作者:衛建東**:測繪科學2023年第6期發表時間:2009-04-16 17:42熱點:399
衛建東（資訊工程大學測繪學院，河南鄭州450052）
隨著現代科學技術的發展，變形監測的技術手段，逐漸形成多層次、多視角、多技術、自動化的立體監測體系。以rts（自動全站儀、測量機械人）為代表現代測量技術，逐步取代以經緯儀、全站儀為代表的常規測量技術，成為主要的地面監測技術手段。以測斜儀、分層沉降儀、光纖感測器等為代表的地下觀測監測技術，已實現數位化、自動化。
以gps（全球定位系統）、差分干涉合成孔徑雷達（d-insar）技術和機載雷射雷達技術為代表空間對地觀測技術，正逐步得到發展和應用。同時有線網路通訊、無線移動通訊、衛星通訊等多種通訊網路技術的發展，為工程變形監測資訊的實時遠端傳輸提供可靠的通訊保障。在監測分析方面，利用gis的資料管理與分析功能而開發的專家系統對採集到的各種大量資訊進行有效快速分析與處理。
1.地面觀測監測技術
在地面上設站，測量變形體的變化，通稱地面觀測監測技術。主要以經緯儀、全站儀、引張線、雷射掃瞄器、攝影測量等技術為主。目前地面觀測技術的主要發展為、測量機械人和雷射三維掃瞄技術。
1.1 自動全站儀監測技術
1.1.1 自動全站儀的特點
自動全站儀俗稱測量機械人（robotic total station system），裡面除了一般電子全站儀的電子電路、光學系統、軟體系統以外，還有兩個最重要的裝置，自動目標照准感測裝置和提供動力的兩個步進馬達。
目標照准感測裝置，一般採用內建在全站儀中的ccd陣列感測器，該感測器可以識別被反射稜鏡返回的紅外光，ccd判別接受後，馬達就驅動全站儀自動轉向稜鏡，並實現自動精確照准。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。基於上述特點利用測量機械人可實現常規監測網測量的自動化。
1.1.2 自動全站儀監測系統的構成方式
針對不同的監測物件和要求，自動全站儀可組成以下的監測方式。
移動式監測方式，利用短通訊電纜（1～2公尺）將便攜計算機與全站儀連線，由便攜機自動控制全站儀進行測量；或者直接將控制軟體安裝在自動全站儀內部，控制全站儀測量。移動式監測方式成本低，已應用在上海磁懸浮工程、深基坑監測工程、南水電站大壩監測[9]等工程的外部變形監測中。
固定式持續監測系統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測房，通過供電通訊系統，與控制機房內的控制計算機相連，實現無人職守、全天候的連續監測、自動資料處理、自動報警、遠端監控等，該類系統主要包括單台極座標**模式、多台空間前方交會**模式、多台網路模式等。
單台極座標持續監測方式，配置簡單，裝置利用率高，但監測範圍較小，無法組網測量，要達到亞公釐級精度必須採取合理的測量方案和資料處理方法。特別適用於小區域(約1km2內)，需實時自動化監測的變形體的測量。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]等進行了很好的應用。
空間前方交會主要採用距離空間前方交會，以三邊或多邊交會法確定監測點的三維座標，採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。採用三邊交會系統已應用在五強溪大壩監測中[14]。該系統為提高測距精度，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。
此類系統的優點測量精度高，可達亞公釐級，但系統配置過於龐大，成本較高，裝置利用率較低，同時由於受幾何圖形結構限制，較平坦的地面監測不宜採用。
多台網路模式是將多台測量機械人和多台或一台計算機通過網路、通訊供電電纜連線起來，組成監測網路系統。其主要技術手段、管理方式和單台極座標**模式一致。由於單台測量機械人受通視條件和最大目標識別距離的限制，對於變形區域較大、通視條件較差、測量環境狹窄（如地鐵隧道）等，需利用多台測量機械人組成監測網路系統，通過組網解算各測站點的座標，然後利用基準點和各測站座標對變形點觀測資料進行統一差分處理，解算各變形點的座標及變形量。
該類系統已在廣州地鐵得到應用[15]。該類系統的優點，可以組網測量，實現控制網測量、變形點測量的完全自動化，可以將控制網測量資料與監測資料自動進行聯合處理，不需要人工干預，非常適合較大區域內，尤其是地鐵結構的變形監測。
1.1.3 自動全站儀監測技術的不足
由於目標自動識別的限制，使用範圍有限；由於取樣頻率的限制，1臺用於多點的高頻率的振動測量比較困難，當然可以採用每台跟蹤1個點的方式，這樣成本較高。
1.2地面三維雷射掃瞄測量技術
雷射雷達lidar (light detection and ranging)是通過發射紅外雷射直接測量雷達中心到地面點的一項技術，它通過角度和距離資訊，同時獲取地面點的三維資料。雷射雷達最大特點是不需要任何測量專用標誌，直接對地面測量，能夠快速獲取地形高密度的三維資料，所以又稱三維雷射掃瞄技術。根據承載平台不同，雷射掃瞄技術又分機載三維雷射掃瞄、車載三維雷射掃瞄、站載三維雷射掃瞄，其中的車載型和站載型屬於地面三維雷射掃瞄。
1.2.1三維雷射掃瞄技術的特點
三維雷射掃瞄器的主要特點體現在資料採集的高密度、高速度和無何作目標測量上。高密度體現在使用者可以設定測點間隔0.1m-2.
