CN108007421B - 一种基于gnss的地表变形连续监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，包括以下步骤：步骤一、建立GNSS观测站；步骤二、获取观测基线的长度变形量；步骤三、计算观测基线的应变分量；步骤四、计算观测基线的应变分量的平均值；步骤五、计算待监测区域的应变参数；步骤六、计算观测基线的剪切斜应变参数；步骤七、重复步骤二至步骤六，对待监测区域进行连续监测。本发明结构简单、设计合理，通过检测GNSS观测站的位移量，得到观测基线的长度变形量，由观测基线的长度变形量计算待监测区域的应变参数和每一条观测基线的剪切斜应变参数，对被监测区域的应力积累变化提供有效参考，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种基于GNSS的地表变形连续监测方法

技术领域

本发明属于变形监测技术领域，具体涉及一种基于GNSS的地表变形连续监测方法。

背景技术

变形是自然界一种普遍存在的自然现象，它既存在于自然地球结构中，也存在于一切人类工程建设的构筑物中。它是指客体在多种因素、荷载的共同作用下，形状、大小及位置在时间和空间域中的变化过程。由于变形存在的普遍性，它在一定的范围内是被允许的，但是如果超出了允许限制，则可能会引发变形的次生灾害，如滑坡、崩塌、沉陷、溃坝、桥梁与其他建筑物的倒塌。

GNSS指的是全球卫星导航系统，属于集成多国导航卫星星座的定位导航技术，包括美国的GPS，中国的北斗系统，俄罗斯的GLONAS和欧洲的伽利略系统。利用GNSS连续观测的变形监测指的是，通过GNSS获取同一点在不同时刻的相对位移信息，从而分析、并实时掌握变形体的变形规律，为减灾、防灾提供参考依据。GNSS技术应用于短距离的变形监测的精度可以达到亚豪米级，完全能够满足重大工程建筑物及滑坡、崩塌、地壳形变等高精度变形监测的精度需求。因此，建立GNSS变形监测的在线实时监测分析系统，实现实地评价变形和预测变形趋势的监测功能，是相关工程研究、应用领域的一个重要的发展趋势。

对于GNSS观测站得到的这些原始观测数据的处理方法主要有静态数据处理法、单历元解算法、动态卡尔曼滤波法、谱分析法、小波变换法、神经网络法等。目前存在的问题是，无论采用哪种数据处理方法，所得到的处理结果均为观测点位置坐标的时间序列。所得的时间序列图像虽然能够很好的反映监测对象的实时变形过程，但是对于其变形程度的分析也仅仅局限于时间序列曲线的连续性、稳定性、周期性等几方面的单一评估。然而地表的观测位移量并不能够代表观测期间监测体变形过程中正在积累的应变或者应力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其结构简单、设计合理，通过检测GNSS观测站的位移量，得到观测基线的长度变形量，由观测基线的长度变形量计算待监测区域的应变参数和每一条观测基线的剪切斜应变参数，对被监测区域的应力积累变化提供有效参考，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立GNSS观测站：在待监测区域的地表表面建立n个GNSS观测站，n为大于3的整数，任意三个GNSS观测站不共线，任意两个GNSS观测站的连线为观测基线，观测基线的条数共i条，

步骤二、获取观测基线的长度变形量：n个GNSS观测站分别实时获取其所在位置处的位移量，并将获取到的n个GNSS观测站所在位置处的位移量分别实时传输给计算机，计算机根据接收到的n个GNSS观测站所在位置处的位移量计算得到i条观测基线的长度变形量，并将i条观测基线的长度变形量存储在观测基线长度变形量库e中，e＝{e₁,e₂,...,e_j,...,e_i}，其中，e_j表示第j条观测基线的长度变形量，j＝1、2、...、i；

步骤三、计算观测基线的应变分量：计算机根据公式计算和其中，表示第j条观测基线在x轴方向上的应变分量，表示第j条观测基线在y轴方向上的应变分量，表示第j条观测基线在xy坐标轴角平均线方向上的应变分量，θ_j表示第j条观测基线的方向角，κ_j表示第j条观测基线的应变分量系数；

步骤四、计算观测基线的应变分量的平均值：计算机根据公式计算和其中，表示i条观测基线在x轴方向上的应变分量的平均值，表示i条观测基线在y轴方向上的应变分量的平均值，表示i条观测基线在xy坐标轴角平均线方向上的应变分量的平均值；

