CN114838654A - 基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置 - Google Patents

基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置，所述测量装置包括深层水平位移监测模块以及北斗位移监测模块，所述深层水平位移监测模块位于被监测的岩土体内，用于监测岩土体深层水平位移；所述深层水平位移监测模块的上方固定有北斗位移监测模块，所述北斗位移监测模块用于通过北斗监测地表水平及竖向位移。所述监测装置具有测量精度及信噪比高，融合性好，稳定及可靠性高，建设成本低等优点。

Description

基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置
技术领域
本发明涉及空间形变监测装置技术领域，尤其涉及一种基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置。
背景技术
岩土或结构工程安全问题受到业界普遍关注与重视，空间变形监测一直为岩土或结构工程安全分析评估、防治决策等工作提供了重要的科学数据支持。当前岩土或结构工程空间变形监测内容较多，尤以地表水平竖向位移及深层水平位移的监测最为关键。地表位移监测方法或手段主要有全站仪、测量机器人、北斗(GNSS)变形监测、无人机倾斜摄影、合成孔径雷达、三维激光扫描仪等，深层位移监测以滑动式或固定式测斜仪、阵列位移计等测斜法为主。但工程安全监测应用场景中，这些在线监测方法或手段普遍独立建设运行，监测单元数据融合性较差，数据成果准确性、可靠性较低；同时，系统监测单元集成度较低，独立建设成本相对较高，不利于工程安全监测要求及普适性应用推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种测量精度高，建设成本低的基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置，其特征在于：包括深层水平位移监测模块以及北斗位移监测模块，所述深层水平位移监测模块位于被监测的岩土体内，用于监测深层水平位移；所述深层水平位移监测模块的上方固定有北斗位移监测模块，所述北斗位移监测模块用于通过北斗监测地表水平及竖向位移；
采用地表位移融合算法，融合北斗位移监测模块和深层水平位移监测模块的地表水平位移值，计算地表水平位移融合值；
采用深层位移平差算法，以地表水平位移融合值和深层水平位移监测模块底端位移值为边界，对深层位移监测模块各传感器节点进行测量平差，得改正值；
用所得改正值对所有深层位移传感器测量数据进行更新，用所得地表水平位移融合值对北斗监测模块测量值进行同步更新。
进一步的技术方案在于：所述深层水平位移监测模块包括位于岩土体的监测孔内的测斜管，所述测斜管内设置有测量杆，所述测量杆包括若干个倾角传感器、若干个连接杆以及若干个万向接头，所述连接杆的两端分别设置有一个万向接头，所述倾角传感器通过万向接头以及连接杆间隔的连接到一起构成测量杆，所述测斜管与所述监测孔之间的间隙通过填充层进行填充。
进一步的技术方案在于：所述北斗位移监测模块包括支撑杆，所述支撑杆的下端固定在所述深层水平位移监测模块上，所述支撑杆的上端设置有北斗接收机集成机箱、电源供电系统以及天线罩，所述北斗接收机集成机箱用于监测地表水平及竖向位移，所述电源供电系统用于为所述深层水平位移监测模块以及北斗位移监测模块中需要供电的模块提供工作电源，所述倾角传感器测量的值通过有线网络传输给所述北斗接收机集成机箱内的采集器进行数据处理，所述天线罩内设置有通信天线，所述通信天线与所述北斗接收机集成机箱内的通信模块连接，用于实现定位数据的接收处理。
进一步的技术方案在于：所述测斜管以及测量杆的上端与地面上的混凝土墩固定连接，所述支撑杆的下端与所述测斜管相对设置并与所述混凝土墩的上端固定连接，通过所述混凝土墩将所述深层水平位移监测模块以及北斗位移监测模块连接成一体。
