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快速沉降区域自动化监测算法研究与软件实现

贺晗  
【摘要】:由于人类活动与自然环境影响等因素,地表塌陷已经成为最普遍、广泛的灾害之一。一旦发生变形,会在短时间产生较大的位移量,带来巨大的经济与人员损失,需要对塌陷区地表沉降进行实时监测,预防事故的发生。目前所采用的监测手段多为以下几种:1.采用传统的监测仪器(如水准仪、全站仪)进行监测;2.采用全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)技术进行静态测量;3.采用差分干涉雷达技术(D-InSAR)对目标物体进行微小运动或变化的测量。这些方法都存在测量周期过长,实时性不足等问题,无法针对快速沉降的塌陷区进行监测。如果采用GNSS技术进行动态测量,测量周期短,满足实时性的要求,但受制于各种因素影响,观测值中可能包含较大的观测误差。为了能够剔除GNSS动态变形监测高程序列中的粗差并削弱偶然误差的影响,本文展开对快速沉降区域沉降监测的理论研究,研究成果包含以下几个方面:1.现有的多种卡尔曼滤波算法均不适用于快速沉降区域监测数据的处理。采用GNSS动态测量技术对快速沉降区域进行监测,观测值中可能包含粗差,同时因具有稳定沉降和快速沉降两种运动状态,运动模型也存在较大变动。采用抗差卡尔曼滤波能够剔除观测值中的粗差,但不能修正模型误差;自适应卡尔曼滤波能修正模型误差,却无法抵抗测量粗差;两者结合的抗差自适应卡尔曼滤波也无法对快速沉降区域不同的运动状态进行有效的处理,因此需要一种新的滤波算法。2.提出一种适用于快速沉降区域监测数据处理的抗差自适应卡尔曼滤波方案。采用突变点检验法识别稳定沉降与快速沉降两种状态,修正模型误差并抵抗测量粗差,提高整体滤波精度。通过对某矿区沉降监测的一段真实项目数据进行实例计算,本文所设计的滤波方案能有效减弱模型误差与观测异常对滤波结果的影响,并在发生快速沉降时也能保持较高的精度,滤波值与真值较差最大不超过3.5mm,验后中误差为σ=1.80mm。3.基于C#语言编写了一套自动化监测数据处理软件。实现了如下功能:监测终端将实时数据经由互联网传回服务器;在服务器上自动进行解算;输出每个监测终端的三维坐标并存储至数据库;将监测点的沉降成果绘制成折线图方便用户查看。


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