CN112556632B - 一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，在地质体上部署精密定位监测主监测站和辅监测站，每个监测站都包含卫星定位模块、摄像头模块和角度变化测量模块，利用主监测站和辅监测站组成的多个监测点构成覆盖整个监测区的监测网络，建立区域三维坐标系，实时动态与大地坐标转换，每个监测站与特征点都具有区域三维坐标系的坐标值和大地坐标系坐标值，服务器软件是根据一个时间段内变化的监测站之间的基线长度、特征点坐标、监测站坐标和角度变化值综合计算，得出是否需要报警的结论，需要报警时，将由服务器发送通知给指定工作人员和主监测站报警模块进行报警，利用本发明可以更全面、准确地反映地质体的位移变化情况。

Description

一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法

技术领域

本发明涉及卫星定位技术领域，特别涉及一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法。

背景技术

地质体形变会导致滑坡、沉降、泥石流、崩塌等地质灾害，地质体形变监测包括地质体整体形变监测、地质体内应力应变监测、外部环境监测如降雨量、地下水位监测等。地质体形变监测需要综合多种技术和方法进行监测，形变监测是判断地质体形变的重要依据。卫星定位具有精度高、不受天气干扰、可以自动连续长时间进行实时监测等特点，利用卫星定位技术进行地质体位移监测已得到了广泛应用，现有方法是：在地质体附近地质稳定的位置(例如稳定的基岩)建立卫星定位基准站，部署高精度卫星定位接收机；在地质体上选择若干潜在易滑动的位置部署卫星定位监测站。基准站和监测站均获得高精度卫星定位信号，误差一般在2-3毫米，利用卫星定位基线处理软件对基准站和监测站之间的定位数据进行解算，求出基准站与监测站之间的坐标差，该结果是WGS-84地心坐标系统下的坐标差，假设基准站位置固定不变，则不同时间测出的坐标差变化，反映了监测点的形变。也有在此基础上附加摄像头，通过视频、图像的方式观察是否发生了形变，如滑坡、崩塌等。

现有方法基于卫星定位的滑坡等地质体形变监测仅计算监测站所处位置的位移变化，难以反映地质体区域整体的变化；自然界地质体的实际形变位移过程大多也不是地质体的均匀位移，往往伴随着不均匀的位移和角度变化，现有利用卫星定位监测地质体形变的设备和结构难以监测地质体的多维度、多尺度的形变情况；由于卫星定位信号受地形、树木遮挡等的影响，有时在部分区域监测的效果不好，获取的监测数据不完整；即便有用光学摄像头进行辅助视频监测、观察的，但对获取的相关视频数据主要还是起到用肉眼辅助远程观测的作用，没有更进一步的数据分析与挖掘。利用不同时相的卫星遥感雷达影像可以分析地质体的位移，但由于卫星遥感影像数据获取的周期较长，雷达影像分析的往往是较长时间段地质体的位移变化情况，难以针对地质体位移进行连续实时动态监测，为此，我们提出一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种利用协同精密定位监测地质体形变的结构，该结构包括多个安装在地质体上的精密定位形变监测站，所述的精密定位形变监测站包括主监测站和辅监测站，主监测站与辅监测站之间有线连接。

优选的，所述精密定位形变监测站获取毫米级精度的卫星定位数据、图像数据和误差小于±0.5°的角度变化数据；多个精密定位形变监测站的监测范围相叠加构成一个监测区，在监测区设置若干个特征点，特征点的位移变化可被连续实时测量。

优选的，所述主监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块、通讯模块、供电模块、报警模块组成，各模块之间电连接。

