【正文】 自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)技術(shù) 自動(dòng)全站儀俗稱(chēng)測(cè)量機(jī)器人（Robotic Total Station System），自20世紀(jì)九十年代面世以來(lái)，已在眾多自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工程、高精度控制測(cè)量中廣泛使用。 針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象和要求，自動(dòng)全站儀可組成以下的監(jiān)測(cè)方式。 移動(dòng)式監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量。移動(dòng)式監(jiān)測(cè)方式成本低，已應(yīng)用在上海磁懸浮工程、南水電站大壩監(jiān)測(cè)等工程的外部變形監(jiān)測(cè)中。 固定式持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將全站儀長(zhǎng)期固定在測(cè)站上，如在野外需在測(cè)站上建立監(jiān)測(cè)房，通過(guò)供電通信系統(tǒng)，與控制機(jī)房?jī)?nèi)的控制計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守、全天候的連續(xù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，該類(lèi)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(cè)方式，配置簡(jiǎn)單，設(shè)備利用率高，但監(jiān)測(cè)范圍較小，無(wú)法組網(wǎng)測(cè)量，要達(dá)到亞毫米級(jí)精度必須采取合理的測(cè)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(cè)的變形體的測(cè)量。目前該模式已在新疆三屯河水庫(kù)大壩、港口灣水庫(kù)大壩、明珠線二期南浦大橋、小浪底大壩、廣州地鐵等進(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(cè)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(zhǎng)，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(cè)中。 多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)模式是將多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人和多臺(tái)或一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、通訊供電電纜連接起來(lái)，組成監(jiān)測(cè)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。 激光雷達(dá)LIDAR (Light Detection and Ranging)是通過(guò)發(fā)射紅外激光直接測(cè)量雷達(dá)中心到地面點(diǎn)的一項(xiàng)技術(shù)。同樣使用極坐標(biāo)測(cè)量原理，該儀器與全站儀最大的不同，是應(yīng)用無(wú)合作目標(biāo)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)從全站儀點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的躍升，能夠快速獲取被測(cè)物高密度的三維數(shù)據(jù)，所以又稱(chēng)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、車(chē)載、站載三維激光掃描，其中車(chē)載型和站載型屬于地面三維激光掃描。 影響三維激光掃描儀測(cè)量精度的因素較多，主要包括：步進(jìn)器的測(cè)角精度、儀器的測(cè)時(shí)精度、激光信號(hào)的信噪比、反射率、回波信號(hào)的強(qiáng)度、背景噪聲的強(qiáng)度、激光脈沖接受器的靈敏度、被測(cè)點(diǎn)的距離、儀器與被測(cè)目標(biāo)面所形成的角度等等。一般中遠(yuǎn)程三維激光掃描儀的單點(diǎn)測(cè)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。 三維激光掃描系統(tǒng)的速度快，不需接觸目標(biāo)，精度高，信息豐富（不僅獲取空間信息，還獲取灰度信息和真彩色紋理）、自動(dòng)化程度高、3mm的面型測(cè)量精度等特點(diǎn)，這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)決定在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。已開(kāi)始在橋梁、文物、滑坡體、泥石流、火山等領(lǐng)域快速面監(jiān)測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用。 但由于激光掃描系統(tǒng)得到的是海量數(shù)據(jù)，一個(gè)目標(biāo)多幅距離影像，以及點(diǎn)云的散亂性、沒(méi)有實(shí)體特征參數(shù)等，直接利用三維激光掃描數(shù)據(jù)比較困難。