三维变形灾害实时监测预警系统
导语：
自然界变形危害广泛存在，加强监测并及时预警是防范灾害的重要手段。本期转化果平台推荐的《三维变形灾害实时监测预警系统》，采用GNSS定位原理，结合实时动态定位(RTK)方法，实现对监测点的全天候三维动态监测，可广泛应用于山体滑坡、塌方等地质灾害监测以及桥梁和大型建筑物形变监测，为安全生产保驾护航。
一、研究背景
1.三维变形及其危害
变形是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象时刻都在我们周边发生着，如滑坡、岩崩、地表沉陷、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。
2.常规的变形监测技术
常规的变形监测技术包括采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值，其优点是：①能够提供变形体整体的变形状态;②适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境;③可以提供绝对变形信息。
这些常规的变形监测技术，具有外业工作量大，布点受地形条件影响较大，有些技术的测量精度受天气及周边环境影响较大，不易实现自动化监测等缺点。
二、基本原理
GNSS即全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System)，目前GNSS泛指美国的GPS、中国的BDS(北斗)、俄罗斯的GLONASS、以及欧盟的GALILEO。目前使用范围最多的是美国的GPS系统。
1.GNSS定位系统由GNSS卫星空间部分、地面控制部分和用户GNSS接收机三部分组成。
2.GNSS定位原理
由于GNSS卫星轨道是人为事先设计的，在任何时间都可以得知其在天空的位置。假设t时刻t在地面待测点上安置GNSS接收机，可以测定GNSS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据，通过解方程式的方式获得地面待测点的位置。
3.GNSS实时动态定位(RTK)方法
RTK的基本原理：将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体(称为流动站)上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GNSS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GNSS差分改正值。然后将这个改正值通过无线传输的方式及时传递给共视卫星的流动站，精化其GNSS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。
常规RTK的基本定位算法相对已经较为成熟，但在一些复杂观测环境下,比如繁华市E、树木遮挡严重等地区，因为可视卫星数相对较少，卫星空间几何结构较弱等因素制约着其定位性能，本系统的开发人员对RTK定位算法和相应的软件系统进行深入研究，实现了GNSS中长距离下的高精度测量。
三、系统组成及特点
1.基于GNSS定位的变形监测系统的组成
2.基于GNSS定位的变形监测系统的特点
(1)多模GNSS接收机
①支持GPS(L1/L2)、BDS(B1/B2/B3)、GLONASS(L1/L2)三系统;
②独特的弱信号跟踪和多路径抑制算法，实现恶劣环境下的可靠定位;
③支持标准NMEA0183、RTCM3.0/3.2、BINEX协议，可定制用户自定义协议;
④丰富的对外接口，方便用户进行二次开发。
(2)高精度扼流圈天线
①自研抗多径效应的扼流圈，保证了恶劣环境下的系统高性能;
②自研多点馈电的高精度全频段测量型天线，相位中心偏差小，定位精度可靠。
(3)数据分析与预警报警系统
①自行开发数据分析与预警报警系统，多导航系统联合解算及优化，保证了解算结果的正确。实时数据处理精度为2~3mm;
②B/S、C/S架构，可远程浏览与操作;
③支持点、断面、变化速度及变化加速度等分析功能;
④自动生成报表，并通过E-MAIL方式发给指定人员;
⑤短消息、E-MAIL、声光等多种报警方式;
⑥多种预测功能，如线性回归等;
⑦各种观测量图形显示、形象生动。
四、系统应用范围
利用GNSS定位技术进行山体滑坡、塌方等地质灾害监测以及桥梁和大型建筑物形变监测时具有下列优点：
1.全天候、不间断的三维高精度测量;
2.无需通视，量程大，可进行大范围监测;
3.全系统自动化，无人值守，实时;
4.产品寿命长，工作地域广;
5.可以获得毫米级精度的变形数据。
本系统是利用GNSS进行准实时解算三维变形量分析的系统。对于人工建筑变形分析——如大型桥梁、水坝、大型人工建筑以及山体滑坡监测、油田沉陷、矿山采空区沉陷、城市地下水漏斗沉陷、火山监测等等具有非常大的现实意义。
五、应用案例
目前正在某集团下属的镍矿(该镍矿的镍产量居全球第四位，钴产量居全球第二位)安装60套监测点。
