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三維變形災害實時監測預警系統

  導語:

  自然界變形危害廣泛存在,加強監測并及時預警是防范災害的重要手段。本期轉化果平臺推薦的《三維變形災害實時監測預警系統》,采用GNSS定位原理,結合實時動態定位(RTK)方法,實現對監測點的全天候三維動態監測,可廣泛應用于山體滑坡、塌方等地質災害監測以及橋梁和大型建筑物形變監測,為安全生產保駕護航。

  一、研究背景

  1.三維變形及其危害

  變形是自然界的普遍現象,它是指變形體在各種荷載作用下,其形狀、大小及位置在時空域中的變化。變形體的變形在一定范圍內被認為是允許的,如果超出允許值,則可能引發災害。自然界的變形危害現象時刻都在我們周邊發生著,如滑坡、巖崩、地表沉陷、潰壩、橋梁與建筑物的倒塌等。

  2.常規的變形監測技術

  常規的變形監測技術包括采用經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等常規測量儀器測定點的變形值,其優點是:①能夠提供變形體整體的變形狀態;②適用于不同的監測精度要求、不同形式的變形體和不同的監測環境;③可以提供絕對變形信息。

  這些常規的變形監測技術,具有外業工作量大,布點受地形條件影響較大,有些技術的測量精度受天氣及周邊環境影響較大,不易實現自動化監測等缺點。

  二、基本原理

  GNSS即全球衛星導航定位系統(Global Navigation Satellite System),目前GNSS泛指美國的GPS、中國的BDS(北斗)、俄羅斯的GLONASS、以及歐盟的GALILEO。目前使用范圍最多的是美國的GPS系統。

  1.GNSS定位系統由GNSS衛星空間部分、地面控制部分和用戶GNSS接收機三部分組成。

  2.GNSS定位原理

  由于GNSS衛星軌道是人為事先設計的,在任何時間都可以得知其在天空的位置。假設t時刻t在地面待測點上安置GNSS接收機,可以測定GNSS信號到達接收機的時間△t,再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據,通過解方程式的方式獲得地面待測點的位置。

  3.GNSS實時動態定位(RTK)方法

  RTK的基本原理:將一臺接收機置于基準站上,另一臺或幾臺接收機置于載體(稱為流動站)上,基準站和流動站同時接收同一時間、同一GNSS衛星發射的信號,基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較,得到GNSS差分改正值。然后將這個改正值通過無線傳輸的方式及時傳遞給共視衛星的流動站,精化其GNSS觀測值,從而得到經差分改正后流動站較準確的實時位置。

  常規RTK的基本定位算法相對已經較為成熟,但在一些復雜觀測環境下,比如繁華市E、樹木遮擋嚴重等地區,因為可視衛星數相對較少,衛星空間幾何結構較弱等因素制約著其定位性能,本系統的開發人員對RTK定位算法和相應的軟件系統進行深入研究,實現了GNSS中長距離下的高精度測量。

  三、系統組成及特點

  1.基于GNSS定位的變形監測系統的組成

  2.基于GNSS定位的變形監測系統的特點

  (1)多模GNSS接收機

 ?、僦С諫PS(L1/L2)、BDS(B1/B2/B3)、GLONASS(L1/L2)三系統;

 ?、讵毺氐娜跣盘柛櫤投嗦窂揭种扑惴?,實現惡劣環境下的可靠定位;

 ?、壑С?a href=http://www.mapocho42k.com/fgbz/mabz/ target=_blank class=infotextkey>標準NMEA0183、RTCM3.0/3.2、BINEX協議,可定制用戶自定義協議;

 ?、茇S富的對外接口,方便用戶進行二次開發。

  (2)高精度扼流圈天線

 ?、僮匝锌苟鄰叫亩罅魅?,保證了惡劣環境下的系統高性能;

 ?、谧匝卸帱c饋電的高精度全頻段測量型天線,相位中心偏差小,定位精度可靠。

  (3)數據分析與預警報警系統

 ?、僮孕虚_發數據分析與預警報警系統,多導航系統聯合解算及優化,保證了解算結果的正確。實時數據處理精度為2~3mm;

 ?、贐/S、C/S架構,可遠程瀏覽與操作;

 ?、壑С贮c、斷面、變化速度及變化加速度等分析功能;

 ?、茏詣由蓤蟊?,并通過E-MAIL方式發給指定人員;

 ?、荻滔?、E-MAIL、聲光等多種報警方式;

 ?、薅喾N預測功能,如線性回歸等;

 ?、吒鞣N觀測量圖形顯示、形象生動。

  四、系統應用范圍

  利用GNSS定位技術進行山體滑坡、塌方等地質災害監測以及橋梁和大型建筑物形變監測時具有下列優點:

  1.全天候、不間斷的三維高精度測量;

  2.無需通視,量程大,可進行大范圍監測;

  3.全系統自動化,無人值守,實時;

  4.產品壽命長,工作地域廣;

  5.可以獲得毫米級精度的變形數據。

  本系統是利用GNSS進行準實時解算三維變形量分析的系統。對于人工建筑變形分析——如大型橋梁、水壩、大型人工建筑以及山體滑坡監測、油田沉陷、礦山采空區沉陷、城市地下水漏斗沉陷、火山監測等等具有非常大的現實意義。

  五、應用案例

  目前正在某集團下屬的鎳礦(該鎳礦的鎳產量居全球第四位,鈷產量居全球第二位)安裝60套監測點。

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