基于GNSS技术的自动化变形监测系统
GNSS在变形监测中的应用课件
GPS差分信号流程
基准站
光纤
共享、分配
光纤
流动站
GPS差分信号流程基准站光纤共享、配动
GPS差分信号流程
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GPS差分信号流程基准站光纤共享、配动
GPS差分信号流程
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光纤
流动站
基准站光纤共享、分配流动GPS差信号程
02w工程概况隔河岩水电站总装机容量为1万k，年发3.4
大坝情况
•隔河岩水电站大坝为三圆心变截面重力拱坝，最大坝高 151m，坝顶弧线全长为653m，坝顶高程为206m。 •高程150m以下为拱坝，高程150m以上为重力坝。 •坝址为凹形河谷，地形条件比较复杂。
5大坝情况隔河岩水电站为三圆心变截面重力拱，最高1
GPS多天线控制器包括计算机系统、开关阵列和
GPS一机多天线控制器
GPS一机多天线控制器
野外供电系统
由于GPS多天线监测系统工作在野外，需要长时间工作并且不 能间断，实际系统中，为防备电源断电而引起数据丢失，在电 路控制板上设计有电源供电检测系统，当检测到电源电压不足 时，给CPU发出警告，CPU会立即进行相关的数据保存处理。
野外供电系统由于GPS多天线监测工作在，需要长时间
+5V/2.0A -5V/0.5A +12V/0.太阳能发电
蓄电池 存储
GNS在变形监测中的应用课件
隔河岩大坝外观变形 GPS自动化监测系统
隔河岩大坝外观变形 GPS自动化监测系统
工程概况
控制命令流程
工作站
网络
工控机
水库大坝GNSS位移自动监测系统方案
水库大坝GNSS位移自动监测系统方案一、方案背景我国已拥有水库大坝9.8万余座，其中95%以上为土石坝，95%以上是上个世纪80年代以前建设的老坝。
虽然近10年来我国进行了大规模的病险水库除险加固，但水库大坝数量多，土石坝多，出险的几率非常高。
大坝作为一种大型水工建筑物，其投资和建成后产生的效果都是巨大的，同时由于其结构、运行环境等因素的复杂性，加上设计、施工、运维的不确定性，如果发生意外变形，失事后造成的灾难也是极其严重的。
因此对水利水电大坝运行状态进行持续的实时监测，是十分有必要的，不仅可以为大坝提供安全评估，保证大坝的安全运行，对水库大坝安全自动化监测预警意义重大。
二、系统组成水库大坝GNSS位移自动监测系统采用无人值守自动化监测，以物联网、互联网、北斗+等技术为理论基础，以自主研发的监测平台及各类传感器为核心，充分利用各种监测手段，建立地表和地下深部的三维立体监测网，对水库大坝坡进行系统、可靠的变形监测。
实时监测水库大坝不同部位各类型裂缝的发展过程，岩土体松弛以及局部坍塌、沉降、隆起活动；地下、地面变形动态（包括滑坡体变形方向、变形速速、变形范围等）；地下水水位、水量、水化学特征变化；倾斜和大坝各种建筑物变形状况；降雨以及地震活动等外部环境变化等，据此对水库大坝滑坡变形发展和变形趋势作出预测，判断其稳定状态给出水库大坝失稳预警值，指导施工，反馈设计和检验治理效果，了解工程实施后的变化特征，为设计施工及灾害预警提供科学依据。
可以把高水库大坝综合在线监测分为四层：感知层、网络层、平台层、应用层。
感知层：实时感应水库大坝监测参数传感器的状态，如GNSS表面位移监测、地下水位、土壤含水率、土压力、和视频监控摄像机，降雨量等前端感知设备；网络层：支持数据通信，可上、下双向通讯，支持无线蜂窝网络、短信、北斗、PSTN、超短波、ZigBee等通信方式。
感应设备可通过监测预警平台的通讯方式，上行发送至监测控制中心平台。
GNSS和InSAR组合监测系统设计
GNSS和InSAR组合监测系统设计GNSS（Global Navigation Satellite System）和InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）是两种常用于监测地壳变形的技术。
GNSS利用全球定位卫星系统，通过测量接收站与卫星之间的距离差异，可以计算出地壳的运动和变形；而InSAR利用合成孔径雷达技术，通过测量雷达波传播时间的差异，可以获得地表形变的信息。
将这两种技术结合起来，可以提高地壳变形监测的精度和范围。
