【正文】 自動全站儀監(jiān)測技術 自動全站儀俗稱測量機器人（Robotic Total Station System），自20世紀九十年代面世以來，已在眾多自動化監(jiān)測工程、高精度控制測量中廣泛使用。 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部，控制全站儀測量。移動式監(jiān)測方式成本低，已應用在上海磁懸浮工程、南水電站大壩監(jiān)測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、自動數據處理、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、多臺網絡模式等。 單臺極坐標持續(xù)監(jiān)測方式，配置簡單，設備利用率高，但監(jiān)測范圍較小，無法組網測量，要達到亞毫米級精度必須采取合理的測量方案和數據處理方法。特別適用于小區(qū)域(約1km2內)，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、港口灣水庫大壩、明珠線二期南浦大橋、小浪底大壩、廣州地鐵等進行了很好的應用。 空間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)已應用在五強溪大壩監(jiān)測中。 多臺網絡模式是將多臺測量機器人和多臺或一臺計算機通過網絡、通訊供電電纜連接起來，組成監(jiān)測網絡系統(tǒng)。其主要技術手段、管理方式和單臺極坐標在線模式一致。 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。同樣使用極坐標測量原理，該儀器與全站儀最大的不同，是應用無合作目標測量方式實現(xiàn)從全站儀點測量到面測量的躍升，能夠快速獲取被測物高密度的三維數據，所以又稱三維激光掃描技術。根據承載平臺不同，激光掃描技術又分機載、車載、站載三維激光掃描，其中車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、反射率、回波信號的強度、背景噪聲的強度、激光脈沖接受器的靈敏度、被測點的距離、儀器與被測目標面所形成的角度等等。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厘米之間，模型的精度要遠高于單點精度，可達2—3mm。 三維激光掃描系統(tǒng)的速度快，不需接觸目標，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）、自動化程度高、3mm的面型測量精度等特點，這些技術優(yōu)勢決定在變形監(jiān)測領域將有著廣闊的應用前景。已開始在橋梁、文物、滑坡體、泥石流、火山等領域快速面監(jiān)測中進行應用。 但由于激光掃描系統(tǒng)得到的是海量數據，一個目標多幅距離影像，以及點云的散亂性、沒有實體特征參數等，直接利用三維激光掃描數據比較困難。針對三維激光掃描技術的整體變形監(jiān)測概念，研究與三維激光掃描儀相適應的變形監(jiān)測理論及數據處理方法，主要考慮以下問題： （1）現(xiàn)有的基于變形監(jiān)測點的變形監(jiān)測模式不適用于基于三維激光掃描儀的變形監(jiān)測，必須摒棄變形監(jiān)測點，探討無變形監(jiān)測點的監(jiān)測對象測量方法?？紤]采用監(jiān)測對象自身的特征點或人工投射的特征信息來替代變形監(jiān)測點的作用。 （2）要研究監(jiān)測對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據包括監(jiān)測對象的三維點云和同步采集的紋理信息，利用點云信息能夠很快構建監(jiān)測對象的三維數據模型，再加上紋理信息，就能建立研究對象的仿真模型。通過兩次模型對比即模型求差來獲取變形量。 （3）基于三維監(jiān)測對象模型的變形分析理論及方法研究。變形監(jiān)測的最終結果是要進行相應的應力及應變分析，這里的分析是基于整體監(jiān)測對象模型的，和傳統(tǒng)的基于變形點的以點代面的分析方式存在較大差異，所以，有必要對基于三維監(jiān)測對象模型的變形分析理論及方法進行相應研究。 