GPS實時監測技術在撫順西露天礦邊坡變形監測中的應用

王翠珀，陳躍月

（1.遼寧省地質環境監測總站，遼寧沈陽110032；2.遼寧省地質礦產研究院，遼寧沈陽110032）

GPS實時監測技術在撫順西露天礦邊坡變形監測中的應用

王翠珀1，陳躍月2

（1.遼寧省地質環境監測總站，遼寧沈陽110032；2.遼寧省地質礦產研究院，遼寧沈陽110032）

撫順西露天礦采坑是亞洲最大的露天采坑.長期高強度的礦山開采誘發了一系列滑坡地質災害.在西露天礦邊坡變形監測實踐工作中，總結出GPS實時監測系統的特點、構成，詳細介紹了撫順市西露天礦北幫變形監測的GPS實時監測系統的構建，根據實際運行狀況評價了GPS實時監測技術的可行性和可靠性.

GPS；實時監測技術；地面變形；撫順市西露天礦；遼寧省

GPS（Global Positioning System）意為全球定位系統，是以衛星為基礎，用于無線電導航定位的覆蓋全球的龐大系統.GPS技術在導航、定位、精密測量等應用領域得到了迅猛發展，在精密控制網建設、工程變形監測、地質災害變形等領域的實驗與應用事例愈來愈多.尤其是GPS實時監測系統以其實時性被廣泛地應用于滑坡變形實時監測領域，并取得了較好的效果.撫順市西露天礦邊坡變形監測引進了GPS實時監測系統，成功實現了對重大地質災害體的實時化監測預警.本文將以撫順西露天礦邊坡變形監測實踐工作為基礎，總結GPS實時監測系統的特點、構成，詳細介紹西露天礦北幫變形監測的GPS實時監測系統的構建，針對實際運行狀況評價GPS實時監測技術的可行性和可靠性.

1 撫順西露天礦邊坡變形監測工作簡介

撫順西露天煤礦采坑是亞洲最大的露天采坑，坐落撫順市東南，采坑面積約10.87 km2，東西長6.6 km，南北寬2.2 km，平均深度約405 m.

該煤礦采坑北幫緊鄰撫順市區及一批大型企業單位.長期高強度的礦山開采誘發了一系列滑坡地質災害.如1995年7月27日強降雨導致北幫部分地段發生滑坡.

為了減少滑坡災害對國家財產及人民群眾生命安全的威脅，項目組引進GPS實時監測系統，實現了24小時不間斷的對地質災害體監測及滑坡體位移監測數據的遠程自動傳輸.該系統為災害體的預警和應急預案的啟動提供有效的技術保障.

2 GPS實時監測的含義和特點

GPS實時監測技術是指通過對GPS監測數據的采集、傳輸、發布等相關技術，讓監測人員在第一時間了解、掌握監測對象的變形動態和發展趨勢，進而做出決策的多種技術的集合［1］.

2.1 實時性

實時性即遠程的目標層人員可在第一時間獲取監測對象的GPS監測信息.而獲取的過程是自動的，無需技術人員值守干預.顯而易見，實時的特性可以最大限度地解放勞動力，降低監測人員風險和運營成本.

同傳統GPS靜態監測技術相比，GPS實時監測的數據采集方式是連續的、跟蹤式的.數據的采集周期很短，通常在數小時之內，甚至更短.這對于跟蹤災害體變形過程，進行反演分析具有十分重要的意義.其寵大的數據量通常也會對軟硬件配置提出較高的要求.

不難理解，實時監測是更高層次上的自動化監測.因此要求所有的監測儀器均能自動化作業.監測儀器自動化分為兩種，一種是監測儀器本身具備定時采樣和存儲功能，另一種是通過第三方的自動采集控制采樣.不管使用何種方式或基于何種原理，其數據采集是能夠自動或觸發實現的.

2.2 監測數據遠程傳輸

監測數據遠程傳輸是實時監測的另一主要特點.通常情況下，監測控制中心設立在遠離災體、經濟相對發達的城鎮區，需要借助公眾通信網絡或其他介質將各種類型的監測數據“搬運”過來，進行相應的轉換計算，生成目標層人員所需要的成果.這個“搬運”過程即監測數據的遠程傳輸，如借助GSM/GPRS或CDMA網絡、UHF數傳電臺或通信衛星等.撫順西露天礦實時監測網采用CDMA網絡方式.