一、接收站布置GNSS接收站应该均匀分布在研究区域内，以获得全面的地壳运动信息。
接收站应远离建筑物、输电线路等干扰源，并具备良好的观测环境和条件。
二、InSAR数据获取InSAR的数据主要来自合成孔径雷达卫星，因此系统设计时需要选择合适的卫星，并合理安排数据获取时间和区域。
还需要考虑卫星轨道参数、地表覆盖情况等因素。
三、数据处理和分析GNSS和InSAR获取的数据需要经过精确的处理和分析才能得到地壳运动和变形的信息。
GNSS数据处理主要包括多普勒效应的修正、电离层延迟的消除等；InSAR数据处理主要包括相位解缠、大气延迟的修正等。
处理完成后，可以绘制出地表形变图，并进行相关数据分析。
四、系统集成和监测平台搭建将GNSS和InSAR数据进行集成，可以提高地壳变形监测的精度和范围。
还可以利用先进的信息技术手段，建立统一的监测平台，实现数据的实时监测和分析。
五、结果解释和应用根据监测数据的结果，可以对地壳运动和变形进行解释和分析。
还可以将监测结果应用于地壳运动预警、灾害防控等方面，为相关部门和群众提供科学依据。
GNSS和InSAR组合监测系统的设计需要考虑接收站布置、数据获取、数据处理和分析、系统集成和监测平台搭建等方面的问题。
只有将各个环节有效地组合起来，才能实现高精度、全面的地壳变形监测。
基于GNSS实时监测的土石坝表面变形时序分析
基于GNSS实时监测的⼟⽯坝表⾯变形时序分析（1.深圳市⽔务规划设计院有限公司，⼴东深圳518000；2.武汉⼤学卫星导航定位技术研究中⼼，湖北武汉430079）要：利⽤茜坑⽔库主坝GNSS⾃动化监测系统的实测数据，采⽤回归分析的⽅法进⾏坝体表⾯变形分析，建⽴包含⽔位和时间的数学模型，摘要：对观测墩位移变化进⾏预测分析，并结合实测值对预测值进⾏验证。
结果表明，茜坑⽔库主坝上下游⽅向的变形主要由⽔库⽔位变化引起，竖直⽅向的变形主要由时效因素引起。
通过建⽴⽔库上下游⽅向变形随⽔位变化的模型，结合实测数据修正，实现了有效的变形预测，预测结果可应⽤于变形监测系统的⾃动预警。
GNSS⾃动化监测系统获取的长期、连续的变形数据，为分析⼟⽯坝表⾯变形的机制提供了数据⽀撑。
关键词：GNSS；变形监测；回归分析；预警；⼟⽯坝；茜坑⽔库20世纪以来，先后发⽣的法国Malpasset拱坝（1959年）、意⼤利Vajaut拱坝（1963年）、我国板桥和⽯漫滩⽔库⼤坝（1975年）、美国Teton⼟⽯坝（1976年）、我国沟后⽔库混凝⼟⾯板堆⽯坝（1993年）等溃坝事件，给当地造成了巨⼤灾害和惨重的经济损失［1-2］。
截⾄2013年，我国共普查库容10万m3及以上的⽔库⼯程98 002座［3］，这些⽔库⼤坝的安全运⾏不仅关系到其⾃⾝效益的发挥，更关系着⽔库下游⼈民的⽣命财产安全，因此对⼤坝进⾏安全监测⼗分必要。
⼤坝变形监测可以直观反映⼤坝运⾏状态，许多⼤坝出现异常，最初都是通过变形监测值发⽣异常反映出来的，因此变形监测被列为⼤坝安全监测的⾸选监测项⽬［2，4-6］。
⼤坝变形监测的⽬的是及时获取⼤坝的表⾯变形信息，为⼤坝安全评估提供数据⽀撑，并在⼤坝出现异常时进⾏预警。
GNSS（Global Navigation Satellite System）是全球导航卫星系统的统称，包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO和中国北⽃系统。
基于GNSS的边坡自动化监测系统应用研究
近年来，随着GNSS 技术[1-2]、数据远程传输技术[3]和互联网技术[4]的不断成熟，使得边坡监测越来越向全天候、高精度、自动化方向发展，自动化监测方法[5-7]的出现改变了人工观测方式，系统服务器24h 工作，能够保证及时对数据进行解析处理，以便随时掌握边坡的安全情况[8]。
本文从某工程边坡安全稳定的角度出发，以GNSS 技术为基础，将其与数据远程传输技术相结合，构建边坡自动化监测体系，运用到边坡结构安全监测中，并对其监测结果进行了研究。
1GNSS自动化监测关键技术利用GNSS 技术进行边坡监测，包括基准站和采集站，将1台GNSS 接收机固定稳固安置在远离变形区域的位置作为基准站，另外多台GNSS 接收机安置在坡体位移点作为监测站，基准站和监测站同时启动，并以载波相位作为观测量，通过数据传输系统将同一时刻的GNSS 基准站和GNSS 监测站的原始观测数据发送到监测中心，利用专业软件对数据进行自动解算处理，从而得到监测站实时的mm 级坐标值[9]。
