基于GNSS的邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

王豪威

（1.核工業(yè)航測遙感中心,河北 石家莊 050002）

近年來，隨著GNSS技術(shù)[1-2]、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)[3]和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]的不斷成熟，使得邊坡監(jiān)測越來越向全天候、高精度、自動化方向發(fā)展，自動化監(jiān)測方法[5-7]的出現(xiàn)改變了人工觀測方式，系統(tǒng)服務(wù)器24 h工作，能夠保證及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，以便隨時掌握邊坡的安全情況[8]。本文從某工程邊坡安全穩(wěn)定的角度出發(fā)，以GNSS技術(shù)為基礎(chǔ)，將其與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建邊坡自動化監(jiān)測體系，運用到邊坡結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中，并對其監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了研究。

1 GNSS自動化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

利用GNSS技術(shù)進(jìn)行邊坡監(jiān)測，包括基準(zhǔn)站和采集站，將1臺GNSS接收機(jī)固定穩(wěn)固安置在遠(yuǎn)離變形區(qū)域的位置作為基準(zhǔn)站，另外多臺GNSS接收機(jī)安置在坡體位移點作為監(jiān)測站，基準(zhǔn)站和監(jiān)測站同時啟動，并以載波相位作為觀測量，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將同一時刻的GNSS基準(zhǔn)站和GNSS監(jiān)測站的原始觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，利用專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動解算處理，從而得到監(jiān)測站實時的mm級坐標(biāo)值[9]。

2 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

基于GNSS的邊坡自動化監(jiān)測技術(shù)是由數(shù)據(jù)采集終端、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心組成[10]。數(shù)據(jù)采集終端可以在邊坡上連續(xù)工作，它將各個獨立的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測中心。通信不受距離限制，可以把監(jiān)測中心設(shè)置在遠(yuǎn)離環(huán)境惡劣的監(jiān)測現(xiàn)場，有效保障了系統(tǒng)的正常運行。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端建設(shè)

依據(jù)邊坡工程鉆探、地質(zhì)勘查和設(shè)計施工等已有資料，在邊坡變形區(qū)外一個穩(wěn)定基礎(chǔ)上布設(shè)一個GNSS基準(zhǔn)點，點名：（GNSS JZ1），設(shè)置定時啟動，與其他監(jiān)測站同步運行；在變形區(qū)關(guān)鍵斷面處布設(shè)4個GNSS監(jiān)測點，點名：（GNSS 101—GNSS104）。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

GNSS接收機(jī)內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用成熟的GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過靈活地控制設(shè)備的采集制度，進(jìn)行無線傳輸。在監(jiān)測中心搭設(shè)服務(wù)器，服務(wù)器連接到網(wǎng)絡(luò)，該服務(wù)器擁有固定的IP地址和端口，GNSS接收所連接的數(shù)據(jù)傳輸模塊在通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)時，數(shù)據(jù)采集終端就可以自動地在規(guī)定的時刻將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，也可以接受監(jiān)測中心的指令對系統(tǒng)做各種參數(shù)設(shè)置或執(zhí)行其他的操作。

2.3 系統(tǒng)軟件建設(shè)

邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)以計算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、安全監(jiān)測等技術(shù)為核心，統(tǒng)一流程規(guī)范、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，構(gòu)建分層的在線安全監(jiān)測系統(tǒng)。

1）項目配置功能：用戶可在主頁面中對不同項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測項目、測點布置圖、監(jiān)測成果表（包括階段測值、累計測值、變形差值、變形速率、數(shù)據(jù)預(yù)警判斷結(jié)論等）和監(jiān)測曲線圖。

2）數(shù)據(jù)采集傳輸功能：數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集儀、串口服務(wù)器、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備、傳輸線纜以及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，對各個監(jiān)測子項，將視邊坡現(xiàn)場環(huán)境布置信息采集傳輸節(jié)點，將傳感器所獲取的實時數(shù)據(jù)經(jīng)由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至中心服務(wù)器主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析。

