CN107764231B - 一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测系统及方法，监测系统包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理平台和监测预警平台，其中，数据采集模块包括GNSS天线、GNSS接收机和倾角传感器，数据处理平台通过数据传输模块收集由数据采集模块实时传输的数据并进行解码、解算和存储，监测预警平台综合分析和显示实时计算出的建筑物位移、沉降、倾斜变形信息，实现远程实时监测、实时分析、自动报警等功能。本发明所述监测系统和方法设计合理，结构清晰，实时对建筑物变形进行自动化监测和预警，利用北斗地基增强系统基准站为实时差分和事后解算服务提供基准，提高了监测效率和定位精度，节约了监测成本。
Description
技术领域
本发明属于建筑物变形监测技术领域，特别是一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测系统和方法。
背景技术
建筑物在使用期间，因受到地基的工程地质条件、地基处理方法、建(构)筑物上部结构的荷载等多种因素的综合影响，有可能引起地基以及四周地层发生变形，建筑物由于基础变形及其外部荷载与内部应力的共同作用，也要发生变形。这种变形在规定的范围内是可以的，如若超出了一定的限值，就会给建筑物的生产和运营带来安全隐患，严重时还会造成建筑物的开裂，或使建筑物发生不均匀沉降而导致倾斜，甚至造成建筑物的整体塌坊。因此，为保证建筑物安全，确定其变形因素、变形速度和变形规律，对异常变形作出分析和预报，以便及时采取应对措施，在建筑物的设计、施工以及运营管理阶段具有十分重要的意义。
GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)技术的快速发展使其应用于变形监测以及大型建筑物、构筑物的动态监测方面展现出了巨大的优势，应用也越来越广泛。该技术的优点是速度快、全天候、自动化程度高、受环境影响小、外业测量强度小，并且数据的完整性和连续性较高。传统的GNSS变形监测需要周期性重复观测，并求得各个时间段的变化量，由此反映出变形体的变形特征和变形规律。首先在观测区域的稳定位置上架设基准站，依据某期(一般选用首期)GNSS测量中变形监测点及基准点(工作基点)上的观测资料进行相对定位，进而求得变形监测点的三维坐标，并将其作为变形监测中的参考标准，然后采用类似方法进行定期或不定期的复测。但该方法的缺陷是：
(1)传统的GNSS变形监测技术需要周期性重复观测，依赖人工操作，自动化程度低，且每一期观测的间隔时间较长，不能实时监测变形；
(2)传统的GNSS变形监测技术中，一般需要在监测区域外的固定点上架设基准站，这在一定程度上增加了工作量，并且变形位移的精度受到基准站稳定性的影响；
(3)采用传统的GNSS变形监测技术基准站流动站模式的实时差分定位精度较低。
发明内容
本发明的目的是解决传统GNSS测量中需要人工复测，自动化程度低，且需要架设基准站，实时变形监测精度低的问题，提出了一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测系统和方法。
本发明提供如下技术方案：
一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测系统包括顺次连接的数据采集模块、数据传输模块、数据处理平台和监测预警平台；所述的数据采集模块用于采集GNSS和倾角传感器原始观测数据；数据传输模块用于在各模块和平台之间传递原始数据和消息指令；数据处理平台用于接收并处理GNSS和倾角传感器原始观测数据获取建筑物位移、沉降及倾斜信息；监测预警平台融合分析建筑物变形数据，通过网页显示建筑物位移、沉降及倾斜变形信息，实现远程自动监测、实时分析、自动报警和报表输出功能。
