现代变形监测技术的发展与展望

现代变形监测技术的发展与展望 作者:卫建东 来源:测绘科学2007年第6期 发表时间:2009-04-16 17:42 热点:399

现代变形监测技术的发展与展望

卫建东

（信息工程大学测绘学院，河南郑州450052）

随着现代科学技术的发展，变形监测的技术手段，逐渐形成多层次、多视角、多技术、自动化的立体监测体系。以RTS（自动全站仪、测量机器人）为代表现代测量技术，逐步取代以经纬仪、全站仪为代表的常规测量技术，成为主要的地面监测技术手段。以测斜仪、分层沉降仪、光纤传感器等为代表的地下观测监测技术，已实现数字化、自动化。以GPS（全球定位系统）、差分干涉合成孔径雷达（D-InSAR）技术和机载激光雷达技术为代表空间对地观测技术，正逐步得到发展和应用。同时有线网络通讯、无线移动通讯、卫星通讯等多种通讯网络技术的发展，为工程变形监测信息的实时远程传输提供可靠的通讯保障。在监测分析方面，利用GIS的数据管理与分析功能而开发的专家系统对采集到的各种大量信息进行有效快速分析与处理。

1.地面观测监测技术

在地面上设站，测量变形体的变化，通称地面观测监测技术。主要以经纬仪、全站仪、引张线、激光扫描仪、摄影测量等技术为主。目前地面观测技术的主要发展为、测量机器人和激光三维扫描技术。

1.1 自动全站仪监测技术

1.1.1 自动全站仪的特点

自动全站仪俗称测量机器人（Robotic Total Station System），里面除了一般电子全站仪的电子电路、光学系统、软件系统以外，还有两个最重要的装置，自动目标照准传感装置和提供动力的两个步进马达。

目标照准传感装置，一般采用内置在全站仪中的CCD阵列传感器，该传感器可以识别被反射棱镜返回的红外光，CCD判别接受后，马达就驱动全站仪自动转向棱镜，并实现自动精确照准。CCD识别的是不可见红外光，它能够在夜间、雾天甚至雨天（保证镜面无雨水）进行测量。基于上述特点利用测量机器人可实现常规监测网测量的自动化。

1.1.2 自动全站仪监测系统的构成方式

针对不同的监测对象和要求，自动全站仪可组成以下的监测方式。

移动式监测方式，利用短通讯电缆（1～2米）将便携计算机与全站仪连接，由便携机自动控制全站仪进行测量；或者直接将控制软件安装在自动全站仪内部，控制全站仪测量。

移动式监测方式成本低，已应用在上海磁悬浮工程、深基坑监测工程、南水电站大坝监测

[9]等工程的外部变形监测中。

固定式持续监测系统是将全站仪长期固定在测站上，如在野外需在测站上建立监测房，通过供电通信系统，与控制机房内的控制计算机相连，实现无人职守、全天候的连续监测、自动数据处理、自动报警、远程监控等，该类系统主要包括单台极坐标在线模式、多台空间前方交会在线模式、多台网络模式等。

单台极坐标持续监测方式，配置简单，设备利用率高，但监测范围较小，无法组网测量，要达到亚毫米级精度必须采取合理的测量方案和数据处理方法。特别适用于小区域(约1km内)，需实时自动化监测的变形体的测量。目前该模式已在新疆三屯河水库大坝

口湾水库大坝、明珠线二期南浦大桥、小浪底大坝[12]2[10]、港、广州地铁[13]等进行了很好的应用。

空间前方交会主要采用距离空间前方交会，以三边或多边交会法确定监测点的三维坐标，采用此模式的主要意图是利用高精度的边长，获取高精度的点位。采用三边交会系统已应用在五强溪大坝监测中[14]。该系统为提高测距精度，配置计算机控制的自动可自校准高精度光电测距仪频率校准仪、高精度温度计、气压计与湿度计。此类系统的优点测量精度高，可达亚毫米级，但系统配置过于庞大，成本较高，设备利用率较低，同时由于受几何图形结构限制，较平坦的地面监测不宜采用。

