实时广域自动形变监测系统研究

吴文坛，高星伟，田 挚，田时雨，郑 阔

(1.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，石家庄 050031；2.河北省测绘资料档案馆，石家庄 050031；3.中国测绘科学研究院，北京 100830；4.河北省第二测绘院，石家庄 050031；5.北京奥腾岩石科技有限公司，北京 101102)

1 概述

全球定位系统(global positioning system，GPS)技术用于形变监测已经有十多年的时间，具有实时、高效和高精度的优点，广泛应用于大坝、桥梁和地表等形变监测，同时也取得了非常好的效果[1-4]。后来，在GPS形变监测的基础上，引入或发展出一些相关的新技术，如伪卫星、一机多天线、合成孔径雷达和激光等，使得形变监测的技术越来越灵活便捷[5-10]。近些年，随着连续运行跟踪站(continuously operating reference stations，CORS)技术越来越成熟，也逐渐应用于形变监测中[11-12]。

河北CORS系统始建于2008年，于2010年正式投入运营，已广泛应用于测绘、国土、规划、气象、水利电力、石油物探等多个行业部门，期间经过多次升级改造，截止目前共建设64个站点。实时目标高精度监测是河北CORS服务的一个主要内容，监测目标包括各种不同的运动状态，如低动态的大坝、桥梁和建筑物等的形变监测，高动态的人员和车载用户的实时监测。本文将重点对河北CORS系统在形变监测中的应用情况进行探讨和测试分析。

2 方法研究

2.1 数据处理

数据处理包括两部分内容：一是CORS站网的数据实时处理，二是监测站点的数据实时处理[13]。

2.1.1 CORS网数据实时处理

对于CORS站网数据的实时处理主要是为了得到CORS网的弥散误差(主要是电离层延迟)和非弥散误差(主要是对流层延迟和轨道误差等)。本文的方法是首先进行双差组合，尽可能多地消除卫星钟差和接收机钟差，并削弱具有相关性的系统误差；然后由于CORS站坐标精确已知，可分别通过无几何误差组合和无电离层组合求出双差后的CORS网的弥散误差和非弥散误差大小。

2.1.2 监测站数据的实时处理

对于监测站的数据处理主要是为了实时得到每个监测站的实时准确位置。本文采用的方法是首先跟距离较近的CORS站进行双差组合；然后利用前面求出的CORS网的误差信息内插监测站的相关误差，并进行改进，求解整周模糊度和精确坐标信息。

2.2 形变分析

形变分析中包含两类模型：观测模型和形变模型。观测模型可参见2.1节或文献[13]。形变模型可表示为

X=BS+w

(1)

式(1)中，X为形变模型的观测值；S为形变参数；B为设计矩阵；w为模型噪声向量。根据最小二乘原理可以计算出形变参数S的估值。上面的形变模型也可以与前面的观测模型融合在一起。

2.3 系统设计

本系统分为数据采集、数据传输、数据处理、数据存储、结果分析等五个主要子系统，另外还包括供电、避雷等。

数据采集：为系统提供原始观测数据。主要包括基准站和监测站全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)接收机，另外根据监测对象的不同，可增加一些安全监测辅助传感器，如气象设备、倾斜仪和视频传感器等。

数据传输：将野外采集的原始观测数据传回系统中心。目前支持有线通讯和无线通讯两种模式，或者两种模式相结合。

数据处理：将外业观测数据处理为对应的位置信息。该子系统可以根据所监测目标的运动情况，任意设置结果输出频率(监测频率)，最高可设置为单历元，即与GNSS接收机的采样率相一致。

数据存储：采用数据库技术，可对所需要的原始观测值和处理结果进行存储。

结果分析：对处理后的位置信息进行分析，提取形变信息，并进行显示、生成工作日志和报警等。

图1 系统数据流程图

3 实测分析

为了验证软件系统的监测效果，选取河北CORS网的尚义、阳原和涿鹿为基准站网，测站间的平均距离大约为110 km，对位于张渤(张家口-渤海)断裂带上的怀安站进行实时监测，测站的分布如图2所示。

图2 测站分布图

利用本文中方法开发的监测系统如图3所示，对上述区域的监测点数据进行实时处理，结果如图4所示。图4为其中一个监测点在2014-08-12的实时动态监测结果，其中横轴表示时间，单位为 s，纵轴表示形变量，单位为 m。

图3 监测系统软件界面

图4中的结果为单历元定位结果。通过对图2情况下的定位结果进行统计分析可知：北方向(N)、东方向(E)和天顶方向(U)的单历元定位误差分别为1.81 cm、1.62 cm和2.4 cm。

4 结论

随着我国各地的CORS网建设的陆续完成，基于CORS的应用也越来越广泛，较之传统的高精度实时定位，基于CORS的实时高精度定位具有明显的优势。本文提出的基于CORS的实时监测系统方法有效监测范围广，能够实现单历元厘米级的高精度实时监测，可根据监测目标的运动速度情况，调整监测结果频率，通过短时间的平均与滤波，可以很快实现毫米级的监控效果，可以满足快至车载目标，慢至地表监测的各类目标监测应用。

图4 2014-08-12的实时监测结果/m

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