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1、华测GPS滑坡监测系统技术方案书上海华测导航技术有限公司2013年5月71目录第一部分 GPS自动化监测系统概述41GPS自动化监测系统概述41.1GPS自动化监测系统工作原理41.2传统监测手段与GPS自动化监测系统优势51.2.1传统监测手段51.2.2GPS自动化监测系统的优缺点51.2.3总结71.3华测GPS自动化监测系统应用实例71.3.1拉西瓦水电站果卜滑坡体GPS自动化监测系统71.3.2东海大桥GPS自动化监测系统91.3.3瓮福磷矿尾矿库监测系统101.3.4黑岱沟露天煤矿边坡监测系统111.3.5华测历史监测项目12第二部分 项目概况及设计原则142工程概况143监测目的
2、和任务144监测设计的原则和依据144.1监测设计原则154.2监测技术依据165监测内容和技术要求165.1监测具体内容165.2监测技术要求175.3监测系统的技术指标17第三部分 系统整体设计186硬件系统186.1传感器子系统196.1.1GPS参考站206.1.2GPS监测站256.2数据传输子系统286.3辅助支持系统296.3.1配电及UPS系统296.3.2防雷系统326.3.3外场机柜356.3.4综合布线366.4数据处理与控制子系统366.4.1机房建设366.4.2存储及处理系统387软件系统397.1软件系统功能397.2软件系统模块407.2.1数据处理模块407.
3、2.2基于B/S与C/S架构用户显示软件578产品选型618.1华测单频X300M接收机618.2GPRS模块628.3配电设备638.4防雷相关设备658.4.1天馈浪涌保护器658.4.2单项电源避雷器668.4.3避雷针678.4.4同轴电缆688.4.5外场机柜688.5天线罩698.6观测墩70第一部分 GPS自动化监测系统概述1 GPS自动化监测系统概述1.1 GPS自动化监测系统工作原理全球定位系统(global positioning system，缩写为GPS，是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的新一代卫星导航系统。GPS由空间部分、地面监控部分和用户
4、接收机3部分组成。经过20多年的研究和试验，整个系统于1994年完全投入使用。在地球上任何位置、任何时刻GPS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、GPS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。具体定位原理如下图：图 11 GPS差分示意图通过近十多年的实践证明，利用GPS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1mm2mm，高程精度为2mm3mm。应该说：利用GPS定位技术进行变形监测，是一种先进的高科技监测手段，而用GPS监测滑坡是GPS技术变形监测的一种典型应用，通
5、常有两种方案：用几台GPS接收机，由人工定期到监测点上观测，对数据实施处理后进行变形分析与预报；在监测点上建立无人值守的GPS观测系统，通过软件控制，实现实时监测解算和变形分析、预报。但由于每个监测点上都需要安装GPS接收机，对于本监测系统就需要几十台GPS接收机，仅购买接收机就需几百万元，致使监测系统的费用非常昂贵。为此、我们根据现场的实际情况选用“一机多天线”技术，即几个监测点共用一台主机，这样可以大大节省投资费用。1.2 传统监测手段与GPS自动化监测系统优势1.2.1 传统监测手段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：（1）能够提
6、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。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点，但通常只能提供局部和相对的变形信息。摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。近10余年来，近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝、滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用，其监测精度可达mm级。与其他变形监测技术相比较，近景摄影测量的优点是：（1）可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位信息；（2）
7、可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测；（3）相片上的信息丰富、客观又可长久保存，有利于进行变形的对比分析；（4）监测工作简便、快速、安全。但摄影距离不能过远，且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备，摄影测量技术在变形监测中应用尚不普及。1.2.2 GPS自动化监测系统的优缺点1、 优点利用GPS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：由于GPS定位时测站间不需要保持通视，因而可使变形监测网的布设更为自由、方便。可省略许多中间过渡点（采用常规大地测量方法进行变形监测时，为传递坐标经常要设立许多中间过渡点），且不必建标，从而可节省大量的人力物力。2)
8、可同时测定点的三维位移：采用传统的大地测量方法进行变形监测时，平面位移通常是用方向交汇，距离交汇，全站仪极坐标法等手段来测定；而垂直位移一般采用精密水准测量的方法来测定。水平位移和垂直位移的分别测定增加了工作量。且在山区等地进行崩滑地质灾害监测时，由于地势陡峻，进行精密水准测量也极为困难。改用三角高程测量来测定垂直位移时，精度不够理想。而利用GPS定位技术来进行变形时则可同时测定点的三维位移。由于我们关心的只是点位的变化，故垂直位移的监测完全可以在大地高系统中进行。这样就可以避免将大地高转换为正常高时由于高程异常的误差而造成的精度损失。虽然采用GPS定位技术来进行变形监测时，垂直位移的精度一般
