劉紫平,吳凌輝,陳春花,敖敏思

(湖南省測(cè)繪科技研究所, 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

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基于HNCORS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)集成應(yīng)用

劉紫平,吳凌輝,陳春花,敖敏思

(湖南省測(cè)繪科技研究所, 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

本文主要闡述綜合運(yùn)用 GNSS空間定位、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊、3G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警,并介紹以HNCORS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要功能及實(shí)現(xiàn)過(guò)程,為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供可行的技術(shù)支持。

地質(zhì)災(zāi)害;HNCORS;位移監(jiān)測(cè);誤差模型;預(yù)警

0 引 言

湖南省是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一,截至2013年底,全省共查明滑坡、崩塌、泥石流等各類地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)18 494處,威脅153.7萬(wàn)人,威脅財(cái)產(chǎn)244.7億元。2014年,受多輪強(qiáng)降雨的影響,全省共突發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害4 740起,造成38人死亡失蹤、經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失7.2億元。根據(jù)2015年汛前排查結(jié)果,需重點(diǎn)防范的245處重要地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)分布在全省91個(gè)縣市區(qū),其中險(xiǎn)情特大型18處,大型27處,共威脅12.5萬(wàn)余人,直接威脅財(cái)產(chǎn)約44.5億元。

2014年,我省入圍全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系建設(shè)重點(diǎn)省。為全面建成地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系,全省下一步將開(kāi)展調(diào)查評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、搬遷避讓、災(zāi)害治理、能力建設(shè)五大工程項(xiàng)目實(shí)施。“預(yù)防為主,專群結(jié)合”是我省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要措施?，F(xiàn)有專業(yè)監(jiān)測(cè)手段主要為分階段人工測(cè)試、記錄及資料處理,技術(shù)人員需巡回值守,造成大量的人力資源及資金的浪費(fèi),監(jiān)測(cè)技術(shù)人員缺乏人身安全保障,監(jiān)測(cè)預(yù)警效率低,不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與及時(shí)預(yù)報(bào)(特別是夜晚或連續(xù)大雨的監(jiān)測(cè)、臨災(zāi)前的及時(shí)報(bào)警),更不便決策部門與專家及時(shí)了解地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,不能快速制訂臨災(zāi)狀況的處理方案。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)開(kāi)展專業(yè)監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握災(zāi)害體的發(fā)展變化情況,提高我省地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)科技水平和監(jiān)測(cè)預(yù)警能力是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)可以定義為一個(gè)或若干個(gè)固定、連續(xù)運(yùn)行的GNSS參考站,利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的不同類型的GPS觀測(cè)值(載波相位,偽距)、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息以及其他有關(guān)GPS服務(wù)的系統(tǒng)[1-2]。CORS系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于具有高質(zhì)量的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)、較為嚴(yán)密的完備性檢驗(yàn)功能,保證了監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)的可靠性。相關(guān)資料表明,利用CORS技術(shù)建設(shè)和維護(hù)區(qū)域動(dòng)態(tài)形變監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)年變化速度精度可達(dá)2～5 mm[3-4].目前,國(guó)內(nèi)外已有很多基于GPS靜態(tài)控制測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于大型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的案例[5]。如陳永立等實(shí)現(xiàn)了基于CORS系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[6],張國(guó)合建設(shè)了基于CORS的浙江省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[7],劉小丁等實(shí)現(xiàn)了基于GDCORS的廣東省滑坡災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]。

本文結(jié)合湖南省國(guó)土資源廳“應(yīng)急測(cè)繪平臺(tái)與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)決策系統(tǒng)研究”項(xiàng)目實(shí)際需求開(kāi)發(fā)了基于HNCORS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了將CORS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)縫集成到該系統(tǒng)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。并實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供了可靠保障。

1 HNCORS簡(jiǎn)介

湖南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位公共服務(wù)平臺(tái) (HNCORS),是覆蓋全省的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星導(dǎo)航定位綜合服務(wù)系統(tǒng),在全省共布設(shè)122個(gè)基準(zhǔn)站,其中85個(gè)站兼容北斗系統(tǒng)。2015年1月,完成北斗信號(hào)加載調(diào)試工作,使得HNCORS成為全國(guó)首家能提供北斗信號(hào)的省級(jí)衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站服務(wù)綜合系統(tǒng)。截至目前,用戶涵蓋國(guó)土測(cè)繪、氣象預(yù)報(bào)、高等教育、城市規(guī)劃、勘察、交通、水利、電力等行業(yè)。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和防控領(lǐng)域,HNCORS已經(jīng)開(kāi)始作為全省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的統(tǒng)一基準(zhǔn),對(duì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),逐步取代原有分散的局部基準(zhǔn)站,在提升可靠性的同時(shí),節(jié)約資源。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(RTM)通過(guò)各種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、發(fā)布技術(shù),是讓目標(biāo)層人員在第一時(shí)間內(nèi)了解、掌握有關(guān)災(zāi)害體的變形動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì),進(jìn)而做出決策的多種技術(shù)的集合[9]。基于HNCORS的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),是以HNCORS系統(tǒng)為基礎(chǔ),綜合運(yùn)用 GNSS空間定位、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊、3G網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù),對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。系統(tǒng)功能主要包括CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警等,如圖1所示。該系統(tǒng)依托HNCORS連續(xù)、高質(zhì)量的基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù),無(wú)需單獨(dú)建設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng),且CORS基準(zhǔn)站坐標(biāo)精度高于單獨(dú)建設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)精度,這就能最大限度利用HNCORS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),提高工作效率的同時(shí),降低建設(shè)成本。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集分為CORS基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集,CORS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ǚ?wù)器,監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)3G通訊網(wǎng)絡(luò)回傳到服務(wù)器中,再由服務(wù)器推送到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本文中的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加載了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及2個(gè)CORS基準(zhǔn)站,監(jiān)測(cè)點(diǎn)與相應(yīng)CORS基準(zhǔn)站之間的距離在30 km以內(nèi),監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖2所示。

