专利名称：4s一体化形变监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地质灾害监测技术领域，具体为ー种4S —体化形变监测系统，可应用于快变形、慢变形以及全过程型地质灾害的形变监测和形变预警。
背景技术：
本实用新型中4S特指以下4个系统GPS (Global Positioning System全球定位系统)；GIS (Geographic Information System 地理信息系统)；RS (Remote Sensing 遥感)以及CS (Comunication System通信系统)。根据计算机组成原理对GPS、GIS、RS> CS各个系统的专有功能进行重新组织，产生具有紧密物理结构和数据融合特征的新的系统和新的功能体系，其过程和结果称为4S —体化。4S —体化形变监测系统是以4S —体化为底层结构的用于形变监测的系统。由于自然和人为地质作用对地质环境的灾难性破坏，近年来，世界范围内，特别是我国，地质灾害呈现出高发性态势，主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地裂缝等，严重地威协到人民群众的生命财产安全。在我国现有的8. 5万余座水库和23万余个重大地质灾害体中，仅有数以百计的重大工程和地质灾害体实施了以GPS形变监测网为主的长期连续监測。目前国内的地质灾害监测方法主要包括群防(以人工目測、尺量等观测为主)、传统测量(使用经纬仪、水准仪、全站仪等传统仪器)、GPS巡回測量(使用RTK型GPS定位仪、全站仪等仪器)、GPS形变监测网(使用多个固定的GPS监测站构成地表形变监测网)。群防迄今为止，我国绝大多数的地质灾害监测工作普遍采用“群防”法由固定人员进行定时或不定时的目測、尺量等。此种方法的缺陷是没有客观标准也没有客观依据，由当事人主观决定是否预警。传统测量在水库库区等有条件的単位和地方使用经纬仪、水准仪、全站仪等传统仪器进行定期或不定期測量。此种方法的缺陷是受到天气(必须肉眼通视)、人工等多种因素的影响，耗时耗カ耗财之后仍难得到有效数据(精度不够、数据不完整等)，且两次測量之间的间隔时间很长，地质灾害几乎全部都发生在此间隔时间内。GPS巡回测量在大型水库库区等有条件的单位和地方使用RTK型GPS定位仪、全站仪等仪器进行定期或不定期測量。对地质灾害预警而言，此种方法仍难得到有效数据。此种方法的缺陷有三一是观测时间太短；ニ是受人为因素的影响较大；三是两次測量之间的间隔时间很长。以上三点导致精度不够、数据不完整、观测不连续。事实上，地质灾害几乎全部都发生在两次测量之间。GPS形变监测网自上世纪90年代中期以来，该方法已经逐渐得到应用，获得很好的效果。使用多个固定的GPS监测站构成地表形变监测网的方法迄今未能得以推广普及的症结问题是一是形变监测系统价格太高，进ロ GPS接收机主机(不含GPS天线的GPS形变监测站主机)需要20多万元/台；ニ是系统不配套；三是系统自动化程度低，使用、操作和维护诸方面均有不足。发明内容本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，提供ー种高精度、高可靠性、全功能、低成本，全局、实时、远程、自动、同歩、长期连续稳定的低运行成本监测与维护，以及容易普及推广的4S —体化形变监测系统。为完成上述目的，本实用新型采用的技术方案是4S—体化形变监测系统，包括形变监测站，由形变监测站主机和风光一体化野外电源组成；数据中心，通过通信网络与所述形变监测站相连，用于对来自形变监测站的GPS数据、以及地理信息系统数据、遥感数据进行融合处理，并对形变监测站进行控制。进ー步地，所述的形变监测站为多个，多个形变监测站按照监测区域自组网可以构成形变监测网，所述形变监测网通过所述通信网络与所述数据中心连接。进ー步地，所述形变监控站主机包括主机外壳以及安装在主机外壳内的电路板； 所述电路板由各単元模块焊接组成，包括处理单元，以及与之连接的GPS模块、无线通信模块、有线通信模块、电源管理模块、多路接ロ、存储单元；所述电源管理模块连接上述其他模块的电源输入端；所述GPS模块连接GPS天线；所述无线通信模块连接通信天线。进ー步地，所述风光一体化野外电源，包括野外防护箱、以及依次连接的风能/光能采集转换器、电源控制器和蓄电池；所述野外防护箱内放置电源控制器、蓄电池以及形变监测站主机；所述蓄电池连接所述形变监测站主机的电源输入端。进ー步地，所述通信网络为GPRS、CDMA、3G、WIFI自组网、ZigBee自组网中的ー种或几种，也可以为有线通信网络。进ー步地，所述无线通信模块包括2. 5G、3G、WIFI、ZigBee、电台的一种或几种的组
