现代变形监测技术的发展与展望.doc

1、现代变形监测技术的发展与展望作者:卫建东 来源:测绘科学 2007 年第 6 期 发表时间:2009-04-16 17:42 热点:399 现 代 变 形 监 测 技 术 的 发 展 与 展 望卫 建 东（ 信 息 工 程 大 学 测 绘 学 院 ， 河 南 郑 州 450052）随 着 现 代 科 学 技 术 的 发 展 ， 变 形 监 测 的 技 术 手 段 ， 逐 渐 形 成 多 层 次 、 多 视 角 、 多 技 术 、自 动 化 的 立 体 监 测 体 系 。 以 RTS（ 自 动 全 站 仪 、 测 量 机 器 人 ） 为 代 表 现 代 测 量 技 术 ， 逐 步 取代 以 经

2、纬 仪 、 全 站 仪 为 代 表 的 常 规 测 量 技 术 ， 成 为 主 要 的 地 面 监 测 技 术 手 段 。 以 测 斜 仪 、 分层 沉 降 仪 、 光 纤 传 感 器 等 为 代 表 的 地 下 观 测 监 测 技 术 ， 已 实 现 数 字 化 、 自 动 化 。 以GPS（ 全 球 定 位 系 统 ） 、 差 分 干 涉 合 成 孔 径 雷 达 （ D-InSAR） 技 术 和 机 载 激 光 雷 达 技 术 为 代表 空 间 对 地 观 测 技 术 ， 正 逐 步 得 到 发 展 和 应 用 。 同 时 有 线 网 络 通 讯 、 无 线 移 动 通 讯 、 卫 星 通

3、讯 等 多 种 通 讯 网 络 技 术 的 发 展 ， 为 工 程 变 形 监 测 信 息 的 实 时 远 程 传 输 提 供 可 靠 的 通 讯 保 障 。在 监 测 分 析 方 面 ， 利 用 GIS 的 数 据 管 理 与 分 析 功 能 而 开 发 的 专 家 系 统 对 采 集 到 的 各 种 大 量信 息 进 行 有 效 快 速 分 析 与 处 理 。1.地 面 观 测 监 测 技 术在 地 面 上 设 站 ， 测 量 变 形 体 的 变 化 ， 通 称 地 面 观 测 监 测 技 术 。 主 要 以 经 纬 仪 、 全 站 仪 、引 张 线 、 激 光 扫 描 仪 、 摄 影 测

4、 量 等 技 术 为 主 。 目 前 地 面 观 测 技 术 的 主 要 发 展 为 、 测 量 机 器 人和 激 光 三 维 扫 描 技 术 。1.1 自 动 全 站 仪 监 测 技 术1.1.1 自 动 全 站 仪 的 特 点自 动 全 站 仪 俗 称 测 量 机 器 人 （ Robotic Total Station System） ， 里 面 除 了 一 般 电 子全 站 仪 的 电 子 电 路 、 光 学 系 统 、 软 件 系 统 以 外 ， 还 有 两 个 最 重 要 的 装 置 ， 自 动 目 标 照 准 传感 装 置 和 提 供 动 力 的 两 个 步 进 马 达 。目 标

5、照 准 传 感 装 置 ， 一 般 采 用 内 置 在 全 站 仪 中 的 CCD 阵 列 传 感 器 ， 该 传 感 器 可 以 识 别被 反 射 棱 镜 返 回 的 红 外 光 ， CCD 判 别 接 受 后 ， 马 达 就 驱 动 全 站 仪 自 动 转 向 棱 镜 ， 并 实 现 自 动精 确 照 准 。 CCD 识 别 的 是 不 可 见 红 外 光 ， 它 能 够 在 夜 间 、 雾 天 甚 至 雨 天 （ 保 证 镜 面 无 雨 水 ）进 行 测 量 。 基 于 上 述 特 点 利 用 测 量 机 器 人 可 实 现 常 规 监 测 网 测 量 的 自 动 化 。1.1.2 自

6、动 全 站 仪 监 测 系 统 的 构 成 方 式针 对 不 同 的 监 测 对 象 和 要 求 ， 自 动 全 站 仪 可 组 成 以 下 的 监 测 方 式 。移 动 式 监 测 方 式 ， 利 用 短 通 讯 电 缆 （ 1 2 米 ） 将 便 携 计 算 机 与 全 站 仪 连 接 ， 由 便 携 机自 动 控 制 全 站 仪 进 行 测 量 ； 或 者 直 接 将 控 制 软 件 安 装 在 自 动 全 站 仪 内 部 ， 控 制 全 站 仪 测 量 。移 动 式 监 测 方 式 成 本 低 ， 已 应 用 在 上 海 磁 悬 浮 工 程 、 深 基 坑 监 测 工 程 、 南 水

