一种变形监测方法及系统
阅读说明：本技术 一种变形监测方法及系统 (Deformation monitoring method and system ) 是由 韩军强 涂锐 卢晓春 何杨 张睿 范丽红 张鹏飞 洪菊 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种变形监测方法及系统,方法包括获取待测物的监测站观测数据；监测站设置于待测物上；监测站数量为1；对监测站观测数据进行预处理,得到预处理后的监测站观测数据；基于预处理后的监测站观测数据建立法方程,利用最小二乘方法对法方程进行求解,得到待测物的形变量；根据待测物的形变量,确定待测物是否发生形变。本发明最小二乘方法对基于单个监测站观测数据建立的法方程进行求解,进而确定待测物是否形变,在减少了监测站数量的同时提高了监测的精度。(The invention provides a deformation monitoring method and a system, wherein the method comprises the steps of obtaining observation data of a monitoring station of an object to be detected; the monitoring station is arranged on the object to be detected; the number of monitoring stations is 1; preprocessing observation data of a monitoring station to obtain preprocessed observation data of the monitoring station; establishing a normal equation based on the preprocessed observation data of the monitoring station, and solving the normal equation by using a least square method to obtain the deformation quantity of the object to be detected; and determining whether the object to be detected deforms or not according to the deformation quantity of the object to be detected. The least square method solves the normal equation established based on the observation data of a single monitoring station, further determines whether the object to be detected is deformed, reduces the number of the monitoring stations and improves the monitoring precision.)
技术领域
本发明涉及变形监测技术领域，特别是涉及一种变形监测方法及系统。
背景技术
大坝、桥梁、尾矿等变形危害严重，体表变形是其形变大小的关键判断因素之一。目前可用于变形监测的传统传感器包括裂缝计、位移计和倾斜仪等。其中，拉绳式位移计施工难度大，建造成本高；倾斜仪仅能感知倾斜变形；随着全球卫星导航技术以及激光雷达技术等新兴感知技术的兴起，采用新兴感知技术的变形监测方法也逐步得到研究和应用。而激光雷达由于实施难度大、监测成本高，目前应用较少。全球卫星导航技术有着全天候、全天时、精度高等特点。目前，可用于变形监测的卫星技术主要有实时差分定位(RTK)。实时差分定位监测技术主要原理是基准站与监测站同时观测相同的卫星，通过星间差分后再站间差分的方式消除观测值中存在的卫星钟、接收机钟、电离层和对流层等主要误差，再利用干净的观测值估计监测点的形变量，但该技术的缺点是必须依赖多个高性能的基准站，带来额外的监测成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种变形监测方法及系统，能够基于独立监测站监测被测建筑物的形变量，同时保证监测的精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种变形监测方法，包括：
获取待测物的监测站观测数据；所述监测站设置于所述待测物上；所述监测站数量为1；