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ロ ο本实用新型具有以下有益效果实现高精度、高可靠性、全功能、低生产成本、低市场价格、全局、实时、远程、自动、同步、长期连续的稳定的低运行成本的监测与维护，将昂贵的专用系统变成普及型的常用设备，便于普及推广，改变我国地质灾害监测预警工作的落后技术现状。在4S—体化的内外业一体化优势和资源配置优势下，系统具有高质量高精度低成本。其技术指标如下绝对误差事后解算(次/0.5h-lh):水平误差小于2mm，垂直误差3mm ;实时解算(次/Is-IOs):水平误差小于3mm,垂直误差小于5mm。相对误差186万分之一。其经济指标形变监测站主机的生产成本小于2600元人民币/套(含GPS天线)，远远低于现市场上同类产品。
以下结合附图
对本实用新型进ー步说明。图I为本实用新型结构示意图；图2为本实用新型通讯原理图；图3为本实用新型形变监测站结构示意图；图4为本实用新型形变监测站主机某实施例的电路原理框图；图5为本实用新型采用公网无线通信时形变监测网与数据中心之间的连接关系图。[0023]图中1、形变监测站，2、数据中心，3、通信网络，4、形变监测站主机，5、风光一体化野外电源，41、主机外壳，42、电路板，43、处理单元，44、GPS模块，45、无线通信模块，46、有线通信模块，47、电源管理模块，48、多路接ロ，49、存储单元，50、GPS天线，51、通信天线，501、风能/光能采集转换器，502、电源控制器，503、蓄电池。·具体实施方式
如图I所示，4S —体化形变监测系统，包括形变监测站I、数据中心2和通信网络3，数据中心2通过通信网络3与形变监测站I相连。所述数据中心2可以是连接在因特网上的计算机服务器，当业务数据处理量比较大时，数据中心也可以是连接在因特网上的局域网，局域网内设置多台计算机服务器。通信网络3是连接形变监测站I和数据中心2的纽带，通过通信网络3将形变监测站I和数据中心2连接成一个整体以实现系统功能。通信网络3为GPRS、⑶MA、3G、WIFI自组网、ZigBee自组网等无线通信网络中的ー种或几种，也可以为有线通信网络，根据实际需要单用或复用，其通信原理如图2所示。如图3所示为形变监测站I的结构示意图，形变监测站I由形变监测站主机4和风光一体化野外电源5组成。其中形变监控站主机4包括主机外壳41以及安装在主机外壳41内的电路板42组成；用户可根据需要选用或自行制作主机外壳41 ;所述电路板42由各単元模块焊接组成，包括处理单元43，以及与之连接的GPS模块44、无线通信模块45、有线通信模块46、电源管理模块47、多路接ロ 48、存储单元49 ;所述电源管理模块47连接上述其他模块的电源输入端；所述GPS模块44连接GPS天线50 ;所述无线通信模块45连接通信天线51。所述无线通信模块45包括2. 5G、3G、WIFI、蓝牙、电台等现有通讯方式的一种或几种的组合。所述处理单元43由CPU、系统内存SDRAM、系统闪存Nand Flash组成最小处理单元，所述处理单元43选用嵌入式ARM内核的CPU芯片。CPU可以采用ARM CortexTM_M3构架的32位微控制器STM32F103RX系列芯片等，如图4所示为形变监测站主机一种实施例的电路原理框图。在4S—体化的资源配置优势下，在同等技术指标时GPS形变监测主机(含GPS天线)具有全球最低生产成本。实际市场应用中，采用无线公网通信时的生产成本大约为2433元人民币/套；采用有线公网通信时的生产成本大约为2513元人民币/套；采用GPS模块(oemstar、诺瓦泰系列等)、GPRS模块(sim300c、西门子、华为等)、有线传输模块(有线与无线并存)时的生产成本大约为2663元。在同等技术指标下，形变监测站主机的价格远远低于市场同类产品，便于普及推广。风光一体化野外电源5，包括野外防护箱、以及依次连接的风能/光能采集转换器501、电源控制器502和蓄电池503 ;所述野外防护箱内放置电源控制器502、蓄电池503以及形变监测站主机4 ;所述蓄电池503连接所述形变监测站主机4的电源输入端。