CN106441174A - 一种高边坡形变监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种高边坡形变监测方法及系统，消除载波观测值粗差，使用无偏估计法消除残差，计算单差几何距离，每个监测站相对于基准站做载波单差运算，联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量上述监测方法，大大提高了监测效率和监测精度；在基准站和各监测站均设置GPS接收机，各监测站的监测数据通过基于TCP/IP通信协议的LXI发现机制经交换机传输至基准站，监测数据的准确性不受环境影响，且不会出现误传、错传等，既提高环境适应性，又提高监测精度。

Description

一种高边坡形变监测方法及系统
技术领域
本发明涉及地质灾害工程领域，用于高边坡监测预警，特别是涉及高边坡形变监测方法及系统。
背景技术
土质边坡高度大于20m小于100m、岩质边坡高度大于30m小于100m范围的，为高边坡。我国地形、地质因素复杂，使得国家经济发展和人们日常生活时常受到高边坡的威胁。贵州关岭滑坡事件、重庆城口县山体滑坡以及汉源万工乡滑坡时间，均造成不同程度人员伤亡、财产损失；修建公路、铁路以及大型水电工程过程中，高边坡滑坡会阻碍施工进度、延误工期、带来经济损失，甚至会威胁施工人员生命安全。
传统高边坡监测，使用多个传感器构成传感器网络，传感器网络将高边坡表面测点位移数据通过GPRS模块传输至数据中心，由数据中心依据预警模型对所测数据进行分析和对比，其缺点在于：传感器网络在一定程度上容易受到复杂地质环境的影响，导致传感器脱离网络、无法自适应调整网络的情况，需人工定期维护，导致自动化程度差、浪费人力物力；数据中心将传感器网络的采集数据直接运用至预警模型，直接进行数据分析和对比，会产生较大原始数据误差，模糊度搜索需进行大量计算，导致监测速率低、监测精度低。
发明内容
本发明提供一种高边坡形变监测方法及系统，解决现有技术存在的环境适应性差、监测精度低的问题。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种高边坡形变监测方法，包括以下步骤：
步骤(1)消除载波观测值粗差：
对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，剔除产生载波周跳的共视卫星数据，得到基准站和每个监测站的实测数据；基准站和每个监测站在每个历元的实测数据对应的共视卫星，为同步观测卫星；
步骤(2)使用无偏估计法消除实测数据的残差：
步骤(21)对每个监测站相对于基准站的实测数据，分别在历元间载波单差的基础上进行监测点间的载波差分，得到每个监测站相对于基准站的载波双差数组；
步骤(22)分别计算每个监测站相对于基准站的载波双差数组的平均值和标准差；若载波双差数组中的某一元素与平均值相减后的绝对值超过2倍标准差，则将元素替换为平均值；否则，保留该元素；得到每个监测站的精确数据；
步骤(3)求高边坡三维形变量：
步骤(31)计算每个监测站相对于基准站，到各个同步观测卫星的单差几何距离；
步骤(32)针对同一颗同步观测卫星，对每个监测站相对于基准站的精确数据进行载波单差运算，得到每个监测站相对于基准站的载波单差表达式；
步骤(33)将步骤(31)所得的单差几何距离分别代入步骤(32)所得的对应载波单差表达式中，得到每一颗同步观测卫星的载波单差向量方程；联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，得到载波单差矩阵方程组；并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，得到载波双差矩阵方程组；
步骤(34)建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程；
步骤(35)联立步骤(33)的载波双差矩阵方程组以及步骤(34)的矩阵方程组，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量；
步骤(4)当高边坡三维形变量超出阈值，说明有发生地质灾害的风险。
进一步地，步骤(32)中的精确数据是以电磁波波长为单位的载波相位测量值。
进一步地，步骤(34)中，基线向量是指由基准站指向各监测站的向量；单差接收机时钟差是指基准站的接收机与各监测站接收机的时钟差。
进一步地，步骤(32)的精确数据与电磁波波长、电磁波频率、伪距测量值、电离层延时、对流层延时、接收机时钟误差、卫星时钟误差、整周模糊度以及测量误差有关；其中，由于各监测站与基准站之间距离小于预设值时，进行载波单差后可消除电离层延时误差、对流层延时误差以及测量误差。
进一步地，步骤(33)中，载波单差矩阵方程为：
步骤(33)中，载波双差矩阵方程为：