优选的，所述辅监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块组成，各模块之间电连接。

优选的，一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，该方法包括以下步骤：

监测站建立：在地质体上建立精密定位形变监测站，精密定位形变监测站包括主监测站与辅监测站；

建立坐标系：以精密定位形变监测站中的主监控站为原点建立区域三维坐标系；

坐标计算：精密定位形变监测站接收卫星定位信号，并利用卫星定位信号测算出主监测站和辅监测站所处位置的大地坐标；

像素坐标：监测站实时拍摄的图像的每一个像素都获得区域三维坐标和时间，并且这个坐标和时间可以被转换成大地坐标和时间；

基准检测：利用监测站上的陀螺仪实时监测到的角度变化数据来修正区域三维坐标系的坐标基准；

解算：对精密定位形变监测站获取的卫星定位数据、图像数据和角度变化数据都在主监测站进行解算，并发送到服务器；

选取特征点：在所述的精密定位形变监测站之间的外缘连线围成的监测区里，选择若干特征点，并由主监测站向服务器发送各摄像头拍摄到的特征点；

特征点坐标：被传到服务器的特征点通过服务器软件的实时综合解算，得出该特征点的当时的坐标值。

优选的，所述区域三维坐标系建立时，以主监测站卫星定位模块的天线相位中心点为坐标原点；以坐标原点与其所在的纬线的切线为Y轴，坐标原点向正东方向为Y轴正方向；以坐标原点与其所在的经线的切线为X轴，坐标原点向正南方向为X轴正方向；以与X、Y轴垂直的方向为Z轴，坐标原点指向天空的方向为Z轴正方向；坐标原点与X、Y、Z轴构成该监测区的一个区域三维坐标系。

优选的，所述大地坐标包括经度、纬度和高程，由主监测站的计算模块计算出每一个辅监测站与主监测站之间实时的基线长度，以及每一个辅监测站在区域三维坐标系里的X、Y、Z坐标值。

优选的，所述精密定位形变监测站获取的卫星定位数据是通过卫星定位模块获取的，可以接收卫星定位信号、地基增强卫星定位信号、星基增强卫星定位信号等多源卫星定位信号数据；图像数据是通过摄像头模块获取的，其中每一个像素会基于卫星定位数据由计算模块解算，赋予每一个像素一个坐标值；角度变化数据是由陀螺仪模块获取的；计算模块将获取的卫星定位数据、图像数据、角度变化数据进行解算，解算出此时的三维坐标系对应的大地坐标。

优选的，所述特征点可以是一个点状的自然地物，或者是人工涂画或制作的一个标识点，或者是其他易于识别的点，统称为特征点，特征点在摄像头拍摄的视频图像上可被明显的识别，特征点选取时至少被两个监测站上的摄像头拍摄到，且每个摄像头拍摄到的特征点的坐标数据会通过主监测站的通讯模块统一传输到服务器。

优选的，所述服务器对所有数据进行实时解算，通过解算结果判断地质体是否发生位移、形变，并且是往哪个方向发生的形变，形变的位移距离、角度变化是多少，并根据一个时间段内变化了的基线长度、特征点坐标、监测站坐标和角度变化值，综合计算，得出是否需要报警的结论，需要报警时，将由服务器发送通知给指定工作人员和主监测站报警模块进行报警，数据变化判断过程包括如下四种情况：

Ⅰ、主监测站与辅监测站之间的基线长度发生了变化；

Ⅱ、特征点的当前时间坐标值相比上一时刻或者前一任意时刻或者前一段时间的坐标值的均值发生了变化；

Ⅲ、主监测站与辅监测站的大地坐标分别或同时发生了变化；

Ⅳ、前述三种数值都发生了变化。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明综合利用卫星定位、视频图像特征点和角度变化数据构成的精密定位体系监测地质体形变，利用主监测站和辅监测站组成的多个监测点构成覆盖整个监测区的监测网络，建立区域三维坐标系，设置若干个特征点，可以通过对地质体上的若干特征点进行连续实时动态监测，从而全面监测和分析判断地质体可能发生的位移及其灾变情况，更全面、准确地反映地质体的位移变化。具体的，若主监测站与辅监测站之间的基线长度发生了变化，或者特征点的当前时间坐标值相比上一时刻或者前一任意时刻或者前一段时间的坐标值的均值发生了变化，或者主监测站与辅监测站的大地坐标分别或同时发生了变化，或者前述三种数值都发生了变化，服务器软件根据一个时间段内变化了的基线长度、特征点坐标、监测站坐标和角度变化值，综合计算，得出是否需要报警的结论，需要报警时，将由服务器发送通知给指定工作人员和主监测站报警模块进行报警。本发明可以更全面、准确地反映地质体的位移变化情况，克服现有技术的不足。