7、电 站 大 坝 监 测9等 工 程 的 外 部 变 形 监 测 中 。固 定 式 持 续 监 测 系 统 是 将 全 站 仪 长 期 固 定 在 测 站 上 ， 如 在 野 外 需 在 测 站 上 建 立 监 测 房 ，通 过 供 电 通 信 系 统 ， 与 控 制 机 房 内 的 控 制 计 算 机 相 连 ， 实 现 无 人 职 守 、 全 天 候 的 连 续 监 测 、自 动 数 据 处 理 、 自 动 报 警 、 远 程 监 控 等 ， 该 类 系 统 主 要 包 括 单 台 极 坐 标 在 线 模 式 、 多 台 空间 前 方 交 会 在 线 模 式 、 多 台 网 络 模 式 等

8、。单 台 极 坐 标 持 续 监 测 方 式 ， 配 置 简 单 ， 设 备 利 用 率 高 ， 但 监 测 范 围 较 小 ， 无 法 组 网 测 量 ，要 达 到 亚 毫 米 级 精 度 必 须 采 取 合 理 的 测 量 方 案 和 数 据 处 理 方 法 。 特 别 适 用 于 小 区 域 (约1km2内 )， 需 实 时 自 动 化 监 测 的 变 形 体 的 测 量 。 目 前 该 模 式 已 在 新 疆 三 屯 河 水 库 大 坝 10、港 口 湾 水 库 大 坝 、 明 珠 线 二 期 南 浦 大 桥 、 小 浪 底 大 坝 12、 广 州 地 铁 13等 进 行 了 很 好

9、的 应用 。空 间 前 方 交 会 主 要 采 用 距 离 空 间 前 方 交 会 ， 以 三 边 或 多 边 交 会 法 确 定 监 测 点 的 三 维 坐 标 ，采 用 此 模 式 的 主 要 意 图 是 利 用 高 精 度 的 边 长 ， 获 取 高 精 度 的 点 位 。 采 用 三 边 交 会 系 统 已 应 用在 五 强 溪 大 坝 监 测 中 14。 该 系 统 为 提 高 测 距 精 度 ， 配 置 计 算 机 控 制 的 自 动 可 自 校 准 高 精 度光 电 测 距 仪 频 率 校 准 仪 、 高 精 度 温 度 计 、 气 压 计 与 湿 度 计 。 此 类 系 统 的

10、 优 点 测 量 精 度 高 ， 可达 亚 毫 米 级 ， 但 系 统 配 置 过 于 庞 大 ， 成 本 较 高 ， 设 备 利 用 率 较 低 ， 同 时 由 于 受 几 何 图 形 结构 限 制 ， 较 平 坦 的 地 面 监 测 不 宜 采 用 。多 台 网 络 模 式 是 将 多 台 测 量 机 器 人 和 多 台 或 一 台 计 算 机 通 过 网 络 、 通 讯 供 电 电 缆 连 接 起来 ， 组 成 监 测 网 络 系 统 。 其 主 要 技 术 手 段 、 管 理 方 式 和 单 台 极 坐 标 在 线 模 式 一 致 。 由 于 单台 测 量 机 器 人 受 通 视 条

11、件 和 最 大 目 标 识 别 距 离 的 限 制 ， 对 于 变 形 区 域 较 大 、 通 视 条 件 较 差 、测 量 环 境 狭 窄 （ 如 地 铁 隧 道 ） 等 ， 需 利 用 多 台 测 量 机 器 人 组 成 监 测 网 络 系 统 ， 通 过 组 网 解 算各 测 站 点 的 坐 标 ， 然 后 利 用 基 准 点 和 各 测 站 坐 标 对 变 形 点 观 测 数 据 进 行 统 一 差 分 处 理 ， 解 算各 变 形 点 的 坐 标 及 变 形 量 。 该 类 系 统 已 在 广 州 地 铁 得 到 应 用 15。 该 类 系 统 的 优 点 ， 可 以 组网 测 量

12、， 实 现 控 制 网 测 量 、 变 形 点 测 量 的 完 全 自 动 化 ， 可 以 将 控 制 网 测 量 数 据 与 监 测 数 据 自动 进 行 联 合 处 理 ， 不 需 要 人 工 干 预 ， 非 常 适 合 较 大 区 域 内 ， 尤 其 是 地 铁 结 构 的 变 形 监 测 。1.1.3 自 动 全 站 仪 监 测 技 术 的 不 足由 于 目 标 自 动 识 别 的 限 制 ， 使 用 范 围 有 限 ； 由 于 采 样 频 率 的 限 制 ， 1 台 用 于 多 点 的 高频 率 的 振 动 测 量 比 较 困 难 ， 当 然 可 以 采 用 每 台 跟 踪 1 个