2边坡监测系统建设基于GNSS 的边坡自动化监测技术是由数据采集终端、通信网络和监测中心组成[10]。
数据采集终端可以在边坡上连续工作，它将各个独立的数据通过GPRS 网络发送到监测中心。
通信不受距离限制，可以把监测中心设置在远离环境恶劣的监测现场，有效保障了系统的正常运行。
2.1数据采集终端建设依据边坡工程钻探、地质勘查和设计施工等已有资料，在边坡变形区外一个稳定基础上布设一个GNSS 基准点，点名：（GNSS JZ1），设置定时启动，与其他监测站同步运行；在变形区关键断面处布设4基于GNSS 的边坡自动化监测系统应用研究王豪威1（1.核工业航测遥感中心,河北石家庄050002）摘要：边坡工程对安全性要求极高，对其进行变形监测是保证边坡安全运行的重要措施。
GNSS 技术具有数据实时采集、实时分析、可全天候观测、易于实现全系统的自动化等优势。
以GNSS 技术为基础，将其与计算机技术、数据远程传输技术相结合构建边坡自动化监测系统，并将其运用到边坡结构安全监测中。
基于GNSS技术的自动化变形监测系统
GNSS变形监测系统介绍
在地球上任何位置、任何时刻GNSS可为各类用 户连续地提供动态的三维位置、三维速度和时间信 息，实现全球、全天候的连续实时导航、定位和授时。 目前，GNSS已在大地测量、精密工程测量、地壳形 变监测、石油勘探等领域得到广泛应用。
通过近十多年的实践证明，利用GNSS定位技术 进行精密工程测量和大地测量，平差后控制点的平面 位置精度为1mm～2mm，高程精度为2mm～4mm。
Kalman算法平面解算结果
平面精度在5mm 左右，高程精度 在8mm左右
Kalman算法高程解算结果
关键问题的技术运用
多星座联合解算
GPS
Compass
多星解 算
GLONASS
Galileo
GNSS技术运用于变形监测优势
常规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：
平面精度在 10mm左右， 高程精度在 15mm左右
关键问题的技术运用
在一个静止的点上，分20分钟一个时段对其连续观测5 个小时的数据
平面后处理结果
平面精度在8mm左 右，高程精度在 12mm
高程后处理结果
关键问题的技术运用
在一个静止的点上，分10分钟一个时段对其连续观测5 个小时的数据，用华测GPSensor准动态Kalman算法对其 进行处理
为了更好的提高精度采用扩展的动态非线性 Kalman和抗差自适应kalman滤波等多种算法和误差处 理模型进行差分解算
关键问题的技术运用
在一个静止点上，采用双频GPS接收机和普通双频天 线进行实时RTK解算
RTK的定位精度平 面在2个厘米之 内，高程在4个厘 米之内
关键问题的技术运用
GNSS在变形监测中的应用
GNSS在变形监测中的应用摘要：地壳运动对人类生活造成了很大的影响，滑坡现象就是在地壳运动中产生的，在地表山坡的地质情况下比较常见。
这种现象的出现，不仅影响了原住民的人身安全，对经济的发展也非常不利。
为了减少滑坡现象对人们的威胁，GNSS技术应运而生，引起了人们的重视。
关键词：GNSS；变形监测；应用引言滑坡现象的出现有很大的不确定性，所以对这种现象的监测非常必要，变形监测功能做的好，才能对事故发生的范围进行控制，并尽大可能挽回损失。
GNSS技术在滑坡现象的监测上作用很大，所以这种技术的应用非常值得人们关注。
1概述变形监测简而言之就是对变形体进行动态监测，同时通过对变形体产生的一些数据进行操作，对变形体的变化做出预测，这种监测主要依靠专业的测量方法，以及现代先进的技术设备。
准确的数据信息在变形监测中非常重要，只有在研究中得到的数据信息是准确的，才能进行下一步的预测工作，而要得出最正确的预报，就需要变形监测系统的使用了。
GNSS技术是一种变形监测技术，这种技术可以进行远距离自动测量，并且测量结果准确率极高，这种技术涵盖全球所有的导航卫星系统，包括中国、俄罗斯、美国、欧洲等各个区域所有的卫星导航系统。
GNSS技术的优点非常多，例如定位准确率高、测量速度快、全天候全区域、测量的各个站点之间不需要联通，能同时测量确定点的三维坐标等。
