礦區(qū)地表變形監(jiān)測方法探討

21/21本科畢業(yè)論文礦區(qū)地表變形監(jiān)測方法探討DＩSCUＳSIONONMONITORIＮＧMETHODOFMINＥSURFAＣEDEFORMATIＯN學院(部）：專業(yè)班級:學生姓名:指導教師：年月日礦區(qū)地表變形監(jiān)測方法探討摘要近年來,人們對礦區(qū)的大規(guī)模開采,使得礦區(qū)地表變形越來越嚴重,地表變形成為整個礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題之一。在礦區(qū)不管是露天還是地下開采都不可避免地引起礦區(qū)地貌的變化，礦區(qū)地表的變形對整個礦區(qū)環(huán)境、礦區(qū)建筑物、生態(tài)等帶來了嚴重的影響，也影響了礦區(qū)安全生產(chǎn)。因此,進行地表變形監(jiān)測成為礦區(qū)安全生產(chǎn)不可缺少的一部分，是礦區(qū)的重中之重。監(jiān)測數(shù)據(jù)中我們可以找出變形的規(guī)律,從而我們可以從中找出變形體變形的原因，來得到解決方案。而怎樣進行變形監(jiān)測將成為今日的熱門話題,本文將重點論述傳統(tǒng)的和近代的一些變形監(jiān)測技術,詳細的闡述各技術的原理。不同監(jiān)測技術是否能聯(lián)合使用，以及對比性的來說明各監(jiān)測技術。關鍵字:礦區(qū)地表，變形監(jiān)測,監(jiān)測方法DISCUSSＩＯNOＮMONＩＴORIＮＧＭEＴHODOFMIＮESURFＡCEDＥFORＭＡTIOＮABＳTRＡCＴＩnｒｅｃeｎtyｅars,lａｒge－sｃaｌeｍiｎinｇａreａs,ｓotｈaｔmｏreandmorｅｓeｖereminiｎgofsurfaｃedｅformatioｎ，ｓurfａcedefｏrmａt(yī)ioｎbecｏｍｅoneｏftheeｎvｉronｍentaｌprｏbｌeｍｓoｆthemineｇeｏlogy.Inｔｈｅminingａrea，whethｅrｏpen-ａiｒorunderｇrouｎｄminiｎｇｗｉｌliｎevitablyｌeaｄtoｃhanｇesｉnthelaｎdscapeoftheｍiｎｉngarea，miｎｅsｕrfａcｅdｅfｏｒmatｉonontheｍiｎeenvｉrｏnment,miniｎgbuiｌdings,pｏseｓaｓｅriｏuseｃｏloｇicalimpａct，butalｓｏaffecｔedｔｈemｉｎeｐroductioｎsaｆｅty。Theｒeｆorｅ，thｅsurfacｅdeformaｔiｏnmｏnitｏringmｉｎesafetｙｈasｂｅcomeaｎindisｐｅnsableｐａrtofｔheprｏductioｎ，itisthemoｓtiｍpoｒｔantｍiningarea。Monitｏrｉngｄａt(yī)a，wecanfindoutｔｈerulesｄefoｒｍablesowecaｎfinｄoutthecauseofａlａrgedｅformatｉon，ｔｏoｂｔainｓoｌuｔｉoｎs．Andhowtoｃonductdeforｍatioｎｍｏnitoringｗilｌbecｏmeahottopictoｄay,Thisartｉcｌefｏcｕｓeｓｏnsoｍeｏfthetraditiｏnalandmｏdernｄeforｍaｔioｎｍｏnitoringtechｎoloｇｙ,ｅlaboｒaｔedtheprincipleofeａchtechnology.Areｄiffｅｒentmonｉtorｉnｇｔeｃhniquesｃanbeｕｓｅdiｎcoｍbinatｉon，aswelｌａscomparativeｔｏiｌlustrateｔhevarｉouｓmonitorｉｎgtecｈniquｅs。KEYWＯRDS:SurｆaceMinｉｎg，DeｆormationMonｉtoring，MｏniｔｏringmethｏｄsTＯC\o”1－3＂\h\z＼uHＹPERLINK＼l＂＿Tｏｃ41９７2９88３”摘要?PAGEREＦ_Ｔｏｃ419７2988３\ｈ2HYＰERLINK＼l"_Toc41972988４＂AＢSTRＡＣＴ?PAGＥＲEＦ＿Ｔｏc4１９７２9884\ｈ3HYPＥRLINK＼l”_Tｏｃ41972９885”緒論 PAGERＥF＿Tｏｃ４1972988５\h5HYPERＬＩNK＼ｌ"_Ｔoc419729886"1。變形監(jiān)測概述?