變形測(cè)量-第九章 變形測(cè)量新技術(shù)

1、(1)數(shù)字化近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的原理；(2)高精度變形測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)；(3)GPS技術(shù)進(jìn)行變形測(cè)量。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)的日益大眾化，由中南大學(xué)曾卓喬教授主持開(kāi)發(fā)數(shù)字化近景攝影測(cè)量系統(tǒng)（PHOTO系統(tǒng)）。該系統(tǒng)更具有工程實(shí)用性。能并在巖土工程開(kāi)挖領(lǐng)域如礦山巷道、塌陷坑及地鐵、鐵路、大型沉井等工程的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，以及森林調(diào)查、交通事故調(diào)查等領(lǐng)域成功地應(yīng)用。 攝影測(cè)量作為一種遙感式數(shù)據(jù)采集方法，作業(yè)人員可以遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。盡管從原理上講，常規(guī)攝影測(cè)量可用于各種目的的測(cè)繪，但存在： （1）設(shè)備過(guò)于專(zhuān)業(yè)化、價(jià)格昂貴； （2）所需工作環(huán)境在工程中往往難以滿足，如地下空區(qū)測(cè)量既

2、難于設(shè)置攝站，又不易布設(shè)物方控制； （3）數(shù)據(jù)處理技術(shù)復(fù)雜； （4）數(shù)據(jù)處理周期長(zhǎng)、信息反饋慢等原因而難于推廣。 數(shù)字化近景攝影測(cè)量數(shù)據(jù)主系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如圖72，所需環(huán)境為Windows95 或Win98， Auto CAD for Win，中文之星（對(duì)于中文版）。數(shù)字化近景攝影測(cè)量系統(tǒng)（PHOTO）包括的子系統(tǒng)構(gòu)成如圖73。 數(shù)字化近景攝影測(cè)量系統(tǒng)由圖像處理、立體重建計(jì)算、位移分析和繪圖4個(gè)軟件系統(tǒng)構(gòu)成。 1圖像處理系統(tǒng) 圖像處理系統(tǒng)的功能是：在計(jì)算機(jī)屏幕上，用鼠標(biāo)量測(cè)每張照片的像點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出每張照片上像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)x，y值，并存入數(shù)據(jù)文件。 2立體重建計(jì)算系統(tǒng) 立體重建計(jì)算系統(tǒng)用改

3、進(jìn)后的P-H算法，用Fortran語(yǔ)言編程。目標(biāo)點(diǎn)（控制點(diǎn)和待定點(diǎn)）在像空間坐標(biāo)系和物空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系。 3位移分析系統(tǒng) 位移分析系統(tǒng)，其基礎(chǔ)理論是附有已知條件的自由網(wǎng)平差和擬穩(wěn)平差。用Fortran語(yǔ)言編程。當(dāng)各像點(diǎn)的兩期物空坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)后，利用該系統(tǒng)解算出各測(cè)點(diǎn)的三維位移量或二維位移量（垂直位移和指向基坑方向的水平位移）。 4繪圖子系統(tǒng) 繪圖子系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)算出的各點(diǎn)和各攝站的三維物空坐標(biāo)調(diào)入AutoCAD程序，可給出在XY，XZ，YZ平面的測(cè)點(diǎn)、攝站布置圖。 能連續(xù)或定時(shí)對(duì)多個(gè)合作目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、照準(zhǔn)、跟蹤、測(cè)角、測(cè)距和三維坐標(biāo)測(cè)定的自動(dòng)跟蹤全站儀稱(chēng)為測(cè)量機(jī)器人（GEOROBOT

4、）。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化程度高，能全天候工作，特別適應(yīng)于工程開(kāi)挖體及各種建（構(gòu)）筑物的變形觀測(cè)。 測(cè)量機(jī)器人是以測(cè)邊和三邊交會(huì)法確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)解決全自動(dòng)觀測(cè)的問(wèn)題。即在具體實(shí)施時(shí)，需要建立三個(gè)觀測(cè)站，并安裝三套自動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)，在被監(jiān)測(cè)對(duì)象上設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安置反光鏡，并在計(jì)算機(jī)的控制下，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。而對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)量的計(jì)算，則是以第一次測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)作為初始值，以后每測(cè)一次都得到一組新的坐標(biāo)值，然后將全部數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示出正在觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移過(guò)程線、安全狀態(tài)等，并按預(yù)設(shè)參數(shù)作超限時(shí)的報(bào)警。 現(xiàn)代現(xiàn)代GPSGPS技術(shù)能夠提供毫米級(jí)實(shí)時(shí)

5、定位精度，目前已技術(shù)能夠提供毫米級(jí)實(shí)時(shí)定位精度，目前已被成功地用于對(duì)高層建筑、大壩、橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)的被成功地用于對(duì)高層建筑、大壩、橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)的變形或位移的監(jiān)測(cè)。比如，加拿大的卡爾加里高塔變形或位移的監(jiān)測(cè)。比如，加拿大的卡爾加里高塔（Calgary TowerCalgary Tower）、美國(guó)）、美國(guó)Diamond Valley LakeDiamond Valley Lake大壩、美大壩、美國(guó)舊金山海灣大橋（國(guó)舊金山海灣大橋（Bay BridgeBay Bridge）以及英國(guó)的）以及英國(guó)的HumberHumber大橋大橋等，我國(guó)清江隔河巖大壩等，我國(guó)清江隔河巖大壩GPSGPS監(jiān)測(cè)、虎

