GNSS 自動監測系統與傾角傳感器的聯合監測數據融合研究

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　　GNSS 自動監測系統與傾角傳感器的聯合監測數據融合研究

　　一、單一監測系統的局限性與聯合監測的必要性

　　GNSS 自動監測系統憑借毫米級位移監測精度、全天候連續工作能力，成為邊坡、建筑變形監測的核心技術，但其存在明顯短板：在密集遮擋區域(如林區、建筑群邊坡)，衛星信號易受干擾，導致數據中斷或精度驟降;且僅能獲取地表點位的三維位移，難以反映監測點周邊區域的傾斜變形趨勢。

　　傾角傳感器則具有成本低、體積小、抗遮擋能力強的優勢，可直接測量監測點的傾斜角度(精度 ±0.01°)，通過幾何關系推算局部區域的變形狀態，但其單點監測范圍有限，且長期運行易受溫度漂移影響，累計誤差可達 0.1°~0.2°，難以滿足大范圍高精度監測需求。

　　兩者在監測精度、覆蓋范圍、抗干擾能力上形成顯著互補 ——GNSS 可校準傾角傳感器的累計誤差，傾角傳感器可補全 GNSS 信號遮擋時段的數據，通過數據融合實現 “點位移 + 區域傾斜" 的監測，大幅提升變形監測的可靠性與完整性。

　　二、聯合監測數據融合的核心架構設計

　　(一)數據采集層：多源數據協同獲取

　　構建 “GNSS 監測站 + 傾角傳感器陣列" 的監測網絡：在邊坡關鍵變形點布設 GNSS 監測站(采樣率 1Hz~10Hz，水平精度 ±2mm、垂直精度 ±3mm)，同步記錄位移數據與衛星信號質量;在 GNSS 站周邊 5~10 米范圍內，按三角形分布布設 3 個傾角傳感器(采樣率 0.1Hz~1Hz)，測量 X、Y 軸傾斜角度，形成 “1 個 GNSS 點 + 3 個傾角點" 的最小監測單元，確保數據空間關聯性。

　　數據傳輸采用統一的時間戳(以 GNSS 系統時間為基準)，通過 4G/5G 網絡實時上傳至融合平臺，解決兩者數據時間異步問題。

　　(二)數據預處理層：多維度誤差修正

　　針對兩類數據的誤差特性分別處理：

　　GNSS 數據預處理：采用卡爾曼濾波消除電離層、對流層延遲誤差，通過信號質量閾值(如 CNR>35dB-Hz)剔除遮擋時段的粗差數據;對數據中斷時段(<30 分鐘)，標記為 “待補全狀態"，為后續融合做準備。

　　傾角傳感器數據預處理：建立溫度補償模型，根據傳感器內置溫濕度數據，修正溫度漂移導致的傾斜誤差(修正后誤差降低 60%~70%);采用滑動平均法剔除振動干擾(如車輛、爆破引發的瞬時傾斜)，保留真實變形趨勢數據。

　　(三)數據融合層：多算法協同融合

　　采用 “兩級融合" 策略，實現數據從 “互補" 到 “優化" 的升級：

　　第一級：數據互補融合

　　當 GNSS 信號遮擋導致數據中斷時，基于傾角傳感器的傾斜角度，通過幾何公式(位移 = 傾斜角度 × 傳感器安裝高度)推算 GNSS 監測點的位移數據，結合歷史 GNSS 位移趨勢優化推算結果，補全數據缺口。例如，某邊坡 GNSS 數據中斷 20 分鐘，傾角傳感器測得平均傾斜角度 0.02°，傳感器安裝高度 2 米，推算位移約 0.69mm，與后續 GNSS 恢復后的實測數據(0.71mm)誤差僅 2.8%。

　　第二級：精度優化融合

　　當兩者數據均有效時，采用加權融合算法：根據 GNSS 信號質量(CNR 值)與傾角傳感器溫度漂移量動態分配權重 ——GNSS 信號良好(CNR>40dB-Hz)時，賦予 GNSS 0.7~0.8 權重、傾角傳感器 0.2~0.3 權重;GNSS 信號較弱(30dB-Hz<cnr<40db-hz)時，調整為 p="" 的高精度優勢，又利用傾角傳感器穩定傾斜監測的特性。<="" gnss="" 0.6="" 0.5="">

　　三、融合監測的精度驗證與應用效果

　　以某山區公路邊坡為驗證場景，布設 5 個 “GNSS + 傾角傳感器" 監測單元，連續監測 30 天，以全站儀人工測量數據(精度 ±1mm)為真值，對比融合前后的監測精度：

　　數據完整性：融合前 GNSS 數據有效率 82%(遮擋時段數據缺失)，傾角傳感器數據有效率 95%;融合后數據有效率提升至 99.3%，補全 GNSS 缺失數據。

　　監測精度：融合前 GNSS 水平位移誤差 ±2.1mm、傾角傳感器推算位移誤差 ±3.5mm;融合后水平位移誤差降至 ±1.5mm，垂直位移誤差 ±2.2mm，精度提升 28%~37%。

　　變形趨勢識別：融合數據成功捕捉到邊坡雨后 0.8mm/d 的加速變形，較單一 GNSS 監測提前 2 小時識別變形異常，為應急處置爭取更充足時間。

　　四、總結與展望

　　GNSS 自動監測系統與傾角傳感器的聯合數據融合，通過互補性設計與加權融合算法，有效解決了單一監測的精度局限與數據缺失問題，顯著提升變形監測的可靠性。未來可進一步優化融合算法，引入機器學習(如 LSTM)動態調整權重分配策略;同時開發多傳感器集成終端，實現 GNSS 與傾角傳感器的硬件一體化，推動融合監測在更多工程場景的規模化應用。