对所述监测站观测数据进行预处理，得到预处理后的监测站观测数据；
基于所述预处理后的监测站观测数据建立法方程，利用最小二乘方法对所述法方程进行求解，得到待测物的形变量；
根据所述待测物的形变量，确定所述待测物是否发生形变。
可选的，所述对所述监测站观测数据进行预处理，得到预处理后的监测站观测数据，具体包括：
对所述监测站观测数据进行解码，得到解码后的监测站观测数据；
对所述解码后的监测站观测数据进行插值处理，得到插值处理后的监测站观测数据；
判断所述插值处理后的监测站观测数据中是否存在异常数据，并对异常数据进行剔除处理，得到剔除处理后的监测站观测数据；
对所述剔除处理后的监测站观测数据进行误差修正处理，得到所述预处理后的待测物的监测站观测数据。
可选的，
所述法方程为：
其中：VL表示相位观测值残差向量，An×4表示未知参数系数矩阵，n为卫星数量， 表示待测物的X方向变形量δX系数；k表示卫星编号，下标1表示监测站编号为1，表示星站距离；(Yk-Y1)，k＝(1，…，n)，表示待测物的Y方向的变形量δY系数， 表示待测物的Z方向的变形量δZ系数；x4×1表示未知数待求向量，x4×1＝[δX δY δZ δT]T，δX、δY、δZ分别表示待测物的X方向、Y方向、Z方向的变形量，δT表示接收机钟差改正数；Bn×n表示未知模糊度参数系数向量；Bn×n＝diag(λ，…，λ)，λ表示波长；diag表示对角矩阵；yn×1表示未知模糊度参数向量， 表示测站1到编号为k的卫星的整周模糊度值；表示相位观测值向量； 表示相位观测值 表示相位计算值；VP表示伪距观测值残差向量，表示伪距观测值向量； 表示伪距观测值，伪距计算值；D2n×2n表示矩阵维度为2n×2n的随机方程方差矩阵，DL表示相位观测值方差矩阵，DP表示伪距观测值方差矩阵。
可选的，所述根据所述待测物的形变量，确定所述待测物是否发生形变，具体包括；
根据所述待测物的形变量(δX，δX，δX)，确定待测物与上一次观测时的三维矢量距离；
判断所述三维矢量距离是否小于预设形变阈值，得到判断结果；
若所述判断结果为是，则判定所述待测物未发生形变；
若所述判断结果为否，则判定所述待测物发生形变。
一种变形监测系统，包括：
监测站观测数据获取模块，用于获取待测物的监测站观测数据；所述监测站设置于所述待测物上；所述监测站数量为1；
预处理模块，用于对所述监测站观测数据进行预处理，得到预处理后的监测站观测数据；
形变量确定模块，用于基于所述预处理后的监测站观测数据建立法方程，利用最小二乘方法对所述法方程进行求解，得到待测物的形变量；
形变状态确定模块，用于根据所述待测物的形变量，确定所述待测物是否发生形变。
可选的，所述预处理模块，具体包括：
解码单元，用于对所述监测站观测数据进行解码，得到解码后的监测站观测数据；
插值处理单元，用于对所述解码后的监测站观测数据进行插值处理，得到插值处理后的监测站观测数据；
剔除处理单元，用于判断所述插值处理后的监测站观测数据中是否存在异常数据，并对异常数据进行剔除处理，得到剔除处理后的监测站观测数据；
修正处理单元，用于对所述剔除处理后的监测站观测数据进行误差修正处理，得到所述预处理后的待测物的监测站观测数据。
可选的，
所述法方程为：
其中：VL表示相位观测值残差向量，An×4表示未知参数系数矩阵，n为卫星数量， 表示待测物的X方向变形量δX系数；k表示卫星编号，下标1表示监测站编号为1，表示星站距离； 表示待测物的Y方向的变形量δY系数， 表示待测物的Z方向的变形量δZ系数；x4×1表示未知数待求向量，x4×1＝[δX δY δZ δT]T，δX、δY、δZ分别表示待测物的X方向、Y方向、Z方向的变形量，δT表示接收机钟差改正数；Bn×n表示未知模糊度参数系数向量；Bn×n＝diag(λ，…，λ)，λ表示波长；diag表示对角矩阵；yn×1表示未知模糊度参数向量， 表示测站1到编号为k的卫星的整周模糊度值；表示相位观测值向量； 表示相位观测值 表示相位计算值；VP表示伪距观测值残差向量，表示伪距观测值向量； 表示伪距观测值，伪距计算值；D2n×2n表示矩阵维度为2n×2n的随机方程方差矩阵，DL表示相位观测值方差矩阵，DP表示伪距观测值方差矩阵。
可选的，所述形变状态确定模块，具体包括；
三维矢量距离确定单元，用于根据所述待测物的形变量(δX，δX，δX)，确定待测物与上一次观测时的三维矢量距离；
判断单元，用于判断所述三维矢量距离是否小于预设形变阈值，得到判断结果；若所述判断结果为是，则调用第一形变状态确定单元；若所述判断结果为否，则调用第二形变状态确定单元；
第一形变状态确定单元，用于判定所述待测物未发生形变；
