建筑工程論文-現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與展望(已修改)
2025-01-30 15:43 本頁面
【正文】 現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與展望作者:衛(wèi)建東 來源:測繪科學(xué)2007年第6期發(fā)表時間:20090416 17:42熱點:399 現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與展望衛(wèi)建東（信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州450052）隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變形監(jiān)測的技術(shù)手段，逐漸形成多層次、多視角、多技術(shù)、自動化的立體監(jiān)測體系。以RTS（自動全站儀、測量機器人）為代表現(xiàn)代測量技術(shù)，逐步取代以經(jīng)緯儀、全站儀為代表的常規(guī)測量技術(shù)，成為主要的地面監(jiān)測技術(shù)手段。以測斜儀、分層沉降儀、光纖傳感器等為代表的地下觀測監(jiān)測技術(shù)，已實現(xiàn)數(shù)字化、自動化。以GPS（全球定位系統(tǒng)）、差分干涉合成孔徑雷達（DInSAR）技術(shù)和機載激光雷達技術(shù)為代表空間對地觀測技術(shù)，正逐步得到發(fā)展和應(yīng)用。同時有線網(wǎng)絡(luò)通訊、無線移動通訊、衛(wèi)星通訊等多種通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為工程變形監(jiān)測信息的實時遠程傳輸提供可靠的通訊保障。在監(jiān)測分析方面，利用GIS的數(shù)據(jù)管理與分析功能而開發(fā)的專家系統(tǒng)對采集到的各種大量信息進行有效快速分析與處理。在地面上設(shè)站，測量變形體的變化，通稱地面觀測監(jiān)測技術(shù)。主要以經(jīng)緯儀、全站儀、引張線、激光掃描儀、攝影測量等技術(shù)為主。目前地面觀測技術(shù)的主要發(fā)展為、測量機器人和激光三維掃描技術(shù)。 自動全站儀監(jiān)測技術(shù) 自動全站儀的特點自動全站儀俗稱測量機器人（Robotic Total Station System），里面除了一般電子全站儀的電子電路、光學(xué)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以外，還有兩個最重要的裝置，自動目標照準傳感裝置和提供動力的兩個步進馬達。目標照準傳感裝置，一般采用內(nèi)置在全站儀中的CCD陣列傳感器，該傳感器可以識別被反射棱鏡返回的紅外光，CCD判別接受后，馬達就驅(qū)動全站儀自動轉(zhuǎn)向棱鏡，并實現(xiàn)自動精確照準。CCD識別的是不可見紅外光，它能夠在夜間、霧天甚至雨天（保證鏡面無雨水）進行測量?；谏鲜鎏攸c利用測量機器人可實現(xiàn)常規(guī)監(jiān)測網(wǎng)測量的自動化。 自動全站儀監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成方式針對不同的監(jiān)測對象和要求，自動全站儀可組成以下的監(jiān)測方式。移動式監(jiān)測方式，利用短通訊電纜（1～2米）將便攜計算機與全站儀連接，由便攜機自動控制全站儀進行測量；或者直接將控制軟件安裝在自動全站儀內(nèi)部，控制全站儀測量。移動式監(jiān)測方式成本低，已應(yīng)用在上海磁懸浮工程、深基坑監(jiān)測工程、南水電站大壩監(jiān)測[9]等工程的外部變形監(jiān)測中。固定式持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)是將全站儀長期固定在測站上，如在野外需在測站上建立監(jiān)測房，通過供電通信系統(tǒng)，與控制機房內(nèi)的控制計算機相連，實現(xiàn)無人職守、全天候的連續(xù)監(jiān)測、自動數(shù)據(jù)處理、自動報警、遠程監(jiān)控等，該類系統(tǒng)主要包括單臺極坐標在線模式、多臺空間前方交會在線模式、多臺網(wǎng)絡(luò)模式等。單臺極坐標持續(xù)監(jiān)測方式，配置簡單，設(shè)備利用率高，但監(jiān)測范圍較小，無法組網(wǎng)測量，要達到亞毫米級精度必須采取合理的測量方案和數(shù)據(jù)處理方法。特別適用于小區(qū)域(約1km2內(nèi))，需實時自動化監(jiān)測的變形體的測量。目前該模式已在新疆三屯河水庫大壩[10]、港口灣水庫大壩、明珠線二期南浦大橋、小浪底大壩[12]、廣州地鐵[13]等進行了很好的應(yīng)用?？