进一步的技术方案在于：当出现以下两种情况时会造成数据异常，第一种，安装深层水平位移监测模块的监测孔初始设计深度不足，使得测量获取岩土体深层相对位移值，造成实际测量数据偏小；第二种，深层水平位移监测模块中固定的倾角传感器偶然异动，造成实际测量数据偏大异常；
当出现第一种情况时，阵列式深层水平位移监测模块仅能有效表征不稳定体中岩土体深层位移相对变化，与实际值偏差较大，数据处理方法如下：用深层水平监测模块与北斗位移监测模块的地表水平位移差异值，计算对深层水平位移监测模块所有传感器测量值进行补偿；
当出现第二种情况时，个别固定的倾角传感器测量数据不稳定，使得整个深层水平位移监测模块测量误差较大，一般表现为深层水平位移监测模块计算的地表水平位移值大于北斗测量数据，数据处理方法：以北斗地表水平位移值和深层水平位移监测模块底端位移值为边界，采用深层水平位移平差算法对深层水平位移监测模块各传感器进行测量平差，利用所得改正值对所有深层位移监测各个传感器测量数据进行更新。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置和方法充分结合北斗监测绝对位移测量数据可靠性高，以及固定式倾斜传感器深层位移监测布设灵活性好且测量精度高等技术优势，构建基于北斗的地表水平位移及深层水平位移三维空间变形一体式智能在线监测装置及数据融合降噪处理方法，实现对岩土或结构工程地表与深层三维空间位移变形准确、可靠、低成本一体式同步高精度测量，继而降本增质，更好满足工程安全监测需求。本申请所述方法，一方面集成形成岩土体三维空间位移变形一体式在线监测装置，同点位共享安装，降低建设成本；另一方面通过数据融合分析实现智能降噪，有效提高成果数据准确性可靠性；同时，地表及深层位移监测两个模块的集成融合有效提高一体式监测系统测量精度，又反作用于深层水平位移监测单元，优化减少固定式倾斜传感器布设数量，降低整体系统建设成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中所述方法的流程图；
其中：1、深层水平位移监测模块；2、北斗位移监测模块；3、测斜管；4、测量杆；5、万向接头；6、填充层；7、支撑杆；8、北斗接收机集成机箱；9、电源供电系统；10、天线罩；11、混凝土墩；12、监测孔；13、倾角传感器；14、地平面。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置，包括深层水平位移监测模块1以及北斗位移监测模块2，所述深层水平位移监测模块1位于被监测的岩土体内，用于监测岩土体深层水平位移；所述深层水平位移监测模块1的上方固定有北斗位移监测模块2，所述北斗位移监测模块用于通过北斗监测地表水平及竖向位移。
进一步的，如图1所示，所述深层水平位移监测模块1包括位于岩土体的监测孔内的测斜管3，所述测斜管3内设置有测量杆4。所述测量杆4包括若干个倾角传感器、若干个连接杆5以及若干个万向接头，所述连接杆5的两端分别设置有一个万向接头，所述倾角传感器13通过万向接头以及连接杆间隔的连接到一起构成测量杆4，所述测斜管3与所述监测孔之间的间隙通过填充层6进行填充。
进一步的，如图1所示，所述北斗位移监测模块2包括支撑杆7，所述支撑杆7的下端固定在所述深层水平位移监测模块1上，所述支撑杆7的上端设置有北斗接收机集成机箱8、电源供电系统9以及天线罩10，所述北斗接收机集成机箱8用于监测地表水平及竖向位移，所述电源供电系统9用于为所述深层水平位移监测模块以及北斗位移监测模块中需要供电的模块提供工作电源，所述倾角传感器13测量的值通过有线网络传输给所述北斗接收机集成机箱进行数据处理，所述天线罩10内设置有通信天线，所述通信天线与所述北斗接收机集成机箱内的通信模块连接，用于实现定位数据的接收处理。
