基于地面沉降監(jiān)測應(yīng)用的嘉興市GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)

摘 要：本文主要介紹了基于地面沉降監(jiān)測的嘉興市GPS參考站網(wǎng)建設(shè)的背景、總體目標(biāo)、基本原則以及參考站網(wǎng)各子系統(tǒng)建設(shè)的概況和系統(tǒng)建設(shè)所采用的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地面沉降 監(jiān)測 參考站

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（b）-0045-02

1 國內(nèi)外GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)在地面沉降中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國際上GPS參考站系統(tǒng)在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

地面沉降在世界上許多國家都有發(fā)生，但采用GPS參考站系統(tǒng)來監(jiān)測地面沉降的國家還是相對(duì)較少，在美國加州、日本的東京、大阪、新瀉和泥綺等地，GPS測量已經(jīng)取代了區(qū)域性的地面標(biāo)高的水準(zhǔn)測量，他們利用GPS技術(shù)量測了地面沉降數(shù)據(jù)，繪制了沉降變化圖，同時(shí)他們采用最嚴(yán)格的測量程序，其大地高的精度可達(dá)到毫米級(jí)，為控制和監(jiān)測地面沉降的進(jìn)一步變化提供了很好的參考和研究的依據(jù)。一些國外其他國家自20世紀(jì)開始也在研究通過GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)來監(jiān)測地面沉降的問題，取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，走在了世界的前列。

1.2 國內(nèi)GPS參考站系統(tǒng)在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

20世紀(jì)20年代初，中國最早在上海和天津市區(qū)發(fā)現(xiàn)地面沉降災(zāi)害，至20世紀(jì)60年代兩地地面沉降災(zāi)害已十分嚴(yán)重，上海市自1998年開展了利用GPS技術(shù)監(jiān)測地面沉降的研究，布設(shè)了上海市的地面沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，對(duì)上海市地面沉降實(shí)施連續(xù)監(jiān)測。天津市針對(duì)本市地面沉降嚴(yán)重的特殊情況，也建立了自己的GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)，希望能通過參考站網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)天津市地面沉降做到實(shí)時(shí)的、高精度的監(jiān)測，為城市發(fā)展、政府決策提供依據(jù)。

20世紀(jì)70年代，長江三角洲主要城市及平原區(qū)、華北平原東部地區(qū)相繼產(chǎn)生地面沉降；80年代以來，中小城市和農(nóng)村地區(qū)地下水開采利用量大幅度增加，地面沉降范圍也由此從城市向農(nóng)村擴(kuò)展，在城市上連片發(fā)展。國內(nèi)其它城市如昆明、重慶、武漢、寧波、西安等城市也都相繼建立了自己的GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)，從而在地面沉降監(jiān)測方面也具有了更好的監(jiān)測手段和更大的探索空間，為防止和控制地面沉降邁開了具有實(shí)質(zhì)性意義的一步。

2 系統(tǒng)建設(shè)的背景

對(duì)嘉興而言，地面沉降形勢嚴(yán)峻、監(jiān)測研究相對(duì)薄弱，監(jiān)測工作只限于嘉興城區(qū)為主的地面水準(zhǔn)測量，控制面積、控制精度不足，難以系統(tǒng)、全面、適時(shí)、可靠地掌握區(qū)域地面沉降的分布和發(fā)展規(guī)律，且水準(zhǔn)測量人工費(fèi)用較高、工期較長，難以滿足日益擴(kuò)大的監(jiān)測網(wǎng)的需要，也不能滿足地面沉降機(jī)理研究、評(píng)價(jià)模型建設(shè)及預(yù)測預(yù)警的需要。

建立起以嘉興市連續(xù)運(yùn)行GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)為骨干，城市建筑密集區(qū)精密水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為輔，重要地區(qū)建立基巖標(biāo)、分層標(biāo)，由此構(gòu)成從城市到鄉(xiāng)村、由局部到區(qū)域、由地表到地下的系統(tǒng)的立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，并實(shí)現(xiàn)地面沉降與地下水監(jiān)測的自動(dòng)化監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)化管理，很有現(xiàn)實(shí)意義。