进一步地，所述数据采集模块包括GNSS天线、GNSS接收机和倾角传感器，其中，所述GNSS接收机采用四天线接收机，即GNSS接收机连接四个GNSS天线，所述GNSS天线安装于被监测建筑物的指定监测点，用于监测位移和沉降情况；所述倾角传感器安装于被监测建筑物的某个房屋角点或楼顶中心位置，且所述倾角传感器X轴和Y轴分别平行和垂直于楼体边线，用于监测建筑物倾斜状态，GNSS接收机和倾角传感器通过数据传输模块与数据处理平台相连。
进一步地，所述数据传输模块包括4GDTU模块和网络，其中，所述4GDTU模块采用移动、联通或电信三大运营商提供的4G流量卡用于监测数据的传输，所述网络为具有固定IP地址的有线网络。
进一步地，所述数据处理平台包括工程管理模块、数据存储模块和数据解算模块，其中，所述数据解算模块包括实时差分解算、事后相对定位和精密单点定位解算(PPP)三种解算模式，所述数据处理平台通过数据传输模块与监测预警平台相连。
进一步地，所述监测预警平台包括变形信息融合分析，数据查询、导入、导出模块，自动化监测模块、自动报警模块和报表输出模块。
一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测方法包括以下步骤：
(1)将四个GNSS天线分别置于建筑物指定的监测点上，通过线缆与GNSS四天线接收机相连，实时连续采集四个监测点的BDS、GPS、GLONASS“三星七频”原始观测数据；
(2)将GNSS四天线接收机通过串口与数据传输模块相连，同时，设置4GDTU的IP地址和端口向数据处理平台发送二进制GNSS原始观测数据；
(3)通过数据处理平台对接收的二进制GNSS原始观测数据进行解码，转换为RINEX格式观测数据，并进行标准单点定位(SPP)解算，获取四个监测点的概略位置；
(4)由数据处理平台将四个监测点的概略位置取平均值，作为虚拟参考站位置向北斗地基增强系统请求虚拟参考站观测值；其中，所述数据处理平台与北斗地基增强系统通过数据传输模块实现双向通信，发送数据为NMEAGGA格式数据，接收数据为RTCM3.2MSM4格式数据，并将接收数据解码为RINEX格式观测数据；
(5)由数据处理平台将虚拟参考站观测值与监测点观测值进行实时差分短基线解算和事后短基线解算，根据虚拟参考站位置获取监测点的坐标，事后短基线解算模式将观测数据按照预设的时间间隔H进行分割存储和解算，用户可根据精度和监测需求选择不同的间隔；
(6)数据处理平台也可事后获得北斗地基增强系统基准站的观测数据，与监测点观测数据直接进行相对定位，获取监测点的位置；所述数据处理平台还可利用精密单点定位解算(PPP)模块，事后单独解算每个监测点的位置；
(7)由数据处理平台将步骤(5)的实时解算结果和步骤(6)的事后不同策略和解算模式的结果存储到SQLSERVER数据库中；倾角传感器将采集到的各监测点的倾角变化量信息通过数据传输模块直接存储到SQLSERVER数据库中；
(8)监测预警平台以B/S为构架，实时或事后读取SQLSERVER数据库中监测点变形信息进行融合分析，所述变形信息包括定位信息和倾角变化信息；所述监测预警平台对变形信息进行查询、显示、导出，同时按照变形规范要求设置预警值，如果建筑物变形过大超过阈值则进行报警，将报警信息即时发送客户手机短信和/或邮箱。
进一步地，所述的预设时间间隔H为0.5、1、2、4、6或12小时。
本发明的优点和有益效果：
基于北斗系统的发展和北斗地基增强系统建设，本发明充分利用北斗地基增强技术、差分定位等相关技术，利用北斗地基增强系统的稳定基站取代传统监测方案中架设的基准站，用以实时监测建筑物位移变化，同时兼容倾角传感器，采集到的被监测建筑物各监测点的倾角变化量信息与位移信息进行融合分析，使变形分析更加系统和可靠。其设计合理，结构清晰，利用北斗地基增强系统基准站为实时差分和事后解算服务提供基准，无需在监测区域设置基准站，提高了实时变形监测效率和定位精度。
附图说明
图1为基于北斗地基增强的建筑物变形监测系统结构图；
图2为基于北斗地基增强的建筑物变形监测方法原理图；