多台网络模式是将多台测量机器人和多台或一台计算机通过网络、通讯供电电缆连接起来，组成监测网络系统。其主要技术手段、管理方式和单台极坐标在线模式一致。由于单台测量机器人受通视条件和最大目标识别距离的限制，对于变形区域较大、通视条件较差、测量环境狭窄（如地铁隧道）等，需利用多台测量机器人组成监测网络系统，通过组网解算各测站点的坐标，然后利用基准点和各测站坐标对变形点观测数据进行统一差分处理，解算各变形点的坐标及变形量。该类系统已在广州地铁得到应用[15]。该类系统的优点，可以组网测量，实现控制网测量、变形点测量的完全自动化，可以将控制网测量数据与监测数据自动进行联合处理，不需要人工干预，非常适合较大区域内，尤其是地铁结构的变形监测。

1.1.3 自动全站仪监测技术的不足

由于目标自动识别的限制，使用范围有限；由于采样频率的限制，1台用于多点的高频率的振动测量比较困难，当然可以采用每台跟踪1个点的方式，这样成本较高。

1.2地面三维激光扫描测量技术

激光雷达LIDAR (Light Detection and Ranging)是通过发射红外激光直接测量雷达中心到地面点的一项技术，它通过角度和距离信息，同时获取地面点的三维数据。激光雷达最大特点是不需要任何测量专用标志，直接对地面测量，能够快速获取地形高密度的三维数据，所以又称三维激光扫描技术。根据承载平台不同，激光扫描技术又分机载三维激光扫描、车载三维激光扫描、站载三维激光扫描，其中的车载型和站载型属于地面三维激光扫描。

3.1.1 GPS观测技术的特点与监测应用领域

GPS测量技术以其测站点之间无需通视、全天候观测、提供三维信息、测量范围大等特点，已成为现代测量的主要技术手段。

GPS可以提供点位基于全球坐标系统的变化，不受局部变形的影响，可以监测全球范围或区域范围内的地球板块的运动，为地震监测提供必要的数据。目前，我国利用GPS已建立中国地壳运动观测网络。

由于GPS不需要各种点（基准点、监测点）之间通视，测量范围也不受限制，同时具有高速数据采样率，使其在工程变形监测方面，具有独特测量优势。比如对于滑坡体较大通视条件差或大的露天矿边坡，很难找到通视的基准点，采用GPS监测时，基准点就可以选在远离变形区，而不是否通视。对于海上勘探平台沉陷监测、城市地面沉陷监测，采用传统的水准测量方法无法实现或作业强度很大，采用GPS可以降低劳动强度，而且可以直接利用大地高计算沉陷量，使观测结果的精度不受损失。利用GPS数据的高采样率，可用于高耸建筑物的风振监测、桥梁的振动监测，尤其是5公里以上特长桥梁。

3.1.2 GPS变形监测模式

GPS用于变形监测的作业方式可分为周期性和连续性两种模式[1][6]。当变形体的变形速率相当缓慢，在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时，可利用GPS进行周期性变形监测，监测频率视具体情况可为数月、一年或甚至更长时间。连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集,获得变形数据系列,此时监测数据是连续的,具有较高的时间分辨率。

周期性模式采用GPS静态相对定位的测量方法。该测量模式成本低，一般监测采用该模式。比如目前三峡库区滑坡、李家峡水电站滑坡，龙羊峡水库近岸滑坡等监测工程中均采用该模式。

连续性监测模式，对自动化要求高，数据采集周期短的监测项目采用。对于卫星观测条件好的监测工程，比如桥梁、高层建筑物等的动态监测中，GPS正逐渐取代加速度计、激光干涉仪等动态监测设备。在香港青马大桥、虎门大桥、深圳帝王大厦、隔河岩大坝[5][6][2][3][4]外观变形监测均采用该模式。该模式可实现24小时的连续观测，使监测工作实现完全自动化，使监测、监控、决策实现远距离控制，建立无人值守的监测系统。由于该模式要求GPS接受设备必须永久固定在变形点成本较高。另外，根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性。

为解决限制连续性监测模式应用的高成本，香港理工大学、河海大学的专家开始提出和研究基于一机多天线的自动化监测技术。利用若干GPS天线和具有若干通道的微波开关，相应的微波开关控制电路及1台GPS接收机组成一机多天线系统。最新系统将控制电路板、GPS接收机（OEM）板集成在工业控制计算机中。目前，一机多天线已应用在东江大坝监测、小湾电站边坡监测等工程中。 [8][7]

