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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:
2009-04-1617:
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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（RoboticTotalStationSystem），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1km2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[10]、港口湾水库大坝、明珠线二期南浦大桥、小浪底大坝[12]、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（LightDetectionandRanging）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。
1.2.1三维激光扫描技术的特点
三维激光扫描仪的主要特点体现在数据采集的高密度、高速度和无何作目标测量上。
高密度体现在用户可以设置测点间隔0.1m-2.0m，高速度体现在每秒可测量几十点到几千个点，具有很强的数字空间模型信息的获取能力。
地面三维激光扫描仪在测量范围上，根据仪器种类不同，从几米到4公里以上。
10m以内测程为超短程，10m-100m为短程，100m-300m为中程，300m以上为远程三维激光扫描系统。
影响三维激光扫描仪测量精度的因素较多，主要包括：
步进器的测角精度、仪器的测时精度、激光信号的信噪比、激光信号的反射率、回波信号的强度、背景辐射噪声的强度、激光脉冲接受器的灵敏度、仪器与被测点问的距离、仪器与被测目标面所形成的角度等等[18]。
一般中远程三维激光扫描仪的单点测量精度在几毫米到数厘米之间，模型的精度要远高于单点精度，可达2－3mm。
目前常见的地面三维激光扫描仪及主要技术参数见表1所示[17]。
型号
厂家
最大范围
扫描视场
测量精度
测量速度
ILRIS-3D
Optech
1500m
40º×40º
模型化精度：
±3mm
2000点/秒
ILRIS-36D
Optech
1500m
360º×360º
模型化精度：
±3mm
2000点/秒
Cyrax2500
Leica
100m
40º×40º
模型化精度：
±2mm
1000点/秒
HDS3000
Leica
100m
360º×270º
单点精度：
±4mm/50m
1800点/秒
HDS4500
Leica
25.2m
360º×310º
单点精度：
±3mm+160ppm
50万点/秒
LMS-Z210i
Riegl
400m
360º×80º
单点精度：
±15毫米
旋转棱镜8000点/秒
振荡棱镜12000点/秒
LMS-Z420i
Riegl
1000m
360º×80º
单点精度：
±10毫米
地面三维激光扫描仪作为非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形及复杂物体3维表面的阵列式几何图形数据，在地面景观形体测量，文物保护建模，高陡边坡地形测量及工程量计算等具有较明显的优势。
与同样具有快速测量优势的数字摄影测量相比，降低了对地表纹理的要求，无需像控点，能反应对象细节信息等特点。
1.2.2三维激光扫描技术应用在工程变形监测中的优势及问题
三维激光扫描系统的速度快，不需接触目标，精度高，信息丰富（不仅获取空间信息，还获取灰度信息和真彩色纹理）、自动化程度高、3mm的面型测量精度等特点，能快速准确地生成监测对象的三维数据模型，这些技术优势决定了三维激光扫描技术在变形监测领域将有着广阔的应用前景。
已开始在桥梁、文物、滑坡体、泥石流、火山等领域快速面监测中进行应用。
例如，美国弗罗里达州运输部利用ILRIS-3D对弗罗里达州I10出口的30号桥梁进行桥梁加载变形监测的试验[18]，以分析该桥梁结构承受能力，通过与传统监测手段在外界所需条件、测量精度、测量需要时间、需要人员、测量总点数、成果输出等方面的比较，认为三维激光扫描技术在变形监测方面是可行的。
但由于激光扫描系统得到是海量数据，一个目标多幅距离影像，以及点云的散乱性、没有实体特征参数等，直接利用三维激光扫描数据比较困难。
针对三维激光扫描技术的整体变形监测概念，研究与三维激光扫描仪相适应的变形监测理论及数据处理方法，主要考虑以下问题[19]：
（1）现有的基于变形监测点的变形监测模式不适用于基于三维激光扫描仪的变形监测，必须摒弃变形监测点，探讨无变形监测点的监测对象测量方法。
考虑采用监测对象自身的特征点或人工投射的特征信息来替代变形监测点的作用，并采集相应的数据。
（2）要研究监测对象三维模型的建立和模型的匹配。
三维激光扫描仪的采样数据包括监测对象的三维点云和同步采集的纹理信息，利用点云信息能够很快构建监测对象的三维数据模型，再加上纹理信息，就能建立研究对象的仿真模型。
而变形量的获取可以通过不同时期的两个模型间整体对比（即模型求差）来获取，这里就必然涉及到对模型进行匹配的问题。
（3）基于三维监测对象模型的变形分析理论及方法研究。
变形监测的最终结果是要进行相应的应力及应变分析，这里的分析是基于整体监测对象模型的，和传统的基于变形点的以点代面的分析方式存在较大差异，所以，有必要对基于三维监测对象模型的变形分析理论及方法进行相应研究。
（4）监测数据的精度评价体系的建立和模型的精度评定研究。
要建立一个完整的理论及技术体系，除了应具备一套完善的理论及方法外，还应建立相关的成果评价体系，具备相关精度指标和置信度的成果才是完整的，这也是相应信息被正确使用的前提条件。
