基于多模GNSS的滑坡实时动态监测算法研究

论文摘要

我国是世界上滑坡灾害最为严重的国家之一,科学有效的灾害预警技术是保障人民生命财产的重要举措。通过监测滑坡体的地表位移变化可以反映出滑坡的稳定状态,是目前滑坡监测的常用方法之一。GNSS-RTK技术可以直接获取地表滑坡监测点三维坐标,具有精度高、自动化、全天候等优点,现已成为滑坡监测的主要技术手段。在滑坡监测中,多系统组合定位带来的解算压力、滑坡体周围的环境干扰、观测噪声等对定位精度的影响都制约着滑坡监测结果的可用性和可靠性,因此在实际工程应用中对滑坡监测的算法提出了更高的要求。本文在BDS和GPS组合相对定位的理论基础上,重点进行了多系统选星、噪声削弱、多路径建模等关键算法研究,本文的主要研究成果和创新点如下:（1）本文针对传统选星方法在实际应用中的不足,提出了一种顾及高度角阈值的改进六星选星法。在BDS/GPS联合实时动态定位解算中,以均方根误差和运算时间作为衡量精度和效率标准,通过数值实验确定了改进六星选星法的高度角建议阈值,并对比了改进六星法和其他选星法在不同长度基线下定位结果。算例结果显示:与传统不选星策略相比,改进六星选星法平面定位精度相当,高程方向定位精度平均提升40%,解算时间平均提升70%。改进六星选星法能有效减弱低高度角卫星对BDS/GPS组合定位影响,在保证不损失定位精度条件下,显著提升了解算效率,兼顾了实时定位的精度和时效性。另外,本文提出的改进六星选星法同样适用于其他模式GNSS实时组合定位。（2）针对在滑坡监测中存在的、难以通过建模或差分的方法消除的复杂噪声,提出了一种采用EEMD方法综合两种数据域的去噪方法。通过实测的滑坡观测数据,验证了EEMD方法相较于EMD在减少模态混叠现象发生方面的优势,提高了去噪效率和可靠性。结果表明:相较于EMD方法,EEMD方法可有效地减少模态混叠现象的发生,提高数据处理的自动化程度,更适用于复杂的监测环境;采用EEMD方法同时在双差观测值域和坐标域进行去噪,均方根误差得到微弱提高,标准差相较于未去噪的结果在E、N、U三个方向分别提高12.3%、46.9%、10.1%,相较于单一数据域去噪分别提高了8.8%、9.5%、8.7%。因此采用EEMD方法综合不同数据域的去噪方式可以有效削弱随机噪声和瞬时强噪声的影响,更能准确刻画滑坡体位移变化情况,为后续建立多路径误差模型提供可靠的坐标变化信息。（3）经过短基线差分后,大部分误差得到消除或削弱,但多路径误差仍然存在,它是限制短基线精度的主要因素。通常滑坡监测环境具有稳定性,因此多路径误差具有一定的周期性规律。本文在采用EEMD方法对原始数据进行去噪的基础上,采用恒星日滤波的方法提取前一时间段的多路径误差建立误差模型,并根据周期特性将其补偿到相对应的后一时间段结果中。实验结果表明,在扣除多路径误差后E、N、U三个方向的RMS分别为0.22cm、0.18cm、0.68cm,提升幅度分别为89%、92%、87%,精度提高十分明显。（4）为了研究地震对滑坡的影响,本文采用GNSS-RTK技术对比分析了九寨沟地震前后黄土滑坡和土石滑坡上监测点位移变化时间序列,根据地震前后监测点相对位置的变化分析了地震对滑坡的作用情况。结果显示:在无地震触发的自然状态下,泾阳南塬黄土滑坡日坐标变化为12mm,紫阳土石滑坡日坐标变化为1.5cm左右;受地震影响泾阳滑坡在年积日221天异常抬升达到5mm,振幅是正常变化量的2.5倍,然后以2mm/d速度持续下沉5天;紫阳滑坡在该天异常抬升达到2.5cm,振幅是正常变化量的1.5倍,然后以2cm/d速度持续震荡5天。震后滑坡震荡强度明显增大,坡体异常波动,与地震引起的坡体累进破坏效应理论相吻合。基于GNSS-RTK技术可以实时有效地监测由于震动引起的滑坡加速甚至溃屈变化,为震后的滑坡预警、滑坡应急处置提供决策依据。

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摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 GNSS多系统选星现状

1.2.2 GNSS数据去噪研究现状

1.2.3 GNSS定位多路径误差研究现状

1.2.4 GNSS相对技术在滑坡实时监测中的应用现状

1.3 主要研究内容和技术路线

第二章 GNSS滑坡监测理论与技术

2.1 相对定位数学模型

2.1.1 载波相位测量原理

2.1.2 差分观测方程及其线性化

2.2 误差来源及处理策略

2.2.1 与卫星有关的误差

2.2.2 与信号传播有关的误差

2.2.3 与接收机有关的误差

2.2.4 其他误差

2.3 周跳探测及修复

2.4 整周模糊度固定理论和方法

2.5 GNSS-RTK技术的数据处理流程

2.6 本章小结

第三章 GNSS选星策略在滑坡实时监测中的应用

3.1 引言

3.2 GNSS组合定位中选星介绍

3.2.1 组合定位原理

3.2.2 选星原理

3.2.3 常用选星方法介绍

3.3 一种适用于滑坡实时监测的改进六星选星法

3.3.1 改进的六星选星法原理

3.3.2 改进的六星选星法流程

3.4 实验分析

3.4.1 高度角阈值的确定

3.4.2 不同选星方法适用性分析

3.4.3 不同长度基线适用性分析

3.4.4 实验结论

3.5 本章小结

第四章 EMD方法在滑坡监测降噪处理中的应用

4.1 引言

4.2 EMD和 EEMD算法原理

4.2.1 EMD和 EEMD介绍

4.2.2 信号重构与分解

4.3 基于仿真数据的去噪性能验证分析

4.4 基于EEMD的滑坡监测不同数据域降噪分析

4.4.1 不同数据域去噪方法

4.4.2 不同数据域去噪结果分析

4.5 基于EEMD去噪的滑坡监测多路径建模分析

4.5.1 恒星日滤波多路径建模分析

4.6 本章小结

第五章 GNSS实时监测算法在地震滑坡工程中的应用

5.1 引言

5.2 几种典型滑坡介绍

5.2.1 黄土滑坡

5.2.2 岩石滑坡

5.3 GNSS-RTK技术在地震滑坡监测中的应用

5.3.1 地震期间基准站稳定性分析

5.3.2 地震对滑坡的影响分析

5.4 滑坡监测系统介绍

5.4.1 硬件系统

5.4.2 软件系统

5.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李哲

导师: 杨成生,黄观文

关键词: 多系统选星,去噪,恒星日滤波,地震滑坡

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 自然地理学和测绘学,地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 长安大学

分类号: P228.4;P642.22

总页数: 77

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