3.1.3 GPS在变形监测中的测量方法

根据监测对象及要求不同，GPS在变形监测中可采用的测量方法分为静态测量法、快速静态测量法和动态测量法三种。

静态测量法是把多于3台GPS接收机同时安置在各观测点上同步观测一定时段，一般为1小时～2小时不等，构网用后处理软件解算基线，平差计算求观测点的三维坐标。静态测量法精度高，一般水平精度优于3mm，垂直精度优于5mm。比如，隔河岩大坝应用广播星历1～2小时观测资料解算监测点相对于基准点的水平精度优于1.5mm，垂直精度优于

1.5mm；6小时资料解算水平精度优于1mm，垂直精度优于1mm。GPS基准网，一般应采用静态测量方法，当基准网的边长超过10km，要考虑基准网的起算点与国际IGS站联测，基线向量解算时采用精密星历，以提高基线解算的精度。

快速静态测量法，适用于对监测点的观测。方法是把两台GPS接收机安置在基准点上固定不动连续观测，另1台以上GPS接收机在监测点上移动，每次观测5～10分钟(采样间隔为2秒)，经事后处理，解算出各监测点的三维坐标。若基准点至监测点的距离在3公里范围之内，监测精度为水平位移±3mm～±5mm，垂直位移±5mm～±8mm。若距离大于3公里，水平精度为5mm+1ppm·D，垂直精度为8mm+1ppm·D。由于快速静态测量法测量时间短，选择最佳观测时间段对保证观测精度至关重要。

动态测量法又分准动态测量法和实时动态测量方法。

准动态测量法，把一台GPS接收机安置在一个基准点上，另一台GPS接收机先在另一基准点上观测5分钟(采样间隔为1秒)，在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，在各监测点上停留2～10秒钟。经事后处理，精度可达1～2cm。

实时动态测量方法又叫RTK方法，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。其原理是在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将观测数据通过无线电传输设备，实时的发送给在各监测点上移动观测（1～3秒钟）的GPS接收机，移动GPS接收机在接收GPS信号同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据，再根据差分定位原理，实时计算出监测点三维坐标及精度，精度可达2～5cm。如果距离近，基准点与监测点有5颗以上共视GPS卫星，精度可达1～2cm。GPS RTK最快可达1～10Hz速率输出定位结果；虎门大桥在恶劣气候条件下，如大风大雨大雾等进行测量，测量精度可达1厘米这是常规手段无法获得的。测量结果输出频率1－10Hz,实时动态三维坐标，和振动频率。

静态和动态各有优缺点，根据实际需要选择。

3.1.4 GPS监测技术的不足

GPS在高山峡谷、地下、建筑物密集地区和密林深处，由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响，其监测精度和可靠性不高或无法进行监测。比如，在滑坡体的变形监测中，监测点的位置通常是由地质人员根据滑坡、断层的地质构造和受力情况而定，测量人员的[1][6]

选择余地不大，变形监测点的观测条件欠佳，视场狭窄，大量卫星被山坡遮挡，多路径误差较为严重。

GPS用于动态变形监测时，由于GPS动态测量的精度只能达到厘米级，而监测点在很短时间内的变形是微小的，表现为一种弱信号，GPS测量误差成为强噪声，如何从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的特征信息，是GPS动态监测应解决的一个关键技术问题。

GPS与一般全站仪、测斜仪等监测设备相比，设备成本较高，一般要3台以上GPS接收机。

GPS误差源多，与传统大地测量手段相比，GPS定位结果和观测值之间的函数关系要复杂得多，误差源也要多得多。在GPS定位中基准站与变形监测点之间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后求得的，定位结果受卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟、电离层延迟、多路径误差、接收机的测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。在数据处理过程中还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。其中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度。此外接收机天线相位中心的不够稳定也是影响监测精度的一个重要原因。

3.2 D-InSAR监测技术

3.2.1 D-InSAR在形变监测研究的进展

合成孔径雷达以无线电波为媒介的主动微波遥感工具。通过合成孔径雷达，探测目标物的后向散射系数特征，通过双天线系统或重复轨道法可以由相位和振幅观测值实现干涉雷达测量。D-INSAR利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是通过形变事件前的两幅SAR获取的干涉图像，另一幅是通过形变事件前后两幅SAR图像获取的干涉图像，然后通过两幅干涉图差分处理（除去地球曲面、地形起伏影响）来获取地表微量形变的测量技术，因此，D-INSAR可以用来研究地表面水平和垂直位移、大型工程的形变等。