9、不如水平位移的精度好，但采取适当措施后仍可满足要求。3) 全天候观测：GPS测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行观测。这一点对于汛期的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测是非常有利的。4) 易于实现全系统的自动化：由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的，而且接收机又为用户预备了必要的入口，故用户可以较为方便地把GPS变形监测系统建成无人值守的全自动化的监测系统。这种系统不但可保证长期连续运行，而且可大幅度降低变形监测成本，提高监测资料的可靠性。5) 可以获得mm级精度：mm级的精度已可满足一般崩滑体变形监测的精度要求。需要更高的监测精度时应增加观测时间和时段数正因为GPS定位技术具有上
10、述优点，因而在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的监测中得到了广泛的应用，成为一种新的有效的监测手段。2、 缺点利用GPS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：为保证GPS测量的正常进行和定位精度，在GPS测量规范中对测站周围的环境作出了一系列的规定。如测站周围高度角15以上不允许存在成片的障碍物；测站离高压线、变压器、无线电台、电视台、微波中继站等信号干扰物和强信号源有一定的距离（例如200400m）；测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、山坡、大面积水域等信号反射物，以避免多路径误差。但在崩滑体的变形监测中上述要求往往难以满足，因为监测点的位置通常是由地质
11、人员根据滑坡、断层的地质构造和受力情况而定，有时又要考虑利用老的观测墩和控制点。测量人员的选择余地不大，从而使不少变形监测点的观测条件欠佳。1.2.3 总结从上面分析可得，利用GPS进行变形监测的优点要远远大于缺点的制约，所以说：GPS技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。据资料介绍，国外从20世界80年代开始用GPS进行变形监测。从90年代以来，世界上许多国家纷纷布设地壳运动GPS监测网，为地球动力学和地震与火山喷发预报服务。例如，日本国土地理院从1993年开始了GPS连续观测网的筹建工作，到1994年日本列岛已建立由210个GPS连续观测站组成的连续监测系统（COSMOS），目前的观测
12、站总数以发展到1000多个。该系统与1994年10月1日正式使用，10月4日就检测到北海道东部近海8.4级大地震，并清晰地记录了地震前后的地壳形变。此后，又成功的捕捉到三陆远海地震及兵库县南部地震的地壳形变。1995年1月17日，在日本阪神7.2级大地震后，该系统在进行快速、准确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大作用。1.3 华测GPS自动化监测系统应用实例1.3.1 拉西瓦水电站果卜滑坡体GPS自动化监测系统拉西瓦水电站水库当地环境干燥，常年大风，滑坡体表层岩石与土层夹杂。由于常年大风，风化现象还是比较严重，该地区雨水状况不多，有冻土情况，在冻土融化和雨水较多时，易产生滑坡灾害。本项目
13、根据果卜滑坡体的地貌特征及监测区共包括5个滑坡断面：2号梁、3号梁、4号梁、5号梁和双黄梁。目前整个果卜变形体共布置20个GPS自动化监测点，每个梁体分布四个监测点，在后部山体布有2个GPS基站点，如下图所示;本监测系统采用了华测生产的高性价比X60M GPS接收机，可以保证稳定的高质量信号数据，在野外恶劣的自然环境条件下，能够24小时不间断的采集和传输数据，与GPSensor软件能实现实时的无缝连接。果卜滑坡体监测系统采用双基站，两个基站形成一条基线，共同参与解算，提高了精度和系统的可靠性。软件方面采用了专门针对形变监测而设计的GPSensor软件，同时对安放在目标设施上的20个GPS监测点
14、的数据进行实时位置解算。在本次滑坡体监测中，采用了精度最高，解算最稳定的Static Strategy模型，从而达到软件跟应用需要的最佳匹配。并通过控制中心进行远程操作，对许多的不同目标点进行监测。拉西瓦水电站滑坡形变GPS自动化监测系统能及时监测滑坡体在一段时间内的沉降位移和水平位移，显示位移分析图表。当位移发生突变或有增大趋势时，系统能自动报警。1.5小时的GPS观测数据解算的水平中误差能达到或优于3mm，垂直中误差能达到或优于5mm。系统能够分析、解读滑坡体变形监测数据，做出各级单项报警，为监测中心管理者提供决策依据。同时，能够根据滑坡体变形等数据的变化，综合分析滑坡体的安全稳定性，给出
15、必要的预报，提前采取相应的措施，确保水电站的安全运行。1.3.2 东海大桥GPS自动化监测系统东海大桥起始于上海南汇区芦潮港，北连沪芦高速公路，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛，全长32.5公里。本GPS自动化监测系统于2006年建成投入使用，系统分别由1个参考站和8个监测站组成。参考站设在附近颗珠山基岩上；主航道斜拉桥设3个监测站，梁桥塔顶各设1个，跨中桥面各设1个；颗珠山斜拉桥设5个监测站，4个塔顶各设一个，跨中桥面设1个。数据传输采用先进的光纤数据传输方式，与GPS系统常用的数传电台通讯方式比较，一方面提高了系统的通讯可靠性，另一方面提高了数据传输速度。控制中心配备两台服务器，一台用于设备控制，另一个台用于数据分析和图形处理，以及终端服务。结合专业的数据处理软件，实时对数据进行分析和图形处理。经过近三年的连续运行，东海大桥实时GPS形变监测系统运行可靠，稳定。期间分别多次进行对比测试，实测监测数据与其它传感器监测结果进行比较互差都在
