基于分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

鄭 庭

（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

近年來由于礦山的過度開采，導致礦區(qū)采空，巖層塌陷，引發(fā)了很多的地質(zhì)災害。我國是世界上地質(zhì)災害比較嚴重的國家之一，突發(fā)性的滑坡和泥石流導致很嚴重的人員傷亡，建立地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)是國家防災減災的重大舉措。突發(fā)性地質(zhì)災害大多數(shù)發(fā)生在山區(qū)，地勢險要，交通不便利，現(xiàn)有的地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測地質(zhì)位移時存在一定的誤差，因此，設計一種基于分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基于分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)是集Internet技術(shù)，分布式衛(wèi)星定位技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，計算機網(wǎng)絡技術(shù)于一體的高度集成系統(tǒng)，利用衛(wèi)星接收機和數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡通信實現(xiàn)外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的自動采集。本文設計的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖1 分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

接下來本文將對系統(tǒng)的硬件和軟件分別進行設計。

（1）硬件設計。在一般的通信環(huán)境下，單頻率接收機就可以滿足信息傳輸?shù)囊?，但是在通信比較落后的山區(qū)，需要選擇雙頻高采樣率的接收機[1]。接收機上的天線的選擇也是一樣，針對不同的使用環(huán)境選擇不同的天線類型，對于精度要求不高的監(jiān)測，普通測量型的天線就可以，但是對于監(jiān)測環(huán)境比較差，周圍路徑數(shù)量多，輻射類信號干擾嚴重的環(huán)境需要選擇多路徑抑止功能扼流圈的天線。采樣機需要帶有4個輸出端口，對于每個端口的輸出內(nèi)容可以人工設定。為了滿足系統(tǒng)的監(jiān)測需求，對接收機的采樣率進行規(guī)定，要求原始數(shù)據(jù)的采樣頻率達到1赫茲，位置信息的采樣頻率要求1赫茲以上；內(nèi)部帶有12個并行通道，雙頻連續(xù)跟蹤站接收機，且要求接收機能夠?qū)崿F(xiàn)載波、星歷、偽衛(wèi)星信息、位置信息等進行觀測，內(nèi)存需要大于64G，保證接收機能夠連續(xù)存儲72小時以上接收到的原始數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸中使用的是分布式衛(wèi)星無線傳輸設備，通過建立的無線局域網(wǎng)在監(jiān)測點和服務器之間完成原始數(shù)據(jù)的傳輸，其架設簡單、穩(wěn)定，且維護邊界，無線傳輸設備的電路板上集成了通信、存儲芯片，用來輔助收發(fā)信息、語音通話以及數(shù)據(jù)傳輸存儲功能。至此完成了本文系統(tǒng)的硬件設計。

（2）軟件設計。數(shù)據(jù)通信是本文系統(tǒng)中的重要設計部分，本文使用的是分布式衛(wèi)星無線數(shù)據(jù)傳輸。利用分布式衛(wèi)星定位進行礦山施工的數(shù)據(jù)觀測，需要對數(shù)據(jù)進行預處理來減少觀測過程中的誤差。分布式衛(wèi)星定位技術(shù)相對復雜，導致其觀測誤差的原因也更加復雜多樣[2]。誤差與誤差原因之間的關(guān)系錯綜復雜，既存在線性關(guān)系，也存在非線性關(guān)系。本文主要利用回歸分析法對數(shù)據(jù)進行預處理。首先建立誤差值與誤差因素之間的數(shù)學模型，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化成線性關(guān)系求解。

假設y為誤差值，x1、x2...、xn為誤差因素，那么可以建立回歸模型為：

上式中，a與bi都為回歸系數(shù)，φ代表隨機變形量，進行幾次觀測就可以得到同樣數(shù)量的觀測方程，當兩個變量之間為線性關(guān)系時，成為一元線性回歸分析，響應的數(shù)學模型為：

βi為隨機參數(shù)，它們之間互相獨立，ω為回歸系數(shù)，在數(shù)據(jù)的預處理中，使用到一元線性回歸分析的數(shù)據(jù)較多。通過多次的觀測數(shù)據(jù)，建立數(shù)學模型來解算回歸系數(shù)，得到的回歸方程即誤差修正方程，從而找出誤差與誤差因素之間存在的函數(shù)關(guān)系，完成原始數(shù)據(jù)的預處理。本文系統(tǒng)主要使用這兩種格式的數(shù)據(jù)取長補短，完成信息傳輸，在保證數(shù)據(jù)真實的同時，加快數(shù)據(jù)解碼速度，至此完成基于分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計。

2 實驗

表1 監(jiān)測結(jié)果對比

?

為了驗證本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)在減少誤差方面有一定的有效性，需要設計對比實驗，與現(xiàn)有的實時監(jiān)測系統(tǒng)進行比較。選取某礦山，分別使用兩個系統(tǒng)對其進行滑坡位移監(jiān)測，利用NEUCORS軟件進行數(shù)據(jù)靜態(tài)基線解算，選取觀測點，進行為期30天的監(jiān)測觀察，記錄觀測結(jié)果，如表所示。

從上表可以看出，本文系統(tǒng)監(jiān)測位移的平均誤差為1.1mm，原有系統(tǒng)監(jiān)測位移的平均誤差為2.9mm，驗證了本文設計的系統(tǒng)在減少位移誤差方面的有效性。

3 結(jié)語

本文基于分布式衛(wèi)星定位設計了礦山施工地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)，主要目的是為了減少地質(zhì)位移監(jiān)測的誤差。系統(tǒng)從兩方面進行設計，硬件中根據(jù)使用環(huán)境選擇接收機以及天線的類型，在無線傳輸設備電路板集成功能芯片；軟件設計中利用回歸分析法對數(shù)據(jù)進行預處理以減少原始數(shù)據(jù)的誤差，規(guī)范了數(shù)據(jù)格式，保證數(shù)據(jù)真實的同時，加快數(shù)據(jù)解碼速度。還可以根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)建立起內(nèi)容豐富的數(shù)據(jù)庫，對于相關(guān)的地質(zhì)災害預測具有重要意義。