合成孔径雷达可以装在卫星上或飞机实现对地的遥感测量。早期的InSAR系统主要是机载系统，由于机载系统的不稳定性及数据获取能力的局限性，一定程度上限制了InSAR技术的成长，1978年世界上第一颗合成孔径雷达卫星(美国Seasat卫星)发射成功，进入90年代后，俄罗斯的ALMAZ-1（1991）、欧洲空间局ERS-1（1991）、日本JERS-1（1992）、美国SIR-C（1992）、加拿大RADARSAT-1（1995）、欧洲空间局ERS-2（1995）、欧洲空间局ENVISAT-1（2002）、日本ALOS（2006）先后成功发射。一系列的航天飞机成像雷达(SIR-A，SIR-B，SIR-C／X-SAR)及航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)的成功完成，为全球提供了更多的适合进行干涉处理的SAR数据[20]。

[21]采用D-INSAR技术用于变形监测研究，最早于1989年，Grabriel等首次论证了

D-InSAR技术探测厘米级的地表形变，并用Seasat L波段SAR测量美国加利福尼亚州东南部的Imperial Valley灌溉区的地表形变。1993年Massonnet等人[22]利用ERS-1采集的1992年Landers地震(M＝7.2)的形变场的SAR数据，将D-InSAR的测量结果与其它类型的测量

数据以及弹性形变模型进行比较，结果吻合相当好，研究成果发表在《Nature》上，从此D-InSAR技术在探测地表形变方面的能力开始被大家所认识。

早期InSAR研究主要集中在形变比较明显的地震、火山活动的监测研究，随着技术的不断成熟和研究的深入，研究重点逐渐转移至地面沉降、山体滑坡等细微持续的地表位移

[23]，国外在20世纪90年代末开展了大量的研究，与GPS及水准测量进行了对比分析，认

[24]为用ERS数据监测地面沉降变化可以达到10mm的精度

技术方面的研究，先后对苏州地区的地表沉降

香港赤腊角机场沉降

多宝贵的经

.2.2 D-InSAR在形变监测应用方面存在的问题 [28][25]。在国内，近几年也加快在D-InSAR[26]、天津市的地表沉降[29]、沧州地面沉降[27]、、长江三峡库区的地形变及滑坡监测等进行应用研究，取得了很

D-InSAR监测技术具有全天候、无接触、低成本等特点，可以在大面积范围内

（100km×100km）监测地面的微小形变，不需要测量人员进入灾害地区，而且D-InSAR一幅图像就可以提供控制空间分辨率达5m×20m的1万平方公里的地表形变数据，具有其它大地测量方法所不能比拟的优势。

但InSAR数据质量要受到多种因素的影响，SAR卫星轨道误差、大气层延迟误差、系统热噪声引起的热失相关、多普勒质心引起的失相关、空间基线过长或过短引起的基线失相关、地面散射引起的失相关、两次飞行不平行引起的旋转失相关、两次飞行期间气候和地面等环境因素发生变化引起的时间失相关以及数据处理过程引起的噪声等多种因素影响，造成了InSAR技术应用中的许多实际困难，而且精度也受到一定的限制[24]。另外，InSAR卫星具有固有的运行周期，不能满足时间域上的高分辨率，不适合高动态的形变监测。

为了解决时间长，干涉相干大大降低的问题，在卫星方面采用多个卫星串行方式。欧空局的ERS-1和ERS-2两颗卫星构成串行星对，对同一地面访问时间差一天，使得两次取得的SAR数据之间的相干性得到一定的保障，ERS-1卫星2000年停止工作后，2002年，欧洲空间局发射了ENVISAT卫星，ERS-2/ENVISAT星也构成串行星对。

20世纪90年代后期，随着小卫星技术的发展，利用编队卫星技术进行干涉测量成为星载InSAR发展的趋势，典型的方案有法国的干涉车轮（Cartwheel）和德国的Tandem-X任务。法国的干涉车轮方案由3颗SAR接收小卫星和一个主卫星组成，3颗小卫星飞行在主卫星之前或之后约100公里，主卫星发射雷达脉冲信号，3颗小卫星编队飞行的同时进行接收，来保证干涉测量。德国的Tandem-X任务，TerraSAR-X雷达卫星计划2006年10月发射，TanDEM-X雷达卫星计划于2009年发射，两颗卫星即可独立工作，又可构成串行星对，构成一个高精度雷达干涉测量系统[30]。我国将于2007年发射由2颗光学小卫星和1颗合成孔径雷达小卫星组成的“2＋1”环境与灾害监测预报小卫星星座，并计划进一步实现由4颗光学小卫星和4颗合成孔径雷达小卫星组成的“4＋4”星座。

