关于GNSS和GIS的变形监测系统设计研究

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摘 要：随着科学技术的不断发展，我国对空间信息的监测管理和分析的研究越发注重，现阶段采用GNSS和GIS技术能够为我国收集空间信息和进行多元信息的管理提供便利。现代社会对GNSS和GIS技术的应用已经非常广泛，尤其是利用GNSS和GIS技术研究出变形监测系统，可用于提升监测工作的效率，并降低实践工作中的投入成本，由此可见探讨GNSS和GIS的变形监测系统设计是十分必要并且十分迫切的。

关键词：GNSS；GIS；变形监测；系统设计

引言

GNSS 和GIS技术日渐成熟，现代社会各个行业纷纷利用二者研究出具有智能化、精确化的变形监测系统，本文以矿产行业为例，利用GNSS和GIS技术设计出一套适用于露天矿高边坡的变形监测系统，对矿产开发过程中的问题进行监测，提升矿产的开采安全性。

1 利用GNSS和GIS技术进行变形监测系统设计的必要性

现阶段，露天矿开采面临诸多威胁，例如自然灾害的侵袭，开采矿产过程中爆破的影响以及开采过程中出现的坡体滑动问题，无论是哪种因素都会影响露天矿开采的安全和进度，对此，开展关于gnss和gis技术的变形监测系统设计研究是十分必要的。以往，露天矿开采的监测方式主要应用的是全站仪和摄影监测，这两种方法的结合使用虽然可以在一定程度上满足监测需求，但是随着露天矿开采工作量的日益增长已经渐渐失去作用。传统的监测方法无法保证露天矿开采过程中的人员开采安全，也不具备智能化的数据分析和处理功能，相比GNSS和GIS技术，传统的监测系统亟待得到基于GNSS和GIS技术的变形监测系统的替代[1]。

进入21世纪之后，全球卫星导航系统（GNSS）和地理信息系统（GIS）的开发和应用已经推广到许多领域，为各个领域的发展提供了技术支持，所以利用GNSS和GIS技术研究露天矿高边坡变形监测技术成为未来发展趋势。当前，国内露天矿开采深度值不断扩大，这使得露天矿开采对监测系统的要求越来越高，因而需要根据露天矿高边坡实际需求，进行基于GNSS/GIS的变形监测系统设计研究。

2 监测系统硬件设计与分析

露天矿高边坡作业需要实现全天候的监测，只有这样才能全面的监测到矿产开采过程中的方方面面，对此，变形监测系统的硬件设计首要达到的就是实时智能化监测标准，完善24h全面候监测的功能体系。在设计监测系统硬件的过程中，选择以GNSS技术中的接收机作为变形监测系统的硬件核心部分，这一部分包括了变形监测系统的传感器子系统、数据传输子系统和数据处理子系统，每一个部分都承载了变形监测系统的重要监测功能，因此需要不断完善变形监测系统的设计。变形监测系统中的传感器子系统功能是负责采集，这部分利用GNSS接收机，防雷设备为主要硬件构成，该硬件构成除了GNSS接收机和防雷设备，还会涉及到一些辅助设备，有了这些设备的支持和帮助，系统会控制这些硬件系统随时采集卫星定位数据。数据传输子系统是变形监测系统的传输结构，其硬件构成部分为光纤，采用光纤技术可以实现最快的信息数据传输，而且对质量也有所保证，光纤传输方式能够提供充足的带宽，确保变形监测系统获得质量优质的信息和数据，不会遗漏信息和数据。数据处理子系统是将传输上来的信息和数据进行显示、分析、处理和保存，变形监测系统下的监测站和参考站会将GNSS技术捕捉到的信息和数据传送到数据处理子系统中，此时在经过分析和处理后，数据处理子系统会根据结果进行匹配，如果出现危险数据，会及时向工作人员发出警报，由工作人员采取措施进行补救，如果数据与运行情况相匹配，系统会继续运行，并且将所获得的处理结果发送到变形监测系统共享网络上，为人们提供借鉴[2]。

