技术领域
[0001] 本发明属于大坝变形监测技术领域，具体涉及一种天地一体化的大坝变形监测实时基准建立方法及系统。
相关背景技术
[0002] 随着大坝规模的增大和服役年限的增长，大坝结构的健康状况与安全监测愈发重要。传统的变形监测技术往往因基准点设置、维护困难，尤其是在变形敏感区域，基准点的稳定性受到影响，导致监测数据的可靠性降低，进而限制了对大坝变形的准确判断和预测。随着BDS（北斗卫星导航系统）为代表的全球卫星导航定位技术的成熟与发展，为大坝变形监测基准建立提供了新的解决方案。它能够提供全天候、高精度的三维定位信息，有助于建立稳定的、不受地面变形影响的虚拟空间基准，从而提高变形监测基准的稳定性和可靠性。
[0003] 然而针对变形监测基准点（智能测站）多位于变形区域，监测基准点更新效率低、精度差，难以满足工程变形监测自动化的需求。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0018] 如图1所示，本发明一种天地一体化的大坝变形监测实时基准建立方法，包括以下步骤：向天基北斗系统、地基测量机器人系统和地基倒垂线系统3下发控制指令；
通过天基北斗系统实时获取大坝变形区域的动态基准点位置；
通过地基测量机器人系统实时获取大坝变形区域的空间相对基准点位置；
通过地基倒垂线系统3实时获取大坝变形区域的重力静态基准点位置；
将动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置进行数据融合，得到大坝变形区域的监测基准值。
[0019] 具体地，还包括将大坝变形区域的监测基准值反馈至地基测量机器人系统，用于后续的实时起算基准。
[0020] 本发明还提供了一种天地一体化的大坝变形监测实时基准建立系统，用于实现所述的天地一体化的大坝变形监测实时基准建立方法；包括天基北斗系统、地基测量机器人系统、地基倒垂线系统3、现场智能测站和监测中心：其中，天基北斗系统将实时获取的大坝变形区域的动态基准点位置通过现场智能测站发送至监测中心；
地基测量机器人系统将实时获取的大坝变形区域的空间相对基准点位置通过现
场智能测站发送至监测中心；
地基倒垂线系统3将实时获取的大坝变形区域的重力静态基准点位置通过现场智能测站发送至监测中心；
监测中心将动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置进行数据融合，得到大坝变形区域的监测基准值；并向天基北斗系统、地基测量机器人系统和地基倒垂线系统3下发控制指令。
[0021] 如图2所示，本发明还包括一体化观测墩4；所述一体化观测墩4固定设置于大坝变形区域内；其中，天基北斗系统的BDS/GNSS接收机12固定于一体化观测墩4顶部；天基北斗系统的天基北斗11布设于大坝变形区域的上空。
[0022] 地基测量机器人系统包括测站点、基准点22和监测点23；其中，根据大坝变形区域情况在稳定的地基上建立测站点，所建立测站点上安装有一套测量机器人自动观测系统21；测量机器人自动观测系统21设置于一体化观测墩4的一侧；
根据大坝变形区域情况均匀建立稳定的基准点，所建立基准点上装有一套正对测站点的单棱镜组，测站点至每个基准点的方向和距离要覆盖整个大坝变形区域；
在大坝变形区域上按断面均匀布设监测点23，所建立监测点23上装有一套或多套正对测站点的单棱镜组或者360°棱镜组；
地基倒垂线系统3设置于一体化观测墩4的另一侧；地基倒垂线系统3的倒垂线通过竖直钻孔深埋于大坝变形区域内地基基岩上。
[0023] 具体地，还包括保护房5；一体化观测墩4设置于保护房5，其顶部向上延伸至保护房5外部；测量机器人自动观测系统21和地基倒垂线系统3均位于保护房5内部；所处现场智能测站设置于保护房5内。
[0024] 所述一体化观测墩4包括多个；根据测区情况分布于稳定的地基上，以建立多个测站点(大于等于2)并组成交会网，测站点上均安装有一套测量机器人自动观测系统21。每个一体化观测墩4上均设置有天基北斗系统的BDS/GNSS接收机12和地基倒垂线系统3，将每个一体化观测墩4作为监测基准点，用于测量每个一体化观测墩4所在位置的动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置。
[0025] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的原理。
[0026] 如图3所示，本发明所提供的天地一体化的大坝变形监测实时基准建立方法和系统，主要包括数据采集、数据管理、数据融合3大环节。