在地面方面，为解决工作区域的相干性较弱问题，在预先设定的监测点上设置具有高精度坐标的人工角反射器，适当安装角反射器，当SAR成像时将会强烈反射过来的电磁波，

在影像出现明显的特征点。或者找到类似于角反射器的永久性散射体(Permanent

Scatters)，PS是对电磁波具有强反射特点，且其几何形状和物理特性在很长时间内不会明显变化的地物，以人工地物居多，也可能是自然地物，比如裸露的岩石、高楼、灯塔等

[36]。利用GPS精确测定PS的三维坐标，便于准确地确定其在影响坐标系和地理坐标系中的位置，可以校正由InSAR数据得到的DEM和变形分布图。我国从2004年4月启动的中欧“龙”计划，主要开展的一项重要工作就是永久散射体（PS）技术[31]。采用该技术进行地表形变监测的研究，首个试验区为上海，长江流域的新滩和万州两个不稳定地区，采用角反射器后D-INSAR的监测精度可达１毫米。数据处理工作主要由欧洲合作方完成，武汉大学方面也初步具备了PS技术的数据处理能力。ASAR数据在上海、天津等实验区也进行提取DEM和沉降监测的实验，并完成了相应的软件环境建设。

D-InSAR作为最重要的对地观测监测技术，监测范围大且属于面监测，将会逐步成为大区域地面形变监测的重要手段。

3.3 LIDAR技术的应用

飞机搭载型简称为机载型，飞机以小型飞机或直升机搭载为主。机载的激光扫描测量，一般与GPS、陀螺、惯性测量系统(IMU)、大面阵数码相机(DC)结合，可以在很短时间内获取适合GIS使用标准的大范围的、详细的、三维地形数据。在精度上，Z方向的精度优于XY方向，最好可达10-15cm，最差0.5m，XY方向上的精度为15cm-1m。机载型的三维激光扫描系统测量范围大，速度快，但精度较差，构成价格昂贵，在我国推广还有相当难度。

山西亚太数字遥感新技术有限公司，利用从国外引进的空中激光扫描系统(LIDAR)，于2005年3月2日在太原地区进行空中试飞，成功地获取了激光扫描数据和相应的图像数据，这在国内尚属首次，此次飞行获取的数据准确、完整，为用航空摄影测量成大比例尺的线划图和相应图件成为现实[32]。

4.基于GIS的监测数据分析系统

随着GIS技术的发展，GIS已不单是简单的地图工具，它通过科学的手段将现实空间世界转化为数学模型，通过这些数学模型的分析计算并结合各专业知识进行创造性分析来解决问题。基于GIS的变形分析与预报专家系统，开始成为热门的研究。利用GIS工具进行变形分析的关键，要在GIS系统中解决四维时空的问题[40]，利用GIS进行变形分析主要利用统计方法分析变形与各影响因素之间的关系，利用GIS的叠加功能等得到变形灾害图，结合基于GIS数据库的力学模型，进行变形的分析与预报。GIS就是将与变形有关的众多的内因和外因，所有数据都抽象为GIS的向量层或者栅格数据层，然后利用力学参数模型进行灾害评估和分析。

另外，GIS可以把大坝、滑坡体及其周围地区的地形、地貌、地物、变形测量点等信息放置到电子地形图上。通过图形与属性数据库的连接和多期变形测量结果趋势性计算与变形趋势图的制作，建立可视化的变形测量查询、分析、管理信息系统，将更加有利于变

形测量分析与管理。基于Web-GIS平台开发实时监测预报系统，可以实现全国范围内灾害信息的发布与查询。

5.结论

随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅速发展，RTS、GPS、RS、内观传感器及GIS技术已从各自独立发展进人相互集成融合的阶段。在大范围的地质灾害监测方面，逐渐形成大时间尺度以遥感（RS）为主，配合中长距离的GPS监测，小时间尺度的监测主要以实时自动监测手段为主。形成从天上到地面，从面到点的立体监测网络，技术集成为分析和研究各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑。

因此，现代工程变形监测技术，综合体现在数据获取的高精度、自动化，监测设备多层次的集优化，变形数据分析的专业化、信息化，监测信息共享的网络化。

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