步骤五、计算待监测区域的应变参数：计算机根据公式计算待监测区域的应变参数，待监测区域的应变参数包括第一剪应变参数r₁、第二剪应变参数r₂和面应变参数ε_α；

步骤六、计算观测基线的剪切斜应变参数：计算机根据步骤五中的第一剪应变参数r₁和第二剪应变参数r₂，获得i条观测基线的剪切斜应变参数，其中，i条观测基线中的第j条观测基线的剪切斜应变参数r(θ_j)的计算公式为：r(θ_j)＝r₁sin2θ_j+r₂cos2θ_j；

步骤七、重复步骤二至步骤六，对待监测区域进行连续监测。

上述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：计算机将步骤五得到的待监测区域的应变参数和步骤六中得到的i条观测基线的剪切斜应变参数通过显示器显示。

上述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：所述GNSS观测站包括用于获取基准GNSS数据值的基准GNSS模块、用于实时获取GNSS数据监测值的监测GNSS模块，以及与所述基准GNSS模块和监测GNSS模块均连接的数据解算模块，所述数据解算模块与计算机通信连接。

上述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：步骤一中任意两个所述GNSS观测站之间的距离不大于10km。

上述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：步骤三中，第1条观测基线的应变分量系数κ₁、第2条观测基线的应变分量系数κ₂、...、第j条观测基线的应变分量系数κ_j和第i条观测基线的应变分量系数κ_i均相等。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单，设计合理，实现及使用操作方便。

2、本发明通过检测GNSS观测站的位移量，得到观测基线的长度变形量，然后将观测基线的长度变形量转换为观测基线的x轴方向应变分量、y轴方向应变分量和xy坐标轴角平均线方向应变分量的函数，应变分量的大小变化与地表变形过程中的应力积累和应力释放息息相关，可对被监测区域的应力积累变化提供有效参考。

3、本发明以j条观测基线在三个方向上的应变分量的平均值来计算待监测区域的应变参数：第一剪应变参数r₁、第二剪应变参数r₂和面应变参数ε_α，以第一剪应变参数r₁、第二剪应变参数r₂和面应变参数ε_α反应待监测区域的压缩和膨胀情况，方便工作人员对待监测区域的地表变形进行直观的了解。

4、本发明根据待监测区域的第一剪应变参数r₁、第二剪应变参数r₂和每一条观测基线的方向角计算得到每一条观测基线的剪切斜应变参数，以每一条观测基线的剪切斜应变参数反应每一条观测基线的相对变形量，计算简便。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，通过检测GNSS观测站的位移量，得到观测基线的长度变形量，由观测基线的长度变形量计算得到待监测区域的应变参数和每一条观测基线的剪切斜应变参数，对被监测区域的应力积累变化提供有效参考，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

图2为本发明的方法流程图。

附图标记说明:

1—基准GNSS模块；2—计算机；3—显示器；

4—监测GNSS模块；5—数据解算模块。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括以下步骤：

步骤一、建立GNSS观测站：在待监测区域的地表表面建立n个GNSS观测站，n为大于3的整数，任意三个GNSS观测站不共线，任意两个GNSS观测站的连线为观测基线，观测基线的条数共i条，

实际使用时，要求待监测区域内的每一个GNSS观测站都至少有三个不同方向的观测基线，因此待监测区域内GNSS观测站的数量大于3，且任意三个GNSS观测站不共线。

步骤二、获取观测基线的长度变形量：n个GNSS观测站分别实时获取其所在位置处的位移量，并将获取到的n个GNSS观测站所在位置处的位移量分别实时传输给计算机2，计算机2根据接收到的n个GNSS观测站所在位置处的位移量计算得到i条观测基线的长度变形量，并将i条观测基线的长度变形量存储在观测基线长度变形量库e中，e＝{e₁,e₂,...,e_j,...,e_i}，其中，e_j表示第j条观测基线的长度变形量，j＝1、2、...、i。

GNSS观测站包括用于获取基准GNSS数据值的基准GNSS模块1、用于实时获取GNSS数据监测值的监测GNSS模块4，以及与所述基准GNSS模块1和监测GNSS模块4均连接的数据解算模块5，所述数据解算模块5与所述计算机2通信连接。

监测GNSS模块4实时获取GNSS观测站所在位置处的位置坐标，并将前一天获取的GNSS观测站所在位置处的位置坐标存储在基准GNSS模块1中，以监测GNSS模块4前一天获取的GNSS观测站所在位置处的位置坐标作为该GNSS观测站所在位置处的基准坐标，监测GNSS模块4将实时获取的GNSS观测站的位置坐标发送给数据解算模块5，基准GNSS模块1将存储在基准GNSS模块1中的基准坐标发送给数据解算模块5，数据解算模块5对GNSS观测站的基准坐标和GNSS观测站的位置坐标进行差值处理，得到GNSS观测站所在位置处的位移量，然后将得到的GNSS观测站所在位置处的位移量发送给计算机2。

