武汉后湖地区地面沉降监测系统实现

武汉后湖地区地面沉降监测系统实现
安庆;况小驰;李方
【摘要】基于北斗高精度定位和GIS集成技术,研发了一套北斗地面沉降监测系统.以武汉后湖地区为应用示范,通过在该区域内合理布设北斗参考站网和监测站网,建设北斗数据处理中心,利用接收到的北斗观测数据进行处理和解算,对该区域的地面沉降进行监测.定位精度实时可达cm级,事后可达mm级.该系统可以针对城市地面沉降进行多级预警和趋势分析,为城市建设管理提供决策依据.
【期刊名称】《地理空间信息》
【年(卷),期】2017(015)006
【总页数】3页(P96-98)
【关键词】BDS/GIS集成;高精度;数据通信;沉降监测
【作者】安庆;况小驰;李方
【作者单位】武汉光谷北斗控股集团有限公司,湖北武汉 430206;武汉中学,湖北武汉430061;武汉理工大学,湖北武汉 430070
【正文语种】中文
【中图分类】P258
地面沉降是由于自然因素或者人类工程活动引发的地下松散岩层固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象[1]。

地面沉降具有易发性、缓变性、累进性和不可逆性等特点[2]。

2013年以来，武汉市江岸区、江汉区、硚口区以及武昌区有多个小区、单位相继发生地面不均匀沉降，造成部分墙体开裂，进户台阶、未
经处理或架空的首层室内地坪、建筑物周边散水、场区道路、地面及管线下沉，部分附属建筑物玻璃幕墙局部变形、破损，少数门窗开关受阻，个别结构复杂的建筑物发生结构梁及墙体开裂，严重影响了居民的正常生活和工作。

特别是江岸区的后湖片区群众投诉尤为明显，经调查，该区域目前沉降量为100～400 mm，且尚未稳定，有继续发展的趋势，正呈现大面积地面沉降的征兆。

武汉市城建委高度重视该区域存在的安全隐患，委托光谷北斗公司利用先进的北斗技术编制泛后湖地区的地面沉降监测方案，并组织专家论证。

随后，对东起武汉二七长江大桥，西至汉口三眼桥路，南到解放大道，北至三环线三金潭立交，面积约35 km2的后湖片区进行地面沉降安全监测试点工作。

开展此项工作不仅对保障国家和人民生命财产的安全有着重要的作用，而且对发展北斗产业有着现实意义。

北斗地面沉降监测系统是一个集北斗技术、结构分析技术、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统[3]。

它根据对实时及事后地
面沉降数据的处理和分析，为数据中心的日常管理者提供各类报表、图形，可以达到多级预警和趋势分析的目的，为城市管理者提供决策依据和参考。

该系统主要由参考站、监测站、通讯网络设备以及数据控制中心等组成，系统结构拓扑图如图1所示。

2.1 北斗参考站建设
北斗参考站系统是以北斗卫星导航系统为主，兼容其他GNSS系统的地基增强系
统[4]，它主要是由北斗扼流圈天线、观测墩、天线馈线、防雷系统、北斗接收机、市电电源、有线数字通讯网络7个部份构成[5]。

其中观测墩和防雷系统两个部份
需根据现场环境进行建设，其他部分均为标准产品。

它集成了传统大地测量、现代大地测量、卫星大地测量、现代无线通信、计算机网络、软件工程等多专业技术为一体[6]，通过地面通信系统播发导航信号修正量和辅助定位信号，向用户提供cm 级精密导航定位和事后mm级增强服务[7]。

参考站要求建立在地基稳定的地点，场地应满足以下要求[8]：
1）参考站尽量建在稳定的基岩上，或冻土层以下2 m。

2）视野尽量开阔。

3）远离大功率无线电发射源（如电视台，电台，微波站等），其距离不小于200 m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50 m。

4）尽量靠近数据传输网络。

5）参考站观测墩应远离震动源（铁路、公路等）50 m以上。

北斗基准网的布设根据沉降体的情况而定，点位设计分布在沉降体周围地质条件良好、稳定、视野相对比较开阔且易于长期保存的地方。

参考站须定时与就近的GNSS A、B级控制网或国家IGS网进行联测[9]，以利于分析基准网点的可靠性及变形情况。

基准网点基线向量的中误差σ≤1 ppm·D，当基线长度D＜3 km时，基线分量绝对精度≤3 mm[10]。

根据本项目地面沉降监测范围，参照国家标准进行站点选址、数据分析，最后结合监测点与备选点基线长度来合理确定选点的位置，本项目共勘定了6个点位布设参考站，如图2所示。