其中，载波单差矩阵方程中，为第n个同步观测卫星对应的精确数据中各监测站相对于基准站的相位差，λ为电磁波波长，c为电磁波速度，为基准站到第n个同步观测卫星的单位向量的转置，bBA为基准站A到监测站B的基线向量，δtBA为单差接收机时钟差，第n个同步观测卫星下的单差整周模糊度；载波双差矩阵方程是由载波单差矩阵方程做历元ti和ti+1的差分而得，1≤n≤M。
进一步地，步骤(34)中，建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程：
其中，ΔbBA为历元ti和ti+1间基线向量变化量，ΔδtBA为ti和ti+1间单差接收机始终差变化量。
一种高边坡形变监测系统，包括基准站、交换机以及至少一个监测站；
所述监测站包括监测站端GPS接收机以及监测站端控制器模块；所述监测站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述监测站端GPS接收机与监测站端控制器模块相连；所述各监测站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制与交换机传输数据；
所述基准站包括基准站端控制器模块以及基准站端GPS接收机；所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述基准站端GPS接收机与基准站端控制器模块相连；所述基准站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制接收交换机传输的数据。
进一步地，所述各监测站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取各监测站相对于外部卫星的载波观测值和伪距测量值；所述载波观测值和伪距测量值输入至相应的监测站端控制器模块，在所述监测站端控制器模块的控制下经交换机输入至基准站端控制器模块；
所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取基准站的载波观测值和伪距测量值，输入至基准站端控制器模块中，所述基准站端控制器模块对获取的数据进行形变监测运算和处理后，获取各监测点的高边坡形变量。
进一步地，所述监测站端GPS接收机及基准站端GPS接收机均为诺瓦泰GPS接收机。
进一步地，所述监测站端控制器模块以及基准站端控制器模块均为S3C2440。
与现有技术相比，具有如下特点：
1、对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，消除载波观测值粗差，再使用无偏估计法消除残差，结合每个监测站相对于基准站到各个同步观测卫星的单差几何距离，以及每个监测站相对于基准站载波单差运算，再联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，再建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量上述监测方法，既提高了用于计算高边坡三维变量的数据准确度，又避免了整周模糊度搜索的大量计算，大大提高了监测效率和监测精度；
2、在基准站和各监测站均设置GPS接收机，各监测站的监测数据通过基于TCP/IP通信协议的LXI发现机制经交换机传输至基准站，用于三维形变量的计算，使用GPS接收机，监测数据的准确性不受环境影响，且以LXI的发现机制进行数据传输，不会出现误传、错传等，既提高环境适应性，又提高监测精度。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为基准站、监测站以及卫星之间的向量图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
基于上述高边坡形变监测方法的系统，包括基准站、交换机以及至少一个监测站；所述监测站包括监测站端GPS接收机以及监测站端控制器模块；所述监测站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述监测站端GPS接收机与监测站端控制器模块相连；所述各监测站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制与交换机传输数据；所述基准站包括基准站端控制器模块以及基准站端GPS接收机；所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述基准站端GPS接收机与基准站端控制器模块相连；所述基准站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制接收交换机传输的数据。
所述各监测站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取各监测站相对于外部卫星的载波观测值和伪距测量值；所述载波观测值和伪距测量值输入至相应的监测站端控制器模块，在所述监测站端控制器模块的控制下经交换机输入至基准站端控制器模块；所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取基准站的载波观测值和伪距测量值，输入至基准站端控制器模块中，所述基准站端控制器模块对获取的数据进行形变监测运算和处理后，获取各监测点的高边坡形变量。监测站端控制器模块以及基准站端控制器模块均为S3C2440。
