上海司南GNSS自动化边坡在线监测方案

某滑坡GNSS自动化监测
技
术
方
案
上海司南卫星导航技术有限公司
2013年3月
目录
1 前言
2 某滑坡概况
3 某滑坡GNSS监测的总体设计
系统设计依据
司南GNSS变形监测系统是一个集结构分析计算、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工程。

本监测系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足固体建筑物管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循如下设计原则：
1)遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；
2)系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因
素；
3)各传感器的布置、安装要合理，力求用最少的传感器和最小的数据量完
成工作；
4)系统应具有可扩展性。

GNSS 监测系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参见表1。

表1
系统硬件总体设计
系统硬件由四大部分组成：
1)传感器子系统：由布置监测点上的各类GNSS组成，主要传感器采用后
安装方式；
2)数据传输子系统：GNSS天线到GNSS主机由同轴电缆通讯；GNSS主机及
其它传感器与控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式；
3)数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系
统、数据实时自动处理与Web发布；
4)辅助支持系统：包括外场机柜、外场机箱、配电及UPS、防雷和远程电
源监控等。

4 某滑坡GNSS自动化监测预警系统概况
GNSS自动化监测形变监测中的应用
GNSS用于边坡监测时，往往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，在远方距离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基准点。

在基准点架设GNSS接收机，根据其高精度的已知的三维坐标，经过定期连续观测从而得到变形点坐标（或者基线）的变化量。

根据观测点的形变量，建立安全监测模型，从而分析边坡的变形规律并实现及时的反馈。

事实上，为了建立一个更接近实际情况的安全监测模型，合理的密集分布监测点是需要的。

通过观测整体的微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期的变化趋势，为以后的分析决策提供依据。

为了进行形变分析，需要获得监测点高精度位置坐标数据，通常要求监测点的观测数据达到毫米级的精度，这也是GNSS 定位技术能否应用于变形观测的一个关键性问题。

滑坡GNSS监测点及设备
与普通的工程测量不同，边坡监测需要实时传送数据，并不断更新，达到监控的目的。

普通的全站仪或其它监测手段不仅需要更多的人力完成观测操作，而且由于其内部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜里也无法完成测量作业，GNSS技术由于其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将GNSS信号传输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分析处理。

GNSS用于变形监测虽具有突出的优点，所以GNSS技术在安全监测方面一定会有广阔的应用前景。

GNSS自动化监测系统发展
GNSS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。

正因为是它在相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。

在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。

随着社会经济和科学技术的快速发展，为了更有效保障国家财产及人生安全，利用传统的变形监测手段越来越不能满足变形监测要求，这就迫切需要性能更可靠的设备来监测大桥的形变。

目前，随着GNSS技术的不断成熟，GNSS自动化监测系统已经在桥梁、滑坡、建筑、地震、大坝等行业中应用并取得很好的效益。

GNSS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好评。

从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的GNSS监测技术，GNSS与其它传感器结合用于滑坡监测已形成了趋势。

目前GNSS在滑坡中的最高精度在毫米级。

而司南GNSS监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示，自动预警报警。

自动化监测的优点
自动化监测系统允许以任意间隔采样-----典型间隔可以是按秒、分钟、小时或者按天。

测试精度得以提高，数据可以远程处理，从而向项目组提供有用信息。

当然，还有其它益处包括：
1)避免人工读数和记录引起的人为误差。

2)可以实现远程以及恶劣天气条件下采集数据。

3)每天可进行7*24小时连续监测。

4)连续监测能快速检测到临界变化，能在事态恶化之前采取处理措施。

5)自动化监测系统可以按程序步骤监测限定阀值、变化速率，从而能在
超出预定极限值时自动报警。

很多工程师认为自动化监测是“黑箱”，可见的查验以及宝贵的经验都被冷冰冰的电路板和继电器将所存在的问题通过警报而取代了。

事实上，自动化连续监测所获得的数据能向工程师提供被监测结构很多肉眼不易察觉的新的特征信息。

它们拓展了工程师的视野，对结构响应有深入的理解。

不仅如此，应用自动化监测系统，结合先进分析工具，工程师能享受到这些廉价的新技术优势，而不用牺牲滑坡区的安全。

司南变形监测应用实例
华能伊敏露天煤矿为五大露天矿之一，位于内蒙古呼伦贝尔市鄂温克旗境内，为华能集团全资拥有企业，隶属华能呼伦贝尔能源开发有限公司。

露天矿东端帮建设GNSS(GPS+BDS)监测系统，在地表以及边坡安装位移监测点9台。

系统采用太阳能供电，利用无线通讯方式将数据实时传送回监测办公室。

监测人员利用实时数据来分析边坡稳定性以及应对措施，以便为安全生产提供保障。

长河坝水电站位于四川省境内，为干流水电梯级开发的第10级电站，工程区地处大渡河上游金汤河口以下约4km～7km河段上，坝址上距丹巴县城
82km ，下距沪定县城49km。