图3为点实时位移变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合房屋监测场景对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测系统包括顺次连接的数据采集模块1、数据传输模块2、数据处理平台3和监测预警平台4；所述的数据采集模块1用于采集GNSS和倾角传感器原始观测数据；数据传输模块2用于在各模块和平台之间传递原始数据和消息指令；数据处理平台3用于接收并处理GNSS和倾角传感器原始观测数据获取建筑物位移、沉降及倾斜信息；监测预警平台4融合分析建筑物变形数据，通过网页显示建筑物位移、沉降及倾斜变形信息，实现远程自动监测、实时分析、自动报警和报表输出功能。
所述数据采集模块1包括GNSS天线11、GNSS接收机12和倾角传感器13，其中，所述GNSS接收机11采用四天线接收机，即GNSS接收机12连接四个GNSS天线11，所述GNSS天线11安装于被监测建筑物的指定监测点，用于监测位移和沉降情况；所述倾角传感器13安装于被监测建筑物的某个房屋角点或楼顶中心位置，且所述倾角传感器X轴和Y轴分别平行和垂直于楼体边线，用于监测建筑物倾斜状态，GNSS接收机12和倾角传感器13通过数据传输模块2与数据处理平台3相连。
所述数据传输模块2包括4GDTU模块21和网络22，其中，所述4GDTU模块21采用移动、联通或电信三大运营商提供的4G流量卡用于监测数据的传输，所述网络22为具有固定IP地址的有线网络。
所述数据处理平台3包括工程管理模块31、数据存储模块32和数据解算模块33，其中，所述数据解算模块33包括实时差分解算、事后相对定位和精密单点定位解算(PPP)三种解算模式，所述数据处理平台3通过数据传输模块2与监测预警平台4相连。
所述监测预警平台4包括变形信息融合分析41，数据查询、导入、导出模块43，自动化监测模块42、自动报警模块44和报表输出模块45。
如图2所示，一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测方法包括以下步骤：
(1)将四个GNSS天线11分别置于建筑物指定的监测点上，通过线缆与GNSS四天线接收机12相连，实时连续采集四个监测点的BDS、GPS、GLONASS“三星七频”原始观测数据；
(2)将GNSS四天线接收机12通过串口与数据传输模块2相连，同时，设置4GDTU21的IP地址和端口向数据处理平台3发送二进制GNSS原始观测数据；
(3)通过数据处理平台3对接收的二进制GNSS原始观测数据进行解码，转换为RINEX格式观测数据，并进行标准单点定位(SPP)解算，获取四个监测点的概略位置；
(4)由数据处理平台3将四个监测点的概略位置取平均值，作为虚拟参考站位置向北斗地基增强系统请求虚拟参考站观测值；其中，所述数据处理平台3与北斗地基增强系统通过数据传输模块2实现双向通信，发送数据为NMEAGGA格式数据，接收数据为RTCM3.2MSM4格式数据，并将接收数据解码为RINEX格式观测数据；
(5)由数据处理平台3将虚拟参考站观测值与监测点观测值进行实时差分短基线解算和事后短基线解算，根据虚拟参考站位置获取监测点的坐标，事后短基线解算模式将观测数据按照预设的时间间隔H进行分割存储和解算，用户可根据精度和监测需求选择不同的间隔；
(6)数据处理平台3也可事后获得北斗地基增强系统基准站的观测数据，与监测点观测数据直接进行相对定位，获取监测点的位置；所述数据处理平台3还可利用精密单点定位解算(PPP)模块，事后单独解算每个监测点的位置；
(7)由数据处理平台3将步骤(5)的实时解算结果和步骤(6)的事后不同策略和解算模式的结果存储到SQLSERVER数据库中；倾角传感器13将采集到的各监测点的倾角变化量信息通过数据传输模块2直接存储到SQLSERVER数据库中；
