基于GPS和WSNs的滑坡位移监测与定位

发布时间：2020-05-22 15:54

【摘要】：在我国,滑坡灾害在全国地质灾害中始终占据第一位,已经严重威胁到了人们的生命财产安全。为了降低滑坡灾害的影响,对滑坡进行连续、长期监测是非常重要的。滑坡监测技术有很多种,已经由传统人工测量逐渐发展为高精度、自动化的仪器测量。尤其是随着GPS定位技术的发展,使得GPS接收机能够对滑坡监测点进行全天候连续观测。通过监测点新的位置和初始位置之间的距离反映监测点的运动,实现滑坡监测目的。但是,高精度GPS接收机价格昂贵,在大规模区域的滑坡监测中部署成本很高,因此,使用低精度GPS接收机进行滑坡监测是一个值得研究的问题。此外,如何将GPS接收机采集的数据传输给远程服务器也是一个需要解决的问题。传统上,采用电线、电缆等有线方式进行数据传输,但滑坡监测区域可能地理位置偏僻、环境恶劣,很难实现有线方式进行数据传输,需要采用无线传输,而使用无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)进行数据传输是一个很好的选择。WSNs具有动态组网、低功耗、分布式、低成本等优点,因此,把GPS接收机和WSNs相结合进行滑坡监测具有重要的实际意义。本文围绕滑坡位移监测与定位问题,主要研究以下两方面内容:(1)针对低精度GPS接收机单点定位误差大的问题,本文把GPS定位模型与多传感器系统数据融合技术相结合,提出使用分布式联邦Kalman滤波融合方法来进行GPS定位数据处理。各个GPS接收机采集到定位数据后,首先在相应的局部滤波器分别利用Kalman滤波进行局部滤波,得到局部最优估计。其次在融合中心进行数据融合,得到全局融合估计。然后全局融合估计再反馈到各个局部滤波器,修正异常局部滤波器的估计误差。此外,在使用WSNs进行数据传输时,考虑数据丢包的问题,采用预测补偿器策略处理数据丢包。最后实验结果表明所提方法能有效减小定位误差,提高定位精度。(2)在使用低精度GPS接收机进行滑坡位移监测时,低精度GPS接收机单点定位误差大,不能通过GPS接收机新的位置与初始位置之间的距离来判断是否发生滑坡。本文从数据分类的角度考虑这一问题,提出使用BP神经网络方法来进行滑坡位移监测。使用BP神经网络把滑坡发生前后相互耦合的GPS定位数据分成两类,一类属于滑坡发生之前的GPS数据,另一类属于滑坡发生之后的GPS数据。实验结果表明,先利用分布式联邦Kalman滤波融合方法对GPS接收机的定位数据处理,再使用BP神经网络对其分类,能有效提高滑坡监测精度。
【图文】：

滑坡监测,节点

基于 GPS 和 WSNs 的滑坡位移监测与定位据传输是一个很好的选择。WSNs 是由许多带有无线接收和发送功能的传感器节点构成的多跳自组织网络，每个传感器节点既能作为收集数据的终端节点，也能作为转发数据的中继节点[4]。WSNs 的节点可以感知和收集被测对象的各类数据，并且利用无线网络发送给远程服务器，以供用户浏览和数据处理。近年来，随着传感器和无线通信技术的发展，WSNs技术作为 21 世纪最有应用前景的技术之一，已经广泛应用于环境监测[5-6]、智能电网[7]、智能家居[8]、灾难预警[9]等领域。WSNs 具有低能耗、低成本、动态组网、分布式等优点，因此把 WSNs 用于环境数据收集和滑坡灾害监测[10-11]已经得到许多科研工作者的研究，并取得了一些成果。图 1.1 给出了 GPS 定位和 WSNs 在滑坡监测中的应用[12-13]。

流程图,分格式,格式数据,数据转换

2.1 系统建模2.1.1 预备知识使用 GPS 进行定位时，GPS 接收机的位置是相对地球而言的，采用地球坐标系来作为参考系。通常情况下，地球坐标系有多种形式，本文主要用到两种，一种是地球直角坐标系，另一种是地球大地坐标系。地球直角坐标系：以地球质心o 作为坐标系原点，z 轴沿着地轴方向指向北极，x轴指向赤道平面和子午圈的交点，即指向零度经线，y 轴位于赤道平面内，和xoz 平面形成右手定则[25]。地球大地坐标系：在大地坐标系中使用经度、纬度和高度h来描述地球表面某一点的位置。GPS 接收机使用的是地球大地坐标系，即 GPS 接收机的位置坐标用( , , h)来描述，其中经度和纬度的原始数据格式为“ddmm.mmmm”，“dd”表示度，“mm.mmmm”表示分。为了对 GPS 位置坐标数据进行算术运算，在得到 GPS 接收机的经度和纬度数据后，应该先把原始度分格式的数据转换为度格式的数据，，具体转换流程如图 2.1所示。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P642.22

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