长河坝水电站为大渡河梯级开发的骨干电站，由投资开发的一等大(1)型水电工程，长河坝水电站枢纽建筑物主要由砾石土心墙坝、泄洪系统、引水发电系统组成,电站装机容量2600MW，近期多年平均发电量约亿，枯水期平均出力约376MW，远景可达亿和638MW。

电站水库正常蓄水位1690m，正常蓄水位下库容为亿立方米，其中死库容为亿立方米，为季调节水库。

项目总投资2320948万元。

安全监测系统布设在长河坝水电站的泄洪、放空洞进口，共38个监测点，采用GPS+北斗的监测方式，实时监测边坡稳定性情况。

利用风光互补的方式进行供电，通过无线网络实时传送到监测办公室服务器，通过解算软件以及分析软件，监测人员可实时了解分析边坡的稳定性，以便做出对应方案。

为水电站安全生产保驾护航。

—宁武高速（政和段）边坡自动化监测系统
宁武高速公路，全称至高速公路，起于线福宁高速公路湾坞枢纽互通，经、、、、武夷山，终于，全长公里，采用80公里/小时高速公路标准建设；宁武高速公路是规划的“二纵”至线的第四条联络线，起于，终于。

其中政和段，位移武夷山政和县，处于山区，形成多处高速边坡。

宁武高速（政和段）边坡自动化监测系统共布设GNSS监测点3个，依照边坡地质情况，分布在边坡上。

数据通过高速光纤通讯系统，实时传送回监测办公室，工作人员可实时掌握边坡稳定性，并与其他图像传感器等对照，保障高速公路的交通安全。

中金黄金股份有限公司河北峪耳崖金矿，位于河北省承德市宽城满族自治县境内。

矿区北距承德市127公里；南距唐山市152公里；目前正在兴建的承德--秦皇岛出海公路经由该矿，交通十分便利。

1997年，峪耳崖金矿产金突破了32000两大关，昂首迈进“吨金矿”行列。

建矿以来，共生产黄金45万两，创造利润亿元，成为具有国内先进水平的国家重点黄金企业。

该矿先后获得国家级黄金工业发展做出突出贡献的先进集体、省级先进企业、河北省学邯钢先进企业、河北省工业污染治理达标企业、承德市优秀企业、承德市质量管理先进单位等荣誉称号。

2000年6月，峪耳崖金矿经改制进入中金黄金股份有限公司，2009年，改制成立河北峪耳崖黄金矿业有限责任公司，从此步入了全新的发展轨道。

某滑坡GNSS自动化监测预警系统的介绍
GNSS自动化监测预警系统，主要应用现代化的传感技术、GNSS、计算机技术、现代网络通讯通信技术对在不同的天气或环境下准实时反映滑坡区域变形情况，根据对实时位移数据的实时分析，对分析后适当的数据存储、分类、提取、统计等处理，为中心站日常管理提供各类报表、图形，为边坡预警分析提供决策依据和参考以达到在最短的时间通过短消息、E-MAIL或者声响预警、报警的功效，如下面示意图：
系统功能示意图
另外，本系统还可实现预警站点分布图、预警站点基本情况的计算机的初级显示等功能。

某滑坡GNSS自动化监测预警系统原理和方法
本系统采用成熟的INTERNET技术、司南高精度GNSS准动态算法等技术。

变形监测网络中的每个GNSS接收机都同时输出GNSS的原始数据,其中包含了GNSS解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据。

通过无线网桥1或者GPRS/CDMA无线网络传到控制中心。

控制中心根据每台GNSS接收机对应的IP地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流;或者，软件通过远程的端口映射，直接从监测单元的端口获得GNSS的原始数据流。