0m，高速度體現在每秒可測量幾十點到幾千個點，具有很強的數字空間模型資訊的獲取能力。
地面三維雷射掃瞄器在測量範圍上，根據儀器種類不同，從幾公尺到4公里以上。10m以內測程為超短程，10m-100m為短程，100m-300m為中程，300m以上為遠端三維雷射掃瞄系統。
影響三維雷射掃瞄器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、雷射訊號的訊雜比、雷射訊號的反射率、回波訊號的強度、背景輻射雜訊的強度、雷射脈衝接受器的靈敏度、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]。一般中遠端三維雷射掃瞄器的單點測量精度在幾公釐到數釐公尺之間，模型的精度要遠高於單點精度，可達2－3mm。
目前常見的地面三維雷射掃瞄器及主要技術引數見表1所示[17]。
地面三維雷射掃瞄器作為非接觸式高速雷射測量方式，以點雲的形式獲取地形及複雜物體3維表面的陣列式幾何圖形資料，在地面景觀形體測量，文物保護建模，高陡邊坡地形測量及工程量計算等具有較明顯的優勢。與同樣具有快速測量優勢的數字攝影測量相比，降低了對地表紋理的要求，無需像控點，能反應物件細節資訊等特點。
1.2.2三維雷射掃瞄技術應用在工程變形監測中的優勢及問題
三維雷射掃瞄系統的速度快，不需接觸目標，精度高，資訊豐富（不僅獲取空間資訊，還獲取灰度資訊和真彩色紋理）、自動化程度高、3mm的面型測量精度等特點，能快速準確地生成監測物件的三維資料模型，這些技術優勢決定了三維雷射掃瞄技術在變形監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測中進行應用。例如，美國弗羅裡達州運輸部利用ilris-3d對弗羅裡達州i10出口的30號橋梁進行橋梁載入變形監測的試驗[18]，以分析該橋梁結構承受能力，通過與傳統監測手段在外界所需條件、測量精度、測量需要時間、需要人員、測量總點數、成果輸出等方面的比較，認為三維雷射掃瞄技術在變形監測方面是可行的。
但由於雷射掃瞄系統得到是海量資料，乙個目標多幅距離影像，以及點雲的散亂性、沒有實體特徵引數等，直接利用三維雷射掃瞄資料比較困難。針對三維雷射掃瞄技術的整體變形監測概念，研究與三維雷射掃瞄器相適應的變形監測理論及資料處理方法，主要考慮以下問題[19]：
（1）現有的基於變形監測點的變形監測模式不適用於基於三維雷射掃瞄器的變形監測，必須摒棄變形監測點，**無變形監測點的監測物件測量方法。考慮採用監測物件自身的特徵點或人工投射的特徵資訊來替代變形監測點的作用，並採集相應的資料。
（2）要研究監測物件三維模型的建立和模型的匹配。三維雷射掃瞄器的取樣資料報括監測物件的三維點雲和同步採集的紋理資訊，利用點雲資訊能夠很快構建監測物件的三維資料模型，再加上紋理資訊，就能建立研究物件的**模型。而變形量的獲取可以通過不同時期的兩個模型間整體對比(即模型求差)來獲取，這裡就必然涉及到對模型進行匹配的問題。
（3）基於三維監測物件模型的變形分析理論及方法研究。變形監測的最終結果是要進行相應的應力及應變分析，這裡的分析是基於整體監測物件模型的，和傳統的基於變形點的以點代面的分析方式存在較大差異，所以，有必要對基於三維監測物件模型的變形分析理論及方法進行相應研究。
（4）監測資料的精度評價體系的建立和模型的精度評定研究。要建立乙個完整的理論及技術體系，除了應具備一套完善的理論及方法外，還應建立相關的成果評價體系，具備相關精度指標和置信度的成果才是完整的，這也是相應資訊被正確使用的前提條件。
2.地下觀測監測技術
地下觀測監測技術主要指監測結構體及岩土內部變形的技術。常用的內部位移觀測儀器有位移計、測縫計、測斜儀、沉降儀、垂線座標儀、引張線、多點變位計和應變計等。傳統的位移計、變位計和應變計等點式監測手段，通常採用電阻式、電感式、鋼弦式、電容式、壓電式、壓磁式等感測器，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，開始開發出各種各樣的光纖感測器，這裡包括多種用於監測形變的感測器。採用光纖感測器優點主要有：光纖應變監測技術可以進行分布式監測，可做長距離，大範圍的面狀監測；它對測點輸入的不是電源，而是光源，因此，不受電磁干擾，穩定性好；監測精度高，可以滿足工程監測要求；光纖感測器本身又是訊號的傳輸線，可以進行遠端監測，成本低；另外，光纖感測器還可以用於裂縫、滲流、孔隙壓力、溫度等狀況進行監測。
目前開發的光纖感測器各種各樣，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係來推求物理量值的變化。主要形式見表2所示[40]：
由於光纖應變監測需要將監測感測器布置到需要監測的部位，對於一些不能布點的監測部位，光纖應變監測無法使用。
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