針對(duì)三維激光掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測(cè)概念，研究與三維激光掃描儀相適應(yīng)的變形監(jiān)測(cè)理論及數(shù)據(jù)處理方法，主要考慮以下問(wèn)題： （1）現(xiàn)有的基于變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)模式不適用于基于三維激光掃描儀的變形監(jiān)測(cè)，必須摒棄變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，探討無(wú)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)對(duì)象測(cè)量方法。考慮采用監(jiān)測(cè)對(duì)象自身的特征點(diǎn)或人工投射的特征信息來(lái)替代變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的作用。 （2）要研究監(jiān)測(cè)對(duì)象三維模型的建立和模型的匹配。三維激光掃描儀的采樣數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云和同步采集的紋理信息，利用點(diǎn)云信息能夠很快構(gòu)建監(jiān)測(cè)對(duì)象的三維數(shù)據(jù)模型，再加上紋理信息，就能建立研究對(duì)象的仿真模型。通過(guò)兩次模型對(duì)比即模型求差來(lái)獲取變形量。 （3）基于三維監(jiān)測(cè)對(duì)象模型的變形分析理論及方法研究。變形監(jiān)測(cè)的最終結(jié)果是要進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力及應(yīng)變分析，這里的分析是基于整體監(jiān)測(cè)對(duì)象模型的，和傳統(tǒng)的基于變形點(diǎn)的以點(diǎn)代面的分析方式存在較大差異，所以，有必要對(duì)基于三維監(jiān)測(cè)對(duì)象模型的變形分析理論及方法進(jìn)行相應(yīng)研究。 地下觀測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要指監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)體及巖土內(nèi)部變形的技術(shù)。常用的內(nèi)部位移觀測(cè)儀器有位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)、測(cè)斜儀、沉降儀、垂線坐標(biāo)儀、引張線、多點(diǎn)變位計(jì)和應(yīng)變計(jì)等。傳統(tǒng)的位移計(jì)、變位計(jì)和應(yīng)變計(jì)等點(diǎn)式監(jiān)測(cè)手段，通常采用電阻式、電感式、鋼弦式、電容式、壓電式、壓磁式等傳感器，易受雷擊等電磁干擾大，故障概率高。 近些年，作為高速通訊線纜的光纖，利用光在光纖中的反射及干涉原理，開(kāi)始開(kāi)發(fā)出各種各樣的光纖傳感器，這里包括多種用于監(jiān)測(cè)形變的傳感器。采用光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)主要有：光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)可以進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，可做長(zhǎng)距離，大范圍的面狀監(jiān)測(cè)；它對(duì)測(cè)點(diǎn)輸入的不是電源，而是光源，因此，不受電磁干擾，穩(wěn)定性好；監(jiān)測(cè)精度高，可以滿足工程監(jiān)測(cè)要求；光纖傳感器本身又是信號(hào)的傳輸線，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。 目前開(kāi)發(fā)的光纖傳感器各種各樣，大多是利用光的反射及干涉原理來(lái)測(cè)定某一段光的變化，利用光的某種變化量與應(yīng)變、壓力及溫度等物理量之間的關(guān)系來(lái)推求物理量值的變化。由于光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)需要將監(jiān)測(cè)傳感器布置到需要監(jiān)測(cè)的部位，對(duì)于一些不能布點(diǎn)的監(jiān)測(cè)部位，光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)無(wú)法使用。 空間對(duì)地觀測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)，是利用衛(wèi)星或飛機(jī)上的測(cè)量傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)地面進(jìn)行沉降或位移監(jiān)測(cè)的技術(shù)。目前主要包括GPS全球定位系統(tǒng)、DInSAR（Differential－Interferometric Synthetic Aperture Radar）差分干涉雷達(dá)測(cè)量和機(jī)載激光三維掃描等技術(shù)。 GPS監(jiān)測(cè)技術(shù) GPS測(cè)量技術(shù)以其測(cè)站點(diǎn)之間無(wú)需通視、全天候觀測(cè)、提供三維信息、測(cè)量范圍大等特點(diǎn)，已成為現(xiàn)代測(cè)量的主要技術(shù)手段。 GPS可以提供點(diǎn)位基于全球坐標(biāo)系統(tǒng)的變化，不受局部變形的影響，可以監(jiān)測(cè)全球范圍或區(qū)域范圍內(nèi)的地球板塊的運(yùn)動(dòng)，為地震監(jiān)測(cè)提供必要的數(shù)據(jù)。