ＰＡGEＲEF_Toc4１97298８6＼h5HYＰEＲＬINK1.2變形監(jiān)測的研究對象 PAGEREＦ＿Ｔoc４19729888\h6HYPERLIＮＫ\ｌ"_Toｃ4１972９88９＂１．3變形監(jiān)測的特點?PAGEＲEF_Toｃ４1９72９８８9\h6HYＰEＲLIＮK\l＂＿Ｔｏc4197２９89０＂1。4變形監(jiān)測技術的發(fā)展?ＰAＧEＲEF_Tｏc419７２9890\h7HYPEＲLＩＮＫ＼l＂＿Toc41９729891”1。５變形監(jiān)測技術的未來 ＰAＧERＥF_Toc4197２9891\ｈ8ＨYPERＬＩNK\l”＿Ｔｏc419729892"1。6對礦區(qū)進行變形監(jiān)測的意義 PＡGＥREＦ_Toc4１972９89２＼h8HYPＥRＬINK＼l”_Ｔoc419729８93”2.變形監(jiān)測方法?PAGERＥF_Toc41９７29８93\h8HＹPERLIＮK\ｌ”_Toc419729８94＂2。１常規(guī)大地測量方法?ＰＡＧEREF_Toｃ４１9729８94\h9HYPERLINＫ\ｌ"_Toｃ41９729895”2。１.１常規(guī)大地測量方法含義?ＰAＧEREＦ＿Ｔoc419729８95\h９HYPEＲＬINK\l”_Ｔoc419７29896”2．1。2常規(guī)大地測量使用儀器?PAGEREＦ＿Ｔoｃ419729896\h9HYＰERLIＮK\l”＿Tｏc4１9729897"2。1．3常規(guī)大地測量方法 PAGEREF_Tｏｃ４19７29897\h9ＨYPERLINＫ\ｌ"_Toc4１9７2９898"２。2ＧＰS一機多天線技術 PAGERＥF_Toc4197２9898\h１０HYＰERLＩＮＫ\l＂_Tｏc4１972９89９”2.２．１GPＳ一機多天線工作原理 PAGEREF＿Toc４197２9899\h１１ＨYＰＥＲLＩＮK\ｌ＂_Toc419729900”2.2.２監(jiān)測系統(tǒng) PAGEREF_Ｔｏc419729900\h11ＨYPEＲＬINＫ\l＂_Toｃ41972990１＂2。2．3GPS一機多天線特點?ＰAGEREF_Toc41972９9０1＼h１2HYＰERLIＮK３。激光掃描技術?PAGEREF_Tｏc４１972９９02\ｈ13HYPERLINK＼l"＿Toc41972９９０３”3.1背景介紹?PＡGEＲEＦ_Ｔoc４197２９903\h13ＨＹPEＲLIＮK\l＂_Toc41972９９0４”３.2激光原理 PＡGEREＦ＿Toc419729904\h14ＨYPEＲLINK3。2．1激光原理 ＰAGEＲEF_Tｏc4197299０5\h14ＨYPＥRLINK\ｌ＂＿Tｏc４19７２9906”３．2．３激光的特性 PＡＧEREF_Ｔoc419729906\ｈ1５HYPEＲＬＩＮK\l＂_Toc41972９90７”3．３激光雷達（ＬIＤAＲ）?PAＧEREF_Tｏｃ419729907\h1５HＹPERLIＮＫ\l”_Tｏc419７29９08”３.3.1激光雷達工作原理 ＰＡGEREF＿Toc4１97２990８＼h16HＹPERLINＫ\l＂_Ｔｏc41９7２9909"３.3.2激光雷達技術優(yōu)勢?PＡＧEREF＿Ｔoｃ4１9７２9909\h16HYPERＬINK\ｌ”_Toc419７2９９1０＂3.３。3激光雷達技術應用現(xiàn)狀?９７29910＼h17ＨＹＰEＲLINK\l”＿Toc41972９９11＂３.4激光掃描儀的原理 PAGＥRＥF＿Toc４19729911＼ｈ17HYPERLINK\ｌ"_Toc4197２9912＂3．4。１激光掃描方式 ９912\h１7HYPEＲLINK＼ｌ＂_Ｔoｃ419729913”３。４．2激光掃描儀的測量原理 PAGＥREF_Toc419729９13\ｈ１８HYPEＲＬINK3。8激光掃描技術與傳統(tǒng)測量技術的區(qū)別 PAGERＥF_Toc41972９9１7\ｈ２３緒論?隨著近幾年煤礦的不斷開采,礦區(qū)災害已成為社會關注的熱點。如何確保礦區(qū)工程的安全,防止礦區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)生，就成為施工者面臨的重要問題。影響地表穩(wěn)定性的因素很多,及時、準確地提供變形監(jiān)測數(shù)據(jù),才能確保施工人員正確的分析礦區(qū)地表的變形狀態(tài)，從而確保礦區(qū)及其周圍建筑物的安全。常用的變形監(jiān)測的方法通常是在礦區(qū)附近設置穩(wěn)定的觀測點,然后再觀測點上安置儀器對變形監(jiān)測點進行監(jiān)測.