3 系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)和基本原則

嘉興市連續(xù)運(yùn)行GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)總體目標(biāo)在于建立以區(qū)域GPS監(jiān)測、重要城市區(qū)域精密水準(zhǔn)測量為主，輔以地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男巫儽O(jiān)測自動(dòng)化基準(zhǔn)平臺(tái)。

基本原則如下。

（1）在滿足系統(tǒng)技術(shù)要求的條件下以最少的地面沉降監(jiān)測站、合理的分布實(shí)現(xiàn)最大的覆蓋。

（2）有利于工程總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)分步建設(shè)。

（3）采用目前最先進(jìn)、最完善的GPS基準(zhǔn)站網(wǎng)建站技術(shù)，立足測繪，服務(wù)社會(huì)。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該體現(xiàn)簡潔、適用、操作簡便和低成本運(yùn)行的概念。

（5）利用目前國內(nèi)外先進(jìn)的無線電通信技術(shù)，盡量采用公共通訊網(wǎng)統(tǒng)一頻點(diǎn)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一管理，以節(jié)省頻率資源，提高效率。

（6）采用科學(xué)的項(xiàng)目管理手段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全程建設(shè)指導(dǎo)，從方案設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)理模式確保系統(tǒng)建設(shè)的可靠性。

（7）系統(tǒng)應(yīng)兼顧目前及今后的發(fā)展。

4 參考站的選址

嘉興市連續(xù)運(yùn)行地面沉降GPS參考站站址的選擇遵循以下基本依據(jù)和原則。

4.1 選址依據(jù)

（1）基準(zhǔn)站址對(duì)我市地面沉降嚴(yán)重地區(qū)的監(jiān)測精度影響，我們盡量把基站選取在地面沉降漏斗之處。

（2）地質(zhì)特性，嘉興全市到基巖的地質(zhì)沉積厚度各不相同，基本介于170～300 m之間，因此在考慮基巖標(biāo)選址時(shí)為了保證其便于施工，節(jié)省工程資金，以及降低標(biāo)心在施工中的形變等因素，我們盡量選擇基巖較淺的地區(qū)進(jìn)行選址。

（3）網(wǎng)形依據(jù)，網(wǎng)絡(luò)建成后，不但要進(jìn)行地面沉降監(jiān)測，同時(shí)要服務(wù)于國土管理的其它測繪工作，但因我市總面積只有3915 km2，在其中布設(shè)7個(gè)站，則其站間距已非常高，已能滿足在我市以內(nèi)的監(jiān)測應(yīng)用，因此本依據(jù)從弱。

4.2 GPS基準(zhǔn)站建設(shè)選址原則

（1）保證基準(zhǔn)站周圍開闊，視場內(nèi)障礙物的高度不宜超過15°高度角，原則上是周圍200～300 m內(nèi)沒有大的建筑物或者樹等遮擋。

（2）遠(yuǎn)離高壓線。

（3）遠(yuǎn)離無線電發(fā)射塔。

（4）遠(yuǎn)離不明干擾源。

（5）遠(yuǎn)離大的水面或者水泥地面等影響多路徑比較嚴(yán)重的地區(qū)。

（6）遠(yuǎn)離能引起較大震動(dòng)的地區(qū)，比如行駛20 t以上卡車主干道。

（7）要保證多個(gè)基準(zhǔn)站要合理分布，形成很好的幾何圖形。

（8）盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

在滿足以上選址條件的同時(shí)，我們還要考慮站址的環(huán)境要求，前期還要進(jìn)行選址測試。

5 參考站網(wǎng)子系統(tǒng)的建設(shè)

5.1 基站建設(shè)

根據(jù)實(shí)地踏勘和綜合分析，6個(gè)基巖標(biāo)分別建于王店三建村、海寧諸橋村、桐鄉(xiāng)聯(lián)豐村、平湖友聯(lián)村、海鹽縣看守所、嘉善陶莊村，由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察局313地質(zhì)隊(duì)實(shí)施，基巖標(biāo)深度介于150～320之間，其中海寧最淺約158 m，嘉善最深約311 m。