第二形变状态确定单元，用于判定所述待测物发生形变。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种变形监测方法及系统，方法包括获取待测物的监测站观测数据；监测站设置于待测物上；监测站数量为1；对监测站观测数据进行预处理，得到预处理后的监测站观测数据；基于预处理后的监测站观测数据建立法方程，利用最小二乘方法对法方程进行求解，得到待测物的形变量；根据待测物的形变量，确定待测物是否发生形变。本发明最小二乘方法对基于单个监测站观测数据建立的法方程进行求解，进而确定待测物是否形变，在减少了监测站数量的同时提高了监测的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中变形监测方法流程图；
图2为本发明实施例中基于精密单点定位(PPP)技术的高精度定位变形监测方法流程图；
图3为本发明实施例中变形监测系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种变形监测方法及系统，能够基于独立监测站监测被测建筑物的形变量，同时保证监测的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中变形监测方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种变形监测方法，包括：
步骤101：获取待测物的监测站观测数据；监测站设置于待测物上；监测站数量为1；
步骤102：对监测站观测数据进行预处理，得到预处理后的监测站观测数据；
步骤103：基于预处理后的监测站观测数据建立法方程，利用最小二乘方法对法方程进行求解，得到待测物的形变量；
步骤104：根据待测物的形变量，确定待测物是否发生形变。
步骤102，具体包括：
对监测站观测数据进行解码，得到解码后的监测站观测数据；
对解码后的监测站观测数据进行插值处理，得到插值处理后的监测站观测数据；
判断插值处理后的监测站观测数据中是否存在异常数据，并对异常数据进行剔除处理，得到剔除处理后的监测站观测数据；
对剔除处理后的监测站观测数据进行误差修正处理，得到预处理后的待测物的监测站观测数据。
具体的，
法方程为：
其中：VL表示相位观测值残差向量，An×4表示未知参数系数矩阵，n为卫星数量， 表示待测物的X方向变形量δX系数；k表示卫星编号，下标1表示监测站编号为1，表示星站距离； 表示待测物的Y方向的变形量δY系数， 表示待测物的Z方向的变形量δZ系数；x4×1表示未知数待求向量，x4×1＝[δX δY δZ δT]T，δX、δY、δZ分别表示待测物的X方向、Y方向、Z方向的变形量，δT表示接收机钟差改正数；Bn×n表示未知模糊度参数系数向量；Bn×n＝diag(λ，…，λ)，λ表示波长；diag表示对角矩阵；yn×1表示未知模糊度参数向量， 表示测站1到编号为k的卫星的整周模糊度值；表示相位观测值向量； 表示相位观测值 表示相位计算值；VP表示伪距观测值残差向量，表示伪距观测值向量； 表示伪距观测值，伪距计算值；D2n×2n表示矩阵维度为2n×2n的随机方程方差矩阵，DL表示相位观测值方差矩阵，DP表示伪距观测值方差矩阵。
步骤104，具体包括；
根据待测物的形变量(δX，δX，δX)，确定待测物与上一次观测时的三维矢量距离；
判断三维矢量距离是否小于预设形变阈值，得到判断结果；
若判断结果为是，则判定待测物未发生形变；
若判断结果为否，则判定待测物发生形变。
具体的，针对基于PPP技术的高精度定位变形监测方法与系统，该方法的实现包括实时监测站RTCM数据、广播星历、精密轨道、精密钟差、地球自转参数等内容；系统实现包括实时数据解码、观测值误差改正、监测站位置估计、结果验证等模块，从而得到监测点的厘米甚至毫米级精度。为了使终端的功耗降到最小，一般情况下终端的采样间隔设置为15秒或30秒。具体实现流程如图2所示。
第一步：接收来自变形载体独立监测站的观测实时流数据以及来自本地服务器解算中心(这部分数据是解算平台已经具备的卫星相关实时信息)的轨道、钟、地球自转参数等实时流产品并按照国际RTCM-SC104标准数据协议进行解码；
第二步：采用现有方法对观测数据完整性进行检查，采用现在的周跳、钟跳探测方法对原始观测值进行粗差识别并剔除，并对观测值中的轨道、钟、电离层、对流层、地球自转参数等误差进行改正以获取干净的观测数据；
式中，和分别表示接收机i接收时刻t观测到卫星k的相位观测值和伪距观测值；ρ表示卫星和测站间的距离，因为使用的是独立监测站，因此i＝1；和分别表示信号从卫星k传播至接收机i时受到大气相关的电离层与对流层延迟误差；Derp表示地球自转误差；λ指载波波长；表示载波相位从卫星k到接收机i之间的未知整周模糊度；和分别表示卫星k至接收机i间的载波相位噪声误差和伪距测量残差。σ2表示精度因子，E表示卫星高度角，sin表示正弦函数。
第三步：利用上一步获取的干净数据建立法方程，并采用最小二乘方法对监测站位置进行估计；
