感器的集成實(shí)時采集多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一體化的綜合監(jiān)測，并傳送到監(jiān)控預(yù)警平臺，根據(jù)預(yù)設(shè)報警值實(shí)施自動預(yù)警，如圖8所示。

本次工程項(xiàng)目共建設(shè)了14處滑坡監(jiān)測點(diǎn)，結(jié)合6種監(jiān)測手段，其中GPS表面位移監(jiān)測點(diǎn)41個(其中2個基準(zhǔn)站)、測斜孔和滲壓內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)9個、裂縫監(jiān)測點(diǎn)17個、量水堰水量監(jiān)測點(diǎn)2個、TDR深部監(jiān)測點(diǎn)1個、水眼溝斷面監(jiān)測1套。

4 結(jié)果與展望

舟曲滑坡預(yù)警系統(tǒng)于2012年底完工，在建設(shè)完成后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠及時，準(zhǔn)確反映了滑坡的變化情況，為政府部門的決策提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，有效保護(hù)了舟曲人民生命和財產(chǎn)的安全。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在大壩、橋梁、尾礦、滑坡、地災(zāi)、水利水電等行業(yè)中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，得到充分認(rèn)可，測試結(jié)果表明：

(1) GNSS數(shù)據(jù)處理軟件能實(shí)時接收和處理GPS、GLONASS、BDS三星數(shù)據(jù)，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，精度和功能達(dá)到標(biāo)稱指標(biāo)，可用于滑坡、橋梁、礦山、地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測，以及區(qū)域性沉降監(jiān)測和工程變形監(jiān)測等領(lǐng)域。

(2) 系統(tǒng)集成多種類型傳感器，可滿足尾礦、橋梁、滑坡、地災(zāi)等不同類型項(xiàng)目監(jiān)測需求，系統(tǒng)軟件可擴(kuò)展。

(3) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人值守自動化監(jiān)測，人力成本大幅降低，不受氣象因素影響，系統(tǒng)精度高。

(4) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多傳感器集成，實(shí)施全方位監(jiān)測。

(5) 有線和無線相結(jié)合的組合式通信，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境布置最優(yōu)的通信方案，通信組合方案靈活，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定；主要通過光纖、網(wǎng)線、RS485、RS422等方式實(shí)現(xiàn)有線傳輸，通過無線網(wǎng)橋、2G/3G通信模塊、Zigbee等方式實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

(6) 通過光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤和風(fēng)光互補(bǔ)等優(yōu)化野外供電，實(shí)現(xiàn)7×24 h不間斷工作。

(7) 系統(tǒng)配備完善的供電、避雷、綜合布線等輔助支持子系統(tǒng)，能夠保障在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定和連續(xù)工作。

(8) 系統(tǒng)功能豐富，人工巡檢功能、系統(tǒng)管理、工程管理、Word報表，同時數(shù)據(jù)圖表多樣,包括數(shù)據(jù)曲線圖， 速度/加速度圖、斷面曲線圖、統(tǒng)計圖、散點(diǎn)圖、總體分布圖等。

(9) 系統(tǒng)集成了多種監(jiān)測數(shù)據(jù)分析手段，能夠針對包括地表位移、地下水位、滲流、土壤溫度、土壤含水率、最小干灘、裂縫、柔性位移、土壓力、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、濕度、地聲、次生等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)施監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)多行業(yè)領(lǐng)域的覆蓋。

(10) 面向服務(wù)的模塊軟件設(shè)計和架構(gòu)，使得應(yīng)用系統(tǒng)軟件功能更容易擴(kuò)展和兼容第三方系統(tǒng)。

(11) 監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時精準(zhǔn)分析，預(yù)警準(zhǔn)確，及時發(fā)送預(yù)警通知，預(yù)警方式多樣，包括郵件、聲光、短信、界面多種方式，能夠?yàn)闆Q策分析提供關(guān)鍵的技術(shù)支持與參考信息；HCMonitor是全面自主研發(fā)的新型GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)解算軟件，全面兼容北斗且靜態(tài)解算精度極高。