實時廣域自動形變監測系統研究

吳文壇，高星偉，田 摯，田時雨，鄭 闊

(1.國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，石家莊 050031；2.河北省測繪資料檔案館，石家莊 050031；3.中國測繪科學研究院，北京 100830；4.河北省第二測繪院，石家莊 050031；5.北京奧騰巖石科技有限公司，北京 101102)

1 概述

全球定位系統(global positioning system，GPS)技術用于形變監測已經有十多年的時間，具有實時、高效和高精度的優點，廣泛應用于大壩、橋梁和地表等形變監測，同時也取得了非常好的效果[1-4]。后來，在GPS形變監測的基礎上，引入或發展出一些相關的新技術，如偽衛星、一機多天線、合成孔徑雷達和激光等，使得形變監測的技術越來越靈活便捷[5-10]。近些年，隨著連續運行跟蹤站(continuously operating reference stations，CORS)技術越來越成熟，也逐漸應用于形變監測中[11-12]。

河北CORS系統始建于2008年，于2010年正式投入運營，已廣泛應用于測繪、國土、規劃、氣象、水利電力、石油物探等多個行業部門，期間經過多次升級改造，截止目前共建設64個站點。實時目標高精度監測是河北CORS服務的一個主要內容，監測目標包括各種不同的運動狀態，如低動態的大壩、橋梁和建筑物等的形變監測，高動態的人員和車載用戶的實時監測。本文將重點對河北CORS系統在形變監測中的應用情況進行探討和測試分析。

2 方法研究

2.1 數據處理

數據處理包括兩部分內容：一是CORS站網的數據實時處理，二是監測站點的數據實時處理[13]。

2.1.1 CORS網數據實時處理

對于CORS站網數據的實時處理主要是為了得到CORS網的彌散誤差(主要是電離層延遲)和非彌散誤差(主要是對流層延遲和軌道誤差等)。本文的方法是首先進行雙差組合，盡可能多地消除衛星鐘差和接收機鐘差，并削弱具有相關性的系統誤差；然后由于CORS站坐標精確已知，可分別通過無幾何誤差組合和無電離層組合求出雙差后的CORS網的彌散誤差和非彌散誤差大小。

2.1.2 監測站數據的實時處理

對于監測站的數據處理主要是為了實時得到每個監測站的實時準確位置。本文采用的方法是首先跟距離較近的CORS站進行雙差組合；然后利用前面求出的CORS網的誤差信息內插監測站的相關誤差，并進行改進，求解整周模糊度和精確坐標信息。

2.2 形變分析

形變分析中包含兩類模型：觀測模型和形變模型。觀測模型可參見2.1節或文獻[13]。形變模型可表示為

X=BS+w

(1)

式(1)中，X為形變模型的觀測值；S為形變參數；B為設計矩陣；w為模型噪聲向量。根據最小二乘原理可以計算出形變參數S的估值。上面的形變模型也可以與前面的觀測模型融合在一起。

2.3 系統設計

本系統分為數據采集、數據傳輸、數據處理、數據存儲、結果分析等五個主要子系統，另外還包括供電、避雷等。

數據采集：為系統提供原始觀測數據。主要包括基準站和監測站全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)接收機，另外根據監測對象的不同，可增加一些安全監測輔助傳感器，如氣象設備、傾斜儀和視頻傳感器等。

數據傳輸：將野外采集的原始觀測數據傳回系統中心。目前支持有線通訊和無線通訊兩種模式，或者兩種模式相結合。

數據處理：將外業觀測數據處理為對應的位置信息。該子系統可以根據所監測目標的運動情況，任意設置結果輸出頻率(監測頻率)，最高可設置為單歷元，即與GNSS接收機的采樣率相一致。

數據存儲：采用數據庫技術，可對所需要的原始觀測值和處理結果進行存儲。

結果分析：對處理后的位置信息進行分析，提取形變信息，并進行顯示、生成工作日志和報警等。

圖1 系統數據流程圖

3 實測分析

為了驗證軟件系統的監測效果，選取河北CORS網的尚義、陽原和涿鹿為基準站網，測站間的平均距離大約為110 km，對位于張渤(張家口-渤海)斷裂帶上的懷安站進行實時監測，測站的分布如圖2所示。

圖2 測站分布圖

利用本文中方法開發的監測系統如圖3所示，對上述區域的監測點數據進行實時處理，結果如圖4所示。圖4為其中一個監測點在2014-08-12的實時動態監測結果，其中橫軸表示時間，單位為 s，縱軸表示形變量，單位為 m。

圖3 監測系統軟件界面

圖4中的結果為單歷元定位結果。通過對圖2情況下的定位結果進行統計分析可知：北方向(N)、東方向(E)和天頂方向(U)的單歷元定位誤差分別為1.81 cm、1.62 cm和2.4 cm。

4 結論

隨著我國各地的CORS網建設的陸續完成，基于CORS的應用也越來越廣泛，較之傳統的高精度實時定位，基于CORS的實時高精度定位具有明顯的優勢。本文提出的基于CORS的實時監測系統方法有效監測范圍廣，能夠實現單歷元厘米級的高精度實時監測，可根據監測目標的運動速度情況，調整監測結果頻率，通過短時間的平均與濾波，可以很快實現毫米級的監控效果，可以滿足快至車載目標，慢至地表監測的各類目標監測應用。

圖4 2014-08-12的實時監測結果/m

[1] 沈云中，張洪宇，劉大杰.上海三維形變監測GPS試驗網的建立[J].上海地質，1995(2)：62-64.

[2] 張華海，李景芝，余學祥，等.GPS形變監測網的數據處理模型[J].中國礦業大學學報，2000，29(4)：423-427.

[3] 張小紅，李征航，徐紹銓.高精度GPS形變監測的新方法及模型研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2001，26(5)：451-454.

[4] 邱斌，朱建軍，賀躍光.GPS在大地及工程變形觀測中的應用[J].礦冶工程，2002，22(2)：16-19.

[5] 楊光.GPS和偽衛星組合定位技術及其在形變監測中的應用研究[D].南京：河海大學，2004.

[6] 何秀鳳，華錫生，丁曉利，等.GPS一機多天線變形監測系統[J].水電自動化與大壩監測，2002，26(3)：34-36.

[7] 楊光，何秀鳳，侯新華，等.GPS多天線大壩形變監測系統研究[J].測繪通報，2003(8)：33-35+47.

[8] 張永紅，張繼賢，龔文瑜.基于SAR干涉點目標分析技術的城市地表形變監測[J].測繪學報，2009，38(6)：482-487.

[9] 馬超，單新.星載合成孔徑雷達差分干涉測量(D-InSAR)技術在形變監測中的應用概述[J].中國地震，2004，20(4)：410-418.

[10] 武百超，鄒徐文.GPS/INSAR數據融合在大范圍地表沉降監測中的應用[J].礦山測量，2006(1)：33-35.

[11] 史廷玉，汪偉，張志全.基于CORS站點的高層建筑物形變監測研究[C]//第十三屆中國科協年會第12分會場-測繪服務災害與應急管理學術研討會論文集.北京：[出版者不詳]，2011：1-5.

[12] 劉小丁，李成鋼，魏平新.基于GDCORS的廣東省滑坡災害動態監測系統[J].測繪通報，2012(3)：5-8.

[13] 高星偉，陳銳志，趙春梅.網絡RTK算法研究與實驗[J].武漢大學學報：信息科學版，2009，34(11)：1350-1353.