附图说明

图1为本发明一种利用协同精密定位监测地质体形变的结构整体结构的示意图；

图2为本发明一种利用协同精密定位监测地质体形变的结构中区域三维坐标系示意图；

图3为本发明一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法流程框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1所示，一种利用协同精密定位监测地质体形变的结构，实施例1.如图1所示，一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，该方法在地质体上安装多个精密定位形变监测站，精密定位形变监测站能同时获取毫米级精度的卫星定位数据、图像数据和误差小于±0.5°的角度变化数据；多个精密定位形变监测站的监测范围相叠加构成一个监测区。本发明综合利用卫星定位、视频图像特征点和角度变化数据构成的精密定位体系监测地质体形变，利用主监测站和辅监测站组成的多个监测点构成覆盖整个监测区的监测网络，建立区域三维坐标系，设置若干个特征点，可以更全面、更准确地反映地质体的位移变化情况。若主监测站与辅监测站之间的基线长度发生了变化，或者特征点的当前时间坐标值相比上一时刻或者前一任意时刻或者前一段时间的坐标值的均值发生了变化，或者主监测站与辅监测站的大地坐标分别或同时发生了变化，或者前述三种数值都发生了变化，服务器软件根据一个时间段内变化了的基线长度、特征点坐标、监测站坐标和角度变化值，综合计算，得出是否需要报警的结论，需要报警时，将由服务器发送通知给指定工作人员和主监测站报警模块进行报警。

该结构：在地质体相对稳定的位置安装精密定位形变主监测站S0；在其它易变形位置安装若干个精密定位形变辅监测站M1、M2......MN，以S0为原点构成三维坐标系；主监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块、通讯模块、供电模块、报警模块组成，各模块之间电连接；辅监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块组成，各模块之间电连接；主监测站与辅监测站之间通过线缆连接，由主监测站向辅监测站供电；辅监测站与主监测站之间可有线通讯或无线通讯连接；各监测站之间的外缘连线围成监测区，在监测区里选择若干个特征点P1、P2......PN，特征点可以是一个点状的自然地物，或者是人工涂画或制作的一个标识点，或者是其他易于识别的点，统称为特征点，每个特征点具有本地区域三维坐标系的坐标及转换成的大地坐标，特征点在摄像头拍摄的视频图像上可被明显的识别,特征点可被至少两个监测站上的摄像头拍摄到，也可被两个以上或全部监测站上的摄像头拍摄到；每个监测站获取的卫星定位数据、坐标数据、时间数据、视频图像数据、特征点数据、监测站的角度变化数据都传输到主监测站并通过主监测站的通讯模块经无线通讯或有线网络统一传输到服务器，主监测站通过通讯模块与数据中心服务器网络连接；服务器对获取的所有数据进行解算，通过解算结果判断地质体是否发生位移、形变，并且是往哪个方向发生的形变，形变的位移距离、角度变化是多少，得出是否需要报警的结论，需要报警时，将由服务器发送通知给指定工作人员和主监测站报警模块进行报警。主监测站由太阳能、风能等供电，电网供电条件许可的情况下，可由电网供电。

参照图3所示，具体的实施步骤：

(1)在地质体上安装1个精密定位形变监测主监测站、两个以上(含两个)精密定位形变监测辅监测站、用于供电的太阳能面板和锂电池，所有监测站的监测范围相叠加构成一个监测区，如图1所示，主监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块、通讯模块、供电模块、报警模块组成，各模块之间电连接；辅监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块组成，各模块之间电连接。主监测站与辅监测站之间通过线缆连接。主监测站与服务器之间网络连接；如图2所示，在监测区设置若干个特征点，特征点的位移变化可被连续实时测量。

(2)安装好精密定位形变监测主监测站、辅监测站及太阳能供电设备后，开启电源开关向主监测站供电、主监测站通过线缆向辅监测站供电。

(3)如图2所示以主监测站卫星定位模块的天线相位中心点为坐标原点；以坐标原点与其所在的纬线的切线为Y轴，坐标原点向正东方向为+Y；以坐标原点与其所在的经线的切线为X轴，坐标原点向正南方向为+X；以与X、Y轴垂直的方向为Z轴，坐标原点指向天空的方向为+Z；坐标原点与X、Y、Z轴构成该监测区的一个区域三维坐标系。