所述风能/光能采集转换器501可根据需要选购各种不同品牌的风カ发电机/太阳能板，在各种基础上安置。用户可根据需要采用或制作各种不同形状和容积的野外防护箱并与风能/光能采集转换器、形变监测站主机配套使用。形变监测站I能够自动连续采集、处理GPS原始数据；自动连接无线(或有线)因特网，以固定的频率向数据中心上传GPS原始数据。它可以分两类a)形变监测站自带风能/光能互补型野外电源，在各种气象条件下无限期自主供电，适用于各种需要长期固定使用的监测点。b)便携式形变监测站所有形变监测站设备集中在一个便携式野外防护箱内，可在各种气象条件下自主供电15天(每15天更换一次蓄电池即可无限期使用)；便携式形变监测站具有安装简便快捷的特点直接将其机箱底部尖桩插入泥土中固定即可启用，亦可直接将其机箱底部现浇入水泥桩中即时启用；适用于对各种处于临界状态的监测体进行实时形变监测。所述的形变监测站I为多个，在每个监测点上架设一台形变监测站1，多个形变监测站I按照监测区域自组网可以构成形变监测网，形变监测网是覆盖ー个地质灾害体的监测单元，通过通信网络3与数据中心2连接。一个数据中心2可以只连接ー个形变监测网，也可以同时连接多个形变监测网同步解算。通信网络3在形变监测网与形变监测网之间、形变监测网与数据中心之间实现实时无缝互联，构成一类无功能限制、无距离限制、无内业外业限制的全新系统。如图5所示为只采用公网无线通信(GPRS、CDMA、3G等通信方式)时形变监测网与数据中心之间的连接关系。在形变监测网中，选择ー个点位稳固、视野开阔、GPS信号良好的监控站作为基准站，和其他多台形变监测站完成同步采集、上传监测体上多个监测点的GPS原始数据(当监测体上设置了 η台形变监测站(含基准站)时，三维形变监测子网具有η(η-1)/2条基准线，形变监测站的三维坐标和基准线随时间的变化反 映了监测体随时间演化的毫米级变形)。所述的数据中心2承担GPS差分解算、GIS地形图与RS遥感影像显示应用、GPS、GIS、RS数据融合、通过CS实现野外GPS形变检测网与内业工作的一体化等各项任务，它包括管理控制模块24、以及与管理控制模块24分别连接的数据采集模块21、数据处理模块22、数据分析模块23。数据采集模块21具有数据采集配置、数据采集、数据解码、信息显示和数据保存等功能。数据处理模块22能自动完成数据格式转换、清理、数据解算、坐标转换、结果输出、数据压缩与转存、精度评定、结果入库等工作，是GPS实时变形监测系统软件的核心；具体包括时段解处理功能、自由网平差功能、实时单历元处理功能、质量评定与分析功能、报警功能、运行错误控制和手动处理功能、数据及结果文件的保存及工作区的数据清理功能等。数据分析模块23能自动进行坐标转换、变形參数精度和灵敏度分析、基准稳定性分析、变形量时序分析、图形显示与输出等功能；具体包括WGS-84坐标系和工程坐标系的坐标转换、观测时段的精度分析功能、工作基点的稳定性分析功能、位移过程线、变形预警等功能。管理控制模块24主要功能包括接收机管理、形变监测站信息管理、转换參数管理、图形显示与设置等功能。采用4S —体化形变监测系统，进行形变监测，包括以下步骤步骤SI :根据监测范围选择监测点，部署形变监测站，配置參数等信息；步骤S2 :各个形变监测站进行形变实时连续在线监测，将GPS数据通过通信网络以固定的频率向数据中心上传GPS数据；步骤S3 :数据中心接收各个形变监测站上传的GPS数据，并与地理信息系统数据、遥感数据进行融合分析处理；步骤S4 :数据中心显示分析結果，井根据阈值来确定是否报警。所述步骤S3，还包括步骤S31 :数据中心通过通信网络将配置指令信息下发，以调整形变监测站配置。本实用新型以GPS、CS、GIS、RS的原有功能为基本元素，根据需求按照计算机组成原理进行重新组织，硬件上通过紧密物理结构实现新的嵌入式系统，软件上通过数据融合形成新的功能体系。数据采集具体野外设备以嵌入式ARM内核为中央处理器，在最小处理単元的基础上，采用嵌入式系统平台，通过野外形变监测站主机的GPS模块/天线接受GPS信号并实时传输至数据中心；数据传输在具备公网通信条件的地域通过2. 5G或3G公用无线通信网络和有线因特网远程连接数据中心，实现云计算和内业外业的一体化。