3 GNSS技术为基础的变形监测预测点计算分析

以GNSS技术为基础的变形监测系统可以实现三种监测模式，分别是周期性重复监测、固定连续性监测与实时动态监测，在露天矿高边坡作业环境下，主要采用的是固定连续性监测工作模式，再配合其他两种工作模式，这是考虑到露天矿高边坡开采工作具有不定性的性质，因此需要连续性的智能化监测。固定连续性检测主要以GNSS技术为支撑，在设计过程中根据GNSS相对定位原理，计算数据的整周模糊度，再根据求出的整周模糊度数据求出监测点的具体坐标。变形监测系统可以将前期求出的数据进行储存，为日后的监测和计算提供历史参考数据。

4 监测系统软件设计与分析

4.1 软件功能介绍

矿产高边坡的监测系统设计以“安全、实时、显形”为原则，这就要求在软件设计上着重研发安全评价模块、实时监测模块、图形显示模块，以这三方面为主要设计方面，可以达到变形监测系统设计的要求。该变形监测系统的软件设计功能针对的是露天矿高边坡的实际情况，因此其安全模块、实时监测模块、图形显示模块都是在实践监测中重点应用的技术。安全模块主要功能是对露天矿高边坡进行安全评价，具体过程是利用监测系统采集到的信息和数据进行分析，将得到的结果与安全系数进行比对，在此基础上实现对高边坡全方位的安全评价，综合监测高边坡实时数据，计算其历史监测到的数据，根据得到的数据计算预测部位的位移趋势，将其涉及到的各个数据都及时进行数据采集和分析，包括坡高、坡度、内聚力、内摩擦角等，安全评价模块快速根据采集到的信息和数据进行计算，为矿产决策人员提供真实可靠数据[3]。实时监测模块顾名思义就是对露天矿产高边坡进行实时的监测，监测过程中会一直采集高边坡的信息，包括对单点位移监测、设备安全检测等，实时监测过程中采集到的数据是为了使实时监测模块根据及时补充的数据信息对比历史监测数据信息，一旦发现当前的露天矿高边坡坡移情况和历史初始数据发生出入，就要采取措施判断当前坡体的位移情况，进而解决问题。图形显示功能最大的依靠是GNSS技术，由GNSS技术采集到露天矿高边坡图像会经由图形显示模块软件呈现出二维或者三维图像，直观的将露天矿高边坡的数据展现出来。

4.2 软件开发的设计

关于高边坡变形监测系统的软件设计，首要是根据实际情况进行灵活设计，软件的灵活性是系统开发的关键。露天矿产高边坡的监测需要达到安全、实时、显形的效果，针对此可以选择应用二次开发模式。二次开发模式利用的是GIS技术中的ArcGIS Engine，这一技术可以适应多种开发环境，也具有较为良好的兼容性，根据这一技术设计软件，能够采用COM技术实现可嵌入式的设计功能，这种功能最大的作用是将GIS技术与监测系统进行兼并，可以将GIS技术嵌入到软件设计系统中。

5 结束语

基于GNSS/GIS的变形监测系统设计结合了全球卫星导航系统的高精度空间信息摄取功能和地理信息系统的分析处理功能，实现了对露天矿高边坡开采作业的实时监测，能够为露天矿开采提供精准、及时的信息，有利于管理者进行决策，保障了矿产开采过程中的安全生产和经济效益。

参考文献

[1]吴浩，黄创，张建华，等.GNSS/GIS集成的露天矿高边坡变形监测系统研究与应用[J].武汉大学学报（信息科学版），2015，05：706-710.

[2]杨久东，王涛，宋如飞，等.基于GNSS和GIS的变形监测系统设计[A].第四届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C].测绘出版社：2012.

[3]甘雨.GNSS/INS组合系统模型精化及载波相位定位测姿[D].信息工程大学，2015.

作者简介：朱增锋（1985-），男，汉族，河南周口人，硕士研究生，讲师，研究方向为GPS数据处理与应用。