(4)主监测站和辅监测站可接收卫星定位信号，并利用卫星定位信号测算出主监测站和辅监测站所处位置的大地坐标，包括经度、纬度和高程；卫星定位信号包括码相位、伪距观测值和载波相位观测值，利用这些观测值计算出主监测站与每一个辅监测站之间的基线长度，以及每一个辅监测站在区域三维坐标系里的X、Y、Z坐标值。

(5)在区域三维坐标系里，监测站实时拍摄的图像的每一个像素都获得坐标和时间，这个坐标和时间同时转换成大地坐标和时间，大地坐标是由经度、纬度和高程组成的一组数据，时间的精度优于1秒。

(6)利用主监测站和辅监测站上的陀螺仪可实时监测其各个方向的角度变化情况，初始X轴与Y轴构成的平面为水平基准面，Z轴与X轴构成的平面为垂直基准面，Z轴与Y轴构成的平面为垂直横切面。

以X轴方向绕Y轴转动与XY平面(水平基准面)之间形成的夹角为俯仰角θ，俯仰角变化值为Δθ；Y轴方向绕X轴转动与XZ平面(垂直基准面)之间的夹角为横滚角β，横滚角变化值为Δβ；X轴方向绕Z轴转动与YZ平面(垂直横切面)形成的夹角为方向角α，方向角变化值为Δα。

其中，地质体X轴方向指向正南时，以α为0度，Δα为地质体X轴方向与正北之间的夹角。反映监测站的姿态变化情况，用一组角度变化量表示，即姿态变化量A是各个角度变化量和时间变量的一组函数，A＝f(Δθ,Δβ,Δα,t)，其中t是指时间变量。

(7)用姿态变化量A来实时修正区域三维坐标系基准，实时修正其与大地坐标系之间的转换关系，这个坐标系里的每一个点的坐标都可以转换成大地坐标和时间，大地坐标是由经度、纬度和高程组成的一组数据，时间的精度优于1秒。

(8)精密定位形变监测站获取的卫星定位数据、图像数据和角度变化数据都在主监测站进行第一次解算，解算出此时的三维坐标系对应的大地坐标，解算结果和原始数据由主监测站通过通讯模块发送到服务器。

(9)在精密定位形变监测站之间的外缘连线围成的监测区里，选择若干特征点，特征点可以是一个点状的自然地物，或者是人工涂画或制作的一个标识点，或者是其他易于识别的点，统称为特征点。每个特征点具有本地区域三维坐标系的坐标及转换成的大地坐标。特征点在摄像头拍摄的视频图像上可被明显的识别。

设置特征点时须保障可被至少两个监测站上的摄像头拍摄到，也可被两个以上或全部监测站上的摄像头拍摄到，每个摄像头拍摄到的特征点的坐标数据会通过主监测站的通讯模块统一传输到服务器；摄像头所拍摄到的特征点的坐标数据可连续实时动态获取，获取的频率可达到或优于1次/秒。

(10)被传到服务器的特征点的数据通过服务器软件的实时综合解算，得出该特征点的当时的坐标值。

(11)服务器对所有数据进行实时解算，通过解算结果判断地质体是否发生位移、形变，并且是往哪个方向发生的形变，形变的位移距离、角度变化是多少，是通过如下数据的变化来判断的：主监测站与辅监测站之间的基线长度发生了变化；或者特征点的当前时间坐标值相比上一时刻或者前一任意时刻或者前一段时间的坐标值的均值发生了变化；或者主监测站与辅监测站的大地坐标分别或同时发生了变化；或者前述三种数值都发生了变化。服务器软件根据一个时间段内变化了的基线长度、特征点坐标、监测站坐标和角度变化值，综合计算，得出是否需要报警的结论，需要报警时，将由服务器发送通知给指定工作人员和主监测站报警模块进行报警。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，其特征在于，该结构包括多个安装在地质体上的精密定位形变监测站，所述的精密定位形变监测站包括主监测站和辅监测站，主监测站与辅监测站之间有线连接；

所述精密定位形变监测站获取毫米级精度的卫星定位数据、图像数据和误差小于±0.5°的角度变化数据；多个精密定位形变监测站的监测范围相叠加构成一个监测区，在监测区设置若干个特征点，特征点的位移变化可被连续实时测量；