13、点 的 方 式 ， 这 样 成 本 较 高 。1.2 地 面 三 维 激 光 扫 描 测 量 技 术激 光 雷 达 LIDAR (Light Detection and Ranging)是 通 过 发 射 红 外 激 光 直 接 测 量 雷 达中 心 到 地 面 点 的 一 项 技 术 ， 它 通 过 角 度 和 距 离 信 息 ， 同 时 获 取 地 面 点 的 三 维 数 据 。 激 光 雷 达最 大 特 点 是 不 需 要 任 何 测 量 专 用 标 志 ， 直 接 对 地 面 测 量 ， 能 够 快 速 获 取 地 形 高 密 度 的 三 维 数据 ， 所 以 又 称 三 维 激 光

14、扫 描 技 术 。 根 据 承 载 平 台 不 同 ， 激 光 扫 描 技 术 又 分 机 载 三 维 激 光 扫描 、 车 载 三 维 激 光 扫 描 、 站 载 三 维 激 光 扫 描 ， 其 中 的 车 载 型 和 站 载 型 属 于 地 面 三 维 激 光 扫 描 。1.2.1 三 维 激 光 扫 描 技 术 的 特 点三维激光扫描仪的主要特点体现在数据采集的高密度、高速度和无何作目标测量上。高密度体现在用户可以设置测点间隔 0.1m-2.0m，高速度体现在每秒可测量几十点到几千个点，具有很强的数字空间模型信息的获取能力。地面三维激光扫描仪在测量范围上，根据仪器种类不同，从几米到 4

15、公里以上。10m 以内测程为超短程，10m-100m 为短程，100m-300m 为中程，300m 以上为远程三维激光扫描系统。影 响 三 维 激 光 扫 描 仪 测 量 精 度 的 因 素 较 多 ， 主 要 包 括 ： 步 进 器 的 测 角 精 度 、 仪 器 的 测 时精 度 、 激 光 信 号 的 信 噪 比 、 激 光 信 号 的 反 射 率 、 回 波 信 号 的 强 度 、 背 景 辐 射 噪 声 的 强 度 、 激光 脉 冲 接 受 器 的 灵 敏 度 、 仪 器 与 被 测 点 问 的 距 离 、 仪 器 与 被 测 目 标 面 所 形 成 的 角 度 等 等 18。一 般

16、 中 远 程 三 维 激 光 扫 描 仪 的 单 点 测 量 精 度 在 几 毫 米 到 数 厘 米 之 间 ， 模 型 的 精 度 要 远 高 于单 点 精 度 ， 可 达 2 3mm。目前常见的地面三维激光扫描仪及主要技术参数见表 1 所示 17。型号 厂家 最大范围扫描视场 测量精度 测量速度ILRIS-3D Optech 1500m 4040 模型化精度：3mm 2000 点/秒ILRIS-36D Optech 1500m 360360 模型化精度：3mm 2000 点/秒Cyrax2500 Leica 100m 4040 模型化精度：2mm 1000 点/秒HDS3000 Leica

17、 100m 360270 单点精度：4mm/50m 1800 点/秒HDS4500 Leica 25.2m 360310 单点精度：3mm+160ppm50 万点/秒LMS-Z210i Riegl 400m 36080单点精度：15 毫米LMS-Z420i Riegl 1000m 36080 单点精度：10 毫米旋转棱镜 8000 点/秒振荡棱镜 12000 点/秒地 面 三 维 激 光 扫 描 仪 作 为 非 接 触 式 高 速 激 光 测 量 方 式 ， 以 点 云 的 形 式 获 取 地 形 及 复 杂 物体 3 维 表 面 的 阵 列 式 几 何 图 形 数 据 ， 在 地 面 景 观

18、 形 体 测 量 ， 文 物 保 护 建 模 ， 高 陡 边 坡 地 形 测量 及 工 程 量 计 算 等 具 有 较 明 显 的 优 势 。 与 同 样 具 有 快 速 测 量 优 势 的 数 字 摄 影 测 量 相 比 ， 降 低了 对 地 表 纹 理 的 要 求 ， 无 需 像 控 点 ， 能 反 应 对 象 细 节 信 息 等 特 点 。1.2.2 三 维 激 光 扫 描 技 术 应 用 在 工 程 变 形 监 测 中 的 优 势 及 问 题三 维 激 光 扫 描 系 统 的 速 度 快 ， 不 需 接 触 目 标 ， 精 度 高 ， 信 息 丰 富 （ 不 仅 获 取 空 间 信 息

19、 ，还 获 取 灰 度 信 息 和 真 彩 色 纹 理 ） 、 自 动 化 程 度 高 、 3mm 的 面 型 测 量 精 度 等 特 点 ， 能 快 速 准确 地 生 成 监 测 对 象 的 三 维 数 据 模 型 ， 这 些 技 术 优 势 决 定 了 三 维 激 光 扫 描 技 术 在 变 形 监 测 领域 将 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。 已 开 始 在 桥 梁 、 文 物 、 滑 坡 体 、 泥 石 流 、 火 山 等 领 域 快 速 面 监测 中 进 行 应 用 。 例 如 ， 美 国 弗 罗 里 达 州 运 输 部 利 用 ILRIS-3D 对 弗 罗 里 达 州 I1