2.地下观测监测技术
地下观测监测技术主要指监测结构体及岩土内部变形的技术。
常用的内部位移观测仪器有位移计、测缝计、测斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、引张线、多点变位计和应变计等。
传统的位移计、变位计和应变计等点式监测手段，通常采用电阻式、电感式、钢弦式、电容式、压电式、压磁式等传感器，易受雷击等电磁干扰大，故障概率高。
近些年，作为高速通讯线缆的光纤，利用光在光纤中的反射及干涉原理，开始开发出各种各样的光纤传感器，这里包括多种用于监测形变的传感器。
采用光纤传感器优点主要有：
光纤应变监测技术可以进行分布式监测，可做长距离，大范围的面状监测；它对测点输入的不是电源，而是光源，因此，不受电磁干扰，稳定性好；监测精度高，可以满足工程监测要求；光纤传感器本身又是信号的传输线，可以进行远程监测，成本低；另外，光纤传感器还可以用于裂缝、渗流、孔隙压力、温度等状况进行监测。
目前开发的光纤传感器各种各样，大多是利用光的反射及干涉原理来测定某一段光的变化，利用光的某种变化量与应变、压力及温度等物理量之间的关系来推求物理量值的变化。
主要形式见表2所示[40]：
方式
面状
点状
光纤监测技术
BOTDR
（BrillouinOpticTime
DomainReflectometry）
BOCDA
（BrillouinOpticCorrelation
DomainAnalysis）
FBG
（FiberBragg
Grating）
MDM
（MacroDistortion
Monitor）
精度
110-4-110-5
710-4
410-6
1mm
测量时间
5－15min
不祥
高速实时
高速实时
测量范围/测点数
10－50km/分布式
1km/分布式
10km/数百点
10km/数十点
长度分辨率
1m
10cm
点
点
温度影响
温差>5度时要考虑
可不计
可不计
可不计
系统造价
检测器昂贵
光纤便宜
检测器价格
不祥
检测器便宜
传感器昂贵
检测器便宜
传感器昂贵
特征
优点
长距离、分布式
高空间分辨率、分布式
高速高精度
高速高精度
传感器不受力
缺点
高速监测性能差
光纤性能影响监测
光纤两端测量
长距离监测不可
点式监测、监测距离及点数与光源强度有关
点式监测、测点多时测定时间长
适用工程
堤防工程、隧道工程、库岸边坡、大型露天矿边坡，不适合激烈变化的边坡工程
结构物如桥梁的监测
可用于激烈变化的边坡工程
桥梁
结构物监测
由于光纤应变监测需要将监测传感器布置到需要监测的部位，对于一些不能布点的监测部位，光纤应变监测无法使用。
3.对地观测监测技术
对地观测监测技术，是利用卫星或飞机上的测量传感器实现对地面进行沉降或位移监测的技术。
目前主要包括GPS全球定位系统、D-InSAR（Differential－InterferometricSyntheticApertureRadar）差分干涉雷达测量和机载激光三维扫描等技术。
3.1GPS监测技术
3.1.1GPS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。
3.1.2GPS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[2]、李家峡水电站滑坡[3]，龙羊峡水库近岸滑坡[4]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[5]、深圳帝王大厦、隔河岩大坝[6]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[7]。
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[8]等工程中。
3.1.3GPS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[6]。
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。
GPSRTK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。
3.1.4GPS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[1]。
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。
3.2D-InSAR监测技术
3.2.1D-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]。
采用D-INSAR技术用于变形监测研究，最早于1989年，Grabriel等[21]首次论证了D-InSAR技术探测厘米级的地表形变，并用SeasatL波段SAR测量美国加利福尼亚州东南部的ImperialValley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，认为用ERS数据监测地面沉降变化可以达到10mm的精度[24]。
在国内，近几年也加快在D-InSAR技术方面的研究，先后对苏州地区的地表沉降[25]、天津市的地表沉降[26]、沧州地面沉降[27]、香港赤腊角机场沉降[28]、长江三峡库区的地形变及滑坡监测[29]等进行应用研究，取得了很多宝贵的经
.2.2D-InSAR在形变监测应用方面存在的问题
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
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