在不具备公网通信条件的局部地域采用自组网近程无线通信、公网远程无线通信、有线网络通信并行的方式满足不同功能的通信需求；通信保持可以根据不同时间段、不同地域、相同地域的不同时间段等各种条件下的公网通信质量进行系统的自侦测、自适应设计，以保证通信质量，有效实现内业工作与外业工作的远程一体化。系统的通信原理、实现方法与技术路线是将系统建立在现有网络的多网融合基础之上，实现所有数据流向因特网集中，向IP汇聚。每个形变监测站都具有了实时的“云计算”与“云端库”功能，即每个形变监测站的大型复杂运算需求和对海量数据库的实时数据查询/获取需求都通过通信系统CS功能交由数据中心完成，这意味着每个形变监测站都“随身携帯” 了两个位干“云端那边”的大型服务器高性能计算服务器、海量数据库服务器。每个中心都拥有无距离限制的多个实时多元信息采集器(形变监测站)并由通信系统CS功能实现形变监测站群体与中心群体之间、形变监测站与形变监测站之间、中心与中心之间的实时的数据互联。形变监测站与数据中心 构成的系统是ー个内外业实时无缝互联、无系统容量限制、无距离限制、无应用限制的无缝整体。系统通过多网融合式通信实现高质量的实时无缝连接，实现内业与外业的融合，实现内业外业工作内容和工作流程的一体化，实现对分布在全国范围内的大量地质灾害体进行全局、实时、远程、自动、同歩、长期连续的综合监测。本系统经国家甲级测绘鉴定机构湖北省测绘仪器鉴定测试所技术鉴定4S —体化形变监测系统是应用于地质灾害监测、边坡开挖、隧道施工、地下矿产的生产、城市地下水水量变化导致的大地形变等进行实时形变监控的高精度监测系统，其相对精度达到1/186万；绝对误差为寧后解算(次/0.5h_lh):水平误差小于2mm，垂直误差3mm ;实时解算(次/Is-IOs):水平误差小于等于3mm，垂直误差小于5mm。
权利要求1.4S 一体化形变监测系统，其特征在于，包括 形变监测站，由形变监测站主机和风光一体化野外电源组成； 数据中心，通过通信网络与所述形变监测站相连，用于对来自形变监测站的GPS数据、以及地理信息系统数据、遥感数据进行融合处理，并对形变监测站进行控制。
2.根据权利要求I所述的4S—体化形变监测系统，其特征在于所述的形变监测站为多个，多个形变监测站按照监测区域自组网可以构成形变监测网，所述形变监测网通过所述通信网络与所述数据中心连接。
3.根据权利要求I所述的4S—体化形变监测系统，其特征在于所述形变监控站主机包括主机外壳以及安装在主机外壳内的电路板；所述电路板由各单元模块焊接组成，包括处理单元，以及与之连接的GPS模块、无线通信模块、有线通信模块、电源管理模块、多路接口、存储单元；所述电源管理模块连接上述其他模块的电源输入端；所述GPS模块连接GPS天线；所述无线通信模块连接通信天线。
4.根据权利要求I所述的4S—体化形变监测系统，其特征在于所述风光一体化野外电源，包括野外防护箱、以及依次连接的风能/光能采集转换器、电源控制器和蓄电池；所述野外防护箱内放置电源控制器、蓄电池以及形变监测站主机；所述蓄电池连接所述形变监测站主机的电源输入端。
5.根据权利要求I所述的4S—体化形变监测系统，其特征在于所述通信网络为GPRS、CDMA、3G、WIFI自组网、ZigBee自组网中的一种或几种，也可以为有线通信网络。
6.根据权利要求3所述的4S—体化形变监测系统，其特征在于所述无线通信模块包括2. 5G、3G、WIFI、ZigBee、电台的一种或几种的组合。
7.根据权利要求3所述的4S—体化形变监测系统，其特征在于所述处理单元由CPU、系统内存SDRAM、系统闪存Nand Flash组成最小处理单元，所述处理单元选用嵌入式ARM内核的CPU芯片。
专利摘要本实用新型涉及地质灾害监测技术领域，具体为一种4S一体化形变监测系统，包括形变监测站，由形变监测站主机和风光一体化野外电源组成；数据中心，通过通信网络与所述形变监测站相连，用于对来自形变监测站的GPS数据、以及地理信息系统数据、遥感数据进行融合处理，并对形变监测站进行控制。本实用新型提供一种高精度、高可靠性、全功能、低成本，全局、实时、远程、自动、同步、长期连续稳定的低运行成本监测与维护，以及容易普及推广的监测系统，可应用于快变形、慢变形以及全过程型地质灾害的形变监测和形变预警。
文档编号G01B21/32GK202614214SQ201220026658
公开日2012年12月19日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者许凯华 申请人:许凯华