20、0 出 口 的 30号 桥 梁 进 行 桥 梁 加 载 变 形 监 测 的 试 验 18， 以 分 析 该 桥 梁 结 构 承 受 能 力 ， 通 过 与 传 统 监 测 手段 在 外 界 所 需 条 件 、 测 量 精 度 、 测 量 需 要 时 间 、 需 要 人 员 、 测 量 总 点 数 、 成 果 输 出 等 方 面的 比 较 ， 认 为 三 维 激 光 扫 描 技 术 在 变 形 监 测 方 面 是 可 行 的 。但 由 于 激 光 扫 描 系 统 得 到 是 海 量 数 据 ， 一 个 目 标 多 幅 距 离 影 像 ， 以 及 点 云 的 散 乱 性 、 没有 实 体 特 征

21、参 数 等 ， 直 接 利 用 三 维 激 光 扫 描 数 据 比 较 困 难 。 针 对 三 维 激 光 扫 描 技 术 的 整 体变 形 监 测 概 念 ， 研 究 与 三 维 激 光 扫 描 仪 相 适 应 的 变 形 监 测 理 论 及 数 据 处 理 方 法 ， 主 要 考 虑 以下 问 题 19：（ 1） 现 有 的 基 于 变 形 监 测 点 的 变 形 监 测 模 式 不 适 用 于 基 于 三 维 激 光 扫 描 仪 的 变 形 监 测 ，必 须 摒 弃 变 形 监 测 点 ， 探 讨 无 变 形 监 测 点 的 监 测 对 象 测 量 方 法 。 考 虑 采 用 监 测 对

22、 象 自 身 的 特征 点 或 人 工 投 射 的 特 征 信 息 来 替 代 变 形 监 测 点 的 作 用 ， 并 采 集 相 应 的 数 据 。（ 2） 要 研 究 监 测 对 象 三 维 模 型 的 建 立 和 模 型 的 匹 配 。 三 维 激 光 扫 描 仪 的 采 样 数 据 包 括监 测 对 象 的 三 维 点 云 和 同 步 采 集 的 纹 理 信 息 ， 利 用 点 云 信 息 能 够 很 快 构 建 监 测 对 象 的 三 维 数据 模 型 ， 再 加 上 纹 理 信 息 ， 就 能 建 立 研 究 对 象 的 仿 真 模 型 。 而 变 形 量 的 获 取 可 以 通

23、过 不 同 时期 的 两 个 模 型 间 整 体 对 比 (即 模 型 求 差 )来 获 取 ， 这 里 就 必 然 涉 及 到 对 模 型 进 行 匹 配 的 问 题 。（ 3） 基 于 三 维 监 测 对 象 模 型 的 变 形 分 析 理 论 及 方 法 研 究 。 变 形 监 测 的 最 终 结 果 是 要 进行 相 应 的 应 力 及 应 变 分 析 ， 这 里 的 分 析 是 基 于 整 体 监 测 对 象 模 型 的 ， 和 传 统 的 基 于 变 形 点 的以 点 代 面 的 分 析 方 式 存 在 较 大 差 异 ， 所 以 ， 有 必 要 对 基 于 三 维 监 测 对 象

24、 模 型 的 变 形 分 析 理 论及 方 法 进 行 相 应 研 究 。（ 4） 监 测 数 据 的 精 度 评 价 体 系 的 建 立 和 模 型 的 精 度 评 定 研 究 。 要 建 立 一 个 完 整 的 理 论及 技 术 体 系 ， 除 了 应 具 备 一 套 完 善 的 理 论 及 方 法 外 ， 还 应 建 立 相 关 的 成 果 评 价 体 系 ， 具 备 相关 精 度 指 标 和 置 信 度 的 成 果 才 是 完 整 的 ， 这 也 是 相 应 信 息 被 正 确 使 用 的 前 提 条 件 。2.地 下 观 测 监 测 技 术地 下 观 测 监 测 技 术 主 要 指

25、监 测 结 构 体 及 岩 土 内 部 变 形 的 技 术 。 常 用 的 内 部 位 移 观 测 仪 器有 位 移 计 、 测 缝 计 、 测 斜 仪 、 沉 降 仪 、 垂 线 坐 标 仪 、 引 张 线 、 多 点 变 位 计 和 应 变 计 等 。 传 统的 位 移 计 、 变 位 计 和 应 变 计 等点式监测手段，通 常 采 用 电阻式、电感式、钢弦式、电容式、压电式、压磁式等传感器， 易 受 雷 击 等 电 磁 干 扰 大 ， 故 障 概 率 高 。近些年，作为高速通讯线缆的光纤，利用光在光纤中的反射及干涉原理，开始开发出各种各样的光纤传感器，这里包括多种用于监测形变的传感器。采

