基于GPS/GIS集成的遠程變形監測智能預警系統的研究

肖海平，陳蘭蘭，劉德兒，郭鐘群，郭觀明

(江西理工大學，江西贛州341000)

基于GPS/GIS集成的遠程變形監測智能預警系統的研究

肖海平，陳蘭蘭，劉德兒，郭鐘群，郭觀明

(江西理工大學，江西贛州341000)

通過分析研究系統的集成模型、設計內容及關鍵技術，實現對實時的海量GPS數據與GIS技術的有效集成，并為建立遠程變形監測智能預警系統提供重要的技術保障。

遠程監測;變形監測;GPS/GIS集成;反演分析;智能預警

一、引 言

近年來，由于受到各種因素的影響，越來越多的大規模工程建筑產生了形變。如果形變超過變形體所規定的范圍，則可能會影響到工程建筑的正常運營，嚴重時還會危及工程建筑的安全，給人們的生命財產安全帶來巨大的隱患。因此，國內外都非常重視對工程建筑的安全監測，將其作為工程施工和管理過程中極為重要的組成部分。并且，由于社會對工程的安全預防和對實時預警要求的不斷提高，實施遠程變形監測智能預警系統更顯得尤為迫切。隨著科學技術和信息化的發展，以數字化、信息化為核心的信息系統對變形監測的設計模式和監測手段都產生了深遠的影響。而信息系統的自動化、網絡化，以及監測技術和GIS技術的發展為解決變形監測中存在的不足提供了重要的方法和手段。為了能夠及時、準確地對變形體的狀態、穩定程度和變形情況進行分析，并長期安全地保存監測信息，實現信息化施工和運營，本文通過采用GPS監測技術、遠程無線傳輸手段，以及GIS強大的數據管理功能，實現了對變形監測數據的分析、處理和評價，并將三者有機地結合起來，建立了GPS/GIS集成的遠程變形監測智能預警系統，極大地提高了工程的信息化水平，并為施工單位實時掌握工程安全和決策分析提供了輔助作用［1-2］。

二、GPS/GIS集成的結構模型設計

GPS和GIS的集成模式大致有基于數據的集成(data-focused integration)、基于位置的集成(position-focused integration)和基于技術的集成(technology-focused integration)3種方式［3］。因此，在建立基于GPS/GIS集成的遠程變形監測智能預警系統的過程中，選擇集成方式是系統設計的關鍵。但是在這3種集成方式中，基于數據的集成只能簡單地將GPS數據單向地傳入到GIS數據庫;基于位置的集成雖然能對GPS和GIS部分功能實現自動處理，但是彼此之間是相對獨立的，這兩種集成方式對于系統的設計都存在一定的缺陷，不利于實際應用發展的需要。而基于技術的集成則是在相同的開發環境下實現對GPS和GIS功能的控制，以達到系統的無縫集成。系統的集成結構由GPS數據接收機、通信串口和GIS數據分析處理平臺3部分組成，其結構模型［4-5］如圖1所示。

圖1 GPS/GIS集成的結構模型圖

三、系統的設計

1.系統設計平臺的選擇

1)系統開發工具：采用的是Visua1 Basic 6.0可視化開發工具，其編程簡單、可視化程度高。

2)GIS開發平臺：采用的是基于MapX的組件式二次開發技術，并以MapInfo作為系統開發平臺。它可以充分發揮GIS強大的空間數據管理、分析及三維立體化等功能，也可以發揮其他可視化開發語言高效、簡便等特點，極大地擴展了系統的開發途徑，使得系統具有很強的靈活性和適應性，為其他領域的應用開發提供了條件。

3)GPS開發方式：采用的是基于技術的集成方式，通過設計專門的GPS模塊，實現GPS和GIS的無縫集成。

2.系統研究的主要內容

基于GPS/GIS集成的遠程變形監測智能預警系統利用遠程無線傳輸的方法對監測區的GPS數據進行傳輸，并利用GIS技術對該數據進行管理和分析，以實現對監測區內變形的分析和預警。系統研究的主要內容包括以下4個方面。

1)變形監測數據自動采集與遠程傳輸。將通過靜態GPS接收機獲取到的原始監測數據，經傳輸模塊，進行數據解算，得到所需的坐標值，再傳輸到本地服務器中，形成本系統所需的監測數據。

2)GPS系統與組件式GIS的無縫集成。利用GPS接收機所提供的定位數據和GIS中的電子地圖，建立數據集成的結構模型，完成GPS與GIS的無縫集成，以實現GPS和GIS之間數據坐標或數據格式的轉換、地圖的匹配及顯示等。

3)動態監測預測模型的構建。由于變形體的變形受到很多內外界因素的影響，為了實時地預測出變形體的變形狀態和趨勢，利用傳統的變形預測的基本理論和方法，如回歸分析、時間序列分析和灰色系統等建立預測模型很難滿足實際工作的需求。因此，只有對監測數據進行分析，找出規律，建立動態監測預測模型，才能更有效地反映出變形特征及其趨勢。

4)遠程變形監測智能預警系統的功能的設計及其開發。遠程變形監測智能預警系統主要由數據庫管理子系統和監測預警子系統兩部分組成。其中，數據庫管理子系統是監測預警系統的基礎部分，為系統提供統一的數據支持;監測預警子系統是監測預警系統的重要組成部分，其作用是利用GPS監測數據和GIS相關技術實現對遠程監測區的實時監測和變形預警。

