GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

張 明，邱章云

（葛洲壩測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，湖北宜昌 443002）

1 GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)方法選擇

目前，外部變形的自動(dòng)化觀測(cè)方法主要有：帶馬達(dá)和識(shí)別照準(zhǔn)功能的全站儀自動(dòng)測(cè)量法、GNSS（Global Navigation Satellite System）衛(wèi)星定位測(cè)量法、固定式陸地推掃激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)法、多孔徑合成雷達(dá)SAR和INSAR干涉測(cè)量方法、微變形測(cè)量（IBIS-L）測(cè)量法、真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)等。其中：

（1）全站儀自動(dòng)測(cè)量法主要作為人工測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，及對(duì)平面控制網(wǎng)進(jìn)行周期性的復(fù)測(cè)。

（2）GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如圖1所示）具有可24h連續(xù)不間斷工作、且不受天氣因素影響、可實(shí)時(shí)預(yù)警、造價(jià)不高等優(yōu)點(diǎn)，靜態(tài)測(cè)量精度：水平位移不大于±3.0mm，豎直位移不大于±5.0mm，采用GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前比較先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方案。

圖1 GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.2 自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)某電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和地質(zhì)條件擬修建10個(gè)觀測(cè)墩，其中，左岸面板堆石壩3個(gè)，號(hào)點(diǎn)TP02、TP03、TP04，左岸滑坡體3個(gè)，號(hào)點(diǎn)TP06、TP07、TP08，右岸邊坡主要對(duì)歷年變形較大的控制網(wǎng)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)TP05、TP09、TP10，位于左岸邊坡的工作基點(diǎn)1個(gè)，號(hào)點(diǎn)TP01，布設(shè)在測(cè)區(qū)周圍地質(zhì)條件良好的左岸邊坡上，點(diǎn)位穩(wěn)固、視野開闊，且易于長(zhǎng)期保存。

2 監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

2.1 技術(shù)要求

本工程外部變形自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)采用GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位靜態(tài)觀測(cè)技術(shù)，由1個(gè)GNSS基準(zhǔn)站和9個(gè)固定觀測(cè)墩（變形觀測(cè)點(diǎn)）組成，GNSS基準(zhǔn)站為GNSS實(shí)時(shí)觀測(cè)提供基準(zhǔn)。GNSS基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)組網(wǎng)按國(guó)標(biāo)規(guī)范要求設(shè)計(jì)施工建設(shè)。外部變形觀測(cè)網(wǎng)主要通過(guò)10臺(tái)GNSS接收機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)邊坡進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)依靠4G或光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，需要開發(fā)可靠的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)無(wú)縫解決海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析及處理的難題。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，構(gòu)成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集端，同步且24h不間斷接收GNSS數(shù)據(jù)。所有站點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線或者有線的形式傳入控制機(jī)房的服務(wù)器中。通過(guò)服務(wù)器中安裝的Spider軟件，可以查看、管理、分析接收衛(wèi)星的數(shù)據(jù)情況，使用“后處理（Post-processing）”算法來(lái)解算監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的靜態(tài)差分定位位置。根據(jù)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每個(gè)時(shí)段位置的變化量，可以高精度監(jiān)測(cè)每個(gè)點(diǎn)的位置變化。解算結(jié)果存儲(chǔ)在SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以導(dǎo)入GeoMoS軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析。設(shè)置好基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)限差及自動(dòng)監(jiān)測(cè)周期等一系列信息，GeoMoS軟件會(huì)把每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化情況以圖形或數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)出來(lái)，一旦有哪個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量超出設(shè)置好的限差，軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警（包括消息欄的信息提示、給指定手機(jī)發(fā)送短消息及給指定郵箱發(fā)送郵件等，即手機(jī)短消息及告警郵件），提醒注意采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航變形觀測(cè)系統(tǒng)組成：衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)（采集系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)架及組成如圖2所示。

圖2 GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架及組成

2.2.1 變形觀測(cè)

所有測(cè)點(diǎn)采用GNSS相對(duì)靜態(tài)定位法觀測(cè)。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析處理

大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)有線或4G無(wú)線通訊方式進(jìn)行無(wú)損傳輸，采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)自檢，超限數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，能綜合統(tǒng)計(jì)分析各期觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)，同時(shí)具備預(yù)警及報(bào)警等輔助特殊功能。