臻g前方交會主要采用距離空間前方交會，以三邊或多邊交會法確定監(jiān)測點的三維坐標，采用此模式的主要意圖是利用高精度的邊長，獲取高精度的點位。采用三邊交會系統(tǒng)已應(yīng)用在五強溪大壩監(jiān)測中[14]。該系統(tǒng)為提高測距精度，配置計算機控制的自動可自校準高精度光電測距儀頻率校準儀、高精度溫度計、氣壓計與濕度計。此類系統(tǒng)的優(yōu)點測量精度高，可達亞毫米級，但系統(tǒng)配置過于龐大，成本較高，設(shè)備利用率較低，同時由于受幾何圖形結(jié)構(gòu)限制，較平坦的地面監(jiān)測不宜采用。多臺網(wǎng)絡(luò)模式是將多臺測量機器人和多臺或一臺計算機通過網(wǎng)絡(luò)、通訊供電電纜連接起來，組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其主要技術(shù)手段、管理方式和單臺極坐標在線模式一致。由于單臺測量機器人受通視條件和最大目標識別距離的限制，對于變形區(qū)域較大、通視條件較差、測量環(huán)境狹窄（如地鐵隧道）等，需利用多臺測量機器人組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過組網(wǎng)解算各測站點的坐標，然后利用基準點和各測站坐標對變形點觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一差分處理，解算各變形點的坐標及變形量。該類系統(tǒng)已在廣州地鐵得到應(yīng)用[15]。該類系統(tǒng)的優(yōu)點，可以組網(wǎng)測量，實現(xiàn)控制網(wǎng)測量、變形點測量的完全自動化，可以將控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)自動進行聯(lián)合處理，不需要人工干預(yù)，非常適合較大區(qū)域內(nèi)，尤其是地鐵結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測。 自動全站儀監(jiān)測技術(shù)的不足由于目標自動識別的限制，使用范圍有限；由于采樣頻率的限制，1臺用于多點的高頻率的振動測量比較困難，當然可以采用每臺跟蹤1個點的方式，這樣成本較高。激光雷達LIDAR (Light Detection and Ranging)是通過發(fā)射紅外激光直接測量雷達中心到地面點的一項技術(shù)，它通過角度和距離信息，同時獲取地面點的三維數(shù)據(jù)。激光雷達最大特點是不需要任何測量專用標志，直接對地面測量，能夠快速獲取地形高密度的三維數(shù)據(jù)，所以又稱三維激光掃描技術(shù)。根據(jù)承載平臺不同，激光掃描技術(shù)又分機載三維激光掃描、車載三維激光掃描、站載三維激光掃描，其中的車載型和站載型屬于地面三維激光掃描。三維激光掃描儀的主要特點體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集的高密度、高速度和無何作目標測量上。，高速度體現(xiàn)在每秒可測量幾十點到幾千個點，具有很強的數(shù)字空間模型信息的獲取能力。地面三維激光掃描儀在測量范圍上，根據(jù)儀器種類不同，從幾米到4公里以上。10m以內(nèi)測程為超短程，10m100m為短程，100m300m為中程，300m以上為遠程三維激光掃描系統(tǒng)。影響三維激光掃描儀測量精度的因素較多，主要包括：步進器的測角精度、儀器的測時精度、激光信號的信噪比、激光信號的反射率、回波信號的強度、背景輻射噪聲的強度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測點問的距離、儀器與被測目標面所形成的角度等等[18]。一般中遠程三維激光掃描儀的單點測量精度在幾毫米到數(shù)厘米之間，模型的精度要遠高于單點精度，可達2－3mm。目前常見的地面三維激光掃描儀及主要技術(shù)參數(shù)見表1所示[17]。型號廠家最大范圍掃描視場測量精度測量速度ILRIS3DOptech1500m40186。40186。模型化精度：177。3mm2000點/秒ILRIS36DOptech1500m360186。360186。模型化精度：177。3mm2000點/秒Cyrax2500Leica100m40186。40186。模型化精度：177。2mm1000點/秒HDS3000Leica100m360186。270186。單點精度：177。4mm/50m1800點/秒HDS4500Leica360186。310186。單點精度：177。3mm+160ppm50萬點/秒LMSZ210iRiegl400m360186。801
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