【摘要】：在我國(guó),滑坡災(zāi)害在全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害中始終占據(jù)第一位,已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了降低滑坡災(zāi)害的影響,對(duì)滑坡進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是非常重要的。滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)有很多種,已經(jīng)由傳統(tǒng)人工測(cè)量逐漸發(fā)展為高精度、自動(dòng)化的儀器測(cè)量。尤其是隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展,使得GPS接收機(jī)能夠?qū)卤O(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全天候連續(xù)觀測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)新的位置和初始位置之間的距離反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)滑坡監(jiān)測(cè)目的。但是,高精度GPS接收機(jī)價(jià)格昂貴,在大規(guī)模區(qū)域的滑坡監(jiān)測(cè)中部署成本很高,因此,使用低精度GPS接收機(jī)進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。此外,如何將GPS接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)上,采用電線、電纜等有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但滑坡監(jiān)測(cè)區(qū)域可能地理位置偏僻、環(huán)境惡劣,很難實(shí)現(xiàn)有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,需要采用無(wú)線傳輸,而使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)很好的選擇。WSNs具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、低功耗、分布式、低成本等優(yōu)點(diǎn),因此,把GPS接收機(jī)和WSNs相結(jié)合進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)具有重要的實(shí)際意義。本文圍繞滑坡位移監(jiān)測(cè)與定位問(wèn)題,主要研究以下兩方面內(nèi)容:(1)針對(duì)低精度GPS接收機(jī)單點(diǎn)定位誤差大的問(wèn)題,本文把GPS定位模型與多傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)相結(jié)合,提出使用分布式聯(lián)邦Kalman濾波融合方法來(lái)進(jìn)行GPS定位數(shù)據(jù)處理。各個(gè)GPS接收機(jī)采集到定位數(shù)據(jù)后,首先在相應(yīng)的局部濾波器分別利用Kalman濾波進(jìn)行局部濾波,得到局部最優(yōu)估計(jì)。其次在融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,得到全局融合估計(jì)。然后全局融合估計(jì)再反饋到各個(gè)局部濾波器,修正異常局部濾波器的估計(jì)誤差。此外,在使用WSNs進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),考慮數(shù)據(jù)丟包的問(wèn)題,采用預(yù)測(cè)補(bǔ)償器策略處理數(shù)據(jù)丟包。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提方法能有效減小定位誤差,提高定位精度。(2)在使用低精度GPS接收機(jī)進(jìn)行滑坡位移監(jiān)測(cè)時(shí),低精度GPS接收機(jī)單點(diǎn)定位誤差大,不能通過(guò)GPS接收機(jī)新的位置與初始位置之間的距離來(lái)判斷是否發(fā)生滑坡。本文從數(shù)據(jù)分類(lèi)的角度考慮這一問(wèn)題,提出使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)進(jìn)行滑坡位移監(jiān)測(cè)。使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把滑坡發(fā)生前后相互耦合的GPS定位數(shù)據(jù)分成兩類(lèi),一類(lèi)屬于滑坡發(fā)生之前的GPS數(shù)據(jù),另一類(lèi)屬于滑坡發(fā)生之后的GPS數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,先利用分布式聯(lián)邦Kalman濾波融合方法對(duì)GPS接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)處理,再使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其分類(lèi),能有效提高滑坡監(jiān)測(cè)精度。
【圖文】：

基于 GPS 和 WSNs 的滑坡位移監(jiān)測(cè)與定位據(jù)傳輸是一個(gè)很好的選擇。WSNs 是由許多帶有無(wú)線接收和發(fā)送功能的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既能作為收集數(shù)據(jù)的終端節(jié)點(diǎn)，也能作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn)[4]。WSNs 的節(jié)點(diǎn)可以感知和收集被測(cè)對(duì)象的各類(lèi)數(shù)據(jù)，并且利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，以供用戶瀏覽和數(shù)據(jù)處理。近年來(lái)，隨著傳感器和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，WSNs技術(shù)作為 21 世紀(jì)最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)[5-6]、智能電網(wǎng)[7]、智能家居[8]、災(zāi)難預(yù)警[9]等領(lǐng)域。WSNs 具有低能耗、低成本、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、分布式等優(yōu)點(diǎn)，因此把 WSNs 用于環(huán)境數(shù)據(jù)收集和滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)[10-11]已經(jīng)得到許多科研工作者的研究，并取得了一些成果。圖 1.1 給出了 GPS 定位和 WSNs 在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[12-13]。

2.1 系統(tǒng)建模2.1.1 預(yù)備知識(shí)使用 GPS 進(jìn)行定位時(shí)，GPS 接收機(jī)的位置是相對(duì)地球而言的，采用地球坐標(biāo)系來(lái)作為參考系。通常情況下，地球坐標(biāo)系有多種形式，本文主要用到兩種，一種是地球直角坐標(biāo)系，另一種是地球大地坐標(biāo)系。地球直角坐標(biāo)系：以地球質(zhì)心o 作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，z 軸沿著地軸方向指向北極，x軸指向赤道平面和子午圈的交點(diǎn)，即指向零度經(jīng)線，y 軸位于赤道平面內(nèi)，和xoz 平面形成右手定則[25]。地球大地坐標(biāo)系：在大地坐標(biāo)系中使用經(jīng)度 、緯度 和高度h來(lái)描述地球表面某一點(diǎn)的位置。GPS 接收機(jī)使用的是地球大地坐標(biāo)系，即 GPS 接收機(jī)的位置坐標(biāo)用( , , h)來(lái)描述，其中經(jīng)度和緯度的原始數(shù)據(jù)格式為“ddmm.mmmm”，“dd”表示度，“mm.mmmm”表示分。為了對(duì) GPS 位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，在得到 GPS 接收機(jī)的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)后，應(yīng)該先把原始度分格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為度格式的數(shù)據(jù)，，具體轉(zhuǎn)換流程如圖 2.1所示。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：P642.22

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本文編號(hào)：2676237