在网络通信关系中，基准站为服务器，各监测站为客户端。客户端之间不需要相互通信，客户端与服务器之间是点对点的通信，而服务器与客户端的通信可以是点对点的通信，也可以是广播式通信。基准站位置固定，通过基准站与监测站同一历元的共视卫星做载波差分运算，得到载波差分跟基线向量的等式关系，经相邻两个历元的差分等式平差可以求出前后历元的形变量。首先监测站向基准站发送TCP连接请求，等待与服务器连接成功。连接成功后，服务器端为当前的连接绑定一个唯一的ID号并保存到链表中，完成了仪器的发现过程。在基准站需要控制监测站执行某些指令时，通过唯一的ID号找到在链表中的该连接并发送命令。
根据待监测高边坡的地形布置基准站以及各监测站，基准站端GPS接收机安装于视野开阔处，如稳固的开阔的山顶或楼顶，以保证信号的良好接收，同时应远离大功率通信基站；监测点的布置应该权衡均匀分布和有代表性布置，可以监测坡体的整体形变，并可以进行相互之间的对比分析。
各监测站和基准站同时接收卫星数据，各监测站端GPS接收机接收原始数据，各监测站端控制器模块按照接收机厂商设定的数据格式将原始数据转换为标准化数据格式，即Rinex格式数据，通过TCP/IP网络协议将各监测站转换得的Rinex格式数据传输至基准站，基准站端控制器模块根据上述数据以及基准站的Rinex格式数据做形变监测计算，求出各监测点的变形量。根据一定时间段内的形变量建立数学模型，通过数学模型预测滑坡发生的时间和滑坡发生的规模。
本发明基准站端GPS接收机及各监测站端GPS接收机均为诺瓦泰GPS接收机。GPS定位技术具有不受气候条件限制、测站间无需通视、可同时测量定点的三维坐标及自动化程度高等优点，不仅适用于大范围、长距离的地壳形变监测，也适用于小范围、短距离、高精度的地质灾害监测，其环境适应性强以及精度高的特点非常适用于高边坡形变监测。诺瓦泰GPS接收机输出的是.GPS格式数据，需要通过Novatel官方配套的软件来转换成Rinex格式数据。
各监测站的Rinex文件通过TCP/IP网络协议传送到基准站，在基准站搭建远程过程调用协议(RPC)服务器，监测站端采用LXI协议的发现机制。
进行高边坡形变计算时，利用各监测点之间的载波相位单差与基线向量之间的相关性建立载波单差观测方程，利用历元间差分探测并消除粗差，然后对单差观测方程做历元间差分运算，消除掉卫星钟差、接收机钟差以及整周模糊度，再利用无偏估计法对观测数据消除残差，将接收机钟差之差及其监测点的变形量作为参数进行直接求解。
一种高边坡形变监测方法，包括以下步骤：
步骤(1)消除载波观测值粗差：
对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，剔除产生载波周跳的共视卫星数据，得到基准站和每个监测站的实测数据；基准站和每个监测站在每个历元的实测数据对应的共视卫星，为同步观测卫星。
基准站和各监测站均为监测点，将监测点标记为C，监测点C的历元间载波单差为：
其中，j表示第j颗共视卫星，表示ti历元的载波观测值，表示ti+1历元的载波观测值；应当为平滑曲线，有不平滑处的，剔除当前历元下该值对应的载波观测值，M为同步观测卫星数量，Μ≥4。
步骤(1)中的实测数据存在残差，残差在一定范围内波动，这种波动可能是形变位移造成，也可能是测量误差造成的，使用无偏估计法可以将测量误差分离出来。
步骤(2)使用无偏估计法消除实测数据的残差：
步骤(21)对每个监测站相对于基准站的实测数据，分别在历元间载波单差的基础上进行监测点间的载波差分，得到每个监测站相对于基准站的载波双差数组；
步骤(22)分别计算每个监测站相对于基准站的载波双差数组的平均值和标准差；若载波双差数组中的某一元素与平均值相减后的绝对值超过2倍标准差，则将元素替换为平均值；否则，保留该元素；得到每个监测站的精确数据。
将基准站标记为A，将各监测站标记为B，以实测数据为数据基础，对各监测站B相对于基准站A的实测数据，分别在历元间载波单差的基础上进行监测点间的载波差分，得到载波双差数组。用公式计算载波双差数组的平均值，其中，M为载波双差数组的长度，与同步观测卫星数量相等，为载波双差数组中的第i个元素值，1≤i≤M；用公式计算载波双差数组的标准差；当载波双差数组中的某一元素与μ差值的绝对值超过2σ时，剔除该值并用μ代替，否则保留原值，即：
步骤(3)求高边坡三维形变量：
步骤(31)计算每个监测站相对于基准站，到各个同步观测卫星的单差几何距离；
步骤(32)针对同一颗同步观测卫星，对每个监测站相对于基准站的精确数据进行载波单差运算，得到每个监测站相对于基准站的载波单差表达式；