3.系統關鍵技術研究

(1)GPS數據的轉換及一體化管理

在系統設計的過程中，數據的轉換和一體化管理對GPS和GIS的集成至關重要。為了實現以GIS數據(圖形、圖像和屬性等形式的數據)定位GPS監測數據，就必須將由GPS接收機所采集到的屬于WGS-84坐標系的監測數據轉換到1954北京坐標系中，再經高斯投影變換轉換為平面坐標，并將轉換數據保存到數據庫中，利用特定的地圖匹配算法實現與地圖的匹配。因此，利用GIS技術對GPS數據進行分析處理、動態存儲、管理和可視化，是實現變形監測系統專業化和智能化的重要手段。另外還可以通過數據傳輸接口將GPS和GIS系統、有效地集合起來，以解決數據采集、傳輸、管理和分析過程中存在的問題，為GPS和GIS的集成和應用提供重要的技術支持。

(2)集成系統的可視化

可視化是描述變形體變形最直觀的表現形式。因此，如何將集成系統中大量的與變形有關的空間圖形、圖像等信息一目了然地體現出來，使用戶能夠實時、準確地掌握工程項目的運行狀況，是GPS和GIS集成的遠程變形監測智能預警系統設計中非常重要的內容。

由于虛擬現實技術和三維仿真技術近年來快速發展，可利用三維可視化實施遠程監控、指揮調度和對反饋回來的數據進行管理、分析和決策等，并在計算機上生動形象地將各種信息資源綜合直觀地加以表現，進行交互式操作［6］，實現系統的可視化。基于GPS和GIS集成的遠程變形監測智能預警系統就是充分利用了GIS強大的對空間數據的存儲、管理、顯示、分析及三維立體化等功能，不僅提高了系統建模的效率和準確性，縮短了開發周期，減少了開發費用，還彌補了傳統變形監測研究方法和手段中存在的不足，方便了工程人員對變形監測系統進行全面、直觀的理解和決策。

(3)變形監測數據的動態反演

反演分析是對工程項目進行反饋分析的一種方法，是對實測數據和其他觀測數據的一系列反饋處理，是系統設計過程中重要的組成部分［7］。

變形預測值是指導工程項目生產運營的重要數據基礎，它的好壞直接影響到工程項目的安全評估，而工程項目的安全評估又是以原始監測值作為基礎的。但是在實際監測中，由于受到各種因素的影響，原始監測數據會不可避免地存在一定的誤差，這就勢必導致實測值的不準確，由此所得出的預測值也就必然存在較大的偏差。為了獲得更加準確、真實的預測值，本文利用反饋分析的方法，首先依據原始監測值，檢驗、計算影響變形的各種參數是否與實際相符合，若一致，則符合要求;若仍存在一定的偏差，則需進行適當的調整，使得計算值盡量與實測值接近。然后再根據計算的參數值推算出預測值，以此來實現變形監測數據的動態反演，并為工程的安全生產、變形預測及方案設計提供技術保障。

四、結 論

本文在對GPS與GIS集成技術和遠程數據傳輸技術進行分析研究的基礎上，建立了一套基于GPS/GIS集成的遠程變形監測智能預警系統的設計方案。該系統主要可以解決以下幾個方面的問題：

1)實現對遠程監測區內變形體的實時監測及數據的遠程傳輸，方便用戶實時、準確地查詢監測信息。

2)實現對監測數據的及時更新、管理和共享，使資源的配置更為合理，調度更為方便。

3)實現三維的可視化操作，通過這種更為直觀、更為生動的方式將變形體的變形展現出來，為用戶進行分析和決策提供便利。

4)實現對變形體實時、準確地分析和預測，提高各部門的反應能力和協同處理問題的能力，為降低災害事故、科學決策和工程施工運營提供有力的保障。

［1］ 胡友健，梁新美，許成功.論GPS變形監測技術的現狀與發展趨勢［J］.測繪科學，2006，31(5)：155-157.

［2］ 王曉華，胡友健，柏柳.變形監測研究現狀綜述［J］.測繪科學，2006，31(2)：130-132.

［3］ 黃萬里，林廣發，江輝仙.GPS與GIS的集成方法［J］.測繪通報，2005(4)：33-35.

［4］ 劉利君，武文波.GPS與GIS集成技術在礦山沉降監測中的應用［J］.測繪科學，2009，34(S1)：101-102.

［5］ 昂勤樹，畢金斌，唐環.基于GPS/GIS集成理論的數據采集系統研究［J］.自動化與儀表，2007，22(2)：10-14.

［6］ 鹿新高，鹿新陽，鄧愛麗，等.基于3S的三維可視化防汛減災指揮系統［J］.水利水運工程學報，2010(4)：68-72.

［7］ 張平.獅子灘大壩監測資料分析與參數反演［D］.成都：四川大學，2004.

Research on Remote Deformation Monitoring and Intelligent Warning System Based on GPS/GIS Integration

XIAO Haiping，CHEN Lanlan，LIU Deer，GUO Zhongqun，GUO Guanming

0494-0911(2012)09-0071-03

P208

B

2011-11-28

江西省教育廳科技計劃(GJJ11472);江西理工大學科研基金(JXXJ10031)

肖海平(1980—)，男，江西新干人，碩士，講師，主要研究方向為數據處理、GIS應用與開發。