[0027] 为了后续的能够持续有效的进行数据采集，必须在方法系统运行之前，完成测站相关土建结构的建设，以及数据采集设备及其辐射设备的布设。
[0028] 所述土建结构主要包括：倒垂线孔钻孔及埋设安装、一体化观测墩4和智能测站保护房5建造等。
[0029] 倒垂线是通过竖直钻孔在地基基岩上（地基稳定基准）深埋一根不锈钢丝，利用倒垂线浮体组的浮力，使不锈钢丝始终保持铅直状态，定期观测智能测站一体化观测墩4相对于不锈钢丝的变化，即可得到智能测站一体化观测墩4相对于不锈钢丝锚固点的水平位移。倒垂线由浮体组、垂线、观测墩、锚块等仪器设备组成。
[0030] 一体化观测墩4是安装BDS/GNSS接收机、测量机器人自动观测系统、倒垂线等仪器设备的主体结构，其基础要保持相对稳定，且应与保护房5基础独立建造，一体化观测墩4与保护房5建造结构示意如图2所示。
[0031] 保护房5主要包括建造2.5m（长）×2.5m（宽）×4m（高）保护房5（一层或二层，依据现场情况选定）。
[0032] 数据采集仪器设备埋设安装调试主要包括：BDS/GNSS接收机12、测量机器人及组合棱镜装置、倒垂线及遥测垂线坐标仪、气象信息采集仪器设备、辅助设备等。
[0033] BDS/GNSS接收机12：采用国产华测或进口Leica GNSS接收机仪器设备。
[0034] 地基测量机器人系统及组合棱镜装置：采用进口Leica TM和TS系列测量机器人，其标称精度：测角±0.5”、测距±（0.6+1PPM）；国产苏州一光RTS系列测量机器人，其标称精度：测角±0.5”或±1”、测距±（1+1PPM）等。
[0035] 地基倒垂线系统3中的倒垂线及遥测垂线坐标仪：国产倒垂线设备以及遥测垂线坐标仪。
[0036] 气象信息采集仪器设备：为用于地基测量机器人系统观测元素的实时气象改正，需构建变形监测区域气象场模型，需要在测站点和监测点23及基准点设置大气温度、湿度和气压信息采集传感器。
[0037] 辅助设备：为保证测站点数据采集仪器设备的智能化运行，保护房5需要需要配置全自动启闭窗、视频监控系统、防雷系统和门禁系统。
[0038] 为了后续的能够持续有效地将采集到的数据传递至监控中心，必须在方法系统运行之前，实现天基北斗系统、地基测量机器人系统、地基倒垂线系统3、现场智能测站和监测中心之间的有效通信以及自动化控制配置。
[0039] 根据变形自动化监测基准点多且分散的特点，本发明的监控系统结构可设置为监测中心和现场智能测站两级结构。
[0040] 监测中心中部署服务器、工作站、交换机等设备，采用永久电源和UPS不间断电源双路供电，保证系统供电可靠性。现场智能测站所有数据通过光纤汇集至中心站中。
[0041] 现场智能测站主要为BDS/GNSS接收机、测量机器人、遥测垂线坐标仪、大气温湿压智能测量仪等仪器设备通信网络组网。
[0042] 现场智能测站为了达到并行、实时、快速通讯和控制的目的，采用了TCP/IP协议研发了数据接入模块，对BDS/GNSS接收机、测量机器人、遥测垂线坐标仪、大气温湿压智能测量仪等设备进行了总体通讯和数据集成。在设备端，现场智能测站通过协议转换模块与不同的设备对接。
[0043] 为了实现对地基测量机器人系统的自主控制，监测中心采用GeoCOM接口技术开发了测量机器人控制模块，对其进行了多种指令动作的集成，包括通讯连接、棱镜搜索、旋转、正倒镜、精密照准、距离测量、角度测量、仪器状态监控等功能，能够控制测量机器人严格按照规范要求进行观测。
[0044] 上述自动化通信网络采用光纤以太网方式组网，如图4所示。监测中心设在工程厂房机房内。现场智能测站采用光纤接入到监测中心站。地基测量机器人系统组合棱镜站点（监测对象）大气温度、湿度和气压信息通过网线、光纤等方式就近接入测站点。
[0045] 本发明的监控中心的自动化控制系统运行采用以下方式：应答式：由监测中心站发出命令，天基北斗系统、地基测量机器人系统、地基倒垂线系统3得到测控单元接收命令、完成规定的测量，测量完毕将数据暂存，并根据命令要求将测量数据传输至监测中心。
[0046] 自报式：由天基北斗系统、地基测量机器人系统、地基倒垂线系统3的各台测控单元自动按监测中心站预先设定的时间和方式进行数据采集，并将所测数据暂存，同时传送至监测中心。
[0047] 天基北斗系统包括BDS/GNSS管理系统，其主要包括数据采集模块、数据解算模块、数据管理模块、状态监控模块等。为天地一体化变形自动化监测基准建立提供天基实时动态基准。