在控制中心服务器上，CDMonitor监测软件准实时解算出各监测点的三维坐标。

某滑坡GNSS自动化监测预警系统组成
数据处理中心建设在大坝控制中心，办公室有总控计算机、数据处理工作站、打印机等硬件设备，而在总控计算机上安装司南CDMonitor软件2。

本监测区在监测区附件周边地质条件好处建立1个基准点，在滑坡区建立9个GNSS监测点，在每个监测点（包括参考站）设置结构牢固的观测墩，观测墩
1无线网桥与GPRS传输相比不需要借助于第三方服务商、一次性投入、传输稳定等优点，所以本系统首选无线网桥的通讯方式。

2CDMonitor软件由数据管理模块、原始数据处理、数据分析、数据库信息管理四个模块组成。

上有强制对中器，固定安装GNSS接收机，将接收机天线用强制对中基座对中固定安装在观测墩上。

控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和图形处理，以及终端服务。

结合CDMonitor软件和其他专业的数据处理软件，实时对数据分析和图形处理。

某滑坡GNSS自动化监测预警系统技术的先进性
1.采用我国北斗二代卫星+美国GPS卫星双星双系统进行定位，进一步
保障和提高了整个系统监测的安全性和稳定性，而且更适合山谷中的
滑坡体监测。

由于BD2和GPS工作原理一致，因此BD2+GPS方案较单
GPS方案具有以下优势：
1)可认为选择接收机所跟踪的同步卫星作为参考卫星，从而降低了软
件解算时更换参考卫星带来的误差；
2)增多了可跟踪卫星数，弥补了高轨道卫星数据少的问题，同时可利
用BD2三频技术，增加多余观测，从而较大程度的提高监测解算精
度；
3)增多了可跟踪卫星数，使卫星分布更合理，降低了DOP值，提高了
监测解算精度，特别是所能跟踪GPS卫星少时显得更为重要。

4)增多了可跟踪卫星数，使得在山区、大桥等高遮挡区域长时间、稳
定、可靠的采用GNSS监测成为可能。

不同遮挡条件下单GPS和BD2/GPS系统全天候正常工作时间对比表
2.GNSS接收机及其配套设备，要求包括从数据采集、集中传输、解算处
理、显示和记录及避雷和防盗等安全保护设施的全部设备，实现将监
控数据传输到监控中心并显示；
3.监测系统无人值守，有人照看、自动运行，年运行可靠率99%以上，
系统可满足7×24小时长时间可靠运行，连续无故障运行时间超过10
万小时。

在没有太阳的情况下，监测系统设备可依靠备用电源连续工
作7天以上；
4.GNSS硬件具有良好的物理性能和工作性能，适合长时间连续工作，GNSS
接收机天线为大地测量型天线；
5.本系统可采用无线网桥通讯，数据传输到控制中心准实时处理；
6.准实时显示和分析形变量，可间断性评估滑坡体的健康状况；
7.数据实时输出；
8.控制中心软件自动解算，最短反应时间可为几分钟到几小时，并实时进
行网平差，自动评估监测结果，而且各参数完全由用户根据不同监测需
求自行设置。

9.设定日常信道报警系统，Web发布以及可通过短消息或E-MAIL方式报
警，无论您在何时何地都可以掌握滑坡体的动态；
10.通过实时监测滑坡点的空间位移，确定滑坡区的变形状况、几何线形
等；
11.提供高质量的双星四频GNSS测量数据，实时获得毫米级精度的位置数
据，精度为水平：小于±3mm+1ppm ,垂直：小于±5mm+1ppm；
12.自动生成报表，形成报表的周期用户可自行设计，比如一周、一天等，
一些必要的输出信息用户也可以自动添加或删除，同时根据需要可自动
生成各点的周变化曲线、月变化曲线等。

5 某滑坡GNSS自动化监测预警系统方案实施
1)本GNSS自动化监测系统实施主要包括以下几个方面：
2)参考站及监测站选址
3)参考站及监测站观测墩的建设
4)通讯电缆的铺设
5)设备的供电
6)设备避雷
7)数据通讯
8)控制中心的建设
本监测系统设计依据
某滑坡GNSS自动化监测预警系统技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参下表：
某滑坡GNSS监测点的布置
某滑坡GNSS自动化监测预警系统的监测单元包括参考站和监测站，各站点的具体布置方式根据以下要求：
GNSS参考站
（1）GNSS参考站选址
GNSS参考站选址要求应满足以下要求：
⏹覆盖并均匀分布整个监测区域，并兼顾参考点距离监测点最近的原则；
⏹场地稳固，年平均下沉和位移小于2mm；
⏹视野开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°；
⏹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200m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于
50m；
⏹尽量靠近数据传输网络；
⏹观测墩的高度不低于2米；
⏹观测标志应远离震动源。

