基于HNCORS的地質災害監測預警系統集成應用

劉紫平,吳凌輝,陳春花,敖敏思

(湖南省測繪科技研究所, 湖南 長沙 410007)

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基于HNCORS的地質災害監測預警系統集成應用

劉紫平,吳凌輝,陳春花,敖敏思

(湖南省測繪科技研究所, 湖南 長沙 410007)

本文主要闡述綜合運用 GNSS空間定位、計算機網絡通訊、3G網絡等技術,對監測點的地表位移進行實時監測、分析和預警,并介紹以HNCORS系統為基礎的地質災害監測預警系統主要功能及實現過程,為地質災害監測預警工作提供可行的技術支持。

地質災害;HNCORS;位移監測;誤差模型;預警

0 引 言

湖南省是全國地質災害最嚴重的省份之一,截至2013年底,全省共查明滑坡、崩塌、泥石流等各類地質災害隱患點18 494處,威脅153.7萬人,威脅財產244.7億元。2014年,受多輪強降雨的影響,全省共突發各類地質災害4 740起,造成38人死亡失蹤、經濟財產損失7.2億元。根據2015年汛前排查結果,需重點防范的245處重要地質災害隱患點分布在全省91個縣市區,其中險情特大型18處,大型27處,共威脅12.5萬余人,直接威脅財產約44.5億元。

2014年,我省入圍全國地質災害綜合防治體系建設重點省。為全面建成地質災害綜合防治體系,全省下一步將開展調查評價、監測預警、搬遷避讓、災害治理、能力建設五大工程項目實施。“預防為主,專群結合”是我省地質災害監測預警的重要措施。現有專業監測手段主要為分階段人工測試、記錄及資料處理,技術人員需巡回值守,造成大量的人力資源及資金的浪費,監測技術人員缺乏人身安全保障,監測預警效率低,不能實現實時自動監控、數據傳輸與及時預報(特別是夜晚或連續大雨的監測、臨災前的及時報警),更不便決策部門與專家及時了解地質災害現場的監測結果,不能快速制訂臨災狀況的處理方案。如何實現對重大地質災害隱患點開展專業監測,及時掌握災害體的發展變化情況,提高我省地質災害專業監測科技水平和監測預警能力是亟需解決的關鍵問題。

連續運行參考站系統(CORS)可以定義為一個或若干個固定、連續運行的GNSS參考站,利用現代計算機、數據通信和互聯網(LAN/WAN)技術組成的網絡,實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動提供經過檢驗的不同類型的GPS觀測值(載波相位,偽距)、各種改正數、狀態信息以及其他有關GPS服務的系統[1-2]。CORS系統最大的優勢在于具有高質量的連續觀測數據、較為嚴密的完備性檢驗功能,保證了監測基準的可靠性。相關資料表明,利用CORS技術建設和維護區域動態形變監測基準點年變化速度精度可達2～5 mm[3-4].目前,國內外已有很多基于GPS靜態控制測量技術應用于大型地質災害監測的案例[5]。如陳永立等實現了基于CORS系統的地質災害監測預警系統[6],張國合建設了基于CORS的浙江省地質災害監測預警系統[7],劉小丁等實現了基于GDCORS的廣東省滑坡災害動態監測系統[8]。

本文結合湖南省國土資源廳“應急測繪平臺與地質災害監測決策系統研究”項目實際需求開發了基于HNCORS的地質災害監測系統,實現了將CORS基準站觀測數據、監測點觀測數據無縫集成到該系統中,進行數據處理。并實現對監測點地表位移的實時監測,為后續地質災害監測預警工作提供了可靠保障。

1 HNCORS簡介

湖南省衛星導航定位公共服務平臺 (HNCORS),是覆蓋全省的連續運行衛星導航定位綜合服務系統,在全省共布設122個基準站,其中85個站兼容北斗系統。2015年1月,完成北斗信號加載調試工作,使得HNCORS成為全國首家能提供北斗信號的省級衛星定位連續運行基準站服務綜合系統。截至目前,用戶涵蓋國土測繪、氣象預報、高等教育、城市規劃、勘察、交通、水利、電力等行業。在地質災害監測和防控領域,HNCORS已經開始作為全省地質災害監測的統一基準,對災害隱患點的位移進行監測,逐步取代原有分散的局部基準站,在提升可靠性的同時,節約資源。

2 系統簡介

地質災害實時監測(RTM)通過各種數據監測、采集、傳輸、發布技術,是讓目標層人員在第一時間內了解、掌握有關災害體的變形動態和發展趨勢,進而做出決策的多種技術的集合[9]。基于HNCORS的地質災害監測預警系統,是以HNCORS系統為基礎,綜合運用 GNSS空間定位、計算機網絡通訊、3G網絡通訊等技術,對監測點的地表位移進行實時監測和分析。系統功能主要包括CORS基準站數據采集、監測點坐標數據采集、數據傳輸、數據處理、統計分析、監測預警等,如圖1所示。該系統依托HNCORS連續、高質量的基準站觀測數據,無需單獨建設GNSS監測網,且CORS基準站坐標精度高于單獨建設GNSS監測網基準站坐標精度,這就能最大限度利用HNCORS系統的優勢,提高工作效率的同時,降低建設成本。