(8)监测预警平台4以B/S为构架，实时或事后读取SQLSERVER数据库中监测点变形信息进行融合分析，所述变形信息包括定位信息和倾角变化信息；所述监测预警平台对变形信息进行查询、显示、导出，同时按照变形规范要求设置预警值，如果建筑物变形过大超过阈值则进行报警，将报警信息即时发送客户手机短信和/或邮箱。
所述的预设时间间隔H为0.5、1、2、4、6或12小时。
依据上述建筑物变形监测系统及方法，进行房屋监测，监测点名分别设置为GPS1、GPS2、GPS3、GPS4，其中GPS1—GPS2基线向量实时变化如图3所示。从图中可以看出，监测点的平面位移变化比较小，短时间变化比较稳定，收敛之后的实时RTK定位精度达到厘米级。
下表1给出了7天解算的1小时解模式下监测点基线精度平均值，从表中结果可以看出，事后1小时解算平面精度达到1mm左右，高程精度1.5mm左右。可以看出事后解算精度高于实时解算精度。
表12017年7月28日-8月4日1小时解模式基线解算精度平均值(mm)
| 基线 | STD_X | STD_Y | STD_H |
| GPS1-GPS2 | 0.9 | 1.0 | 1.3 |
| GPS1-GPS3 | 1.0 | 1.2 | 1.6 |
| GPS1-GPS4 | 1.1 | 1.3 | 1.8 |
| GPS2-GPS3 | 1.8 | 1.0 | 1.3 |
| GPS2-GPS4 | 0.9 | 1.1 | 1.4 |
| GPS3-GPS4 | 1.0 | 1.1 | 1.5 |
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (1)
1.一种基于北斗地基增强的建筑物变形监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)将四个GNSS天线分别置于建筑物指定的监测点上，通过线缆与GNSS四天线接收机相连，实时连续采集四个监测点的BDS、GPS、GLONASS“三星七频”原始观测数据；
(2)将GNSS四天线接收机通过串口与数据传输模块相连，同时，设置4GDTU的IP地址和端口向数据处理平台发送二进制GNSS原始观测数据；
(3)通过数据处理平台对接收的二进制GNSS原始观测数据进行解码，转换为RINEX格式观测数据，并进行标准单点定位解算，获取四个监测点的概略位置；
(4)由数据处理平台将四个监测点的概略位置取平均值，作为虚拟参考站位置向北斗地基增强系统请求虚拟参考站观测值；其中，所述数据处理平台与北斗地基增强系统通过数据传输模块实现双向通信，发送数据为NMEAGGA格式数据，接收数据为RTCM3.2MSM4格式数据，并将接收数据解码为RINEX格式观测数据；
(5)由数据处理平台将虚拟参考站观测值与监测点观测值进行实时差分短基线解算和事后短基线解算，根据虚拟参考站位置获取监测点的坐标，事后短基线解算模式将观测数据按照预设的时间间隔H进行分割存储和解算，用户可根据精度和监测需求选择不同的间隔，所预设的时间间隔H为可在0.5、1、2、4、6或12小时中选择；
(6)数据处理平台也可事后获得北斗地基增强系统基准站的观测数据，与监测点观测数据直接进行相对定位，获取监测点的位置；所述数据处理平台还可利用精密单点定位解算模块，事后单独解算每个监测点的位置；
(7)由数据处理平台将步骤(5)的实时解算结果和步骤(6)的事后不同策略和解算模式的结果存储到SQLSERVER数据库中；倾角传感器将采集到的各监测点的倾角变化量信息通过数据传输模块直接存储到SQLSERVER数据库中；
(8)监测预警平台以B/S为构架，实时或事后读取SQLSERVER数据库中监测点变形信息进行融合分析，所述变形信息包括定位信息和倾角变化信息；所述监测预警平台对变形信息进行查询、显示、导出，同时按照变形规范要求设置预警值，如果建筑物变形过大超过阈值则进行报警，将报警信息即时发送客户手机短信和/或邮箱。
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