2.2.3 日常巡視檢查

所有監(jiān)測(cè)設(shè)備及器具須在其檢定有效期內(nèi)使用，加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)，定期或不定期進(jìn)行巡查和檢修，出現(xiàn)故障，及時(shí)處理。

2.3 主要儀器設(shè)備及軟件

（1）儀器設(shè)備：徠卡GNSS天線（AR10）10套，徠卡GNSS接收機(jī)（GM30）10套，設(shè)備供電柜，電源適配器，空氣開關(guān)，太陽(yáng)能供電裝置，4G模塊，電源避雷器，8芯單模通訊光纜，光纖收發(fā)器，網(wǎng)線，DC電源線，電源電纜，24口交換機(jī)，服務(wù)器。

（2）軟件：GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位觀測(cè)基線解算系統(tǒng)；自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件Geo MoS Monitor；數(shù)據(jù)處理分析軟件Geo MoS Analyzer。

2.4 觀測(cè)墩建造

（1）按規(guī)范要求澆筑GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)墩。

（2）觀測(cè)墩頂部安裝強(qiáng)制對(duì)中底座，基準(zhǔn)站對(duì)中精度不低于0.1mm，測(cè)點(diǎn)對(duì)中精度不低于0.2mm，固定標(biāo)盤按照規(guī)范要求調(diào)試到位。

（3）鋼筋混凝土柱身具備足夠強(qiáng)度后，將GNSS天線和棱鏡一體化設(shè)置（GNSS基準(zhǔn)站）或者GNSS接收天線（GNSS測(cè)點(diǎn)）固定在強(qiáng)制對(duì)中基座上。

（4）將太陽(yáng)能電板、供電柜固定于GNSS墩柱上，GNSS接收機(jī)、蓄電池存放于供電柜內(nèi)，并連接好各電纜接線。

（5）安裝GNSS防雷裝置。防雷裝置安裝需符合相關(guān)規(guī)范規(guī)程的要求，GNSS觀測(cè)墩效果圖見圖3。

圖3 GNSS觀測(cè)墩效果

2.5 控制中心

控制中心包括服務(wù)器的安裝、UPS安裝、軟件的調(diào)試等。機(jī)房設(shè)備組成：監(jiān)控中心配備1套在線式UPS，1個(gè)機(jī)柜，里面包括2臺(tái)服務(wù)器，1臺(tái)交換機(jī)等設(shè)備。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用到徠卡Spider和GeoMoS軟件，為了保障軟件運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，將它們分別裝在2臺(tái)服務(wù)器。

2.6 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

主要內(nèi)容包括：①GNSS點(diǎn)位設(shè)備檢驗(yàn)；②站點(diǎn)坐標(biāo)檢驗(yàn)；③硬件設(shè)備測(cè)試；④軟件測(cè)試。

2.7 數(shù)據(jù)分析與預(yù)警

徠卡Spider軟件為連續(xù)運(yùn)行GNSS觀測(cè)站而設(shè)計(jì)，主要與GNSS接收機(jī)協(xié)同工作。可以向參考站網(wǎng)覆蓋區(qū)域提供GNSS服務(wù)。測(cè)點(diǎn)的分析和消息預(yù)警通過(guò)GeoMoS軟件實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)測(cè)分析及預(yù)警采用軟件來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)，輸入各類變形演變的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮各類地質(zhì)、水文及氣候變化因素，通過(guò)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值或設(shè)計(jì)單位精確計(jì)算確定累計(jì)報(bào)警值和變形速率限值。軟件自動(dòng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理、分析、生成日常報(bào)表和各類觀測(cè)變形曲線圖。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警限值，超限時(shí)增加相應(yīng)觀測(cè)頻率并核實(shí)儀器運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警功能并提交成果報(bào)告。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目主要完成了10個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)墩的土建施工、設(shè)備安裝、調(diào)試和組網(wǎng)工作，順利實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集和控制。系統(tǒng)軟件站點(diǎn)信息配置以及相關(guān)的硬件測(cè)試、調(diào)試，通過(guò)初試運(yùn)行和隨后的業(yè)主驗(yàn)收，至今運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)輸出滿足設(shè)計(jì)要求。

采用GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模式建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有布點(diǎn)靈活、精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、24h連續(xù)運(yùn)行、實(shí)時(shí)預(yù)警等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、安全形勢(shì)加劇的今天具有重要應(yīng)用價(jià)值，是滑坡體外部變形在線監(jiān)測(cè)的首選模式。