3 系統設計與實現

3.1 數據采集

數據采集分為CORS基準站和監測站數據采集,CORS基準站觀測數據通過有線網絡傳輸到指定服務器,監測點觀測數據通過3G通訊網絡回傳到服務器中,再由服務器推送到地質災害監測預警軟件進行數據處理。

本文中的地質災害監測系統加載了4個監測點及2個CORS基準站,監測點與相應CORS基準站之間的距離在30 km以內,監測點分布圖如圖2所示。

3.2 動態數據解算模型及處理

本系統可提供實時厘米級和準實時毫米級兩種精度結果。通過網絡RTK算法,聯合相應CORS基準站數據可以獲取監測點實時厘米級的精度結果,而準實時毫米級可以實現平面精度在±5 mm,高程精度在±1 cm以內。

動態數據解算模型由CORS誤差模型與雙頻模糊度實時解算模型構成,其定位參數估計的最終觀測方程為[10]

(1)

Sφ=-I+T+O,

(2)

通過卡爾曼濾波方法進行除噪、自動閾值分類和假設檢驗的形跡位移參數自動探測,對已有位移監測數據提取特征點信息,并分解為與災害監測目標顯著性形變相關的不同時間尺度的相對位移、速度及加速度等運動狀態參數信息,并作為監測點實時位移監測、預警的關鍵數據。

動態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、搜索、檢核)以及定位參數求解兩個過程。監測系統接收到CORS基準站和監測點觀測數據后,根據動態模型進行處理。

3.3 監測點處理結果

本文以監測點south02為例,設置歷元間隔為1s采集2h觀測數據,并每30min輸出一次監測結果。該監測點的實時監測處理結果如圖3所示。

由圖3可以看到該系統的準實時動態監測結果,平面精度保持在±5mm,高程精度在±1cm以內。

3.4 監測點位移變化

該監測系統記錄了監測點south02從2016年6月28日下午4點57分到2016年7月4日下午4點57分期間平面和高程的位移情況,如圖4所示。該功能可以反映監測點在一定監測周期內的位移變化情況,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

該功能主要反映監測點在一定時期內位移速度及加速度的變化情況,用來評估位移變化的趨勢,圖5示出了監測點south02從6月28日到7月4日位移速度/加速度變化情況。

3.6 預警

依據已有的監測點位移數據做預警,主要采用多項式擬合位移預測模型、指數回歸預測模型、生物生長位移預測模型及以上三種模型的加權組合預測模型等[10]。該系統的預警功能主要通過實時監測相關監測點表面位移變化及位移的速度/加速度變化趨勢,監控是否超過設定的閾值,一旦超過即觸發預警功能。

4 結束語

本文基于HNCORS系統,綜合運用GNSS空間定位技術,計算機網絡、3G網絡等技術開發了地質災害監測預警應用系統,該系統實現了監測點信息采集、傳輸、處理、分析和預警等功能,避免了單獨建設GNSS監測網,降低了建設成本。從試驗結果來看,基于HNCORS系統建立的地質災害監測預警系統可實現對監測點地表位移動態監測,采用的算法可保證監測點平面精度保持在±5mm,高程精度在±1cm以內。表明基于HNCORS系統的地質災害實時監測預警系統應用于地災監測中是完全可行的。

[1] 茅克勤,車助鎂,于淼.CORS測量技術在浙江省沿海重點區域海洋災害風險評估中的應用[J].海洋開發與管理,2011(1): 23-25.

[2] 任小沖,周天知.連續運行衛星定位服務系統(CORS)初探[J].全球定位系統,2009,34(6): 69-72.

[3]TEUNISSENPJG.Someaspectsofreal-timevalidationtechniquesforuseinintegratedsystems[C]//KinematicSystemsinGeodesy.SurveyingandRemoteSensingSymposium,Banff,Alberta,Canad,September,1990(107): 191-200.

[4]SALZMANNM.MDB.Adesigntoolforintegratednavigationsystems[C]//KinematicSystemsinGeodesy,SurveyingandRemoteSensingSymposium,Banff,Alberta,Canada,September, 1990(107): 218-227.

[5] 李成鋼,唐力明,石曉春,等.GPS/CORS地質災害動態監測技術及其誤差分析[J].測繪通報,2009(9): 7-10.

[6] 陳永立,陳群國,張亞峰.基于CORS系統的地質災害監測預警系統的設計與實現[J].測繪與空間地理信息, 2012,35(1): 79-81.

[7] 張國合.基于CORS的浙江省地質災害監測預警系統建設[J]. 測繪與空間地理信息,2014, 37(2): 119-120.

[8] 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(2): 5-8.

[9] 譚明,丁華祥,李成鋼.地質災害GPS實時監測預警系統關鍵技術探討[J].地理信息世界, 2014,21(2): 103-107.

[10] 魏平新,李成鋼,徐峰,等.廣東省滑坡災害監測中CORS系統的應用分析[J].地球信息科學學報,2011,13(4): 562-569.

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

; 湖南省國土資源廳科技研究計劃項目(編號：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,主要從事大地測量及工程測量應用研究工作。

吳凌輝 (1968-),男,湖南岳陽人,本科,高級工程師,主要從事測繪發展研究及國土規劃應用研究工作。

陳春花 (1983-),女,湖南湘鄉人,碩士,工程師,主要從事空間測量定位技術研究。

聯系人： 劉紫平 E-mail:qzzgz@126.com