地灾监测的大数据信息平台研究及应用

，，， ，

(上海华测导航技术股份有限公司，上海 210702)

我国西部地区地质地貌复杂，是滑坡、泥石流、地震三大地质灾害的多发区和重灾区，其中秦岭西部地区褶皱带属炭灰夹杂的土质，山体分化破碎较为严重，地质灾害发生尤为频繁。2010年8月7日夜，甘南藏族自治州舟曲县城东北部山区因突降特大暴雨，诱使三眼峪、罗家峪等4条沟系爆发总体积约750万m3的特大山洪地质灾害，造成1500余人遇难、近300人失踪。2017年6月24日凌晨，位于阿坝州茂县叠溪镇的新磨村发生高位山体垮塌，掩埋道路1.6 km，堵塞河道2 km，造成46户房屋被掩埋，140余人失联。

在变形监测领域，传统的技术手段主要使用常规光学和电子测量仪器。而随着科学技术的飞速发展，GNSS卫星定位、导航技术与现代通信技术深度融合，在空间定位技术领域引发革命性变化，应用范围大大拓展。GNSS测量具有三维定位能力强、精度高的显著优势，与传统方法相比较，更加简洁高效，而且GNSS卫星定位和导航技术便于与现代通信技术、数据处理与分析技术等深度集成，能够实现对变形体的全自动化、实时监测。目前，北斗卫星导航系统(BDS)正日趋完善，已经正式对外提供服务。为充分实现BDS系统的功能，BDS+GPS+GLONASS多星座融合将成为未来的发展主流。本文在深入分析地质灾害监测现状的基础上，归纳、总结适合我国特点的形变监测系统指标体系和技术方法，并进一步提出适合我国西部地区滑坡监测实际情况的基本内容和指标体系，实现地灾监测系统及大数据信息化平台的设计与构建。

1 系统总体设计

常规大地测量技术、摄影测量技术、特殊变形测量技术和GNSS技术是现代监测技术的主体。本文拟构建一套地灾监测大数据信息平台，来实现复杂环境下的各类需求。

1.1 地灾监测大数据信息平台建设

该项目主要研发内容为开发一款实时GPS数据解算软件和一款监测数据管理、展示、预警的监测平台，满足下列要求：

(1) 解算软件支持GPS、GLONASS、BDS卫星系统。

(2) 解算软件支持RTK解算、静态解算，并支持高精度长基线的解算。

(3) 解算软件兼容主要品牌接收机，兼容CORS。

(4) 应用系统支持地表位移、地下水位、渗流、最小干滩、土壤温度、土壤含水率、裂缝、柔性位移、土压力、雨量、风向、风速、气温、气压、湿度、地声、次生等17类目标数据的监测与预警，涵盖地质灾害监测与分析的主要数据源。

(5) 支持监测数据实时报警，支持超限、速度、加速度报警和报警数据推送。

(6) 支持报警数据推送，包括短信、邮件、软件界面、声光报警器多种方式。

(7) 支持数据库自动备份，安全可靠性高。

(8) 支持任意时段数据和报警信息报表导出。

(9) 支持Android及Apple手机客户端，及时发布数据通告和报警通知。

针对北斗系统引入后，GPS+GLONAS/BDS组合高精度定位的难题，提出了基于BDS+GPS+GLONASS的改进型相对定位方法。该方法在恶劣观测环境下对定位精度和可靠性提升，以及缩短初始化时间等方面效果显著，有力保障了高精度静态相对定位、动态相对定位的实现。

1.2 检测数据解算软件功能实现

(1) 信息解算。项目组首先根据观测量计算卫星位置及接收机位置，由解调数据提取导航电文参数，然后根据PVT信息获得钟差钟漂数据，调整时钟参数和TIC值，最后根据PVT信息作卫星预报，并指导捕获跟踪PVT解算。其中，在PVT解算中重点围绕北斗+GPS坐标系统和时间系统间的转换关系开展了深入研究，针对统一坐标系统和时间系统下BDS、GPS和GLONASS卫星的联合解算开展了算法研发，如图1所示。

