南方变形监测系统SMOS解决方案.doc

南方测绘变形监测系统（SMOS）
解决方案

一、 引言
变形监测是为了监视变形体点位移动状况而进行的长期、重复的测量工作，其关键在于提取变形敏感部位和各观测周期的变形点的形变信息，并对提取的变形信息进行分析、解释，按照一定的数学模型进行合理的预测及预警。
GPS测量技术用于生产作业，其作业模式从静态测量，快速静态测量，后处理高精度动态测量，发展到动态初始化（OTF）厘米级实时RTK测量作业。目前厘米级实时RTK技术以其高效、可靠和适用性强等诸多优点已被用户所接受，并广泛应用于各种测绘生产作业中。RTK技术优势主要体现在以下几点：野外可实时获得最终坐标，野外质量控制，室内工作量少野外生产效率高，精度（1-2cm），用途广，如：放样，公路施工，机械引导等等。
在科学技术飞速发展的今天，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术、计算机技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化，大大拓宽了它的应用范围。而在变形监测领域，在过去很长的一段时间里使用常规光学和电子测量仪器进行监测的方法占据着主导地位。由与GPS 测量具有高精度的三维定位能力，与传统方法相比较，应用GPS不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用GPS卫星定位和导航技术、现代通讯技术、计算机技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现对变形体进行全自动化、实时监测。
南方测绘多年以来致力于GPS技术的研发及GPS接收机的生产，已发展为行业的领导者。在系统集成方面也是硕果累累，宜昌NRS系统的成功应用打响了CORS系统国产化的第一枪，而后南方NRS系统以其稳定的性能、高性价比为不同精度要求的用户提供了便利的定位和导航服务。如今南方测绘已经在全国范围内建了超过500个CORS基站，NRS技术也已经被批准列入国家“863计划”。作为CORS系统的发展应用的热点，南方测绘研发出了GPS变形监测系统SMOS（SOUTH Monitor System）。
解决方案先从硬件结构上介绍南方变形监测系统，然后详细介绍南方最新变形监测系统软件SMOS，最后就我们以往实施的项目中总结的经验给出一些建议和展望。
二、南方测绘变形监测系统（SMOS）结构
1、 系统结构总体介绍
南方变形监测系统由四个子系统组成：前端数据采集子系统、数据传输子系统（数据通讯）、数据处理分析及管理子系统（控制中心），辅助支持子系统。四个子系统形成一个有机的整体，前端数据采集子系统跟踪GPS卫星并实时采集数据，数据由数据通讯网络传输至控制中心，控制中心软件对数据处理并分析，实时监测变形体的位移情况。系统整体拓扑如下：

图1 监测系统整体拓扑图
2、 各子系统介绍
（1）前端数据采集子系统
前端数据采集子系统由GPS接收机及天线、馈线、电源等组成。GPS接收机采用高精度进口主板，同时采用大地形扼流圈天线，其能够有效抑制多路径效应的影响，结合不妥协的稳定的相位中心（小于0.8MM）且可以抑制射频干扰使系统更可靠。
（2）数据传输子系统
数据传输子系统：数据传输是整个系统的大动脉，只有数据畅通稳定的传输才能够保证系统的正常运行，保证数据解算的精度。
数据传输的方式可以分为两类：
（1）有线通讯 有线通讯目前有多种接入技术。从数据传输稳定性、成本、维护等角度考虑，使用光缆作为媒介无疑是最理想的。使用光纤作为监测系统数据传输的介质，既能有效保证数据采集端与控制中心数据通信的带宽和质量，又能为系统拓展提供充足的带宽储备，还能方便监测系统组网。带宽宽，传输距离较远，传输速度不受距离的限制，传输介质物理性能稳定，不受电磁干扰，因此光缆在监测工程项目中得到广泛的应用。
（2）无线通讯 无线通讯我们最常用的有无线微波通讯技术，GPRS/CDMA，ZigBee等。根据监测点到控制中心的距离及传输的数据量选择适当的无线传输方式。一般的监测点的分布范围从几百米到几公里远，微波通讯技术从性能、带宽、传输距离是比较适用于监测系统的。而GPRS/CDMA和现在发展得如火如荼的3G通信技术，由于其传输不受视距及距离因素影响而倍受亲睐。但其依赖于信号基站，因此在偏僻山区并不适用。
接收机提供了RS232、TCP/IP多种协议数据接口，方便选择不同的通讯设备。可以根据现场情况确定最佳的通讯方式。
（3）数据处理与控制子系统：由监控中心的服务器系统及监测软件、SQL Sever2005等组成。
变形监测系统整个体系是以数据处理与控制子系统为中心节点的星型网络。各监测站作为系统网络的子节点。应该说控制中心是整个系统的心脏，它的结构与性能也会直接影响整个系统的运行与可靠性。
（4）辅助支持系统：包括外场机柜、外场机箱、配电箱及UPS、防雷和远程电源监控、报警装置等组成。
辅助支持子系统是整个监测系统中不可或缺的重要组成部分，外场机柜、仪器保护箱等对安装在野外的设备起到防水、防尘、防盗等作用。UPS保证了系统运行的连续性，稳定性。防雷设备也起到至关重要的作用，一般的设备安装在野外，雷击对电源电路GPS接收机内部电路，通讯电路等破坏比较严重，雷雨过后需要更换大量的电源板，通讯模块等，因此防雷设备是非常重要的。
三、南方变形监测系统软件SMOS
SMOS软件是南方测绘在Visual C++环境下编写的高精度变形监测系统软件，软件实现了数据处理、地图表现、数据库建立、图形管理和成果输出功能。软件系统软件技术实现构架图如下：
变形监测系统
SMOS