26、用光纤传感器优点主要有：光纤应变监测技术可以进行分布式监测，可做长距离，大范围的面状监测；它对测点输入的不是电源，而是光源，因此，不受电磁干扰，稳定性好；监测精度高，可以满足工程监测要求；光纤传感器本身又是信号的传输线，可以进行远程监测，成本低；另外，光纤传感器还可以用于裂缝、渗流、孔隙压力、温度等状况进行监测。目 前 开 发 的 光 纤 传 感 器 各 种 各 样 ， 大 多 是 利 用 光 的 反 射 及 干 涉 原 理 来 测 定 某 一 段 光 的 变化 ， 利 用 光 的 某 种 变 化 量 与 应 变 、 压 力 及 温 度 等 物 理 量 之 间 的 关 系 来 推 求 物 理

27、量 值 的 变 化 。主 要 形 式 见 表 2 所 示 40：方式 面状 点状光纤监测技术 BOTDR(Brillouin Optic TimeDomain Reflectometry)BOCDA(Brillouin Optic CorrelationDomain Analysis)FBG(Fiber BraggGrating)MDM(Macro DistortionMonitor)精度 110-4-110-5 710-4 410-6 1mm测量时间 515min 不祥 高速实时高速实时测量范围/测点数 1050km/分布式1km/分布式 10km/数百点10km/数十点长度分辨率 1m 1

28、0cm 点 点温度影响 温差5 度时要考虑可不计 可不计 可不计系统造价 检测器昂贵光纤便宜检测器价格不祥检测器便宜传感器昂贵检测器便宜传感器昂贵优点长距离、分布式高空间分辨率、分布式高速高精度高速高精度传感器不受力特征缺点高速监测性能差光纤性能影响监测光纤两端测量长距离监测不可点式监测、监测距离及点数与光源强度有关点式监测、测点多时测定时间长适用工程 堤防工程、隧道工程、库岸边坡、大型露天矿边坡，不适合激烈变化的边坡工程结构物如桥梁的监测可用于激烈变化的边坡工程桥梁结构物监测由 于 光 纤 应 变 监 测 需 要 将 监 测 传 感 器 布 置 到 需 要 监 测 的 部 位 ， 对 于 一

29、 些 不 能 布 点 的 监 测部 位 ， 光 纤 应 变 监 测 无 法 使 用 。3.对 地 观 测 监 测 技 术对 地 观 测 监 测 技 术 ， 是 利 用 卫 星 或 飞 机 上 的 测 量 传 感 器 实 现 对 地 面 进 行 沉 降 或 位 移 监 测的 技 术 。 目 前 主 要 包 括 GPS 全 球 定 位 系 统 、 D-InSAR（ Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar） 差 分 干 涉 雷 达 测 量 和 机 载 激 光 三 维 扫 描 等 技 术 。3.1 GPS 监 测 技 术3.1.1 G

30、PS 观 测 技 术 的 特 点 与 监 测 应 用 领 域GPS 测 量 技 术 以 其 测 站 点 之 间 无 需 通 视 、 全 天 候 观 测 、 提 供 三 维 信 息 、 测 量 范 围 大 等 特点 ， 已 成 为 现 代 测 量 的 主 要 技 术 手 段 。GPS 可 以 提 供 点 位 基 于 全 球 坐 标 系 统 的 变 化 ， 不 受 局 部 变 形 的 影 响 ， 可 以 监 测 全 球 范 围或 区 域 范 围 内 的 地 球 板 块 的 运 动 ， 为 地 震 监 测 提 供 必 要 的 数 据 。 目 前 ， 我 国 利 用 GPS 已 建立 中 国 地 壳

31、运 动 观 测 网 络 。由 于 GPS 不 需 要 各 种 点 （ 基 准 点 、 监 测 点 ） 之 间 通 视 ， 测 量 范 围 也 不 受 限 制 ， 同 时 具 有高 速 数 据 采 样 率 ， 使 其 在 工 程 变 形 监 测 方 面 ， 具 有 独 特 测 量 优 势 。 比 如 对 于 滑 坡 体 较 大 通 视条 件 差 或 大 的 露 天 矿 边 坡 ， 很 难 找 到 通 视 的 基 准 点 ， 采 用 GPS 监 测 时 ， 基 准 点 就 可 以 选 在远 离 变 形 区 ， 而 不 是 否 通 视 。 对 于 海 上 勘 探 平 台 沉 陷 监 测 、 城 市

