變形測量第九章變形測量新技術(shù)

1、(1)數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)的原理；(2)高精度變形測量機器人系統(tǒng)；(3)GPS技術(shù)進行變形測量。 隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，以及數(shù)碼相機、攝像機的日益大眾化，由中南大學(xué)曾卓喬教授主持開發(fā)數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)（PHOTO系統(tǒng)）。該系統(tǒng)更具有工程實用性。能并在巖土工程開挖領(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。 攝影測量作為一種遙感式數(shù)據(jù)采集方法，作業(yè)人員可以遠離被測對象進行測量。盡管從原理上講，常規(guī)攝影測量可用于各種目的的測繪，但存在： （1）設(shè)備過于專業(yè)化、價格昂貴； （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、信息反饋慢等原因而難于推廣。 數(shù)字化近景攝影測量數(shù)據(jù)主系統(tǒng)的運行過程如圖72，所需環(huán)境為Windows95 或Win98， Auto CAD for Win，中文之星（對于中文版）。數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)（PHOTO）包括的子系統(tǒng)構(gòu)成如圖73。 數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)由圖像處理、立體重建計算、位移分析和繪圖4個軟件系統(tǒng)構(gòu)成。 1圖像處理系統(tǒng) 圖像處理系統(tǒng)的功能是：在計算機屏幕上，用鼠標(biāo)量測每張照片的像點，系統(tǒng)自動計算出每張照片上像點的像平面坐標(biāo)x，y值，并存入數(shù)據(jù)文件。 2立體重建計算系統(tǒng) 立體重建計算系統(tǒng)用改

3、進后的P-H算法，用Fortran語言編程。目標(biāo)點（控制點和待定點）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語言編程。當(dāng)各像點的兩期物空坐標(biāo)計算出來后，利用該系統(tǒng)解算出各測點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)將計算機系統(tǒng)算出的各點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平面的測點、攝站布置圖。 能連續(xù)或定時對多個合作目標(biāo)進行自動識別、照準(zhǔn)、跟蹤、測角、測距和三維坐標(biāo)測定的自動跟蹤全站儀稱為測量機器人（GEOROBOT

4、）。測量機器人自動化程度高，能全天候工作，特別適應(yīng)于工程開挖體及各種建（構(gòu)）筑物的變形觀測。 測量機器人是以測邊和三邊交會法確定監(jiān)測點的三維坐標(biāo)來解決全自動觀測的問題。即在具體實施時，需要建立三個觀測站，并安裝三套自動測距系統(tǒng)，在被監(jiān)測對象上設(shè)置多個監(jiān)測點，在監(jiān)測點上安置反光鏡，并在計算機的控制下，對各個監(jiān)測點進行自動監(jiān)測。而對于監(jiān)測點的移動量的計算，則是以第一次測得的各測點的坐標(biāo)作為初始值，以后每測一次都得到一組新的坐標(biāo)值，然后將全部數(shù)據(jù)自動存入數(shù)據(jù)庫，并在計算機屏幕上實時顯示出正在觀測的監(jiān)測點的位移過程線、安全狀態(tài)等，并按預(yù)設(shè)參數(shù)作超限時的報警。 現(xiàn)代現(xiàn)代GPSGPS技術(shù)能夠提供毫米級實時

5、定位精度，目前已技術(shù)能夠提供毫米級實時定位精度，目前已被成功地用于對高層建筑、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。比如，加拿大的卡爾加里高塔變形或位移的監(jiān)測。比如，加拿大的卡爾加里高塔（Calgary TowerCalgary Tower）、美國）、美國Diamond Valley LakeDiamond Valley Lake大壩、美大壩、美國舊金山海灣大橋（國舊金山海灣大橋（Bay BridgeBay Bridge）以及英國的）以及英國的HumberHumber大橋大橋等，我國清江隔河巖大壩等，我國清江隔河巖大壩GPSGPS監(jiān)測、虎