地下觀測監(jiān)測技術主要指監(jiān)測結構體及巖土內部變形的技術。常用的內部位移觀測儀器有位移計、測縫計、測斜儀、沉降儀、垂線坐標儀、引張線、多點變位計和應變計等。傳統(tǒng)的位移計、變位計和應變計等點式監(jiān)測手段，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，開始開發(fā)出各種各樣的光纖傳感器，這里包括多種用于監(jiān)測形變的傳感器。采用光纖傳感器優(yōu)點主要有：光纖應變監(jiān)測技術可以進行分布式監(jiān)測，可做長距離，大范圍的面狀監(jiān)測；它對測點輸入的不是電源，而是光源，因此，不受電磁干擾，穩(wěn)定性好；監(jiān)測精度高，可以滿足工程監(jiān)測要求；光纖傳感器本身又是信號的傳輸線，可以進行遠程監(jiān)測。 目前開發(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測定某一段光的變化，利用光的某種變化量與應變、壓力及溫度等物理量之間的關系來推求物理量值的變化。由于光纖應變監(jiān)測需要將監(jiān)測傳感器布置到需要監(jiān)測的部位，對于一些不能布點的監(jiān)測部位，光纖應變監(jiān)測無法使用。 空間對地觀測監(jiān)測技術，是利用衛(wèi)星或飛機上的測量傳感器實現(xiàn)對地面進行沉降或位移監(jiān)測的技術。目前主要包括GPS全球定位系統(tǒng)、DInSAR（Differential－Interferometric Synthetic Aperture Radar）差分干涉雷達測量和機載激光三維掃描等技術。 GPS監(jiān)測技術 GPS測量技術以其測站點之間無需通視、全天候觀測、提供三維信息、測量范圍大等特點，已成為現(xiàn)代測量的主要技術手段。 GPS可以提供點位基于全球坐標系統(tǒng)的變化，不受局部變形的影響，可以監(jiān)測全球范圍或區(qū)域范圍內的地球板塊的運動，為地震監(jiān)測提供必要的數據。目前，我國利用GPS已建立中國地殼運動觀測網絡。 由于GPS不需要各種點（基準點、監(jiān)測點）之間通視，測量范圍也不受限制，同時具有高速數據采樣率，使其在工程變形監(jiān)測方面，具有獨特測量優(yōu)勢。比如對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點，采用GPS監(jiān)測時，基準點就可以選在遠離變形區(qū)，而不論是否通視。對于海上勘探平臺沉陷監(jiān)測、城市地面沉陷監(jiān)測，采用傳統(tǒng)的水準測量方法無法實現(xiàn)或作業(yè)強度很大，采用GPS可以降低勞動強度，而且可以直接利用大地高計算沉陷量，使觀測結果的精度不受損失。利用GPS數據的高采樣率，可用于高聳建筑物的風振監(jiān)測、橋梁的振動監(jiān)測，尤其是5公里以上特長橋梁。 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)星信號被遮擋及多路徑效應的影響，其監(jiān)測精度和可靠性不高或無法進行監(jiān)測。比如，在滑坡體的變形監(jiān)測中，監(jiān)測點的位置通常是由地質人員根據滑坡、斷層的地質構造和受力情況而定，測量人員的選擇余地不大，變形監(jiān)測點的觀測條件欠佳，視場狹窄，大量衛(wèi)星被山坡遮擋，多路徑誤差較為嚴重。 DInSAR監(jiān)測技術 合成孔徑雷達以無線電波為媒介的主動微波遙感工具。通過合成孔徑雷達，探測目標物的后向散射系數特征，通過雙天線系統(tǒng)或重復軌道法可以由相位和振幅觀測值實現(xiàn)干涉雷達測量。DINSAR利用同一地區(qū)的兩幅干涉圖像，其中一幅是通過形變事件前的兩幅SAR獲取的干涉圖像，另一幅是通過形變事件前后兩幅SAR圖像獲取的干涉圖像，然后通過兩幅干涉圖差分處理（除去地球曲面、地形起伏影響）來獲取地表微量形變的測量技術，因此，DINSAR可以用來研究地表面水平和垂直位移、大型工程的形變等。 