【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(shí)間:20090416 17:42熱點(diǎn):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(dòng)化的立體監(jiān)測體系。以RTS（自動(dòng)全站儀、測量機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化。以GPS（全球定位系統(tǒng)）、差分干涉合成孔徑雷達(dá)（DInSAR）技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)為代表空間對(duì)地觀測技術(shù)，正逐步得到發(fā)展和應(yīng)用。同時(shí)有線網(wǎng)絡(luò)通訊、無線移動(dòng)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(shí)時(shí)遠(yuǎn)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(duì)采集到的各種大量信息進(jìn)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(jī)器人和激光三維掃描技術(shù)。 自動(dòng)全站儀監(jiān)測技術(shù) 自動(dòng)全站儀的特點(diǎn)自動(dòng)全站儀俗稱測量機(jī)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(gè)最重要的裝置，自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)傳感裝置和提供動(dòng)力的兩個(gè)步進(jìn)馬達(dá)。目標(biāo)照準(zhǔn)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(shí)別被反射棱鏡返回的紅外光，CCD判別接受后，馬達(dá)就驅(qū)動(dòng)全站儀自動(dòng)轉(zhuǎn)向棱鏡，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確照準(zhǔn)。CCD識(shí)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(jìn)行測量?；谏鲜鎏攸c(diǎn)利用測量機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)常規(guī)監(jiān)測網(wǎng)測量的自動(dòng)化。 自動(dòng)全站儀監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成方式針對(duì)不同的監(jiān)測對(duì)象和要求，自動(dòng)全站儀可組成以下的監(jiān)測方式。移動(dòng)式監(jiān)測方式，利用短通訊電纜（1～2米）將便攜計(jì)算機(jī)與全站儀連接，由便攜機(jī)自動(dòng)控制全站儀進(jìn)行測量；或者直接將控制軟件安裝在自動(dòng)全站儀內(nèi)部，控制全站儀測量。移動(dòng)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(jī)房內(nèi)的控制計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)無人職守、全天候的連續(xù)監(jiān)測、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，該類系統(tǒng)主要包括單臺(tái)極坐標(biāo)在線模式、多臺(tái)空間前方交會(huì)在線模式、多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)模式等。單臺(tái)極坐標(biāo)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(dá)到亞毫米級(jí)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(shí)時(shí)自動(dòng)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(jìn)行了很好的應(yīng)用。空間前方交會(huì)主要采用距離空間前方交會(huì)，以三邊或多邊交會(huì)法確定監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，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(diǎn)位。采用三邊交會(huì)系統(tǒng)已應(yīng)用在五強(qiáng)溪大壩監(jiān)測中[14]。該系統(tǒng)為提高測距精度，配置計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)可自校準(zhǔn)高精度光電測距儀頻率校準(zhǔn)儀、高精度溫度計(jì)、氣壓計(jì)與濕度計(jì)。此類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)測量精度高，可達(dá)亞毫米級(jí)，但系統(tǒng)配置過于龐大，成本較高，設(shè)備利用率較低，同時(shí)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(tái)網(wǎng)絡(luò)模式是將多臺(tái)測量機(jī)器人和多臺(tái)或一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(tái)極坐標(biāo)在線模式一致。由于單臺(tái)測量機(jī)器人受通視條件和最大目標(biāo)識(shí)別距離的限制，對(duì)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(tái)測量機(jī)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(diǎn)的坐標(biāo)，然后利用基準(zhǔn)點(diǎn)和各測站坐標(biāo)對(duì)變形點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一差分處理，解算各變形點(diǎn)的坐標(biāo)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(diǎn)，可以組網(wǎng)測量，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)測量、變形點(diǎn)測量的完全自動(dòng)化，可以將控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)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(dòng)全站儀監(jiān)測技術(shù)的不足由于目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別的限制，使用范圍有限；由于采樣頻率的限制，1臺(tái)用于多點(diǎn)的高頻率的振動(dòng)測量比較困難，當(dāng)然可以采用每臺(tái)跟蹤1個(gè)點(diǎn)的方式，這樣成本較高。激光雷達(dá)LIDAR (Light Detection and Ranging)是通過發(fā)射紅外激光直接測量雷達(dá)中心到地面點(diǎn)的一項(xiàng)技術(shù)，它通過角度和距離信息，同時(shí)獲取地面點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)最大特點(diǎn)是不需要任何測量專用標(biāo)志，直接對(duì)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(tái)不同，激光掃描技術(shù)又分機(jī)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(diǎn)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集的高密度、高速度和無何作目標(biāo)測量上。，高速度體現(xiàn)在每秒可測量幾十點(diǎn)到幾千個(gè)點(diǎn)，具有很強(qiáng)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(yuǎn)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(jìn)器的測角精度、儀器的測時(shí)精度、激光信號(hào)的信噪比、激光信號(hào)的反射率、回波信號(hào)的強(qiáng)度、背景輻射噪聲的強(qiáng)度、激光脈沖接受器的靈敏度、儀器與被測點(diǎn)問的距離、儀器與被測目標(biāo)面所形成的角度等等[18]。一般中遠(yuǎn)程三維激光掃描儀的單點(diǎn)測量精度在幾毫米到數(shù)厘米之間，模型的精度要遠(yuǎn)高于單點(diǎn)精度，可達(dá)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(hào)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(diǎn)/秒ILRIS36DOptech1500m360186。360186。模型化精度：177。3mm2000點(diǎn)/秒Cyrax2500Leica100m40186。40186。模型化精度：177。2mm1000點(diǎn)/秒HDS3000Leica100m360186。270186。單點(diǎn)精度：177。4mm/50m1800點(diǎn)/秒HDS4500Leica360186。310186。單點(diǎn)精度：177。3mm+160ppm50萬點(diǎn)/秒LMSZ210iRiegl400m360186。801