用户登录

用户
合法？

不合法

合法

退出
进入SMOS软件

数据处理

数据库管理
变形分析
图形表现

监测成果
图、表、过程线、报表等

图2 SMOS构架图
1、 SMOS功能设计
（1）系统可以连续、自动、实时地完成监测对象外部变形数据的采集及处理；
（2）控制中心根据处理的数据，实现分析、过程线图形绘制、判断、预测、报表打印和WEB发布
（3）数据通过互联网或者GPRS/CDMA等无线通信技术转发其他分管中心或者上级单位，分管中心数据与现场控制中心的数据完全一致；
（4）系统设置用户权限，一般用户可以对数据进行查询、浏览、历史数据回放等操作，而不能更改系统参数。 而只有系统管理员才能对系统进行全权管理；
（5）参考相关标准规范及经验数据，为变形体设置预警值，实现超限报警功能。
SMOS功能结构图：

SMOS

数据解算

数据查询
成果输出
图形管理
数据分析
地图显示
数据库管理

监测点分布
监测点初始值
按形变量查询
位移报表
变形过程曲线
本期变形量计算

网形显示
各期形变量

按日期查询
变形过程曲线输出
各点变形展开图
累计变形量计算

基线长标识

系统工作情况判别值

变形过程线打印
属性查询
三维变形模拟
变形速率计算

各监测点通讯参数

数据发布
预报数据计算

用户登录记录

图3 SMOS各功能模块
2、 SMOS特点
（1）算法先进，精度更高
较传统RTK算法，SMOS有如下特点：
l SMOS采用采用同时刻（在1微秒之内）的GPS原始观测值进行差分解算；而RTK方法不需要差分改正数和流动站的观测数据保持同步，一般的参考站接收机差分改正数广播更新率为1Hz，因此，一般情况下差分改正数会延迟0.5秒到2秒不等，在特别情况下，流动站能允许1分钟之前的差分改正数参与解算；
l SMOS可以采用扩展的动态非线性Kalman滤波算法进行差分解算。
l SMOS的算法对系统的硬件要求较高，通常在高性能计算机上解算，而RTK的算法是由GPS接收机生产厂商提供，固化在GNSS接收机内部；静态解算则需人工干预，一般采用双差固定解得方式。
（2）兼容性高
SMOS软件提供多种格式数据接入，以及提供第三方软件数据接口。软件可兼容进口及国产主流GPS接收机，最高可支持20HZ频率接收机。
（3）系统更靠性
RTK通常应用于测量高精度导航等，对于RTK接收机而言，如GPS信号发生失锁那么接收机需要重新初始化，求解整周模糊度，从而造成短时间隔内不能正常输出厘米级定位解。而SMOS专为变形监测而设计，适用于桥梁、大坝、矿区、滑坡等的变形监测，软件能长时间持续可靠工作，诸如RTK经常需要重新初始化等缺点在SMOS里并不存在。
SMOS软件运行在控制中心的服务器上，整个计算功能可以设计成冗余模式，增加系统的可靠性，而RTK方法不能实现类似的功能。

以下是软件截图

图4SMOS主界面
SMOS集成WEBSERVER，可以远程PC端查看各基站在线情况，方便管理、及时查看各站当前情况。

图5 WEB数据发布
数据库采用安全可靠的MSSQL2005，实时保存解算成果，方便用户查询数据，并具有用户权限管理。只有最高权限用户方可对数据进编辑及修改。

图5 数据库管理
软件具有参数转换功能，根据客户提供现场坐标参数进行转换

图6 参数设置
SMOS可以查看各个天线实时的卫星情况，信噪比示意图等。

图7卫星分布图

图8信噪比强度图

四、结论和建议
实际工程中为保证 GPS测量的正常进行和定位精度，一般监测点的点位选择自由度较低，从我们实施过的项目中发现，某些关键部位的监测点卫星遮挡情况比较严重，导致锁定卫星数目不足或者数据受到干扰等不良影响，而这些点又在关键部位是不得不进行监测的。鉴于以上情况，我们可以选择双星系统（GPS+GLONASS）的接收机进行监测，它有效解决了GPS在遮挡情况比较严重的情况下观测卫星较少，每颗卫星连续的时间短，导致经常会出现整周模糊度无法固定的情况。加入GLONASS卫星数据后，卫星数增加，几何图形改善，因而定位精度也有所提高。
同时为了增强系统的可靠性，建议建立两个参考站。南方变形监测系统软件SMOS支持多个参考站，进行双重检核。如果其中一个参考站出现通讯故障，另外一个参考站可作为备份对任何基线组合进行处理。
在中心服务器上安装NRS系列软件，在服务器可以接入互联网的条件下，基站可以为移动终端提供差分服务。
南方测绘变形监测系统适用于大桥、水库大坝、高层建筑物、崩塌滑坡等需要进行建构健康监测及可能造成重大损失和人员伤亡的形变体。由于其全天候工作、自动化观测，数据的采集、传输、处理（包括分析、管理）无需人为干预、成果精度可靠、超限自动报警，因此具有传统监测方法无法比拟的优势。变形监测系统作为相关管理部门灾害预警系统的一个分支，其监测成果为领导人做出正确决策提供有力依据，同时提高管理部门处理突发事件的能力，为减轻灾害对人民生命和财产安全造成的重大损失有着重要的意义。