32、地 面 沉 陷 监 测 ， 采 用 传 统的 水 准 测 量 方 法 无 法 实 现 或 作 业 强 度 很 大 ， 采 用 GPS 可 以 降 低 劳 动 强 度 ， 而 且 可 以 直 接 利用 大 地 高 计 算 沉 陷 量 ， 使 观 测 结 果 的 精 度 不 受 损 失 。 利 用 GPS 数 据 的 高 采 样 率 ， 可 用 于 高耸 建 筑 物 的 风 振 监 测 、 桥 梁 的 振 动 监 测 ， 尤 其 是 5 公 里 以 上 特 长 桥 梁 。3.1.2 GPS 变 形 监 测 模 式GPS 用 于 变 形 监 测 的 作 业 方 式 可 分 为 周 期 性 和 连 续

33、 性 两 种 模 式 16。 当 变 形 体 的 变 形速 率 相 当 缓 慢 ， 在 局 部 时 间 域 和 空 间 域 内 可 以 认 为 稳 定 不 动 时 ， 可 利 用 GPS 进 行 周 期 性 变形 监 测 ， 监 测 频 率 视 具 体 情 况 可 为 数 月 、 一 年 或 甚 至 更 长 时 间 。 连 续 性 变 形 监 测 指 的 是 采 用固 定 监 测 仪 器 进 行 长 时 间 的 数 据 采 集 ,获 得 变 形 数 据 系 列 ,此 时 监 测 数 据 是 连 续 的 ,具 有 较高 的 时 间 分 辨 率 。周 期 性 模 式 采 用 GPS 静 态 相 对

34、 定 位 的 测 量 方 法 。 该 测 量 模 式 成 本 低 ， 一 般 监 测 采 用 该模 式 。 比 如 目 前 三 峡 库 区 滑 坡 2、 李 家 峡 水 电 站 滑 坡 3， 龙 羊 峡 水 库 近 岸 滑 坡 4等 监 测 工程 中 均 采 用 该 模 式 。连 续 性 监 测 模 式 ， 对 自 动 化 要 求 高 ， 数 据 采 集 周 期 短 的 监 测 项 目 采 用 。 对 于 卫 星 观 测条 件 好 的 监 测 工 程 ， 比 如 桥 梁 、 高 层 建 筑 物 等 的 动 态 监 测 中 ， GPS 正 逐 渐 取 代 加 速 度 计 、激 光 干 涉 仪 等

35、 动 态 监 测 设 备 。 在 香 港 青 马 大 桥 、 虎 门 大 桥 5、 深 圳 帝 王 大 厦 、 隔 河 岩 大 坝6外 观 变 形 监 测 均 采 用 该 模 式 。 该 模 式 可 实 现 24 小 时 的 连 续 观 测 ， 使 监 测 工 作 实 现 完 全 自动 化 ， 使 监 测 、 监 控 、 决 策 实 现 远 距 离 控 制 ， 建 立 无 人 值 守 的 监 测 系 统 。 由 于 该 模 式 要 求GPS 接 受 设 备 必 须 永 久 固 定 在 变 形 点 成 本 较 高 。 另 外 ， 根 据 变 形 体 的 不 同 特 征 ， GPS 连 续性 监

36、测 可 采 用 静 态 相 对 定 位 和 动 态 相 对 定 位 两 种 数 据 处 理 方 法 进 行 观 测 ， 一 般 要 求 变 形 响应 的 实 时 性 。为 解 决 限 制 连 续 性 监 测 模 式 应 用 的 高 成 本 ， 香 港 理 工 大 学 、 河 海 大 学 的 专 家 开 始 提 出 和研 究 基 于 一 机 多 天 线 的 自 动 化 监 测 技 术 7。 利 用 若 干 GPS 天 线 和 具 有 若 干 通 道 的 微 波 开 关 ，相 应 的 微 波 开 关 控 制 电 路 及 1 台 GPS 接 收 机 组 成 一 机 多 天 线 系 统 。 最 新 系

37、 统 将 控 制 电 路 板 、GPS 接 收 机 （ OEM） 板 集 成 在 工 业 控 制 计 算 机 中 。 目 前 ， 一 机 多 天 线 已 应 用 在 东 江 大 坝 监 测 、小 湾 电 站 边 坡 监 测 8等 工 程 中 。3.1.3 GPS 在 变 形 监 测 中 的 测 量 方 法根 据 监 测 对 象 及 要 求 不 同 ， GPS 在 变 形 监 测 中 可 采 用 的 测 量 方 法 分 为 静 态 测 量 法 、 快 速静 态 测 量 法 和 动 态 测 量 法 三 种 。静 态 测 量 法 是 把 多 于 3 台 GPS 接 收 机 同 时 安 置 在 各 观