目前，我國(guó)利用GPS已建立中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。 由于GPS不需要各種點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)）之間通視，測(cè)量范圍也不受限制，同時(shí)具有高速數(shù)據(jù)采樣率，使其在工程變形監(jiān)測(cè)方面，具有獨(dú)特測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。比如對(duì)于滑坡體較大通視條件差或大的露天礦邊坡，很難找到通視的基準(zhǔn)點(diǎn)，采用GPS監(jiān)測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)就可以選在遠(yuǎn)離變形區(qū)，而不論是否通視。對(duì)于海上勘探平臺(tái)沉陷監(jiān)測(cè)、城市地面沉陷監(jiān)測(cè)，采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)或作業(yè)強(qiáng)度很大，采用GPS可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以直接利用大地高計(jì)算沉陷量，使觀測(cè)結(jié)果的精度不受損失。利用GPS數(shù)據(jù)的高采樣率，可用于高聳建筑物的風(fēng)振監(jiān)測(cè)、橋梁的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，尤其是5公里以上特長(zhǎng)橋梁。 GPS在高山峽谷、地下、建筑物密集地區(qū)和密林深處，由于衛(wèi)星信號(hào)被遮擋及多路徑效應(yīng)的影響，其監(jiān)測(cè)精度和可靠性不高或無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。比如，在滑坡體的變形監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置通常是由地質(zhì)人員根據(jù)滑坡、斷層的地質(zhì)構(gòu)造和受力情況而定，測(cè)量人員的選擇余地不大，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)條件欠佳，視場(chǎng)狹窄，大量衛(wèi)星被山坡遮擋，多路徑誤差較為嚴(yán)重。 DInSAR監(jiān)測(cè)技術(shù) 合成孔徑雷達(dá)以無(wú)線電波為媒介的主動(dòng)微波遙感工具。通過(guò)合成孔徑雷達(dá)，探測(cè)目標(biāo)物的后向散射系數(shù)特征，通過(guò)雙天線系統(tǒng)或重復(fù)軌道法可以由相位和振幅觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)干涉雷達(dá)測(cè)量。DINSAR利用同一地區(qū)的兩幅干涉圖像，其中一幅是通過(guò)形變事件前的兩幅SAR獲取的干涉圖像，另一幅是通過(guò)形變事件前后兩幅SAR圖像獲取的干涉圖像，然后通過(guò)兩幅干涉圖差分處理（除去地球曲面、地形起伏影響）來(lái)獲取地表微量形變的測(cè)量技術(shù)，因此，DINSAR可以用來(lái)研究地表面水平和垂直位移、大型工程的形變等。 采用DINSAR技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)研究，最早于1989年，Grabriel等首次論證了DInSAR技術(shù)探測(cè)厘米級(jí)的地表形變，并用Seasat L波段SAR測(cè)量美國(guó)加利福尼亞州東南部的Imperial Valley灌溉區(qū)的地表形變 早期InSAR研究主要集中在形變比較明顯的地震、火山活動(dòng)的監(jiān)測(cè)研究，隨著技術(shù)的不斷成熟和研究的深入，研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移至地面沉降、山體滑坡等細(xì)微持續(xù)的地表位移，國(guó)外在20世紀(jì)90年代末開(kāi)展了大量的研究，與GPS及水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為用ERS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)地面沉降變化可以達(dá)到10mm的精度。在國(guó)內(nèi)，近幾年也加快在DInSAR技術(shù)方面的研究，先后對(duì)蘇州地區(qū)的地表沉降、香港赤臘角機(jī)場(chǎng)沉降、長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)的地形變及滑坡監(jiān)測(cè)等進(jìn)行應(yīng)用研究，取得了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 DInSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候、無(wú)接觸、低成本等特點(diǎn)，可以在大面積范圍內(nèi)（100km100km）監(jiān)測(cè)地面的微小形變，不需要測(cè)量人員進(jìn)入災(zāi)害地區(qū)，而且DInSAR一幅圖像就可以提供控制空間分辨率達(dá)5m20m的1萬(wàn)平方公里的地表形變數(shù)據(jù)，具有其它大地測(cè)量方法所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。 