6、門(mén)大橋都采用了監(jiān)測(cè)、虎門(mén)大橋都采用了GPSGPS技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)這些大型工程結(jié)構(gòu)的安技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)這些大型工程結(jié)構(gòu)的安全性動(dòng)態(tài)評(píng)估和安全預(yù)警。全性動(dòng)態(tài)評(píng)估和安全預(yù)警。 采用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)，其基本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由GPS基站（參照站）、GPS遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站、通訊系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)中心組成。GPS參照站為參照GPS接收機(jī)系統(tǒng)，包括GPS接收機(jī)、接收機(jī)天線、電源及通訊裝置等。它安裝在已精確定位且安全穩(wěn)定的地點(diǎn)，跟蹤所有可見(jiàn)衛(wèi)星，并為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站提供差分糾正。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站包括GPS接收機(jī)、接收機(jī)天線、電源及通訊裝置等，安裝在合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置上。它同時(shí)接收幾個(gè)衛(wèi)星發(fā)來(lái)的定位信號(hào)。通訊系統(tǒng)可以

7、是有線或無(wú)線系統(tǒng)，為基站、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)控制中心提供信息通訊網(wǎng)絡(luò)鏈接。GPS基站（參照站）將坐標(biāo)差分糾正通過(guò)有線或無(wú)線通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)地傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星定位信號(hào)和基站發(fā)來(lái)的差分糾正信號(hào)，并運(yùn)行其GPS軟件計(jì)算出其三維坐標(biāo)，然后將計(jì)算出的坐標(biāo)信息傳輸給監(jiān)測(cè)控制中心。監(jiān)測(cè)控制中心對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通常包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、位移分析等，給出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在特定方向上的位移信息，并做出安全評(píng)估和預(yù)警。(1)為了獲得監(jiān)測(cè)所需要的毫米級(jí)精度，可采用載波相位差分GPS技術(shù)。這種特定的差分技術(shù)精度高，可以有效地消除GPS衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差，降低衛(wèi)星星歷（軌道）誤差和大氣誤差，能滿足監(jiān)測(cè)的精度要求。(

8、2)研究表明，星歷（軌道）誤差和大氣誤差往往隨著參照站與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站之間的距離增加而增大，因此，參照站位置通常應(yīng)盡可能地布置在距離遠(yuǎn)程檢測(cè)站較近的地方，其周?chē)M可能地避免有較大的構(gòu)筑物和其它設(shè)備、設(shè)施，以減少多路徑影響。而遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站通常應(yīng)該布置在發(fā)生最大變形點(diǎn)或最有可能發(fā)生變形的地點(diǎn)，當(dāng)然，其周?chē)矐?yīng)該盡可能地避開(kāi)有可能造成多路徑誤差或星歷誤差的設(shè)施。 可見(jiàn)，切換天線陣列的可見(jiàn)，切換天線陣列的GPSGPS邊坡檢測(cè)系統(tǒng)大邊坡檢測(cè)系統(tǒng)大大減少了大減少了GPSGPS接收機(jī)的數(shù)量，從而大幅度地降低監(jiān)接收機(jī)的數(shù)量，從而大幅度地降低監(jiān)測(cè)成本，這對(duì)于建立較大規(guī)模的測(cè)成本，這對(duì)于建立較大規(guī)模的GPSGPS監(jiān)測(cè)系

9、統(tǒng)來(lái)說(shuō)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)意義重大。意義重大。 參照系統(tǒng)安裝在穩(wěn)定的地表，四個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在變形邊坡上。圖中點(diǎn)0、1、2、3標(biāo)明的為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)0、1、2沿邊坡頂端布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3則布置在露天坑頂端監(jiān)測(cè)點(diǎn)0、1、2以下45m處,下圖為監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的GPS天線所在位置圖片?？梢钥闯觯O(jiān)測(cè)點(diǎn)3布置在露天臺(tái)階的中間，這主要是考慮到既要有利于邊坡移動(dòng)的監(jiān)測(cè)，又要避免因靠邊坡太近而造成的多路徑誤差以及受到邊坡遮擋而導(dǎo)致可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)減少而引起精度降低。 GPS問(wèn)世以后，由于它具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性，很快就廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)。應(yīng)用GPS進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，目前有兩種模式。一種模式是只用幾臺(tái)GPS接收機(jī)，人工定期逐

10、點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)后處理獲得各期之間的變形，這種模式的GPS變形監(jiān)測(cè)屬于常規(guī)的變形監(jiān)測(cè)模式，云陽(yáng)寶塔的GPS變形監(jiān)測(cè)就屬于這種模式；另一種模式就是在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上都安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，不間斷地進(jìn)行全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)，這種模式的變形監(jiān)測(cè)實(shí)例有中國(guó)地殼形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和隔河巖大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。 第一種模式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、成本低，GPS接收機(jī)可以與其他工程共享，其缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不能連續(xù)監(jiān)測(cè)大壩變形。第二種模式的優(yōu)點(diǎn)是能自動(dòng)連續(xù)地監(jiān)測(cè)大壩變形，其缺點(diǎn)是成本很高，尤其是當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)很多時(shí)，造價(jià)十分昂貴。 為了克服上述兩種模式中各自的缺點(diǎn)，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，研制成功了GPS多天線共享器，見(jiàn)圖1。用該多天線共享器建立的GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上只需安裝天線，不需安裝GPS接收機(jī)，即一臺(tái)