38、 测 点 上 同 步 观 测 一 定 时 段 ， 一 般 为1 小 时 2 小 时 不 等 ， 构 网 用 后 处 理 软 件 解 算 基 线 ， 平 差 计 算 求 观 测 点 的 三 维 坐 标 。 静 态 测量 法 精 度 高 ， 一 般 水 平 精 度 优 于 3mm， 垂 直 精 度 优 于 5mm。 比 如 ， 隔 河 岩 大 坝 应 用 广 播 星 历1 2 小 时 观 测 资 料 解 算 监 测 点 相 对 于 基 准 点 的 水 平 精 度 优 于 1.5mm， 垂 直 精 度 优 于1.5mm； 6 小 时 资 料 解 算 水 平 精 度 优 于 1mm， 垂 直 精 度

39、优 于 1mm6。 GPS 基 准 网 ， 一 般 应 采用 静 态 测 量 方 法 ， 当 基 准 网 的 边 长 超 过 10km， 要 考 虑 基 准 网 的 起 算 点 与 国 际 IGS 站 联 测 ，基 线 向 量 解 算 时 采 用 精 密 星 历 ， 以 提 高 基 线 解 算 的 精 度 。快 速 静 态 测 量 法 ， 适 用 于 对 监 测 点 的 观 测 。 方 法 是 把 两 台 GPS 接 收 机 安 置 在 基 准 点 上固 定 不 动 连 续 观 测 ， 另 1 台 以 上 GPS 接 收 机 在 监 测 点 上 移 动 ， 每 次 观 测 5 10 分 钟 (

40、采 样间 隔 为 2 秒 )， 经 事 后 处 理 ， 解 算 出 各 监 测 点 的 三 维 坐 标 。 若 基 准 点 至 监 测 点 的 距 离 在 3公 里 范 围 之 内 ， 监 测 精 度 为 水 平 位 移 3mm 5mm， 垂 直 位 移 5mm 8mm。 若 距 离 大 于3 公 里 ， 水 平 精 度 为 5mm+1ppmD， 垂 直 精 度 为 8mm+1ppmD。 由 于 快 速 静 态 测 量 法 测 量 时间 短 ， 选 择 最 佳 观 测 时 间 段 对 保 证 观 测 精 度 至 关 重 要 。动 态 测 量 法 又 分 准 动 态 测 量 法 和 实 时 动

41、态 测 量 方 法 。准 动 态 测 量 法 ， 把 一 台 GPS 接 收 机 安 置 在 一 个 基 准 点 上 ， 另 一 台 GPS 接 收 机 先 在 另 一基 准 点 上 观 测 5 分 钟 (采 样 间 隔 为 1 秒 )， 在 保 持 对 所 测 卫 星 连 续 跟 踪 而 不 失 锁 的 情 况 下 ，在 各 监 测 点 上 停 留 2 10 秒 钟 。 经 事 后 处 理 ， 精 度 可 达 1 2cm。实 时 动 态 测 量 方 法 又 叫 RTK 方 法 ， 是 以 载 波 相 位 观 测 量 为 根 据 的 实 时 差 分 GPS 测 量 技术 。 其 原 理 是 在

42、 基 准 站 上 安 置 一 台 GPS 接 收 机 ， 对 所 有 可 见 GPS 卫 星 进 行 连 续 观 测 ， 并 将观 测 数 据 通 过 无 线 电 传 输 设 备 ， 实 时 的 发 送 给 在 各 监 测 点 上 移 动 观 测 （ 1 3 秒 钟 ） 的 GPS接 收 机 ， 移 动 GPS 接 收 机 在 接 收 GPS 信 号 同 时 ， 通 过 无 线 电 接 收 设 备 接 收 基 准 站 传 输 的 观测 数 据 ， 再 根 据 差 分 定 位 原 理 ， 实 时 计 算 出 监 测 点 三 维 坐 标 及 精 度 ， 精 度 可 达 2 5cm。如 果 距 离

43、近 ， 基 准 点 与 监 测 点 有 5 颗 以 上 共 视 GPS 卫 星 ， 精 度 可 达 1 2cm。 GPS RTK 最 快可 达 1 10Hz 速 率 输 出 定 位 结 果 ； 虎 门 大 桥 在 恶 劣 气 候 条 件 下 ， 如 大 风 大 雨 大 雾 等 进 行 测 量 ，测 量 精 度 可 达 1 厘 米 这 是 常 规 手 段 无 法 获 得 的 。 测 量 结 果 输 出 频 率 1 10Hz,实 时 动 态 三 维坐 标 ， 和 振 动 频 率 。静 态 和 动 态 各 有 优 缺 点 ， 根 据 实 际 需 要 选 择 。3.1.4 GPS 监 测 技 术 的

44、不 足GPS 在 高 山 峡 谷 、 地 下 、 建 筑 物 密 集 地 区 和 密 林 深 处 ， 由 于 卫 星 信 号 被 遮 挡 及 多 路 径效 应 的 影 响 ， 其 监 测 精 度 和 可 靠 性 不 高 或 无 法 进 行 监 测 1。 比 如 ， 在 滑 坡 体 的 变 形 监 测 中 ，监 测 点 的 位 置 通 常 是 由 地 质 人 员 根 据 滑 坡 、 断 层 的 地 质 构 造 和 受 力 情 况 而 定 ， 测 量 人 员 的 选择 余 地 不 大 ， 变 形 监 测 点 的 观 测 条 件 欠 佳 ， 视 场 狭 窄 ， 大 量 卫 星 被 山 坡 遮 挡 ，