3）數(shù)據(jù)分析功能：監(jiān)測分析選項是對現(xiàn)場所有設(shè)備采集返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并根據(jù)時間排序展示在系統(tǒng)中。系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進(jìn)行自診斷，判斷其有效性，主要實現(xiàn)方法是通過對比同組別的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，查看其是否是單一突變值。對有效的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將分類進(jìn)行整理分析，用戶可根據(jù)自己所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和分析。

4）監(jiān)測預(yù)警功能：全部監(jiān)測數(shù)據(jù)均由計算機(jī)數(shù)據(jù)庫管理，同時對數(shù)據(jù)設(shè)置分級控制，根據(jù)監(jiān)測控制指標(biāo)的不同范圍將預(yù)警分級來進(jìn)行監(jiān)測過程管理。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)完成并經(jīng)過軟件測試，于2019年10月底投入運行，經(jīng)過2019-11-01~2020-01-30的實時監(jiān)測，已獲取邊坡4個GNSS監(jiān)測點1 923條的有效數(shù)據(jù)量，其中X變化為正表示向東位移，反之為向西位移；Y變化為正表示向北位移，反之為向南位移；Z變化為正表示向上上升，反之為向下沉降。

3.1 GNSS基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析

GNSS基準(zhǔn)站設(shè)置在變形區(qū)外，且選點在基巖上，為保證基準(zhǔn)站點坐標(biāo)信息的可靠性，在2019年11月至2020年1月期間共進(jìn)行3次復(fù)測?；鶞?zhǔn)站復(fù)測采用多時、多數(shù)據(jù)的實時坐標(biāo)采集法，GNSS基準(zhǔn)站定位數(shù)據(jù)會在相同時間段下最少采集兩次，每次采集4 h以上，每3 s輸出一個定位數(shù)據(jù)。每次采集數(shù)據(jù)都會進(jìn)行計算得出一個坐標(biāo)信息，最后將3次計算出的坐標(biāo)信息進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。由表1中數(shù)據(jù)分析得出，GNSS基準(zhǔn)點已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 基準(zhǔn)站復(fù)測成果一覽表

3.2 過程線變化規(guī)律分析

1）某邊坡GNSS監(jiān)測點X、Y位移實測值曲線見圖1~3。

圖1 GNSS X位移實測曲線圖/mm

通過對圖1、2位移曲線圖的整體分析來看，在2019-11-01~2020-01-30期間，GNSSX測值變化分布在-3.80~4.65 mm區(qū)間，GNSSY測值變化分布在-3.75~4.10 mm區(qū)間，變化平穩(wěn)，波動較小。

圖2 GNSS Y位移實測曲線圖/mm

2）某邊坡GNSS監(jiān)測點Z位移實測值曲線圖見圖3。

圖3 GNSS Z位移實測曲線圖/mm

通過對圖3位移曲線圖的整體分析來看，在2019-11-01~2020-01-30期間，GNSSZ測值變化分布在-4.72~4.81 mm區(qū)間，變化平穩(wěn)，波動較小。

3.3 特征值分析

各GNSS監(jiān)測點特征值統(tǒng)計見表2。

表2 各GNSS監(jiān)測點特征值統(tǒng)計表

3.4 總體評價

綜合以上特征值分析及曲線圖分析可見，某邊坡GNSS各觀測點X、Y的累積變化值小于一級報警值70%，即21 mm；某邊坡GNSS各觀測點Z的累積變化值小于一級報警值70%，即7 mm，邊坡整體位移在安全監(jiān)測范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1）本文將基于GNSS的自動化監(jiān)測技術(shù)運用到邊坡工程監(jiān)測中，將其與計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)2019-10-22投入運行。該系統(tǒng)自投運以來，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，邊坡各項數(shù)據(jù)區(qū)域在正常范圍，監(jiān)測設(shè)備運行狀況良好，滿足邊坡安全管理要求。

2）邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了邊坡監(jiān)測自動化和智能化，解決了常規(guī)監(jiān)測方法在邊坡上危險作業(yè)問題，有效地提高了作業(yè)效率，及時指示變形部位以供排查隱患，確保坡體及周邊安全。