VL＝Ax+By-lL， (2.5)
VP＝Ax+By-lP， (2.6)
D2n×2n＝diag(DL，DP)， (2.7)
式中，VL表示相位观测值残差向量，VP表示伪距观测值残差向量，D表示随机方程方差矩阵，DL表示相位观测值方差矩阵，DP表示伪距观测值方差矩阵，2n×2n表示矩阵维度。
An×4表示未知参数系数矩阵，n×4表示n行4列； 表示未知参数δX系数；表示未知参数δY系数，表示未知参数δZ系数；其中右上角标k表示卫星编号，右下角标表示监测站编号1；
x4×1＝[δX δY δZ δT]T，x表示未知数待求向量，δX、δY、δZ分别表示接收机三维位置改正数，δT表示接收机钟差改正数，
Bn×n＝diag(λ，…，λ)，B表示未知模糊度参数系数向量，λ表示波长；diag表示对角矩阵；
y表示未知模糊度参数向量，表示测站1到编号为1的卫星的整周模糊度值，依次类推；
lL表示相位观测值向量，表示相位观测值减去相位计算值；
lP表示伪距观测值向量，表示伪距观测值减去伪距计算值；
表示相位计算值向量，
表示伪距计算值向量，
表示星站距离，
n表示观测个数，X，Y，Z分别表示CGCS2000地固坐标系下的三维坐标，Xk、Yk和Zk指卫星k的天线三维位置；X1、Y1和Z1指监测站接收机三维位置参数；diag表示对角矩阵。参数的估计模型矩阵形式可以表示为：
式中
表示相位观测方程对应权矩阵，
表示伪距观测方程对应权矩阵，
通过现有最小二乘法可以求得位置参数(注：首历元求解时(X，Y，Z)可设为(0，0，0))。
(Xi，Yi，Zi)＝(Xi-1，Yi-1，Zi-1)+(δXi，δYi，δZi)
第四步：对上一步估计的监测结果进行验正并输出。验证规则如下：
|(δXi，δYi，δZi)|＜0.001m
即如果两次运算的三维矢量距离如果小于0.001m，则认为结果合格，否则不合格，进行下一次运算。
第五步：分析解算结果(Xi，Yi，Zi)随时间的变化，从而判断变形体的形变大小。
图3为本发明实施例中变形监测系统结构示意图，如图3，本发明还一种变形监测系统，包括：
监测站观测数据获取模块301，用于获取待测物的监测站观测数据；监测站设置于待测物上；监测站数量为1；
预处理模块302，用于对监测站观测数据进行预处理，得到预处理后的监测站观测数据；
形变量确定模块303，用于基于预处理后的监测站观测数据建立法方程，利用最小二乘方法对法方程进行求解，得到待测物的形变量；
形变状态确定模块304，用于根据待测物的形变量，确定待测物是否发生形变。
其中，预处理模块，具体包括：
解码单元，用于对监测站观测数据进行解码，得到解码后的监测站观测数据；
插值处理单元，用于对解码后的监测站观测数据进行插值处理，得到插值处理后的监测站观测数据；
剔除处理单元，用于判断插值处理后的监测站观测数据中是否存在异常数据，并对异常数据进行剔除处理，得到剔除处理后的监测站观测数据；
修正处理单元，用于对剔除处理后的监测站观测数据进行误差修正处理，得到预处理后的待测物的监测站观测数据。
具体的，
法方程为：
其中：VL表示相位观测值残差向量，An×4表示未知参数系数矩阵，n为卫星数量， 表示待测物的X方向变形量δX系数；k表示卫星编号，下标1表示监测站编号为1，表示星站距离； 表示待测物的Y方向的变形量δY系数， 表示待测物的Z方向的变形量δZ系数；x4×1表示未知数待求向量，x4×1＝[δX δY δZ δT]T，δX、δY、δZ分别表示待测物的X方向、Y方向、Z方向的变形量，δT表示接收机钟差改正数；Bn×n表示未知模糊度参数系数向量；Bn×n＝diag(λ，…，λ)，λ表示波长；diag表示对角矩阵；yn×1表示未知模糊度参数向量， 表示测站1到编号为k的卫星的整周模糊度值；表示相位观测值向量； 表示相位观测值 表示相位计算值；VP表示伪距观测值残差向量，表示伪距观测值向量； 表示伪距观测值，伪距计算值；D2n×2n表示矩阵维度为2n×2n的随机方程方差矩阵，DL表示相位观测值方差矩阵，DP表示伪距观测值方差矩阵。
优选地，形变状态确定模块，具体包括；
三维矢量距离确定单元，用于根据待测物的形变量(δX，δX，δX)，确定待测物与上一次观测时的三维矢量距离；
判断单元，用于判断三维矢量距离是否小于预设形变阈值，得到判断结果；若判断结果为是，则调用第一形变状态确定单元；若判断结果为否，则调用第二形变状态确定单元；
第一形变状态确定单元，用于判定待测物未发生形变；
第二形变状态确定单元，用于判定待测物发生形变。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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