45、 多 路 径 误 差 较为 严 重 。GPS 用 于 动 态 变 形 监 测 时 ， 由 于 GPS 动 态 测 量 的 精 度 只 能 达 到 厘 米 级 ， 而 监 测 点 在 很短 时 间 内 的 变 形 是 微 小 的 ， 表 现 为 一 种 弱 信 号 ， GPS 测 量 误 差 成 为 强 噪 声 ， 如 何 从 受 强 噪声 干 扰 的 序 列 观 测 数 据 中 提 取 微 弱 的 特 征 信 息 ， 是 GPS 动 态 监 测 应 解 决 的 一 个 关 键 技 术 问题 。GPS 与 一 般 全 站 仪 、 测 斜 仪 等 监 测 设 备 相 比 ， 设 备 成 本 较 高

46、 ， 一 般 要 3 台 以 上 GPS 接收 机 。GPS 误 差 源 多 ， 与 传 统 大 地 测 量 手 段 相 比 ， GPS 定 位 结 果 和 观 测 值 之 间 的 函 数 关 系 要 复杂 得 多 ， 误 差 源 也 要 多 得 多 。 在 GPS 定 位 中 基 准 站 与 变 形 监 测 点 之 间 的 坐 标 差 是 依 据 两 站的 载 波 相 位 观 测 值 和 卫 星 星 历 经 过 复 杂 的 计 算 后 求 得 的 ， 定 位 结 果 受 卫 星 星 历 误 差 、 卫 星 钟差 、 接 收 机 钟 差 、 对 流 层 延 迟 、 电 离 层 延 迟 、 多

47、路 径 误 差 、 接 收 机 的 测 量 噪 声 以 及 数 据 处 理软 件 本 身 的 质 量 等 多 种 因 素 的 影 响 。 在 数 据 处 理 过 程 中 还 将 涉 及 周 跳 的 探 测 及 修 复 、 整 周 模糊 度 的 确 定 等 一 系 列 问 题 。 其 中 任 一 环 节 处 理 不 好 都 将 影 响 最 终 的 监 测 精 度 。 此 外 接 收 机 天线 相 位 中 心 的 不 够 稳 定 也 是 影 响 监 测 精 度 的 一 个 重 要 原 因 。3.2 D-InSAR 监 测 技 术3.2.1 D-InSAR 在 形 变 监 测 研 究 的 进 展合

48、成 孔 径 雷 达 以 无 线 电 波 为 媒 介 的 主 动 微 波 遥 感 工 具 。 通 过 合 成 孔 径 雷 达 ， 探 测 目 标物 的 后 向 散 射 系 数 特 征 ， 通 过 双 天 线 系 统 或 重 复 轨 道 法 可 以 由 相 位 和 振 幅 观 测 值 实 现 干 涉 雷达 测 量 。 D-INSAR 利 用 同 一 地 区 的 两 幅 干 涉 图 像 ， 其 中 一 幅 是 通 过 形 变 事 件 前 的 两 幅 SAR获 取 的 干 涉 图 像 ， 另 一 幅 是 通 过 形 变 事 件 前 后 两 幅 SAR 图 像 获 取 的 干 涉 图 像 ， 然 后 通

49、 过 两幅 干 涉 图 差 分 处 理 （ 除 去 地 球 曲 面 、 地 形 起 伏 影 响 ） 来 获 取 地 表 微 量 形 变 的 测 量 技 术 ， 因 此 ，D-INSAR 可 以 用 来 研 究 地 表 面 水 平 和 垂 直 位 移 、 大 型 工 程 的 形 变 等 。合 成 孔 径 雷 达 可 以 装 在 卫 星 上 或 飞 机 实 现 对 地 的 遥 感 测 量 。 早 期 的 InSAR 系 统 主 要 是机 载 系 统 ， 由 于 机 载 系 统 的 不 稳 定 性 及 数 据 获 取 能 力 的 局 限 性 ， 一 定 程 度 上 限 制 了 InSAR技 术 的 成 长 ， 1978 年 世 界 上 第 一 颗 合 成 孔 径 雷 达 卫 星 (美 国 Seasat 卫 星 )发 射 成 功 ， 进 入90 年 代 后 ， 俄 罗 斯 的 ALMAZ-1（ 1991） 、 欧 洲 空 间 局 ERS-1（ 1991） 、 日 本 JERS-1（ 1992） 、 美 国 SIR-C（ 1992） 、 加 拿 大 RADARSAT-1（ 1995） 、