參考站觀測墩墩基約為一長、寬、深各為2 m的立方體水泥墩上再澆筑一長寬約1 m×1 m礅體，各參考站點(diǎn)也以不同形式做了一定程度的美化，比如裝飾鈦金條、不銹鋼圓管等（圖1）。

5.2 防雷設(shè)施的建設(shè)

為了有效保證參考站系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及參考站設(shè)備的安全，消除雷暴天氣對(duì)整個(gè)參考站系統(tǒng)和設(shè)備的影響，對(duì)每個(gè)參考站設(shè)備都進(jìn)行了有效地防護(hù)措施，主要包括接地樁和避雷針以及電涌防護(hù)設(shè)備。

5.3 UPS供電系統(tǒng)的建設(shè)

連續(xù)供電對(duì)GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有非常重要的作用和意義，在一般情況下，參考站系統(tǒng)使用民用交流電運(yùn)行，當(dāng)市電中斷時(shí)，UPS電源還能維持大約24小時(shí)左右的續(xù)航能力，以保證參考站網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6 通訊網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的建設(shè)

通訊網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)是連接控制中心、地面沉降監(jiān)測網(wǎng)子系統(tǒng)的紐帶，沒有通訊網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)就只是一個(gè)一個(gè)的孤立的單元，數(shù)據(jù)無法流動(dòng)，就不能構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，也就不能成為一個(gè)系統(tǒng)。

GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)與控制中心的通訊主要是將GPS地面沉降監(jiān)測網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行模瑫r(shí)控制中心監(jiān)測地面沉降監(jiān)測網(wǎng)的狀態(tài)和完好性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理（圖2）。

在數(shù)據(jù)中心主要采用Internet播發(fā)網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)（NTRIP），支持多個(gè)用戶。用戶可通過GSM/CDMA撥入電話網(wǎng)或GPRS無線上網(wǎng)獲取網(wǎng)絡(luò)RTK改正數(shù)據(jù)。

7 數(shù)據(jù)中心和控制中心子系統(tǒng)的建設(shè)

在參考站網(wǎng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)中心是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的一個(gè)部分，目前已配備有一臺(tái)專門的HP沉降網(wǎng)服務(wù)器，此服務(wù)器與所有參考站GPS接收機(jī)相連，可用于遠(yuǎn)程操作。

當(dāng)各參考站GPS原始數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)中心后，其中數(shù)據(jù)文件以及GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查報(bào)告和系統(tǒng)消息日志文件可傳送到客戶的Web服務(wù)器上，用戶則可通過Internet下載必要的數(shù)據(jù)。

8 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

嘉興市GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵運(yùn)用了VRS技術(shù)以及VPN技術(shù)。VRS技術(shù)的出現(xiàn)，使測量員一進(jìn)入測區(qū)的任何一點(diǎn)就能立即開始GPS高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測量。這一創(chuàng)新的定位理論思想是采用了固定參考站網(wǎng)絡(luò)來合成“虛擬參考站”，使測區(qū)內(nèi)每個(gè)測量員都能使用，它能得到厘米級(jí)的精度，并大大增強(qiáng)系統(tǒng)的性能和可靠性，它標(biāo)志著高精度GPS進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。VPN技術(shù)即虛擬專用網(wǎng)，是通過一個(gè)公用網(wǎng)絡(luò)（通常是因特網(wǎng)）建立一個(gè)臨時(shí)的、安全的連接，是一條穿過混亂的公用網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定的隧道。VPN架構(gòu)中采用了多種安全機(jī)制，如隧道技術(shù)（Tunneling）、加解密技術(shù)（Encryption）、密鑰管理技術(shù)、身份認(rèn)證技術(shù)（Authentication）等，通過上述的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，確保資料在公眾網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)不被竊取，或是即使被竊取了，對(duì)方亦無法讀取數(shù)據(jù)包內(nèi)所傳送的資料。

嘉興市GPS參考站網(wǎng)系統(tǒng)的建成，對(duì)嘉興市全市地面沉降監(jiān)測起到了極大的推動(dòng)作用，真正做到了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)匯總，為地面沉降防治和政府決策起到了很好的指導(dǎo)作用。

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