进一步的，如图1所示，所述测斜管3以及测量杆4的上端与地面上的混凝土墩11固定连接，所述支撑杆7的下端与所述测斜管相对设置并与所述混凝土墩11的上端固定连接，通过所述混凝土墩11将所述深层水平位移监测模块1以及北斗位移监测模块2连接成一体，使得所述深层水平位移监测模块1以及北斗位移监测模块2能够一起移动。
本申请所述装置包含北斗地表位移监测模块、固定式倾斜传感器深层位移监测模块，在水平位移测量上均为双轴监测。系统建设安装过程时，需要满足：一是两个模块同点位安装，二是水平测量分轴对应且保持方向一致，三是两个模块统一授时同步测量。
相应的，本发明实施例还公开了一种基于北斗的地表及深层三维空间变形数据处理方法，使用所述的监测装置，包括如下步骤：
采用地表位移融合算法，融合北斗位移监测模块2和深层水平位移监测模块1的水平位移值，计算地表水平位移融合值；
采用深层位移平差算法，以地表水平位移融合值和深层水平位移监测模块底端位移值为边界，对深层位移监测模块各传感器节点进行测量平差，得到改正值；
用所得改正值对所有深层位移传感器测量数据进行更新，用所得地表水平位移融合值对北斗监测模块测量值进行同步更新。
在两个监测模块测量数据正常稳定的情况下，考虑北斗(GNSS)位移监测模块和深层位移监测模块均存在测量偶然误差，通过北斗(GNSS)水平位移监测位移与深层水平位移监测地表累计位移进行融合与平差算法，对监测模块数据进行同步修正更新，实现一体式监测装置监测数据的智能自校正。
基于北斗(GNSS)位移监测模块绝对位移测量数据的可靠性优势，通过算法实时校核验证深层水平位移监测模块的有效性、准确性问题，具体表现为：第一种：深层水平位移监测模块监测孔初始设计深度不足(位于不稳定体范围)，使得测量获取岩土体深层相对位移值，造成实际测量数据偏小；第二种：深层水平位移监测模块固定式倾角传感器偶然异动，造成实际测量数据偏大异常。以上两种情况，均会使一体式监测装置的北斗位移监测模块与深层位移监测模块地表水平位移值存在差异较大，具体处理方法：
以上两种情况，均会使一体式监测装置的北斗位移监测模块与深层位移监测模块地表水平位移值存在差异较大，具体处理方法：
当出现第一种情况时，阵列式深层水平位移监测模块仅能有效表征不稳定体中岩土体深层位移相对变化，与实际值偏差较大，数据处理方法如下：用深层水平监测模块与北斗位移监测模块的地表水平位移差异值，计算对深层水平位移监测模块所有传感器测量值进行补偿；
当出现第二种情况时，个别固定的倾角传感器测量数据不稳定，使得整个深层水平位移监测模块测量误差较大，一般表现为深层水平位移监测模块计算的地表水平位移值大于北斗测量数据，数据处理方法：以北斗地表水平位移值和深层水平位移监测模块底端位移值为边界，采用深层水平位移平差算法对深层水平位移监测模块各传感器进行测量平差，利用所得改正值对所有深层位移监测各个传感器测量数据进行更新。
进一步的，所述地表位移融合算法的步骤如下：
深层水平位移监测模块测量地表水平位移值函数为N1(μ1，σ1 2)，其中，传感器同精度测量
Figure BDA0003653905790000061
为已知参数；
北斗位移监测模块测量地表水平位移值函数为N2(μ2，σ2 2)，其中，σ2为北斗监测设备标称精度，为已知参数。
两者相互独立，则融合后地表水平位移值函数：
Figure BDA0003653905790000062
进一步的，所述深层水平位移平差算法包括如下步骤：
1)北斗地表+深层位移监测融合后地表水平位移值
Figure BDA0003653905790000063
Figure BDA0003653905790000064
单位m。
2)深层水平位移监测孔测量累计地表水平位移值
Figure BDA0003653905790000071
其中
Figure BDA0003653905790000072
为测点传感器测量真值，单位度°；Ln为测点步长，单位m；
3)条件方程：
Figure BDA0003653905790000073
