GNSS自动化监测系统技术应用

张 明，邱章云

（葛洲坝测绘地理信息技术有限公司，湖北宜昌 443002）

1 GNSS自动化监测系统设计

1.1 技术方法选择

目前，外部变形的自动化观测方法主要有：带马达和识别照准功能的全站仪自动测量法、GNSS（Global Navigation Satellite System）卫星定位测量法、固定式陆地推扫激光雷达监测法、多孔径合成雷达SAR和INSAR干涉测量方法、微变形测量（IBIS-L）测量法、真空激光准直系统等。其中：

（1）全站仪自动测量法主要作为人工测量来实现，对各监测断面上的点进行测量，及对平面控制网进行周期性的复测。

（2）GNSS实时监测系统（如图1所示）具有可24h连续不间断工作、且不受天气因素影响、可实时预警、造价不高等优点，静态测量精度：水平位移不大于±3.0mm，竖直位移不大于±5.0mm，采用GNSS实时监测系统是目前比较先进的监测方案。

图1 GNSS实时监测系统

1.2 自动化观测系统测点布设

根据某电站现场环境和地质条件拟修建10个观测墩，其中，左岸面板堆石坝3个，号点TP02、TP03、TP04，左岸滑坡体3个，号点TP06、TP07、TP08，右岸边坡主要对历年变形较大的控制网点区域进行监测，测点点号TP05、TP09、TP10，位于左岸边坡的工作基点1个，号点TP01，布设在测区周围地质条件良好的左岸边坡上，点位稳固、视野开阔，且易于长期保存。

2 监测实施方案

2.1 技术要求

本工程外部变形自动化观测系统采用GNSS全球卫星导航定位静态观测技术，由1个GNSS基准站和9个固定观测墩（变形观测点）组成，GNSS基准站为GNSS实时观测提供基准。GNSS基准站及监测组网按国标规范要求设计施工建设。外部变形观测网主要通过10台GNSS接收机对测区边坡进行长期稳定观测，观测数据依靠4G或光纤通信网络传输，需要开发可靠的数据采集与处理系统无缝解决海量数据实时分析及处理的难题。

2.2 系统架构

基准站及监测点同时接收卫星信号，构成实时监测数据采集端，同步且24h不间断接收GNSS数据。所有站点接收到的数据通过无线或者有线的形式传入控制机房的服务器中。通过服务器中安装的Spider软件，可以查看、管理、分析接收卫星的数据情况，使用“后处理（Post-processing）”算法来解算监测点相对于某个基准点的静态差分定位位置。根据每个监测点每个时段位置的变化量，可以高精度监测每个点的位置变化。解算结果存储在SQLServer数据库中，也可以导入GeoMoS软件进行进一步的分析。设置好基准站、监测点、监测点限差及自动监测周期等一系列信息，GeoMoS软件会把每个监测点的变化情况以图形或数据的形式表现出来，一旦有哪个监测点变化量超出设置好的限差，软件系统会自动报警（包括消息栏的信息提示、给指定手机发送短消息及给指定邮箱发送邮件等，即手机短消息及告警邮件），提醒注意采取相应的应急措施。

GNSS卫星导航变形观测系统组成：卫星导航定位接收机（采集系统）、数据传输系统、供电系统、防雷系统、数据处理及分析系统，系统构架及组成如图2所示。

图2 GNSS实时监测系统构架及组成

2.2.1 变形观测

所有测点采用GNSS相对静态定位法观测。

2.2.2 数据分析处理

大量的观测数据通过有线或4G无线通讯方式进行无损传输，采用专业软件进行数据自检，超限数据自动处理，能综合统计分析各期观测数据，对变化趋势进行预报，同时具备预警及报警等辅助特殊功能。

2.2.3 日常巡视检查

所有监测设备及器具须在其检定有效期内使用，加强日常维护保养，定期或不定期进行巡查和检修，出现故障，及时处理。

2.3 主要仪器设备及软件

（1）仪器设备：徕卡GNSS天线（AR10）10套，徕卡GNSS接收机（GM30）10套，设备供电柜，电源适配器，空气开关，太阳能供电装置，4G模块，电源避雷器，8芯单模通讯光缆，光纤收发器，网线，DC电源线，电源电缆，24口交换机，服务器。

（2）软件：GNSS卫星导航定位观测基线解算系统；自动监测软件Geo MoS Monitor；数据处理分析软件Geo MoS Analyzer。

2.4 观测墩建造

（1）按规范要求浇筑GNSS基准站观测墩。

（2）观测墩顶部安装强制对中底座，基准站对中精度不低于0.1mm，测点对中精度不低于0.2mm，固定标盘按照规范要求调试到位。

（3）钢筋混凝土柱身具备足够强度后，将GNSS天线和棱镜一体化设置（GNSS基准站）或者GNSS接收天线（GNSS测点）固定在强制对中基座上。

（4）将太阳能电板、供电柜固定于GNSS墩柱上，GNSS接收机、蓄电池存放于供电柜内，并连接好各电缆接线。

（5）安装GNSS防雷装置。防雷装置安装需符合相关规范规程的要求，GNSS观测墩效果图见图3。

图3 GNSS观测墩效果

2.5 控制中心

控制中心包括服务器的安装、UPS安装、软件的调试等。机房设备组成：监控中心配备1套在线式UPS，1个机柜，里面包括2台服务器，1台交换机等设备。整个监测系统使用到徕卡Spider和GeoMoS软件，为了保障软件运行稳定、可靠，将它们分别装在2台服务器。

2.6 系统调试运行

主要内容包括：①GNSS点位设备检验；②站点坐标检验；③硬件设备测试；④软件测试。

2.7 数据分析与预警

徕卡Spider软件为连续运行GNSS观测站而设计，主要与GNSS接收机协同工作。可以向参考站网覆盖区域提供GNSS服务。测点的分析和消息预警通过GeoMoS软件实现。

监测分析及预警采用软件来综合实现，输入各类变形演变的数学模型，综合考虑各类地质、水文及气候变化因素，通过当地经验值或设计单位精确计算确定累计报警值和变形速率限值。软件自动将监测数据整理、分析、生成日常报表和各类观测变形曲线图。根据预先设定的预警限值，超限时增加相应观测频率并核实仪器运行状态，及时启动报警功能并提交成果报告。

3 结语

本项目主要完成了10个GNSS监测墩的土建施工、设备安装、调试和组网工作，顺利实现远程采集和控制。系统软件站点信息配置以及相关的硬件测试、调试，通过初试运行和随后的业主验收，至今运行状态良好，各项输出满足设计要求。

采用GNSS连续运行基准站及监测点的模式建立自动化监测系统具有布点灵活、精度高、系统稳定、24h连续运行、实时预警等诸多优点，对地质灾害频发、安全形势加剧的今天具有重要应用价值，是滑坡体外部变形在线监测的首选模式。