(2) 差分解算。伪距差分和载波相位差分是差分解算的主要部分。其中，载波相位差分主要涉及模糊度搜索和解算。差分解算部分的开发是对解码得到的GNSS数据进行筛选、滤波、差分等数据处理，进而得到最终的定位结果。本项目的差分解算软件研发主要依托前期开展的北斗和GPS组合高精度定位技术相关研究，如图2所示。

2 软件详细设计

2.1 GNSS实时监测预警应用网络系统HCmonitor开发

针对GNSS实时监测预警应用，本项目研发一款北斗和GPS自动化变形监测预警系统软件HCmonitor，它基于网络技术，利用GNSS实时解算监测物体三维坐标，并可对监测物体的三维变形量进行实时分析，可应用于各种变形监测项目，包括尾矿、桥梁、滑坡、调度、沉降、超高层建筑、桥梁等。该软件的整体架构如图3所示。

2.1.1 软件功能

(1) 管理功能。GNSS解算以基线为基础，基线由测站的设置来约束。测站的设置重点考量接收机和天线类型、接入方式、测站信息3个部分。两个测站组成了一条基线，基线除了测站信息之外，还包括解算间隔、解算参数、滤波设置和基线基本信息(基线名称、编号等)等内容，如图4所示。

(2) 输入功能。根据接入方式实现接收接收机等硬件输出，获取原始数据，如图5所示。

(3) 计算功能。数据解算是整个软件的核心。根据接收机类型来解析接收到的数据，将二进制的数据解析成可以识别的观测数据和星历数据。然后进入质量分析模块，对实时数据的质量进行分析、滤波等处理，剔除质量不好的数据。将处理过的数据传入解算、平差模块，根据基线的设置解算出结果，如图6所示。

(4) 输出功能。输出功能包括输出和记录两大块内容。输出包括界面显示和报告输出；记录内容涉及原始观测数据与解算结果两部分，如图7所示。

2.1.2 软件设计性能要求

(1) 精度。所有坐标和坐标精度值保留至毫米；基线解和基线精度也同样保留至毫米。

(2) 时间特性。系统的解算分前台和后台两个部分，其中前台将实时显示解算的结果，每个历元显示一个结果，并同时更新点位分布曲线和离散图等，前台运行程序对时间的要求较高，有必要实时显示。后台包括快速动态和后处理，根据用户的定义处理从2 min至24 h不等间隔的原始数据，并生成结果，随着数据量的增加，无法做到实时解算，在运行解算软件时应该提示用户目前正在运行的程序处理什么数据，并在处理结束时给出不中断用户操作的提示。

(3) 输入输出。输入设备为鼠标、键盘。观测数据的输入可以通过串口，也可以通过网络。输出内容包含RINEX格式记录的原始观测数据及星历数据和解算结果。

(4) 数据管理能力。系统对一个月之内的原始观测数据和解算结果进行记录。原始观测数据以RINEX格式保存，包括观测值和星历，记录间隔可以在软件中设置，每天生成一个单独的文件夹，在工程目录下的“rinex”文件夹中保存，以日期命名每天的文件夹，如2014年2月28日生成的文件夹名称为“20140228”。解算结果以文本文件格式保存，一条基线的一个设置对应一个结果文件，系统根据基线设置自动命名，命名规则为“基线名称_解算类型_解算间隔.txt”，每天生成一个用于保存结果的文件夹，保存于工程目录下名为“result”的文件夹下，命名和保存规则与观测数据相关规则相同。

(5) 故障处理。系统将生成日志文件，记录系统运行的状态，并记录出现的错误，供开发人员使用。

2.1.3 软件设计性能指标

开发出的GNSS实时监测预警应用网络系统经过上海市质量监督检验技术研究院测试，其主要性能指标如下：①实现北斗和GPS原始数据的实时差分处理；②数据更新率大于1 Hz；③分别支持RS232、TCP/IP协议；④实时展示数据视图、网图、卫星视图、趋势图和三维视图等，实现相关数据管理等功能；⑤系统能7×24 h持续可靠地进行工作。

2.2 软件实现和相关指标主要技术特点

(1) 支持GPS+GLONASS+BDS联合解算、单系统解算(单GPS、单GLONASS、单BDS)以及任意组合系统解算(GPS+GLONASS、GPS+BDS、BDS+GLONASS)。