[0048] 数据采集模块支持站点数据接入、RINEX文件存储等功能，通过配置站点通讯参数和观测参数（高度角、采样率等），实时自动接入。
[0049] 数据解算模块包括数据预处理、实时动态解算、单基线静态解算、多基线静态解算、坐标转换等，支持BDS/GPS/GLONASS等多系统自由组合解算。
[0050] 数据管理模块可查看所有原始观测数据、解算成果，并能输出图表。
[0051] 状态监控模块可查看所有站点的工作状态、星空图、通讯状态、数据存储状态等。
[0052] 地基倒垂线系统3包括遥测垂线坐标仪，通过多种类型传感器智能测控单元采集控制，可设置在测量机器人运行前采集完成，为“天地基‑时空间‑静动态”的变形自动化监测基准建立提供地基重力静态基准。
[0053] 为保证智能测站数据采集仪器设备的智能化运行，保护房5需要需要配置全自动启闭窗系统、视频监控系统、防雷系统和门禁系统。为此采用了全自动启闭窗等设备的远程控制软件，实现与测量机器人观测的联动协调运行地基测量机器人系统包括自动观测模块、平差计算模块、数据管理模块、状态监控模块等。
[0054] 自动监测模块为基于PC端的远程测量机器人采集控制软件和预处理软件，用于远程控制测量机器人的数据采集与视线遮挡智能识别等。测量机器人自动观测模块能够控制测量机器人进行棱镜搜索和照准、自动观测、超限或异常重测等，能够自由设置观测方案，支持单测站极坐标、多测站极坐标、前方交会、边角网等各种观测方式。模块支持即时采集，能够自由设置观测精度和限差，并通过人工进行数据补测。
[0055] 状态监控模块能实时查看测量机器人、气象站、启闭窗、视频监控等设备状态，能远程控制上述设备，支持实时监控画面展示和摄像头云台控制功能。
[0056] 智能测站测量机器人观测流程如图5所示。
[0057] 监测中心所有设备接入厂房机房内永久电源，并使用UPS不间断电源作为应急电源供电。天基北斗系统、地基测量机器人系统（测站点和（组合）棱镜站点）、地基倒垂线系统3均就近接入永久电源。
[0058] 为了防止雷电对天基北斗系统、地基测量机器人系统（测站点和（组合）棱镜站点）、地基倒垂线系统3设备的破坏，提高系统运行的可靠性，各配电箱、机箱均作接地处理，就近接入电站的接地网。
[0059] 为了可靠地传输监测数据和减少信号干扰，分别在天基北斗系统、地基测量机器人系统（测站点和（组合）棱镜站点）、地基倒垂线系统3不同位置的钢管上焊接铜带作为接地点，其它没有接地点的则采用铜带延长线进行牵引，并作为接地点。
[0060] 在完成本发明中天基北斗系统、地基测量机器人系统、地基倒垂线系统3、现场智能测站和监测中心的布设以及相应组网通信和控制方法配置后，执行天地一体化的大坝变形监测实时基准建立方法。
[0061] 每个一体化观测墩4所对应的天基北斗系统、地基测量机器人系统、地基倒垂线系统3按照监控中心下发的控制指令实时采集监测基准点的位置数据，（即对应采集其所在的一体化观测墩4的动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置）并在本地进行预处理后上传至监测中心进行数据融合。
[0062] 天基北斗系统对BDS/GPS数据进行联合处理。针对目前常用模糊度固定算法DecisionFunction、Bootstrap、LAMBDA等在BDS/GNSS多系统数据融合处理高维模糊度固定中所存在的效率低、通用性不强、极易导致固定失败等问题，提出了改进的LAMBDA方法，并通过与现有方法组合，给出一套完整的，适合于BDS/GNSS数据融合处理的高维模糊度固定策略，解决了现有模糊度固定方法在高维模糊度固定中的一系列问题，具有模型简单、易于实现、扩展性强、效率高、精度好等特点。
[0063] 首先根据BDS/GNSS数据融合处理过程中得到的模糊度浮点解估值及其方差‑协方差矩阵选择模糊度固定算法：若每个模糊度估值的小数部分及其标准差均小于决策函数法阈值，则采用决策函数法，否则采用改进的LAMBDA方法。当采用改进的LAMBDA方法时，首先对模糊度浮点解估值及其方差‑协方差矩阵按系统分类，之后根据分类的模糊度浮点解估值及其方差‑协方差矩阵分别按LAMBDA算法进行单系统模糊度固定，最后根据模糊度固定结果，回代原观测方程，计算待估参数的模糊度固定解。
[0064] 在采用LAMBDA算法对单系统模糊度进行固定时，若某系统的固定结果未通过Ratio值检验，则删去该系统中对应观测值最少的模糊度参数并重新执行LAMBDA算法，直至此系统模糊度固定结果通过Ratio值检验或剩余模糊度参数个数小于某个阈值为止。删去的模糊度参数保持浮点数状态。