2.3 系統風險性

由于GPS實時監測系統是由數據自動采集、傳輸、發布等多個技術單鏈集合構成，其中的任何一個環節失敗均可導致系統無法正常工作，因此，GPS實時監測系統存在著一定的風險性.其風險構成除了電力（如斷電停電）等保障體系風險和監測儀器（如傳感器、采集儀故障）、傳輸系統（如占線、網絡資源不足、數據安全）、發布系統（如網路阻塞、系統崩潰）等技術風險外，還包括人為抗力風險，如監測儀器設施的人為破壞、網絡系統的惡意攻擊等.對于風險的營救除最大程度地降低保障體系風險和技術風險外，還需要通過立法、宣傳等有效措施降低人為抗力風險，并設技術人員對監測系統進行即時維護，保障系統正常運行.

從以上GPS實時監測系統的含義及特點可以看出，構建GPS實時監測系統不僅要在致災地質作用分析的基礎上，選擇合理的監測方法，設計有效的監測網，更重要的是需要自動化監測儀器、自動化的數據采集設備、高效快速的數據傳輸方式、監測數據自動處理與存儲以及監測信息網絡發布等軟、硬件技術與之配合.使用簡捷、高效、經濟的方案將這些配合技術和設備與監測網有機結合在一起，并最大程度地降低系統中各個環節存在的風險，是進行監測系統總體部署的主要任務.

3 GPS實時監測系統構成

GPS實時監測系統按照系統的功能，可以分成①GPS監測站；②通信子系統；③數據處理顯示系統（見圖1）.

圖1 系統框架圖Fig.1 System framework chart

3.1 GPS監測站?

基準站包括在撫順市建設的2個基準站及周邊的IGS（International GPS Service）站.在不同地點分別設立了7個觀測站.

3.2 通信子系統

通信子系統采用無線傳輸，實現數據傳送、下載預報精密星歷和IGS站原始等數據的Internet服務.通信方式有有線通信、無線公網通信等.

3.3 數據處理中心系統

數據中心系統設在遼寧省地質環境監測總站，主要實現GPS數據的接收、GPS原始數據處理、位移數據存儲、位移分析顯示服務等功能.

GPS監測站的數據采集后，通過通信子系統實現遠程傳輸，最后到達數據處理顯示系統，數據處理顯示系統通過處理各個觀測站的GPS觀測數據和IGS站的星歷數據，經分析處理后，最終能夠得到撫順西露天礦GPS監測點的位移數據.

4 撫順市西露天礦實時監測系統的建立

根據撫順西露天礦北幫邊坡滑坡監測預警工作方案的總體規劃，建立了GPS實時監測網.

（1）建立2個GPS基準站及7個GPS連續運行監測站.

（2）接收2個基準站的GPS實時原始數據，通過無線回傳，能夠每天生成Rinex2.0觀測文件.

（3）利用覆蓋撫順市的GPS沉降網的觀測數據，研發自動化的高精度處理軟件，自動下載原始數據、星歷數據等文件，定時自動處理出高精度的GPS位移數據.

（4）開發自動存儲、自動報警軟件，把自動處理后的數據存儲到Oracle數據庫中，為其他監測分析軟件提供數據接口.

（5）開發網站軟件，能夠通過Web方式，隨時隨地通過互聯網查看GPS觀測網位移變化，為撫順西露天礦地面變形監測提供高精度、高時空分辨率、全天候的數據.能夠通過Web方式，顯示各個監測點的時程曲線、位移矢量圖.將定位數據作為一種寶貴的資源加以開發、共享，服務撫順市的其他社會需求.

5 GPS監測站設施建設

監測站外部設施是強制對中監測墩、外部天線、避雷針等.

監測站設備儀器包括雙頻GPS接收機、天線轉換器（部分站點）、無線通訊設備.

基準站和觀測站均通過無線公網自動登錄到數據中心，中心站軟件通過互聯網接收基準站和觀測點的數據.根據一機多天線思想，建立了GPS一機多天線實時監測系統，降低了系統成本.其由野外采集子系統和室內控制子系統組成.前者將天線陣列采集的GPS信號，經分時器、信號放大器、無線路由器、WLAN天線傳輸至后者，經數據處理得各監測點的坐標數據，既能滿足邊坡實時監測的精度,又解決了衛星信號在不同天線通道間切換產生的周跳問題，使數據處理簡化.