(2) 支持各种频率组合自动最优搜索，L1、L2、L1+L2、Ln、Lw、Lc各种组合结果自动优选。

(3) 支持CORS-VRS，能够对CORS实现无缝兼容。

(4) 支持多种坐标系统的管理，包括1954北京坐标系、1980西安坐标系、CGCS2000、自建系统等。

(5) 支持多种GNSS误差模型库，曲面支持高精度长基线解算与精密星历解算。

(6) 支持各种NGS认证天线，拥有完整的天线参数体系。

(7) 支持原始数据20 Hz高动态RTK解算。

(8) 支持均值滤波器、Kalman滤波器。

(9) 支持多基站解算与网平差功能。

(10) 支持GNSS单、双频解算。

3 甘肃舟曲滑坡预警系统应用

地质灾害自动化监测系统能够高自动化地实现数据后处理与结果分析，还可为抗震救灾提供实时、真实可靠的灾害预警信息，对防灾、减灾、救灾的有效开展意义重大。甘肃舟曲滑坡预警系统建于甘肃省舟曲县锁儿头滑坡体区域，通过GPS表面位移、内部测斜、裂缝计、渗压计、TDR等多种传感器的集成实时采集多源监测数据，实现一体化的综合监测，并传送到监控预警平台，根据预设报警值实施自动预警，如图8所示。

本次工程项目共建设了14处滑坡监测点，结合6种监测手段，其中GPS表面位移监测点41个(其中2个基准站)、测斜孔和渗压内部监测点9个、裂缝监测点17个、量水堰水量监测点2个、TDR深部监测点1个、水眼沟断面监测1套。

4 结果与展望

舟曲滑坡预警系统于2012年底完工，在建设完成后系统运行稳定，数据可靠及时，准确反映了滑坡的变化情况，为政府部门的决策提供了强大的数据支持，有效保护了舟曲人民生命和财产的安全。

目前该系统已经广泛应用在大坝、桥梁、尾矿、滑坡、地灾、水利水电等行业中，系统运行稳定，得到充分认可，测试结果表明：

(1) GNSS数据处理软件能实时接收和处理GPS、GLONASS、BDS三星数据，软件运行稳定可靠，精度和功能达到标称指标，可用于滑坡、桥梁、矿山、地质灾害的监测，以及区域性沉降监测和工程变形监测等领域。

(2) 系统集成多种类型传感器，可满足尾矿、桥梁、滑坡、地灾等不同类型项目监测需求，系统软件可扩展。

(3) 系统实现无人值守自动化监测，人力成本大幅降低，不受气象因素影响，系统精度高。

(4) 系统实现多传感器集成，实施全方位监测。

(5) 有线和无线相结合的组合式通信，根据现场实际环境布置最优的通信方案，通信组合方案灵活，监测数据传输稳定；主要通过光纤、网线、RS485、RS422等方式实现有线传输，通过无线网桥、2G/3G通信模块、Zigbee等方式实现无线传输。

(6) 通过光伏阵列最大功率点跟踪和风光互补等优化野外供电，实现7×24 h不间断工作。

(7) 系统配备完善的供电、避雷、综合布线等辅助支持子系统，能够保障在复杂环境下的稳定和连续工作。

(8) 系统功能丰富，人工巡检功能、系统管理、工程管理、Word报表，同时数据图表多样,包括数据曲线图， 速度/加速度图、断面曲线图、统计图、散点图、总体分布图等。

(9) 系统集成了多种监测数据分析手段，能够针对包括地表位移、地下水位、渗流、土壤温度、土壤含水率、最小干滩、裂缝、柔性位移、土压力、雨量、风向、风速、气温、气压、湿度、地声、次生等关键参数实施监测，实现多行业领域的覆盖。

(10) 面向服务的模块软件设计和架构，使得应用系统软件功能更容易扩展和兼容第三方系统。

(11) 监测数据实时精准分析，预警准确，及时发送预警通知，预警方式多样，包括邮件、声光、短信、界面多种方式，能够为决策分析提供关键的技术支持与参考信息；HCMonitor是全面自主研发的新型GNSS监测数据解算软件，全面兼容北斗且静态解算精度极高。