【正文】 自動全站儀監(jiān)測技術(shù) 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(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、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(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、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(yīng)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(yīng)用在五強溪大壩監(jiān)測中。 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。 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)。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(yīng)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(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、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(shù)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(shù)優(yōu)勢決定在變形監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。已開始在橋梁、文物、滑坡體、泥石流、火山等領(lǐng)域快速面監(jiān)測中進行應(yīng)用。 但由于激光掃描系統(tǒng)得到的是海量數(shù)據(jù)，一個目標多幅距離影像，以及點云的散亂性、沒有實體特征參數(shù)等，直接利用三維激光掃描數(shù)據(jù)比較困難。針對三維激光掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測概念，研究與三維激光掃描儀相適應(yīng)的變形監(jiān)測理論及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(gòu)建監(jiān)測對象的三維數(shù)據(jù)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(jié)果是要進行相應(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(yīng)研究。 地下觀測監(jiān)測技術(shù)主要指監(jiān)測結(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(yīng)變計等。傳統(tǒng)的位移計、變位計和應(yīng)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(yīng)變監(jiān)測技術(shù)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(yīng)變、壓力及溫度等物理量之間的關(guān)系來推求物理量值的變化。由于光纖應(yīng)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(yīng)變監(jiān)測無法使用。 空間對地觀測監(jiān)測技術(shù)，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(shù)。目前主要包括GPS全球定位系統(tǒng)、DInSAR（Differential－Interferometric Synthetic Aperture Radar）差分干涉雷達測量和機載激光三維掃描等技術(shù)。 GPS監(jiān)測技術(shù) GPS測量技術(shù)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(shù)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(nèi)的地球板塊的運動，為地震監(jiān)測提供必要的數(shù)據(jù)。目前，我國利用GPS已建立中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)。 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(shù)據(jù)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(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(yīng)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(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(shù) 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(shù)特征，通過雙天線系統(tǒng)或重復(fù)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(shù)，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(shù)用于變形監(jiān)測研究，最早于1989年，Grabriel等首次論證了DInSAR技術(shù)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(shù)的不斷成熟和研究的深入，研究重點逐漸轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)監(jiān)測地面沉降變化可以達到10mm的精度。在國內(nèi)，近幾年也加快在DInSAR技術(shù)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(yīng)用研究，取得了很多寶貴的經(jīng)驗。 DInSAR監(jiān)測技術(shù)具有全天候、無接觸、低成本等特點，可以在大面積范圍內(nèi)（100km100km）監(jiān)測地面的微小形變，不需要測量人員進入災(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5m20m的1萬平方公里的地表形變數(shù)據(jù)，具有其它大地測量方法所不能比擬的優(yōu)勢。 但InSAR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)、空間基線過長或過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)生變化引起的時間失相關(guān)以及數(shù)據(jù)處理過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(shù)，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(shù)的應(yīng)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(shù)碼相機(DC)結(jié)合，可以在很短時間內(nèi)獲取適合GIS使用標準的大范圍的、詳細的、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(shù)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(zhuǎn)化為數(shù)學模型，通過這些數(shù)學模型的分析計算并結(jié)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(yù)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(guān)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(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)庫的力學模型，進行變形的分析與預(yù)報。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，然后利用力學參數(shù)模型進行災(zāi)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(shù)據(jù)庫的連接和多期變形測量結(jié)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。基于WebGIS平臺開發(fā)實時監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全國范圍內(nèi)災(zāi)害信息的發(fā)布與查詢。 隨著計算機技術(shù)、無線電通訊技術(shù)、空間技術(shù)及地球科學的迅速發(fā)展，RTS、GPS、RS、內(nèi)觀傳感器及GIS技術(shù)已從各自獨立發(fā)展進人相互集成融合的階段。在大范圍的地質(zhì)災(zāi)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(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)測技術(shù)，綜合體現(xiàn)在數(shù)據(jù)獲取的高精度、自動化，監(jiān)測設(shè)備多層次的集優(yōu)化，變形數(shù)據(jù)分析的專業(yè)化、信息化，監(jiān)測信息共享的網(wǎng)絡(luò)化。29