但I(xiàn)nSAR數(shù)據(jù)質(zhì)量要受到多種因素的影響，SAR衛(wèi)星軌道誤差、大氣層延遲誤差、系統(tǒng)熱噪聲引起的熱失相關(guān)、多普勒質(zhì)心引起的失相關(guān)、空間基線過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短引起的基線失相關(guān)、地面散射引起的失相關(guān)、兩次飛行不平行引起的旋轉(zhuǎn)失相關(guān)、兩次飛行期間氣候和地面等環(huán)境因素發(fā)生變化引起的時(shí)間失相關(guān)以及數(shù)據(jù)處理過(guò)程引起的噪聲等多種因素影響，造成了InSAR技術(shù)應(yīng)用中的許多實(shí)際困難，而且精度也受到一定的限制。另外，InSAR衛(wèi)星具有固有的運(yùn)行周期，不能滿足時(shí)間域上的高分辨率，不適合高動(dòng)態(tài)的形變監(jiān)測(cè)。 DInSAR作為最重要的對(duì)地觀測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)范圍大且屬于面監(jiān)測(cè)，將會(huì)逐步成為大區(qū)域地面形變監(jiān)測(cè)的重要手段。 LIDAR技術(shù)的應(yīng)用 飛機(jī)搭載型簡(jiǎn)稱(chēng)為機(jī)載型，飛機(jī)以小型飛機(jī)或直升機(jī)搭載為主。機(jī)載的激光掃描測(cè)量，一般與GPS、陀螺、慣性測(cè)量系統(tǒng)(IMU)、大面陣數(shù)碼相機(jī)(DC)結(jié)合，可以在很短時(shí)間內(nèi)獲取適合GIS使用標(biāo)準(zhǔn)的大范圍的、詳細(xì)的、三維地形數(shù)據(jù)。在精度上，Z方向的精度優(yōu)于XY方向，最好可達(dá)1015cm，XY方向上的精度為15cm1m。機(jī)載型的三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量范圍大，速度快，但精度較差，價(jià)格昂貴，推廣還有相當(dāng)難度。 隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，GIS已不單是簡(jiǎn)單的地圖工具，它通過(guò)科學(xué)的手段將現(xiàn)實(shí)空間世界轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，通過(guò)這些數(shù)學(xué)模型的分析計(jì)算并結(jié)合各專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)造性分析來(lái)解決問(wèn)題。基于GIS的變形分析與預(yù)報(bào)專(zhuān)家系統(tǒng)，開(kāi)始成為熱門(mén)的研究。利用GIS工具進(jìn)行變形分析的關(guān)鍵，要在GIS系統(tǒng)中解決四維時(shí)空的問(wèn)題，利用GIS進(jìn)行變形分析主要利用統(tǒng)計(jì)方法分析變形與各影響因素之間的關(guān)系，利用GIS的疊加功能等得到變形災(zāi)害圖，結(jié)合基于GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的力學(xué)模型，進(jìn)行變形的分析與預(yù)報(bào)。GIS就是將與變形有關(guān)的眾多的內(nèi)因和外因，所有數(shù)據(jù)都抽象為GIS的向量層或者柵格數(shù)據(jù)層，然后利用力學(xué)參數(shù)模型進(jìn)行災(zāi)害評(píng)估和分析。 另外，GIS可以把大壩、滑坡體及其周?chē)貐^(qū)的地形、地貌、地物、變形測(cè)量點(diǎn)等信息放置到電子地形圖上。通過(guò)圖形與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的連接和多期變形測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)性計(jì)算與變形趨勢(shì)圖的制作，建立可視化的變形測(cè)量查詢(xún)、分析、管理信息系統(tǒng)，將更加有利于變形測(cè)量分析與管理?；赪ebGIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)災(zāi)害信息的發(fā)布與查詢(xún)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線電通訊技術(shù)、空間技術(shù)及地球科學(xué)的迅速發(fā)展，RTS、GPS、RS、內(nèi)觀傳感器及GIS技術(shù)已從各自獨(dú)立發(fā)展進(jìn)人相互集成融合的階段。在大范圍的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面，逐漸形成大時(shí)間尺度以遙感（RS）為主，配合中長(zhǎng)距離的GPS監(jiān)測(cè)，小時(shí)間尺度的監(jiān)測(cè)主要以實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段為主，形成從天上到地面，從面到點(diǎn)的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)集成為分析和研究各種災(zāi)變信息之間的相互關(guān)系提供技術(shù)支撐。 因此，現(xiàn)代工程變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，綜合體現(xiàn)在數(shù)據(jù)獲取的高精度、自動(dòng)化，監(jiān)測(cè)設(shè)備多層次的集優(yōu)化，變形數(shù)據(jù)分析的專(zhuān)業(yè)化、信息化，監(jiān)測(cè)信息共享的網(wǎng)絡(luò)化。29