[0065] 在对模糊度浮点解估值及其方差‑协方差矩阵按系统分类时，通过矩阵运算，可将模糊度固定的整数最小二乘问题。再根据LAMBDA方法对两个系统模糊度分别固定。
[0066] 地基测量机器人系统基于实时气象场模型的测量机器人测距边气象改正算法，利用大气温湿压智能测量仪实时获取的智能测站点和（组合）棱镜站点的气象因素，建立变形监测区域温度、湿度、气压气象场模型，利用该模型可以内插出所有测站点和（组合）棱镜站点间的气象参数，用于他们之间的测距边观测值的气象因素的精细化改正。测量机器人实时组网自动平差算法主要包含数据预处理、平差计算、精度评定等功能。该技术已申请的发明专利“一种测量机器人实时组网自动平差计算方法（ZL202111163239.7）”已授权。
[0067] 地基倒垂线系统3通过倒垂线法配遥测垂线坐标仪后，可实时监测智能测站一体化观测墩4相对于不锈钢丝的变化，由于不锈钢丝锚固点在深部基岩，利用倒垂线浮体组的浮力，使不锈钢丝始终保持铅直状态，因此，实际上可获取一体化观测墩4相对于倒垂线基岩锚块的水平位移。其计算公式如下：Dx=Kx（X0‑Xi）
Dy=Ky（Y0‑Yi）
式中：
X0、Y0—倒垂线首次观测值；Xi、Yi—倒垂线本次观测值；
Dx、Dy—倒垂测点位移量；Kx、Ky—方向系数，通常取±1。
[0068] 监测中心将动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置进行数据融合，得到大坝变形区域的监测基准值的过程包括：针对动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置分别构建对应的误差方程；
将动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置对应的误差方程整合形成一个联合平差的误差方程；
设定用于表征动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置权重的综合权重矩阵；
基于联合平差的误差方程和综合权重矩阵，以加权误差平方和最小为目标，通过最小二乘原理求解得到大坝变形区域的监测基准值。
[0069] 具体地，所述动态基准点位置的误差方程表达式如下：VGNSS= AGNSSX ‑ LGNSS；
其中，VGNSS表示天基北斗系统的GNSS观测值的残差向量；AGNSS表示GNSS观测值的设计矩阵；X表示大坝变形区域的监测基准值； LGNSS表示GNSS观测值向量；
所述空间相对基准点位置的误差方程表达式如下：
VRobot= ARobotX ‑ LRobot；
其中，VRobot表示地基测量机器人系统的观测值的残差向量；ARobot表示地基测量机器人系统观测值的设计矩阵； LRobot表示地基测量机器人系统观测值向量。
[0070] 所述重力静态基准点位置的误差方程表达式如下：VPlumbLine= APlumbLineX ‑ LPlumbLine；
其中，VPlumbLine表示倒垂线位移的观测值的残差向量；APlumbLine表示倒垂线位移观测值的设计矩阵； LPlumbLine表示倒垂线位移观测值向量。
[0071] 上述各观测值向量分别对应表示动态基准点位置、空间相对基准点位置和重力静态基准点位置数据。每个观测值都有其特定的误差来源和特性。
[0072] 具体地，所述联合平差的误差方程表达式为：V=AX‑L；
即：
；
其中，VGNSS表示天基北斗系统的GNSS观测值的残差向量；AGNSS表示GNSS观测值的设计矩阵；X表示大坝变形区域的监测基准值； LGNSS表示GNSS观测值向量；VRobot表示地基测量机器人系统的观测值的残差向量；ARobot表示地基测量机器人系统观测值的设计矩阵； LRobot表示地基测量机器人系统观测值向量；VPlumbLine表示倒垂线位移的观测值的残差向量；
APlumbLine表示倒垂线位移观测值的设计矩阵； LPlumbLine表示倒垂线位移观测值向量。
[0073] 在平差过程中，还需要考虑观测值的权重，故设定相应的权重矩阵。所述综合权重矩阵P表达式为：；
其中，PGNSS表示GNSS观测值的权重矩阵；PRobot 表示测量机器人观测值的权重矩阵；PPlumbLine表示倒垂线位移观测值的权重矩阵。
[0074] 采用下式实现通过最小二乘原理求解X使得加权误差平方和最小：T ‑1 T
X=(APA) APL。
[0075] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