针对某滑坡项目，考虑到项目部距离监测区距离比较近，同时为了控制中心便于管理和维护，我们将GNSS参考站和控制中心建设在项目部的固定基岩上。

（2）参考站基建
参考站观测墩示意图
1）观测墩的建设要求
在满足以上要求的前提下，其GNSS参考站观测墩的建设应满足以下要求：
⏹观测墩应浇注安装强制对中标志，并严格整平，墩外壁或内部应加装
（或预埋）适合线缆进出硬制管道（钢制或塑料），起保护线路作用；
⏹GNSS观测墩采用钢筋混凝土现场浇铸的方法施工。

混凝土浇铸过程中
的水泥、沙子、石子及其他添加剂的用量以及混凝土施工的要求均按照
表一的要求执行；
⏹GNSS观测墩中的钢筋骨架采用直径≧10mm的螺纹钢筋，使用时须在距
两端10cm处，分别向内弯成∩形弯（足筋下端30cm处向外弯成∟形弯）用料。

裹筋采用直径≧6mm的普通钢筋；
⏹基座建造时浇灌混凝土至基座深度的一半，充分捣固后放入捆扎好的基
座钢筋骨架，在基座中心垂直安置捆扎好的柱石钢筋骨架，将柱石钢筋
骨架底部与基座钢筋骨架捆扎一起，浇灌混凝土至基座顶面，充分捣固并使混凝土顶面处于水平状态；
⏹混凝土浇灌至地面下米时，在观测墩外壁应预埋适合线缆进出的直径不
小于25mm的硬质管道（钢制或塑料），供安装电缆保护线路用；
⏹双星四频天线的保护罩要采用全封闭式（如下图2），以起到防水、防
风等效果，同时天线罩的衰竭率不大于1%；
⏹可利用观测墩基坑，加筑用于存放太阳能蓄电池的水泥槽。

观测墩设计图
强制对中标志
2）灌制混凝土标石所用材料应符合下列要求
⏹采用的水泥标号应不低于425。

制作不受冻融影响的混凝土标石，应优
先采用矿渣和火山灰质水泥，不得使用粉煤灰水泥。

制作受冻融影响的混凝土标石，宜使用普通硅酸盐水泥。

在制作受盐碱、海水或工业污水侵蚀地区的标石时，须使用抗硫酸盐水泥。

在沙漠、戈壁等干燥环境中的标石，不得使用火山灰质水泥；
⏹石子采用级配合格的5～40mm的天然卵石或坚硬碎石，不宜采用同一尺
寸的石子；
⏹沙子采用～3mm粒径的中砂，含泥量不得超过3%；
⏹水须采用清洁的淡水，硫酸盐含量不得超过1%；
⏹外加剂可根据施工环境选用，如早强剂、减水剂、引气剂等，其质量应
符合相应规定，不得使用含氯盐的外加剂。

每立方米混凝土制作材料用量表
注：
⏹表中配合比适用中砂，当采用细砂或粗砂时，水和水泥用量相应增加或
减少17kg和10 kg；
⏹当采用5～40 mm粒径的碎石或卵石，应将水和水泥用量各增加10%，
砂、石用量不变；
⏹调制混凝土，须先将砂、石洗净。

浇灌标石时，须逐层充分捣固；
⏹气温在0℃以下时，必须加入防冻剂，拆模时间不得少于24h，否则不
准施工；
⏹拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0℃
以上时，拆模时间不得少于12h。

（3）仪器设备的选择
根据本项目的实际情况并参照《全球定位导航系统连续运行参考站网建设规范》，本GNSS自动化监测系统选用司南X300C双星四频监测专用接收机和AT300扼流圈天线，它是分体式设计，具体技术参数请参考“设备选型”。