5 數據處理中心系統

5.1 數據庫系統

撫順市GPS實時監測的數據庫系統主要負責GPS數據的下載、軌道數據下載、形變計算、坐標變換和數據顯示等功能.數據中心的硬件包括數據處理服務器、數據庫和www服務器、交換機、路由器和外網接入設備等.

5.2 數據伺服處理程序

撫順西露天礦地面變形監測的GPS實時監測系統是利用GPS數據，基于高精度軟件，通過自動采集GPS觀測數據，自動下載精密星歷，自動處理、存儲、顯示、報警的綜合處理系統，得到GPS精確定位結果.此系統自動化程度高，功能齊全，大大增強了海量數據的處理能力，減少人工投入，降低技術門檻.

5.3 監測信息發布系統

信息發布主頁為遠程用戶提供所需的全部信息，包括監測區域的實時監測曲線、最新的監測數據等（圖2）.

6 測量獲得的初步成果?

GPS實時監測數據顯示，各監測點均向南西方向移動.自2009年6月22日至2009年12月16日，各點∑ΔX累計變形量在-0.004～-0.091 m，∑ΔY累計變形量在0.004～0.027 m.

以3號監測點為例分析變形發展趨勢：2009年6月至2009年12月16日呈近勻速緩慢變化趨勢，從總體趨勢來看，各曲線基本呈現直線型，表明滑坡基本處于近勻速變形狀態（圖3）.

7 實時監測系統運行評價

根據1年多的撫順西露天礦北幫監測工作記錄數據整理，發現監測系統故障主要發生在傳輸子系統.故障表現形式為數據不傳輸或不正確傳輸，主要原因為網絡信號不穩定造成傳輸中斷所致.

其次，監測站大部分位于廠區內，工廠經常檢修設備，經常性的停電使保障體系失效.可見，實時監測系統如果在基礎通信系統及供電系統保障完備的條件下，是能夠穩定可靠運行的.

8 結束語

撫順西露天礦邊坡變形監測的GPS實時監測系統自運行以來，在技術人員的維護下，系統運行正常，取得上千個監測數據，編制防災預案22個，發布實時監測預報90多個，實現了監測信息的遠程實時訪問，取得了良好的示范效果.實踐證明，這一技術的應用提高了地質災害監測數據采集的時效性和預警工程的準確性，減輕了監測工作者的勞動強度，減少了災害損失.因此將GPS實時監測技術應用于地質災害預報、預警中是完全可行的，也是比較可靠的.可以預見，GPS實時監測技術將會在今后的地質災害監測中顯示越來越重要的作用.

［1］王洪德，等.地質災害監測預警關鍵技術方法研究與示范［M］.北京：中國大地出版社，2008.

Abstract：The open pit of the Western Opencast Coal Mine in Fushun,Liaoning Province is the largest of its type in Asia.The opencast mining is adjacent to the urban area of Fushun and large enterprises.The long-term and high-intensity mining induced series of geologic disasters.With the practice in slope deformation monitoring for the Western Opencast Mine,the characteristics and construction of GPS real-time monitoring system is summed up.Based on the actual operation status of the system,the feasibility and reliability of the GPS real-time monitoring technology is assessed.

Key words：geological disaster;real-time monitoring system;slope deformation;Western Opencast Coal Mine;Liaoning

APPLICATION OF GPS REAL-TIME MONITORING IN THE SLOPE DEFORMATION CONTROL OF THE WESTERN OPENCAST MINE IN FUSHUN,LIAONING PROVINCE

WANG Cui-po1,CHEN Yue-yue2
（1.Liaoning Geo-environmental Monitoring Station,Shenyang 110032,China;2.Liaoning Institute of Geology and Mineral Resources,Shenyang 110032,China）

1671-1947（2010）02-0180-04

P694

A

2010－01－26；

2010-03-30.張哲編輯.

?北京洽恒公司.撫順市西露天礦監測GPS分技術報告.

?北京洽恒公司.撫順市西露天礦監測GPS分析技術報告.

王翠珀（1974—），女，碩士，高級工程師，1997年畢業于中國地質大學（武漢）水文地質及工程地質專業，現就職于遼寧省地質環境監測總站，通信地址沈陽市皇姑區北陵大街29號，郵政編碼110032，E-mail//wangcuipo2008@163.com.cn