6、門大橋都采用了監(jiān)測、虎門大橋都采用了GPSGPS技術(shù)進行長期連續(xù)監(jiān)測，并實現(xiàn)對這些大型工程結(jié)構(gòu)的安技術(shù)進行長期連續(xù)監(jiān)測，并實現(xiàn)對這些大型工程結(jié)構(gòu)的安全性動態(tài)評估和安全預(yù)警。全性動態(tài)評估和安全預(yù)警。 采用GPS技術(shù)監(jiān)測，其基本監(jiān)測系統(tǒng)主要是由GPS基站（參照站）、GPS遠程監(jiān)測站、通訊系統(tǒng)和監(jiān)測中心組成。GPS參照站為參照GPS接收機系統(tǒng)，包括GPS接收機、接收機天線、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，跟蹤所有可見衛(wèi)星，并為遠程監(jiān)測站提供差分糾正。遠程監(jiān)測站包括GPS接收機、接收機天線、電源及通訊裝置等，安裝在合理的監(jiān)測點位置上。它同時接收幾個衛(wèi)星發(fā)來的定位信號。通訊系統(tǒng)可以

7、是有線或無線系統(tǒng)，為基站、遠程監(jiān)測站和監(jiān)測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)差分糾正通過有線或無線通訊系統(tǒng)實時地傳輸給遠程監(jiān)測站。遠程監(jiān)測站接收衛(wèi)星定位信號和基站發(fā)來的差分糾正信號，并運行其GPS軟件計算出其三維坐標(biāo)，然后將計算出的坐標(biāo)信息傳輸給監(jiān)測控制中心。監(jiān)測控制中心對收到的數(shù)據(jù)進行處理，通常包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、位移分析等，給出各個監(jiān)測點在特定方向上的位移信息，并做出安全評估和預(yù)警。(1)為了獲得監(jiān)測所需要的毫米級精度，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程監(jiān)測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程檢測站較近的地方，其周圍盡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。而遠程監(jiān)測站通常應(yīng)該布置在發(fā)生最大變形點或最有可能發(fā)生變形的地點，當(dāng)然，其周圍也應(yīng)該盡可能地避開有可能造成多路徑誤差或星歷誤差的設(shè)施。 可見，切換天線陣列的可見，切換天線陣列的GPSGPS邊坡檢測系統(tǒng)大邊坡檢測系統(tǒng)大大減少了大減少了GPSGPS接收機的數(shù)量，從而大幅度地降低監(jiān)接收機的數(shù)量，從而大幅度地降低監(jiān)測成本，這對于建立較大規(guī)模的測成本，這對于建立較大規(guī)模的GPSGPS監(jiān)測系

9、統(tǒng)來說監(jiān)測系統(tǒng)來說意義重大。意義重大。 參照系統(tǒng)安裝在穩(wěn)定的地表，四個遠程監(jiān)測點分別布置在變形邊坡上。圖中點0、1、2、3標(biāo)明的為監(jiān)測點位置。其中，監(jiān)測點0、1、2沿邊坡頂端布置，監(jiān)測點3則布置在露天坑頂端監(jiān)測點0、1、2以下45m處,下圖為監(jiān)測點3的GPS天線所在位置圖片?？梢钥闯?，監(jiān)測點3布置在露天臺階的中間，這主要是考慮到既要有利于邊坡移動的監(jiān)測，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)致可見衛(wèi)星數(shù)減少而引起精度降低。 GPS問世以后，由于它具有無與倫比的優(yōu)越性，很快就廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測。應(yīng)用GPS進行變形監(jiān)測，目前有兩種模式。一種模式是只用幾臺GPS接收機，人工定期逐

10、點采集數(shù)據(jù)，通過后處理獲得各期之間的變形，這種模式的GPS變形監(jiān)測屬于常規(guī)的變形監(jiān)測模式，云陽寶塔的GPS變形監(jiān)測就屬于這種模式；另一種模式就是在每個監(jiān)測點上都安置一臺GPS接收機，不間斷地進行全天候自動監(jiān)測，這種模式的變形監(jiān)測實例有中國地殼形變監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和隔河巖大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)等。 第一種模式的優(yōu)點是簡單、經(jīng)濟、成本低，GPS接收機可以與其他工程共享，其缺點是不能實現(xiàn)自動化，不能連續(xù)監(jiān)測大壩變形。第二種模式的優(yōu)點是能自動連續(xù)地監(jiān)測大壩變形，其缺點是成本很高，尤其是當(dāng)監(jiān)測點很多時，造價十分昂貴。 為了克服上述兩種模式中各自的缺點，發(fā)揮各自的優(yōu)點，研制成功了GPS多天線共享器，見圖1。用該多天線共享器建立的GPS監(jiān)測系統(tǒng)在每個監(jiān)測點上只需安裝天線，不需安裝GPS接收機，即一臺