在测量值a0处泰勒展开线性化：
f＝f(a0)+∑Lncosan(vn/ρ)-B0,其中测点传感器测量改正值
Figure BDA0003653905790000074
此处不妨将f写成一般函数形式：AV+W＝0，其中A为系数矩阵,V为改正数向量，W＝f(a0)-B0；
4)拉格朗日乘数法求最小值
Figure BDA0003653905790000075
将Ф对V求一阶导数，并令其为零，求得改正数向量：
V＝P-1ATK
⑤联立AV+W＝0求得系数向量:
K＝-(AP-1AT)-1W
⑤最后，深层水平位移各传感器测点测量值平差值为：
Figure BDA0003653905790000076
进一步的，所述差异值补偿深层位移算法包括如下步骤：
深层水平位移监测计算得到的各深度水平位移向量为s，则各深度水平位移为si；
北斗监测地表水平及竖向位移测量值l1与深层水平位移监测算得地表水平位移值l2之间的差异值为：d＝l1-l2；
深层水平位移值补偿处理为：si＝si+d。
本申请所述装置和方法能够实现整个系统的北斗(GNSS)地表水平位移监测模块与深层水平位移监测模块在线同步准确测量，两者数据自动智能校验修正，有效提高测量精度、准确性及可靠性。而且，本申请所涉及的平差降噪智能算法，可实现利用较少深层位移监测传感器布设(可降低30-40％传感器使用量)，即可满足工程监测需求，真正实现降本提质，具有显著发明意义。

Claims (8)

1.一种基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置，其特征在于：包括深层水平位移监测模块(1)以及北斗位移监测模块(2)，所述深层水平位移监测模块(1)位于被监测的岩土体内，用于监测岩土体深层水平位移；所述深层水平位移监测模块(1)的上方固定有北斗位移监测模块(2)，所述北斗位移监测模块用于通过北斗监测地表水平及竖向位移；
采用地表位移融合算法，融合北斗位移监测模块(2)和深层水平位移监测模块(1)的水平位移值，计算地表水平位移融合值；
采用深层位移平差算法，以地表水平位移融合值和深层水平位移监测模块底端位移值为边界，对深层位移监测模块各传感器节点进行测量平差，得到改正值；
用所得改正值对所有深层位移传感器测量数据进行更新，用所得地表水平位移融合值对北斗监测模块测量值进行同步更新。
2.如权利要求1所述的基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置，其特征在于：所述深层水平位移监测模块(1)包括位于岩土体的监测孔内的测斜管(3)，所述测斜管(3)内设置有测量杆(4)，所述测量杆(4)包括若干个倾角传感器、若干个连接杆(5)以及若干个万向接头，所述连接杆(5)的两端分别设置有一个万向接头，所述倾角传感器(13)通过万向接头以及连接杆间隔的连接到一起构成测量杆(4)，所述测斜管(3)与所述监测孔之间的间隙通过填充层(6)进行填充。
3.如权利要求2所述的基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置，其特征在于：所述北斗位移监测模块(2)包括支撑杆(7)，所述支撑杆(7)的下端固定在所述深层水平位移监测模块(1)上，所述支撑杆(7)的上端设置有北斗接收机集成机箱(8)、电源供电系统(9)以及天线罩(10)，所述北斗接收机集成机箱(8)用于监测地表水平及竖向位移，所述电源供电系统(9)用于为所述深层水平位移监测模块以及北斗位移监测模块中需要供电的模块提供工作电源，所述倾角传感器(13)测量的值通过有线网络传输给所述北斗接收机集成机箱内的采集器进行数据处理，所述天线罩(10)内设置有通信天线，所述通信天线与所述北斗接收机集成机箱内的通信模块连接，用于实现定位数据的接收处理。