2.2 北斗地面沉降监测站建设
北斗地面沉降监测站间无须通视，布设原则为：
1）在地铁沿线及周边区域监测点点位适当加密。

2）典型建筑物（如高大建筑物等）周边应适当布点，以作参考。

3）沉降监测站尽量沿主要道路、地下管网、隧道、桥梁等沿线布设。

4）监测站周围应视野开阔、视场内高度角不宜大于10°，困难地区视场高度角大于10°的障碍物遮挡角累计不应超过30°。

5）监测站与周围电视台、电台、微波站、通信基站、变电所等大功率无线电发射源的距离应大于200 m，与高压输电线、微波通道的距离应大于100 m。

6）监测站附近不应有大型建筑物、玻璃幕墙及大面积水域等强烈干扰接收机接收卫星信号的物体。

在武汉市后湖片区35 km2进行实地踏勘后，按沉降监测网划分为500 m×500
m网格，每个网格一个监测点，兼顾适当加密的原则，共设计布设187个监测点。

2.3 供电系统建设
结合后湖沉降监测区的实际情况，以及保障项目供电的可靠性，参考站采用市电和太阳能供电相结合的方式。

监测站在能够牵引市电的地方采用市电供电，在不方便牵引市电的地方采用太阳能供电的方式。

主要采用50 W的太阳能电池板和100 Ah的蓄电池，经测试，该搭配在没有太阳的情况下可以连续工作7 d。

2.4 数据通讯方案
本监测项目区域较大，属于环境复杂的市区，为达到数据传输质量高、时延小、环境适应性强、稳定性好等要求，参考站数据传输采用光纤的方式，监测站采用
3G/4G的通信方式。

2.5 数据中心建设
北斗地面沉降数据中心提供数据库存储、离线存储、云计算、管理服务器等信息化基础设施，目前规模能满足后湖地区的北斗沉降监测信息化服务，将来可以通过云计算无限动态扩展，服务全武汉市各类沉降区地面沉降监测的需求。

其硬件设备主要组成为各类服务器、数据存储及网络设备。

服务器包括云服务器、数据库服务器、利旧服务器、管理服务器等；数据存储设备包括数据库存储、云存储、利旧存储、离线存储等；网络设备包括防火墙、核心交换机、负载均衡器等，其拓扑架构如图3所示。

2.6 主要技术指标
该系统的主要技术指标如表1所示。

3.1 系统软件功能
北斗地面沉降监测系统基于北斗高精度定位技术，提供了位置信息的实时采集与动态解算，具有传统监测方法难以实现的高精度、高可靠、全天候、全自动的优势。

由于沉降是静态观测数据，对数据的实时性要求不高，而对精度要求较高，所以使用一段时间的静态观测数据进行解算，从而可以获得mm级的沉降观测量。

该时间段由数据中心后台进行配置，默认为4 h解算一次，其成果数据可以按某一固定时段、日、周等配置提供。

该系统主要包括GIS模块、工程管理模块、图形显示模块和数据分析模块。

GIS模块以武汉市江岸区影像为底图，叠加北斗监控中心、监控点、监控区域等空间数据，通过切片处理后，发布为地图服务，供客户端访问。

同时，监控数据在服务器端统计、分析，并将结果通过WebService返回到客户端显示。

主要功能包括监测区域、基站点、沉降监测点平面布置图浏览、属性信息展示、坐标定位，以及监测区域地图量测、标绘和图层管理等。

工程管理模块可浏览参考站和监测站的实景图片，以及工程概况、工程实施情况等信息。

并可对各监测站沉降的信息进行查询，以图表统计的方式显示，同时支持数据导出到Excel，生成监控点沉降表。

图形显示模块可根据沉降量绘制监测点的沉降过程曲线，根据沉降速度绘制监测点的沉降速度曲线，并可以由监测点平面坐标（x, y）和沉降量s构成监测点三维坐标（x, y, s）,以区域为单位建立三维立体模型，绘制沉降量曲线图。

数据分析模块包括回归分析、对比分析、综合分析。

系统选择了对数函数、双曲线函数等15种函数作为沉降过程回归分析的基本数学模型，用户可以单独使用，也可以组合叠加使用，并根据分析结果进行稳定性预测。

综合分析按北斗实时采集与按时间段静态解算的高程信息，结合常规沉降观测信息等，对数据进行综合处理和分析，实现实时沉降报告、多级报警、沉降趋势分析等。

3.2 系统集成开发模式
本系统采用了组件式二次开发模式，其中GIS开发组件选择ArcGIS Engine。

它是一套完备的嵌入式GIS 组件库和工具库，支持包括COM、．NET框架、Java 和C++等多种开发语言，可以方便地将GIS功能嵌入到目标开发软件中。

采用北斗高精度定位技术，建立了覆盖后湖地区的地面沉降监测网络，查明了该地区地面沉降灾害现状、发展趋势、形成原因及分布规律，逐步建成了集数据实时采集、传输、预报于一体的开放、动态的地面沉降监测体系，并针对性地采取了综合防治方法。

该系统的建成，为武汉城市总体规划的实施、城市建设综合部署与精细化管理，以及保障国家和人民生命财产安全有重要意义，也为政府部门控制或防治地面沉降，合理开发和利用地下资源提供了规划和决策依据，具有较为广阔的推广前景。

【相关文献】
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