步骤(33)将步骤(31)所得的单差几何距离分别代入步骤(32)所得的对应载波单差表达式中，得到每一颗同步观测卫星的载波单差向量方程；联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，得到载波单差矩阵方程组；并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，得到载波双差矩阵方程组；
步骤(34)建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程；
步骤(35)联立步骤(33)的载波双差矩阵方程组以及步骤(34)的矩阵方程组，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量。
步骤(31)中，由图2可知，bBA为基准站A指向监测站B的基线向量，为基准站A指向同步观测卫星j的单位向量，为基准站A对同步观测卫星j的载波测量值，为监测站B对同步观测卫星j的载波测量值，为单差几何距离，同理，为基准站A指向同步观测卫星k的单位向量，为基准站A对同步观测卫星k的载波测量值，为监测站B 对同步观测卫星k的载波测量值，1≤j≤M,1≤k≤M。
求单差几何距离： 为基准站A到同步观测卫星i的单位向量，为bBA为基准站A到监测站B的基线向量，1≤i≤M；
通过GPS接收机获取基准站A和监测站B的初始三维坐标，分别标记为(XA，YA，ZA)和(XB，YB，ZB)，做向量平差运算，得到基准站A到监测站B的基线向量：bBA＝(XB,YB,ZB)-(XA,YA,ZA)。
步骤(32)的精确数据是以电磁波波长为单位的载波相位测量值，与电磁波波长、电磁波频率、伪距测量值、电离层延时、对流层延时、接收机时钟误差、卫星时钟误差、整周模糊度以及测量误差有关；其中，由于各监测站与基准站之间距离小于预设值时，进行载波单差后可消除电离层延时误差、对流层延时误差以及测量误差。精确数据的表达式为：
其中，λ为电磁波的波长，f为电磁波的频率，r为伪距测量值，I为电离层延时，T为对流层延时，δtu为接收机时钟误差，δt(s)为卫星时钟误差，N为整周模糊度，εφ为测量误差；
基准站A和监测站B距离小于预设值，该预设值一般小于10km，进行载波单差后可消除电离层延时误差和对流层延时误差。基准站A对于同步观测卫星i的载波测量值表示为监测站B对于同步观测卫星i的载波测量值表示为：
基准站A与监测站B对于同步观测卫星i做载波单差，得：
由于基准站A和监测站B距离小于10km，载波单差后则电离层延时和对流层延时接近于零，因此：
上式中，为单差几何距离，为单差接收机时钟差，为单差整周模糊度，为测量噪声。可见，以电磁波波长为单位的载波相位测量值与电磁波波长、电磁波频率、伪距测量值、电离层延时、对流层延时、接收机时钟误差、卫星时钟误差、整周模糊度以及测量误差有关；其中，由于各监测站与基准站之间距离小于预设值时，可消除电离层延时误差和对流层延时误差；测量误差可忽略。
步骤(33)中，载波单差矩阵方程为：
步骤(33)中，载波双差矩阵方程为：
其中，载波单差矩阵方程中，为第n个同步观测卫星对应的精确数据中各监测站相对于基准站的相位差，λ为电磁波波长，c为电磁波速度，为基准站到第n个同步观测卫星的单位向量的转置，bBA为基准站A到监测站B的基线向量，δtBA为单差接收机时钟差，第n个同步观测卫星下的单差整周模糊度；载波双差矩阵方程是由载波单差矩阵方程做历元ti和ti+1的差分而得，1≤n≤M。
步骤(34)基线向量是指由基准站指向各监测站的向量，单差接收机时钟差是指各基准站的接收机与各监测站接收机的时钟差。建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程：
其中，ΔbBA为历元ti和ti+1间基线向量变化量，ΔδtBA为历元ti和ti+1间单差接收机时钟差变化量。
步骤(33)的载波双差矩阵方程和(34)的矩阵方程联立，并设得：
步骤(4)当高边坡三维形变量超出阈值，说明有发生地质灾害的风险。
为验证本发明的环境适应性以及监测精度，本发明进行大量的实验验证，验证时，基准站固定，监测点根据高边坡地质环境进行均匀性、代表性布控，平面定位精度可达±3mm，垂直定位精度为±5mm。

Claims (10)

1.一种高边坡形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)消除载波观测值粗差：
对基准站和每个监测站的载波观测值，分别进行历元间载波单差运算，剔除产生载波周跳的共视卫星数据，得到基准站和每个监测站的实测数据；基准站和每个监测站在每个历元的实测数据对应的共视卫星，为同步观测卫星；
步骤(2)使用无偏估计法消除实测数据的残差：
步骤(21)对每个监测站相对于基准站的实测数据，分别在历元间载波单差的基础上进行监测点间的载波差分，得到每个监测站相对于基准站的载波双差数组；
步骤(22)分别计算每个监测站相对于基准站的载波双差数组的平均值和标准差；若载波双差数组中的某一元素与平均值相减后的绝对值超过2倍标准差，则将元素替换为平均值；否则，保留该元素；得到每个监测站的精确数据；