所述主监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块、通讯模块、供电模块、报警模块组成，各模块之间电连接；

所述辅监测站由卫星定位模块、摄像头模块、陀螺仪、计算模块组成，各模块之间电连接；

所述利用协同精密定位监测地质体形变的结构的使用方法，包括以下步骤：

监测站建立：在地质体上建立精密定位形变监测站，精密定位形变监测站包括主监测站与辅监测站；

建立坐标系：以精密定位形变监测站中的主监控站为原点建立区域三维坐标系；

坐标计算：精密定位形变监测站接收卫星定位信号，并利用卫星定位信号测算出主监测站和辅监测站所处位置的大地坐标；

像素坐标：监测站实时拍摄的图像的每一个像素都获得区域三维坐标和时间，并且这个坐标和时间可以被转换成大地坐标和时间；

基准检测：利用监测站上的陀螺仪实时监测到的角度变化数据来修正区域三维坐标系的坐标基准；

解算：对精密定位形变监测站获取的卫星定位数据、图像数据和角度变化数据都在主监测站进行解算，并发送到服务器；

选取特征点：在所述的精密定位形变监测站之间的外缘连线围成的监测区里，选择若干特征点，并由主监测站向服务器发送各摄像头拍摄到的特征点；

特征点坐标：被传到服务器的特征点通过服务器软件的实时综合解算，得出该特征点的当时的坐标值。

2.根据权利要求1所述的一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，其特征在于：所述区域三维坐标系建立时，以主监测站卫星定位模块的天线相位中心点为坐标原点；以坐标原点与其所在的纬线的切线为Y轴，坐标原点向正东方向为Y轴正方向；以坐标原点与其所在的经线的切线为X轴，坐标原点向正南方向为X轴正方向；以与X、Y轴垂直的方向为Z轴，坐标原点指向天空的方向为Z轴正方向；坐标原点与X、Y、Z轴构成该监测区的一个区域三维坐标系。

3.根据权利要求1所述的一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，其特征在于：所述大地坐标包括经度、纬度和高程，由主监测站的计算模块计算出每一个辅监测站与主监测站之间实时的基线长度，以及每一个辅监测站在区域三维坐标系里的X、Y、Z坐标值。

4.根据权利要求1所述的一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，其特征在于：所述精密定位形变监测站获取的卫星定位数据是通过卫星定位模块获取的，可以接收卫星定位信号、地基增强卫星定位信号、星基增强卫星定位信号等多源卫星定位信号数据；图像数据是通过摄像头模块获取的，其中每一个像素会基于卫星定位数据由计算模块解算，赋予每一个像素一个坐标值；角度变化数据是由陀螺仪模块获取的；计算模块将获取的卫星定位数据、图像数据、角度变化数据进行解算，解算出此时的三维坐标系对应的大地坐标。

5.根据权利要求1所述的一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，其特征在于：所述特征点可以是一个点状的自然地物，或者是人工涂画或制作的一个标识点，或者是其他易于识别的点，统称为特征点，特征点在摄像头拍摄的视频图像上可被明显的识别，特征点选取时至少被两个监测站上的摄像头拍摄到，且每个摄像头拍摄到的特征点的坐标数据会通过主监测站的通讯模块统一传输到服务器。

6.根据权利要求1所述的一种利用协同精密定位监测地质体形变结构的使用方法，其特征在于：所述服务器对所有数据进行实时解算，通过解算结果判断地质体是否发生位移、形变，并且是往哪个方向发生的形变，形变的位移距离、角度变化是多少，并根据一个时间段内变化了的基线长度、特征点坐标、监测站坐标和角度变化值，综合计算，得出是否需要报警的结论，需要报警时，将由服务器发送通知给指定工作人员和主监测站报警模块进行报警，数据变化判断过程包括如下四种情况：

Ⅰ、主监测站与辅监测站之间的基线长度发生了变化；

Ⅱ、特征点的当前时间坐标值相比上一时刻或者前一任意时刻或者前一段时间的坐标值的均值发生了变化；

Ⅲ、主监测站与辅监测站的大地坐标分别或同时发生了变化；

Ⅳ、前述三种数值都发生了变化。

Images