武漢后湖地區地面沉降監測系統實現

安 慶，況小馳，李 方

（1.武漢光谷北斗控股集團有限公司，湖北 武漢 430206；2.武漢中學，湖北 武漢430061；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

武漢后湖地區地面沉降監測系統實現

安 慶1，況小馳2，李 方3

（1.武漢光谷北斗控股集團有限公司，湖北 武漢 430206；2.武漢中學，湖北 武漢430061；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

基于北斗高精度定位和GIS集成技術，研發了一套北斗地面沉降監測系統。以武漢后湖地區為應用示范，通過在該區域內合理布設北斗參考站網和監測站網，建設北斗數據處理中心，利用接收到的北斗觀測數據進行處理和解算，對該區域的地面沉降進行監測。定位精度實時可達cm級，事后可達mm級。該系統可以針對城市地面沉降進行多級預警和趨勢分析，為城市建設管理提供決策依據。

BDS/GIS集成；高精度；數據通信；沉降監測

地面沉降是由于自然因素或者人類工程活動引發的地下松散巖層固結壓縮并導致一定區域范圍內地面高程降低的地質現象[1]。地面沉降具有易發性、緩變性、累進性和不可逆性等特點[2]。2013年以來，武漢市江岸區、江漢區、硚口區以及武昌區有多個小區、單位相繼發生地面不均勻沉降，造成部分墻體開裂，進戶臺階、未經處理或架空的首層室內地坪、建筑物周邊散水、場區道路、地面及管線下沉，部分附屬建筑物玻璃幕墻局部變形、破損，少數門窗開關受阻，個別結構復雜的建筑物發生結構梁及墻體開裂，嚴重影響了居民的正常生活和工作。特別是江岸區的后湖片區群眾投訴尤為明顯，經調查，該區域目前沉降量為100～400 mm，且尚未穩定，有繼續發展的趨勢，正呈現大面積地面沉降的征兆。

武漢市城建委高度重視該區域存在的安全隱患，委托光谷北斗公司利用先進的北斗技術編制泛后湖地區的地面沉降監測方案，并組織專家論證。隨后，對東起武漢二七長江大橋，西至漢口三眼橋路，南到解放大道，北至三環線三金潭立交，面積約35 km2的后湖片區進行地面沉降安全監測試點工作。開展此項工作不僅對保障國家和人民生命財產的安全有著重要的作用，而且對發展北斗產業有著現實意義。

1 系統架構設計

北斗地面沉降監測系統是一個集北斗技術、結構分析技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統[3]。它根據對實時及事后地面沉降數據的處理和分析，為數據中心的日常管理者提供各類報表、圖形，可以達到多級預警和趨勢分析的目的，為城市管理者提供決策依據和參考。

該系統主要由參考站、監測站、通訊網絡設備以及數據控制中心等組成，系統結構拓撲圖如圖1所示。

圖1 北斗地面沉降監測系統結構拓撲圖

2 系統建設方案

2.1 北斗參考站建設

北斗參考站系統是以北斗衛星導航系統為主，兼容其他GNSS系統的地基增強系統[4]，它主要是由北斗扼流圈天線、觀測墩、天線饋線、防雷系統、北斗接收機、市電電源、有線數字通訊網絡7個部份構成[5]。其中觀測墩和防雷系統兩個部份需根據現場環境進行建設，其他部分均為標準產品。它集成了傳統大地測量、現代大地測量、衛星大地測量、現代無線通信、計算機網絡、軟件工程等多專業技術為一體[6]，通過地面通信系統播發導航信號修正量和輔助定位信號，向用戶提供cm級精密導航定位和事后mm級增強服務[7]。

參考站要求建立在地基穩定的地點，場地應滿足以下要求[8]：

1）參考站盡量建在穩定的基巖上，或凍土層以下2 m。

2）視野盡量開闊。

3）遠離大功率無線電發射源（如電視臺，電臺，微波站等），其距離不小于200 m，遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50 m。

4）盡量靠近數據傳輸網絡。

5）參考站觀測墩應遠離震動源（鐵路、公路等）50 m以上。

北斗基準網的布設根據沉降體的情況而定，點位設計分布在沉降體周圍地質條件良好、穩定、視野相對比較開闊且易于長期保存的地方。參考站須定時與就近的GNSS A、B級控制網或國家IGS網進行聯測[9]，以利于分析基準網點的可靠性及變形情況?；鶞示W點基線向量的中誤差σ≤1 ppm·D，當基線長度D＜3 km時，基線分量絕對精度≤3 mm[10]。

根據本項目地面沉降監測范圍，參照國家標準進行站點選址、數據分析，最后結合監測點與備選點基線長度來合理確定選點的位置，本項目共勘定了6個點位布設參考站，如圖2所示。

圖2 北斗地面沉降監測系統參考站布點示意圖

2.2 北斗地面沉降監測站建設

北斗地面沉降監測站間無須通視，布設原則為：

1）在地鐵沿線及周邊區域監測點點位適當加密。

2）典型建筑物（如高大建筑物等）周邊應適當布點，以作參考。

3）沉降監測站盡量沿主要道路、地下管網、隧道、橋梁等沿線布設。

4）監測站周圍應視野開闊、視場內高度角不宜大于10°，困難地區視場高度角大于10°的障礙物遮擋角累計不應超過30°。

5）監測站與周圍電視臺、電臺、微波站、通信基站、變電所等大功率無線電發射源的距離應大于200 m，與高壓輸電線、微波通道的距離應大于100 m。

6）監測站附近不應有大型建筑物、玻璃幕墻及大面積水域等強烈干擾接收機接收衛星信號的物體。

在武漢市后湖片區35 km2進行實地踏勘后，按沉降監測網劃分為500 m×500 m網格，每個網格一個監測點，兼顧適當加密的原則，共設計布設187個監測點。

2.3 供電系統建設

結合后湖沉降監測區的實際情況，以及保障項目供電的可靠性，參考站采用市電和太陽能供電相結合的方式。監測站在能夠牽引市電的地方采用市電供電，在不方便牽引市電的地方采用太陽能供電的方式。主要采用50 W的太陽能電池板和100 Ah的蓄電池，經測試，該搭配在沒有太陽的情況下可以連續工作7 d。