步骤(3)求高边坡三维形变量：
步骤(31)计算每个监测站相对于基准站，到各个同步观测卫星的单差几何距离；
步骤(32)针对同一颗同步观测卫星，对每个监测站相对于基准站的精确数据进行载波单差运算，得到每个监测站相对于基准站的载波单差表达式；
步骤(33)将步骤(31)所得的单差几何距离分别代入步骤(32)所得的对应载波单差表达式中，得到每一颗同步观测卫星的载波单差向量方程；联立所有同步观测卫星的载波单差表达式，得到载波单差矩阵方程组；并对相邻两个历元的载波单差矩阵做差分，得到载波双差矩阵方程组；
步骤(34)建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程；
步骤(35)联立步骤(33)的载波双差矩阵方程组以及步骤(34)的矩阵方程组，运用最小二乘法计算出高边坡三维形变量；
步骤(4)当高边坡三维形变量超出阈值，说明有发生地质灾害的风险。
2.根据权利要求1所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：步骤(32)中的精确数据是以电磁波波长为单位的载波相位测量值。
3.根据权利要求1所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：步骤(34)中，基线向量是指由基准站指向各监测站的向量；单差接收机时钟差是指基准站的接收机与各监测站接收机的时钟差。
4.根据权利要求2所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：
步骤(32)的精确数据与电磁波波长、电磁波频率、伪距测量值、电离层延时、对流层延时、接收机时钟误差、卫星时钟误差、整周模糊度以及测量误差有关；其中，由于各监测站与基准站之间距离小于预设值时，进行载波单差后可消除电离层延时误差、对流层延时误差以及测量误差。
5.根据权利要求1所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：
步骤(33)中，载波单差矩阵方程为：
步骤(33)中，载波双差矩阵方程为：
其中，载波单差矩阵方程中，为第n个同步观测卫星对应的精确数据中各监测站相对于基准站的相位差，λ为电磁波波长，c为电磁波速度，为基准站到第n个同步观测卫星的单位向量的转置，bBA为基准站A到监测站B的基线向量，δtBA为单差接收机时钟差，第n个同步观测卫星下的单差整周模糊度；载波双差矩阵方程是由载波单差矩阵方程做历元ti和ti+1的差分而得，1≤n≤M。
6.根据权利要求1所述的一种高边坡形变监测方法，其特征在于：步骤(34)中，建立历元间的基线向量变化量与单差接收机时钟差变化量的矩阵方程：
Δ b B A Δδt B A = b B A , t i + 1 δt B A , t i + 1 - b B A , t i δt B A , t i ,
其中，ΔbBA为历元ti和ti+1间基线向量变化量，ΔδtBA为ti和ti+1间单差接收机始终差变化量。
7.基于权利要求1-6中任意一项所述的一种高边坡形变监测系统，其特征在于：
包括基准站、交换机以及至少一个监测站；
所述监测站包括监测站端GPS接收机以及监测站端控制器模块；所述监测站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述监测站端GPS接收机与监测站端控制器模块相连；所述各监测站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制与交换机传输数据；
所述基准站包括基准站端控制器模块以及基准站端GPS接收机；所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号；所述基准站端GPS接收机与基准站端控制器模块相连；所述基准站端控制器模块基于TCP/IP协议上的LXI总线机制接收交换机传输的数据。
8.根据权利要求7所述的一种高边坡形变监测系统，其特征在于：
所述各监测站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取各监测站相对于外部卫星的载波观测值和伪距测量值；所述载波观测值和伪距测量值输入至相应的监测站端控制器模块，在所述监测站端控制器模块的控制下经交换机输入至基准站端控制器模块；
所述基准站端GPS接收机接收外部卫星信号，获取基准站的载波观测值和伪距测量值，输入至基准站端控制器模块中，所述基准站端控制器模块对获取的数据进行形变监测运算和处理后，获取各监测点的高边坡形变量。
9.根据权利要求7所述的一种高边坡形变监测系统，其特征在于：所述监测站端GPS接收机及基准站端GPS接收机均为诺瓦泰GPS接收机。
10.根据权利要求7所述的一种高边坡形变监测系统，其特征在于：所述监测站端控制器模块以及基准站端控制器模块均为S3C2440。
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