4.如权利要求3所述的基于北斗的地表及深层三维空间变形监测装置，其特征在于：所述测斜管(3)以及测量杆(4)的上端与地面上的混凝土墩(11)固定连接，所述支撑杆(7)的下端与所述测斜管相对设置并与所述混凝土墩(11)的上端固定连接，通过所述混凝土墩(11)将所述深层水平位移监测模块(1)以及北斗位移监测模块(2)连接成一体。
5.如权利要求1所述的基于北斗的地表及深层三维空间变形数据处理方法，其特征在于：当出现以下两种情况时会造成数据异常，第一种，安装深层水平位移监测模块(1)的监测孔(12)初始设计深度不足，使得测量仅获取岩土体的深层相对位移值，造成实际测量数据偏小；第二种，深层水平位移监测模块(1)中固定的倾角传感器(13)偶然异动，造成实际测量数据偏大异常；
当出现第一种情况时，阵列式深层水平位移监测模块仅能有效表征不稳定体中岩土体深层位移相对变化，与实际值偏差较大，数据处理方法如下：用深层水平监测模块与北斗位移监测模块的地表水平位移差异值，计算对深层水平位移监测模块所有传感器测量值进行补偿；
当出现第二种情况时，个别固定的倾角传感器(13)测量数据不稳定，使得整个深层水平位移监测模块测量误差较大，一般表现为深层水平位移监测模块计算的地表水平位移值大于北斗测量数据，数据处理方法：以北斗地表水平位移值和深层水平位移监测模块底端位移值为边界，采用深层水平位移平差算法对深层水平位移监测模块各传感器进行测量平差，利用所得改正值对所有深层位移监测各个传感器测量数据进行更新。
6.如权利要求1所述的基于北斗的地表及深层三维空间变形数据处理方法，其特征在于，所述地表位移融合算法的步骤如下：
深层水平位移监测模块测量地表水平位移值函数为N1(μ1，σ1 2)，其中，传感器同精度测量
Figure FDA0003653905780000031
为已知参数；
北斗位移监测模块测量地表水平位移值函数为N2(μ2，σ2 2)，其中，σ2为北斗监测设备标称精度，为已知参数。
两者相互独立，则融合后地表水平位移值函数：
Figure FDA0003653905780000032
7.如权利要求5所述的基于北斗的地表及深层三维空间变形数据处理方法，其特征在于，所述深层水平位移平差算法包括如下步骤：
1)北斗地表+深层位移监测融合后地表水平位移值
Figure FDA0003653905780000033
Figure FDA0003653905780000034
单位m；
2)深层水平位移监测孔测量累计地表水平位移值
Figure FDA0003653905780000035
其中
Figure FDA0003653905780000036
为测点传感器测量真值，单位度°；Ln为测点步长，单位m；
3)条件方程：
Figure FDA0003653905780000037
在测量值a0处泰勒展开线性化：
f＝f(a0)+∑Lncosan(vn/ρ)-B0,其中测点传感器测量改正值
Figure FDA0003653905780000038
此处不妨将f写成一般函数形式：AV+W＝0，其中A为系数矩阵,V为改正数向量，W＝f(a0)-B0；
4)拉格朗日乘数法求最小值
Figure FDA0003653905780000039
将Ф对V求一阶导数，并令其为零，求得改正数向量：
V＝P-1ATK
⑤联立AV+W＝0求得系数向量:
K＝-(AP-1AT)-1W
⑤最后，深层水平位移各传感器测点测量值平差值为：
Figure FDA00036539057800000310
8.如权利要求5所述的基于北斗的地表及深层三维空间变形数据处理方法，其特征在于，所述差异值补偿深层位移算法包括如下步骤：
深层水平位移监测计算得到的各深度水平位移向量为s，则各深度水平位移为si；
北斗监测地表水平及竖向位移测量值l1与深层水平位移监测算得地表水平位移值l2之间的差异值为：d＝l1-l2；
深层水平位移值补偿处理为：si＝si+d。
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