2.4 數據通訊方案

本監測項目區域較大，屬于環境復雜的市區，為達到數據傳輸質量高、時延小、環境適應性強、穩定性好等要求，參考站數據傳輸采用光纖的方式，監測站采用3G/4G的通信方式。

2.5 數據中心建設

北斗地面沉降數據中心提供數據庫存儲、離線存儲、云計算、管理服務器等信息化基礎設施，目前規模能滿足后湖地區的北斗沉降監測信息化服務，將來可以通過云計算無限動態擴展，服務全武漢市各類沉降區地面沉降監測的需求。其硬件設備主要組成為各類服務器、數據存儲及網絡設備。服務器包括云服務器、數據庫服務器、利舊服務器、管理服務器等；數據存儲設備包括數據庫存儲、云存儲、利舊存儲、離線存儲等；網絡設備包括防火墻、核心交換機、負載均衡器等，其拓撲架構如圖3所示。

圖3 北斗地面沉降監測系統數據中心拓撲圖

2.6主要技術指標

該系統的主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標表

3 系統軟件的功能設計與開發

3.1 系統軟件功能

北斗地面沉降監測系統基于北斗高精度定位技術，提供了位置信息的實時采集與動態解算，具有傳統監測方法難以實現的高精度、高可靠、全天候、全自動的優勢。由于沉降是靜態觀測數據，對數據的實時性要求不高，而對精度要求較高，所以使用一段時間的靜態觀測數據進行解算，從而可以獲得mm級的沉降觀測量。該時間段由數據中心后臺進行配置，默認為4 h解算一次，其成果數據可以按某一固定時段、日、周等配置提供。該系統主要包括GIS模塊、工程管理模塊、圖形顯示模塊和數據分析模塊。

GIS模塊以武漢市江岸區影像為底圖，疊加北斗監控中心、監控點、監控區域等空間數據，通過切片處理后，發布為地圖服務，供客戶端訪問。同時，監控數據在服務器端統計、分析，并將結果通過WebService返回到客戶端顯示。主要功能包括監測區域、基站點、沉降監測點平面布置圖瀏覽、屬性信息展示、坐標定位，以及監測區域地圖量測、標繪和圖層管理等。

工程管理模塊可瀏覽參考站和監測站的實景圖片，以及工程概況、工程實施情況等信息。并可對各監測站沉降的信息進行查詢，以圖表統計的方式顯示，同時支持數據導出到Excel，生成監控點沉降表。

圖形顯示模塊可根據沉降量繪制監測點的沉降過程曲線，根據沉降速度繪制監測點的沉降速度曲線，并可以由監測點平面坐標（x, y）和沉降量s構成監測點三維坐標（x, y, s）,以區域為單位建立三維立體模型，繪制沉降量曲線圖。

數據分析模塊包括回歸分析、對比分析、綜合分析。系統選擇了對數函數、雙曲線函數等15種函數作為沉降過程回歸分析的基本數學模型，用戶可以單獨使用，也可以組合疊加使用，并根據分析結果進行穩定性預測。綜合分析按北斗實時采集與按時間段靜態解算的高程信息，結合常規沉降觀測信息等，對數據進行綜合處理和分析，實現實時沉降報告、多級報警、沉降趨勢分析等。

3.2 系統集成開發模式

本系統采用了組件式二次開發模式，其中GIS開發組件選擇ArcGIS Engine。它是一套完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫，支持包括COM、．NET框架、Java和C++等多種開發語言，可以方便地將GIS功能嵌入到目標開發軟件中。

4 結 語

采用北斗高精度定位技術，建立了覆蓋后湖地區的地面沉降監測網絡，查明了該地區地面沉降災害現狀、發展趨勢、形成原因及分布規律，逐步建成了集數據實時采集、傳輸、預報于一體的開放、動態的地面沉降監測體系，并針對性地采取了綜合防治方法。該系統的建成，為武漢城市總體規劃的實施、城市建設綜合部署與精細化管理，以及保障國家和人民生命財產安全有重要意義，也為政府部門控制或防治地面沉降，合理開發和利用地下資源提供了規劃和決策依據，具有較為廣闊的推廣前景。

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[4] 郭崢英,陳鵬宇．建筑地基沉降預測的灰色模型與Asaoka法[J]．工程勘察,2012(6)：67-70

[5] 蔡東健,岳建平,張永超．改進的小波閾值去噪方法在CORS數據處理中的應用研究[J]．測繪通報, 2012(4)：4-7

[6] 吳煥瑯．基于高精度北斗定位的地質沉降監測[J]．單片機與嵌入式系統應用,2013(12)：78-81

[7] 吳昊旭,程鵬,宋爽．GPS沉降變形監測技術在工程實際中的應用研究[J]．科技資訊,2012(19)：44-45

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P258

B文章編號：1672-4623（2017）06-0096-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.030

安慶，碩士，高級工程師，主要從事3S集成技術研究與應用工作 。

2016-03-25。

項目來源：武漢市北斗技術應用示范項目（J15093186-2754）。