近年来我国GNSS技术的极速发展取得了非常好的成效，在测量和监测地质领域效果显著。
2滑坡应急变形监测方法分析2.1固定站点监测传统的地质监测工程中，固定站点监测技术是一类很常用的技术。
固定站点监测技术，简而言之就是通过建立一些固定的站点，对需要监测区域内的地质情况进行监测，在实际的应用中，这种技术的优势很多，例如监测的稳定性好、精确性也很高。
虽然优势很多，但是也有劣势，固定暂停监测技术在作业前期的打基础方面有很大的困难，并且如果地形比较复杂，对技术的影响也比较大、安全性不足。
GNSS自动化监测技术的工程应用
GNSS自动化监测技术的工程应用1. GNSS自动化监测技术概述随着全球定位系统技术的不断进步与发展，GNSS（全球导航卫星系统）自动化监测技术已经广泛应用于多个工程领域，包括土木工程、桥梁工程、隧道工程、地质工程等。
GNSS自动化监测技术以其高精度、高效率的特点，在工程监测中起到了重要的作用。
GNSS自动化监测技术主要依赖于先进的卫星导航技术，通过接收卫星信号，实现对目标位置的精确测定。
该技术通过自动化设备和软件，实现对工程结构的长期连续监测，能够实时获取工程结构的位置、位移、速度等关键信息。
与传统的监测手段相比，GNSS自动化监测技术具有监测精度高、数据实时性强、监测范围广、操作简便等优点。
GNSS自动化监测技术主要包含以下几个核心部分：卫星信号接收器、数据传输设备、数据处理软件。
其中，生成监测报告。
在工程应用中，GNSS自动化监测技术主要应用于以下几个方面：一是大型建筑物的形变监测，如大坝、桥梁等的位移和形变监测；二是地质灾害的预警，如滑坡、泥石流等；三是矿山开采区的地表沉陷监测；四是精密工程测量，如桥梁施工中的精准定位等。
GNSS自动化监测技术以其独特的优势，在工程领域的应用越来越广泛。
随着技术的不断进步和发展，其在工程应用中的范围和深度将更为广泛，对于提高工程安全性、降低风险具有重要的应用价值。
1.1 GNSS基本概念全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）是一种提供全球定位、导航和授时服务的卫星系统。
它利用一组运行在地球轨道上的卫星，通过卫星与地面设备之间的信号传输，实现对地球上用户的精确位置、速度和时间信息的服务。
全球主要的GNSS系统包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、欧洲的伽利略（Galileo）以及中国的北斗卫星导航系统（BDS）等。
GNSS技术具有高精度、全球覆盖、实时性等优点，在交通运输、测绘、气象、农业、公共安全等多个领域得到了广泛应用。
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关键问题的技术运用
在一个静止点上，采用双频GPS接收机和普通双频天 线进行实时RTK解算
RTK的定位精度平 面在2个厘米之 内，高程在4个厘 米之内
关键问题的技术运用
在一个静止点上，采用双频GPS接收机和普通双频天 线，然后采用GPSensor软件对其连续解算24个小时
谢谢大家
基于GNSS技术的自动化变形监测系统
上海华测导航技术有限公司 系统集成事业部 副总经理
邱匡成
目录
• GNSS变形监测系统介绍 • GNSS变形监测系统应用领域 • 系统组成 • 系统关键技术运用 • GNSS技术运用于变形监测优势
GNSS变形监测系统介绍
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、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO以及中国的 COMPASS（北斗），目前使用范围较多的是美国的 GPS系统。
平面精度在 10mm左右， 高程精度在 15mm左右
关键问题的技术运用
在一个静止的点上，分20分钟一个时段对其连续观测5 个小时的数据
平面后处理结果
平面精度在8mm左 右，高程精度在 12mm
高程后处理结果
关键问题的技术运用
在一个静止的点上，分10分钟一个时段对其连续观测5 个小时的数据，用华测GPSensor准动态Kalman算法对其 进行处理
GNSS系统监测原理
GNSS基准站设置在非形变区，GNSS监测站设置 在形变监测区（监测断面的布置和监测点的数量根据 监测项目的要求来设置）。