实际使用时，计算机2接收到n个GNSS观测站所在位置处的位移量后，根据任意两个GNSS观测站的基准坐标计算得到由该两个GNSS观测站构成的观测基线的原始长度，根据该两个GNSS观测站的位移量和由该两个GNSS观测站构成的观测基线的原始长度，计算得到由该两个GNSS观测站构成的观测基线的长度变形量，重复上述步骤直到完成i条观测基线的长度变形量的计算，并将i条观测基线的长度变形量存储在观测基线长度变形量库e，e＝{e₁,e₂,...,e_j,...,e_i}。

步骤三、计算观测基线的应变分量：计算机2根据公式计算和其中，表示第j条观测基线在x轴方向上的应变分量，表示第j条观测基线在y轴方向上的应变分量，表示第j条观测基线在xy坐标轴角平均线方向上的应变分量，θ_j表示第j条观测基线的方向角，κ_j表示第j条观测基线的应变分量系数。

观测基线的长度变形量仅表示待监测区域的地表几何层面的变化特征，并不能够表示待监测区域的地表变形过程中正在积累的应变量，应变量是描述待监测区域的地表的应力状态的物理量，根据待监测区域的地表的应力状态可明显得知待监测区域在受到外力或内力作用时，其应力的大小和方向变化。

观测基线的应变分量包括x轴方向上的应变分量y轴方向上的应变分量和xy坐标轴中线方向上的应变分量步骤三将观测基线的长度变形量表示为该观测基线的应变分量的函数，根据观测基线的长度变形量可解算出该观测基线的的应变分量，观测基线的应变分量的大小变化与待监测区域的地表变形过程中的应力积累和应力释放息息相关，通过应变分量描述待监测区域的地表的应力状态，可用于监测待监测区域的地表变形过程的稳定性。

θ_j表示x轴正方向逆时针旋转至第j条观测基线所跨过的角度，由于观测基线的在方向上的变化远远小于现有的GNSS观测精度，因此忽略θ_j的变形，对于一个位置确定的观测基线来说，θ_j是常数，可以根据构成此观测基线的两个GNSS观测站的位置坐标计算得到θ_j。

步骤一中在待监测区域的地表表面建立GNSS观测站时，任意两个所述GNSS观测站之间的距离不大于10km，此时认为待监测区域属于小区监测区域，小区监测区域内x轴方向、y轴方向和xy坐标轴中线方向上的应变分量是唯一的，因此，第1条观测基线的应变分量系数κ₁、第2条观测基线的应变分量系数κ₂、...、第j条观测基线的应变分量系数κ_j和第i条观测基线的应变分量系数κ_i均相等，即κ₁＝κ₂＝...＝κ_j＝...＝κ_i，所以，

步骤四、计算观测基线的应变分量的平均值：计算机2根据公式计算和其中表示i条观测基线在x轴方向上的应变分量的平均值，表示i条观测基线在y轴方向上的应变分量的平均值，表示i条观测基线在xy坐标轴角平均线方向上的应变分量的平均值。

实际使用时，任意两个所述GNSS观测站之间的距离不大于10km，则κ₁＝κ₂＝...＝κ_j＝...＝κ_i，则因此，对i条观测基线在三个方向上的应变分量计算平均值，以i条观测基线在x轴方向上的应变分量的平均值代表待监测区域的在x轴方向上的应变分量，以i条观测基线在y轴方向上的应变分量的平均值代表待监测区域的在y轴方向上的应变分量，以i条观测基线在xy坐标轴中线方向上的应变分量的平均值代表待监测区域的在xy坐标轴中线方向上的应变分量，以此监测待监测区域的地表变形过程的稳定性。本实施例中，xy坐标轴中线方向指的是x轴正方向和y轴正方向之间的角平均线方向。

步骤五、计算待监测区域的应变参数：计算机2根据公式计算待监测区域的应变参数，待监测区域的应变参数包括第一剪应变参数r₁、第二剪应变参数r₂和面应变参数ε_α。

实际使用时，r₁表示待监测区域的第一剪应变参数，r₂表示待监测区域的第二剪应变参数，通过r₁和r₂的正负取值判断待监测区域地表沿特定方向的变形情况。具体判断过程如下：r₁为正值时表示待监测区域的地表受到东西向伸长、南北向压缩的形变；r₁为负值时表示待监测区域的地表受到东西向压缩、南北向伸长的形变。r₂为正值时表示待监测区域的地表受到北东-南西向伸长、北西-南东向压缩的形变；r₂为负值表示待监测区域的地表受到北东-南西向压缩、北西-南东向伸长的形变。