（4）设备安装
参考站设备安装图
对于本监测系统而言，我们在某滑坡建设1个参考站，
GNSS监测站
针对某滑坡滑坡体的具体情况，在边坡存在安全隐患的几个方位分别布置几条监测断面，然后各条断面上根据实际情况设置监测点。

在各监测点上安置接收机，各接收机观测的数据无线的方式实时传输到控制中心，控制中心软件准实时解算出各监测点的三维坐标并保存到数据库，最终通过数据分析软件自动分析各监测点的变化量、变化趋势，并结合其它监测设备对排土场整体的稳定性进行分析。

某滑坡滑坡体GNSS监测站和参考站一样，也包括监测站选址、监测站基建、仪器设备的选择及设备安装四个部分：
（1）监测站站址选择
根据各滑坡体监测区域的实际情况，如地质条件等及参照《GNSS测量规范》，具体布置如上图。

（2）监测站观测墩基建
根据某滑坡滑坡体监测区域的实际情况及监测点所监测的内容，本GNSS 自动化监测系统监测站多为普通土层观测墩或者基岩观测墩，为了安全期间，各观测墩建设为米以上为宜。

1)基岩观测墩
对于基岩观测墩，在基岩坚固结构的基础上打入钢筋支架浇筑混凝土。

基岩观测墩
2)土层观测墩
对于土层观测墩，埋入地表深度不小于1m，采用基座和立柱的钢筋混凝土结构。

土层观测墩
注：所有监测站的水泥观测墩的建设标准按照参考基站的建设要求。

（1）仪器设备的选择
根据本项目的实际情况及所要达到的技术指标，并参照《全球定位导航系统测量规范》，本GNSS自动化监测系统选用司南M300C北斗二代+GPS双星四频GNSS 监测专用接收机和AT300双星四频大地测量型天线，具体技术参数请参考“设备选型”。

（2）设备安装
监测站安装示意图
供电系统系统
对于某滑坡GNSS自动化监测预警系统特殊情况，我们采用了太阳能供电的方式：
如下图：我们采用120W的太阳能电池板和200Ah的蓄电池，这样的好处是安全、容易避雷、省工，而且在没有太阳的情况下可以连续工作7天。

太阳能电池板固定示意图
（1）太阳能组成
太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。

输出的电压为12V，直接供给设备使用，各部分的作用为：
⏹太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本，额定的输出电压为。

本系统采用单晶硅太阳能电池板。

⏹太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。

在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。

其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

本系统采用规格为12V/20A的控制器。

⏹蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。

其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

本系统采用的为铅酸电池，设计容量为100Ah，可以满足阴雨天7天工作时间。

（2）太阳能供电系统的安装
放置太阳能电池板，倾斜角度在30-45度之间，面对方向根据现场具体环境调节，通过制作三角形的支架固定在水泥板上或监测点保护房上或者水泥立柱上。

蓄电池可埋设在观测墩的附近，埋入地下，防冻并避免日晒雨淋、被盗贼偷盗和外力冲击。

根据某滑坡滑坡体现场情况可以将太阳能电池板放在监测点保护房上面或者单独立柱安装，减少人为盗窃或破坏的可能性。

数据通讯单元
由于本监测方案的特点是远程控制、远程管理、实时自动化监测、数据双向通讯等特点，所以数据通讯包括两个部分，即控制中心通讯部分和监测单元数据通讯部分,所以我们首选为无线网桥的通讯方式，其次是GPRS，在此项目上由于网络信号较差，在此不作选择。

无线网桥通讯方式
无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离点对点网间互联而设计。

它是一种在链路层实现lan互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离（可达20km）、高速（可达11mbps）无线组网。

特别适用于城市中的远距离高以及是否加用双向放大器。

在无高大障碍（山峰或建筑）的条件下，一对速组网和野外作业的临时组网。

其主要的组网方式有三种：点对点组网，中继的连接，点对多点。

无线通讯示意图
本系统相关通讯方式的布设
针对本监测系统各参考点与监测点的分布，不论采用那种无线通讯方式，通讯路由必须做如下设计：
某滑坡数据通讯示意图
雷电防护
雷电的危害性
在连续参考站一定要考虑到防雷电措施，雷电所产生的高电压电磁脉冲对没有相应保护措施如：同轴电缆，天线，数据通讯电缆，电源电缆产生强烈的毁坏作用，直接损坏所连接的电子设备，所以必须安装避雷电接地端。