3.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解算模型及處理

本系統(tǒng)可提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)毫米級(jí)兩種精度結(jié)果。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK算法,聯(lián)合相應(yīng)CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)可以獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)的精度結(jié)果,而準(zhǔn)實(shí)時(shí)毫米級(jí)可以實(shí)現(xiàn)平面精度在±5 mm,高程精度在±1 cm以內(nèi)。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解算模型由CORS誤差模型與雙頻模糊度實(shí)時(shí)解算模型構(gòu)成,其定位參數(shù)估計(jì)的最終觀測(cè)方程為[10]

(1)

Sφ=-I+T+O,

(2)

通過(guò)卡爾曼濾波方法進(jìn)行除噪、自動(dòng)閾值分類和假設(shè)檢驗(yàn)的形跡位移參數(shù)自動(dòng)探測(cè),對(duì)已有位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取特征點(diǎn)信息,并分解為與災(zāi)害監(jiān)測(cè)目標(biāo)顯著性形變相關(guān)的不同時(shí)間尺度的相對(duì)位移、速度及加速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)信息,并作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)、預(yù)警的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)解算模型方法及流程,可分為模糊度固定(包括雙頻模糊度估計(jì)、搜索、檢核)以及定位參數(shù)求解兩個(gè)過(guò)程。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到CORS基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)后,根據(jù)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行處理。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處理結(jié)果

本文以監(jiān)測(cè)點(diǎn)south02為例,設(shè)置歷元間隔為1s采集2h觀測(cè)數(shù)據(jù),并每30min輸出一次監(jiān)測(cè)結(jié)果。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看到該系統(tǒng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果,平面精度保持在±5mm,高程精度在±1cm以內(nèi)。

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄了監(jiān)測(cè)點(diǎn)south02從2016年6月28日下午4點(diǎn)57分到2016年7月4日下午4點(diǎn)57分期間平面和高程的位移情況,如圖4所示。該功能可以反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一定監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的位移變化情況,其中淺色線和黑色線分別為平面和高程精度變化情況。

3.5 速度/加速度變化

該功能主要反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一定時(shí)期內(nèi)位移速度及加速度的變化情況,用來(lái)評(píng)估位移變化的趨勢(shì),圖5示出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)south02從6月28日到7月4日位移速度/加速度變化情況。

3.6 預(yù)警

依據(jù)已有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)做預(yù)警,主要采用多項(xiàng)式擬合位移預(yù)測(cè)模型、指數(shù)回歸預(yù)測(cè)模型、生物生長(zhǎng)位移預(yù)測(cè)模型及以上三種模型的加權(quán)組合預(yù)測(cè)模型等[10]。該系統(tǒng)的預(yù)警功能主要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面位移變化及位移的速度/加速度變化趨勢(shì),監(jiān)控是否超過(guò)設(shè)定的閾值,一旦超過(guò)即觸發(fā)預(yù)警功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于HNCORS系統(tǒng),綜合運(yùn)用GNSS空間定位技術(shù),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開(kāi)發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息采集、傳輸、處理、分析和預(yù)警等功能,避免了單獨(dú)建設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng),降低了建設(shè)成本。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,基于HNCORS系統(tǒng)建立的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表位移動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),采用的算法可保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面精度保持在±5mm,高程精度在±1cm以內(nèi)。表明基于HNCORS系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于地災(zāi)監(jiān)測(cè)中是完全可行的。

[1] 茅克勤,車助鎂,于淼.CORS測(cè)量技術(shù)在浙江省沿海重點(diǎn)區(qū)域海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理,2011(1): 23-25.

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Integrated Application of Geological Disaster Monitoring and Forewarning System Based on HNCORS

LIU Ziping,WU Linghui,CHEN Chunhua,AO Minsi

(TheSurveyingandMappingScienceandTechnologyInstituteofHunanProvince,Changsha410007,China)

This paper discusses mainly the comprehensive use of GNSS space positioning、computer network communication、3G network and other technologies, and real-time monitoring,analysis and Forewarning of surface displacement for the monitoring points. Introduce the main function and Implementation process of the geological disaster monitor-ing and forewarning system based and HNCORS, to provide feasible technical support for the geological disaster harm monitoring and forewarning work.

Geological disaster; HNCORS; displacement monitoring; error model; forewarning

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.024

2016-10-10

; 湖南省國(guó)土資源廳科技研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：201510)

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0114-04

劉紫平 (1984-),男,湖南株洲人,碩士,工程師,主要從事大地測(cè)量及工程測(cè)量應(yīng)用研究工作。

吳凌輝 (1968-),男,湖南岳陽(yáng)人,本科,高級(jí)工程師,主要從事測(cè)繪發(fā)展研究及國(guó)土規(guī)劃應(yīng)用研究工作。

陳春花 (1983-),女,湖南湘鄉(xiāng)人,碩士,工程師,主要從事空間測(cè)量定位技術(shù)研究。

聯(lián)系人： 劉紫平 E-mail:qzzgz@126.com