根据待监测区域的面应变参数ε_α判断待监测区域的地面变形情况。ε_α一直在减小，表明待监测区域的地表在不断的压缩变形；ε_α一直在增大，则表明待监测区域的地表在不断的膨胀。

步骤六、计算观测基线的剪切斜应变参数：计算机2根据步骤五中的第一剪应变参数r₁和第二剪应变参数r₂，获得i条观测基线的剪切斜应变参数，其中，i条观测基线中的第j条观测基线的剪切斜应变参数r(θ_j)的计算公式为：r(θ_j)＝r₁sin2θ_j+r₂cos2θ_j。

r(θ_j)表示第j条观测基线的剪切斜应变参数，r(θ_j)可以反应出第j条观测基线的变形量，根据第j条观测基线的变形量得到构成第j条观测基线的两个GNSS观测站之间的地表变形情况。

步骤七、重复步骤二至步骤六，对待监测区域进行连续监测。

如图1所示，本实施例中，计算机2将步骤五得到的待监测区域的应变参数和步骤六中得到的i条观测基线的剪切斜应变参数通过显示器3显示。

实际使用时，计算机2将实时监测得到的第j条观测基线的剪切斜应变参数r(θ_j)和待监测区域的第一剪应变参数r₁、第二剪应变参数r₂和面应变参数ε_α通过显示器3以图形显示，可以使工作人员更加直观的了解到待监测区域的地表变形情况。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立GNSS观测站：在待监测区域的地表表面建立n个GNSS观测站，n为大于3的整数，任意三个GNSS观测站不共线，任意两个GNSS观测站的连线为观测基线，观测基线的条数共i条，

步骤二、获取观测基线的长度变形量：n个GNSS观测站分别实时获取其所在位置处的位移量，并将获取到的n个GNSS观测站所在位置处的位移量分别实时传输给计算机(2)，计算机(2)根据接收到的n个GNSS观测站所在位置处的位移量计算得到i条观测基线的长度变形量，并将i条观测基线的长度变形量存储在观测基线长度变形量库e中，e＝{e₁,e₂,...,e_j,...,e_i}，其中，e_j表示第j条观测基线的长度变形量，j＝1、2、...、i；

步骤三、计算观测基线的应变分量：计算机(2)根据公式计算和其中，表示第j条观测基线在x轴方向上的应变分量，表示第j条观测基线在y轴方向上的应变分量，表示第j条观测基线在xy坐标轴角平均线方向上的应变分量，θ_j表示第j条观测基线的方向角，κ_j表示第j条观测基线的应变分量系数；

步骤四、计算观测基线的应变分量的平均值：计算机(2)根据公式计算和其中，表示i条观测基线在x轴方向上的应变分量的平均值，表示i条观测基线在y轴方向上的应变分量的平均值，表示i条观测基线在xy坐标轴角平均线方向上的应变分量的平均值；

步骤五、计算待监测区域的应变参数：计算机(2)根据公式计算待监测区域的应变参数，待监测区域的应变参数包括第一剪应变参数r₁、第二剪应变参数r₂和面应变参数ε_α；

步骤六、计算观测基线的剪切斜应变参数：计算机(2)根据步骤五中的第一剪应变参数r₁和第二剪应变参数r₂，获得i条观测基线的剪切斜应变参数，其中，i条观测基线中的第j条观测基线的剪切斜应变参数r(θ_j)的计算公式为：r(θ_j)＝r₁sin2θ_j+r₂cos2θ_j；

步骤七、重复步骤二至步骤六，对待监测区域进行连续监测。

2.按照权利要求1所述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：计算机(2)将步骤五得到的待监测区域的应变参数和步骤六中得到的i条观测基线的剪切斜应变参数通过显示器(3)显示。

3.按照权利要求1所述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：所述GNSS观测站包括用于获取基准GNSS数据值的基准GNSS模块(1)、用于实时获取GNSS数据监测值的监测GNSS模块(4)，以及与基准GNSS模块(1)和监测GNSS模块(4)均连接的数据解算模块(5)，所述数据解算模块(5)与计算机(2)通信连接。

4.按照权利要求1所述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：步骤一中任意两个所述GNSS观测站之间的距离不大于10km。

5.按照权利要求4所述的一种基于GNSS的地表变形连续监测方法，其特征在于：步骤三中，第1条观测基线的应变分量系数κ₁、第2条观测基线的应变分量系数κ₂、...、第j条观测基线的应变分量系数κ_j和第i条观测基线的应变分量系数κ_i均相等。