采用DINSAR技術用于變形監(jiān)測研究，最早于1989年，Grabriel等首次論證了DInSAR技術探測厘米級的地表形變，并用Seasat L波段SAR測量美國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、火山活動的監(jiān)測研究，隨著技術的不斷成熟和研究的深入，研究重點逐漸轉移至地面沉降、山體滑坡等細微持續(xù)的地表位移，國外在20世紀90年代末開展了大量的研究，與GPS及水準測量進行了對比分析，認為用ERS數據監(jiān)測地面沉降變化可以達到10mm的精度。在國內，近幾年也加快在DInSAR技術方面的研究，先后對蘇州地區(qū)的地表沉降、香港赤臘角機場沉降、長江三峽庫區(qū)的地形變及滑坡監(jiān)測等進行應用研究，取得了很多寶貴的經驗。 DInSAR監(jiān)測技術具有全天候、無接觸、低成本等特點，可以在大面積范圍內（100km100km）監(jiān)測地面的微小形變，不需要測量人員進入災害地區(qū)，而且DInSAR一幅圖像就可以提供控制空間分辨率達5m20m的1萬平方公里的地表形變數據，具有其它大地測量方法所不能比擬的優(yōu)勢。 但InSAR數據質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、多普勒質心引起的失相關、空間基線過長或過短引起的基線失相關、地面散射引起的失相關、兩次飛行不平行引起的旋轉失相關、兩次飛行期間氣候和地面等環(huán)境因素發(fā)生變化引起的時間失相關以及數據處理過程引起的噪聲等多種因素影響，造成了InSAR技術應用中的許多實際困難，而且精度也受到一定的限制。另外，InSAR衛(wèi)星具有固有的運行周期，不能滿足時間域上的高分辨率，不適合高動態(tài)的形變監(jiān)測。 DInSAR作為最重要的對地觀測監(jiān)測技術，監(jiān)測范圍大且屬于面監(jiān)測，將會逐步成為大區(qū)域地面形變監(jiān)測的重要手段。 LIDAR技術的應用 飛機搭載型簡稱為機載型，飛機以小型飛機或直升機搭載為主。機載的激光掃描測量，一般與GPS、陀螺、慣性測量系統(tǒng)(IMU)、大面陣數碼相機(DC)結合，可以在很短時間內獲取適合GIS使用標準的大范圍的、詳細的、三維地形數據。在精度上，Z方向的精度優(yōu)于XY方向，最好可達1015cm，XY方向上的精度為15cm1m。機載型的三維激光掃描系統(tǒng)測量范圍大，速度快，但精度較差，價格昂貴，推廣還有相當難度。 隨著GIS技術的發(fā)展，GIS已不單是簡單的地圖工具，它通過科學的手段將現(xiàn)實空間世界轉化為數學模型，通過這些數學模型的分析計算并結合各專業(yè)知識進行創(chuàng)造性分析來解決問題。基于GIS的變形分析與預報專家系統(tǒng)，開始成為熱門的研究。利用GIS工具進行變形分析的關鍵，要在GIS系統(tǒng)中解決四維時空的問題，利用GIS進行變形分析主要利用統(tǒng)計方法分析變形與各影響因素之間的關系，利用GIS的疊加功能等得到變形災害圖，結合基于GIS數據庫的力學模型，進行變形的分析與預報。GIS就是將與變形有關的眾多的內因和外因，所有數據都抽象為GIS的向量層或者柵格數據層，然后利用力學參數模型進行災害評估和分析。 另外，GIS可以把大壩、滑坡體及其周圍地區(qū)的地形、地貌、地物、變形測量點等信息放置到電子地形圖上。通過圖形與屬性數據庫的連接和多期變形測量結果趨勢性計算與變形趨勢圖的制作，建立可視化的變形測量查詢、分析、管理信息系統(tǒng)，將更加有利于變形測量分析與管理?；赪ebGIS平臺開發(fā)實時監(jiān)測預報系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全國范圍內災害信息的發(fā)布與查詢。 隨著計算機技術、無線電通訊技術、空間技術及地球科學的迅速發(fā)展，RTS、GPS、RS、內觀傳感器及GIS技術已從各自獨立發(fā)展進人相互集成融合的階段。在大范圍的地質災害監(jiān)測方面，逐漸形成大時間尺度以遙感（RS）為主，配合中長距離的GPS監(jiān)測，小時間尺度的監(jiān)測主要以實時自動監(jiān)測手段為主，形成從天上到地面，從面到點的立體監(jiān)測網絡，技術集成為分析和研究各種災變信息之間的相互關系提供技術支撐。 因此，現(xiàn)代工程變形監(jiān)測技術，綜合體現(xiàn)在數據獲取的高精度、自動化，監(jiān)測設備多層次的集優(yōu)化，變形數據分析的專業(yè)化、信息化，監(jiān)測信息共享的網絡化。29