通过数据传输系统将同一时刻的GNSS基准站及 GNSS监测站的原始观测数据发送到数据中心（数据 采样间隔可达1秒10次-20次）。
专业变形监测软件GPSensor对数据进行自动解算 处理，得到监测点实时的毫米级坐标值。
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。 但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实 现自动化监测。
GNSS技术运用于变形监测优势
利用GNSS定位技术进行滑坡等地质灾害监测时 具有下列优点：
1、测站间无需保持通视 2、可同时测定点的三维位移 3、全天候观测 4、易于实现全系统的自动化 5、可以获得mm级精度 利用GNSS定位技术进行地质灾害监测时也存在 一些不足之处，主要表现在点位选择的自由度较低， 单位成本相对较高。
GNSS变形监测系统应用领域
大型构筑物监测
华测变形监测系统组成
系统拓扑图
传感器子系统
多传感器平台融合
前端系统组成示意图
数据通讯子系统
数据传输系统： 有线传输：光纤、网线、485信号、422信号 无线传输：无线网桥、2G/3G通讯模块、Zigbee
数据处理与控制子系统
软件系统设计架构图
串口通讯 TCP/UPD 通讯 UHF/VHF/MODEM
GNSS系统监测原理
GNSS变形监测系统应用领域
水利水电大坝监测
GNSS变形监测系统应用领域
尾矿库安全监测
GNSS变形监测系统应用领域
地质滑坡灾害监测
GNSS变形监测系统应用领域
桥梁安全监测
GNSS变形监测系统应用领域
露天矿开采边坡、排土场、排矸场监测
GNSS变形监测系统应用领域
地表塌陷区沉降监测
Trimble Navcom Huace
NovAtel Javad
远程设置
接收机钟差改正 电离层改正
测站环境干扰去除
双差 Kalman 滤波解算 三差 Kalman 滤波解算 实时动态自由网平差
时间同步 系统完备性监测 地方坐标转换
数据视图 接收机视图
接收机分布网图 基线解算视图
监测点点位离散 图
星历更新窗口
关键问题的技术运用
优化的野外供电技术
光伏阵列最大功率点跟踪技术 MPPT（ Maximum Power Point Tracking ）
风光互补
关键问题的技术运用
组合式通讯方案
Zigbee
前端密集传 感器自组网
PLC
小区域电力 线通信传输
WLAN
5.8 GHz点对点 主干数据传输
区域内移动无 线数据传输
GNSS变形监测系统介绍
在地球上任何位置、任维位置、三维速度和时间信 息，实现全球、全天候的连续实时导航、定位和授时。 目前，GNSS已在大地测量、精密工程测量、地壳形 变监测、石油勘探等领域得到广泛应用。
通过近十多年的实践证明，利用GNSS定位技术 进行精密工程测量和大地测量，平差后控制点的平面 位置精度为1mm～2mm，高程精度为2mm～4mm。
测站变形曲线
数据记录/远程服务
日志
据视图
数据导入/导出
桥梁监测客户端
原始数据后处理
沉降监测客户端
报警/远程服务
滑坡监测客户端
数据处理与控制子系统
软件系统数据流程图
数据处理与控制子系统
• 卫星数据 – 卫星颗数 – 每颗卫星的位置 – 每颗卫星的信噪比 – 每颗卫星的仰角 • GPS定位数据 – 坐标 – 水平精度、垂直精度 – PDOP值 – 使用卫星颗数 – 解类型 – 数据时延
MESH
关键问题的技术运用
核心算法
采用滤波方法消除GNSS动态定位数据中的随机 误差，即Kalman滤波器。将真实的状态（定位结果） 从各种随机干扰中实时最优地估计出来。
GNSS动态定位的离散状态空间模型如下：
X(k +1) = Φ(k +1, k)X(k) + W(k) ⎫ Y(k +1) = h[ X (k +1), k +1] + V(k +1)⎬⎭
Kalman算法平面解算结果
平面精度在5mm 左右，高程精度 在8mm左右
Kalman算法高程解算结果
关键问题的技术运用
多星座联合解算
GPS
Compass
多星解 算
GLONASS
Galileo
GNSS技术运用于变形监测优势
常规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：