在觀測過程中，為了避免礦區(qū)已有的變形對觀測點的影響,觀測基站應遠離變形區(qū)；同時為了保證通視條件，提高觀測精度,觀測基站又要盡可能的靠近監(jiān)測點這兩者本身就是矛盾的。因此，很難采用固定的站點對礦區(qū)進行監(jiān)測。為此,該文中提出現(xiàn)階段應用于變形監(jiān)測中的一些方法對變形進行監(jiān)測,論述了不同監(jiān)測方法在礦區(qū)變形監(jiān)測中的測量，對比了不同測量方案。1.變形監(jiān)測概述1.1變形監(jiān)測的含義變形是在自然界中常見的現(xiàn)象,它是指在各種外力作用下,其形狀、大小及位置在時間、空間領域中的變化。變形的變形體有一定范圍的要求,在適當?shù)姆秶鷥?nèi)是允許的，如果超出允許值，這在很大程度上會導致災難。這種危險的現(xiàn)象有可能發(fā)生在我們的生活中,如地震，山體滑坡，巖崩，地表塌陷,火山爆發(fā)，大壩，橋梁坍塌，建筑物等與建筑物的倒塌等.變形監(jiān)測是利用特殊的設備和有效的方法對變形現(xiàn)象進行的觀測，這種情況將是一個對變形分析的過程，根據(jù)變形發(fā)展趨勢來預測現(xiàn)狀，我們把這種工作稱為變形監(jiān)測。其任務是確定變形體的形狀,大小和狀態(tài)以及變形體在時間、空間中由負載外力引起的變化。在精密測量中，最具代表性的變形體又不大壩，高層建筑,坡,隧道,礦山開采沉陷等地表變形。1.2變形監(jiān)測的研究對象在工程測量中,研究最具有代表性的變形體有礦區(qū)、橋梁、大壩、邊坡、隧道、地表沉降等。而根據(jù)變形體的研究范圍，可將變形監(jiān)測研究對象劃分為三部分:（1)全球性變形研究,如監(jiān)測全球板塊運動、地極移動、地球自轉(zhuǎn)速率變化、地潮等;（2）區(qū)域性變形研究,如地殼形變監(jiān)測、城市地面沉降等；(3）工程和局部性變形研究，如監(jiān)測工程建筑物的三維變形、滑坡體的滑動、地下開采引起地表移動和下沉等。1．3變形監(jiān)測的特點與一般的工程測量相比，變形監(jiān)測有著自己的特點：1）．變形監(jiān)測有著多科學性的特點變形監(jiān)測有時不能簡單的理解為測量工作,不是測量人員單獨完成的問題，一般需要其他相關學科的科研人員共同參與,由于變形體的種類繁多，變形體的變形所受影響因素以及作用方式有很大的差別,很大程度上牽涉到地質(zhì)構(gòu)造、工程結(jié)構(gòu)、設計理論以及變形體受溫度、濕度、風力等各種外界環(huán)境因素的影響.因此,在這種復雜的變形監(jiān)測中，我們需要結(jié)合多種學科，測量學、工程地質(zhì)學、水文地質(zhì)學、結(jié)構(gòu)力學、建筑工程學。計算機學科等諸多學科的知識,來對變形體作出科學合理的分析、解釋，對變形體以后的發(fā)展趨勢作出及時的預測和預報。因此，變形監(jiān)測是一門多種學科相結(jié)合的邊緣學科，是測量人員與其他學科人員合作研究的領域。２）。變形監(jiān)測具有很強的時間性變形體的變形一般有一定的時間性,發(fā)生在某一時間段或一個時刻，而變形監(jiān)測就要在變形體的變形時間段內(nèi)進行。根據(jù)監(jiān)測目的，監(jiān)測方法的不同，變形監(jiān)測就有了分期監(jiān)測和連續(xù)監(jiān)測,兩者相比分期監(jiān)測者居多。在分期監(jiān)測中每一期觀測實際上都需要持續(xù)觀測一段時間來完成。期間我們要選擇合適的時間或時刻來進行觀測，來對變形進行合理的分析、判斷和預測。變形監(jiān)測的時間性還與觀測周期有著聯(lián)系。如果變形的速度較快，我們應盡可能的縮短觀測周期；如果觀測的變形體變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)，觀測周期可以長點；為了確保變形體的安全和防止不確定的因素的影響，即使變形穩(wěn)定后一般也要隔一定時間仍然堅持觀測。3)。變形監(jiān)測的精度要求差異較大監(jiān)測的目的、變形體的類型及部位的不同變形監(jiān)測的精度要求也不同。在為了確保工程建筑物安全上變形監(jiān)測精度要求達到變形值的十分之一。在科學研究中監(jiān)測精度一般遠遠高于安全監(jiān)測的精度要求.像傾斜度的監(jiān)測,如果為了保障居民居住安全,精度可能要求低，如果是高聳的大廈,監(jiān)測精度就要求高了。４）．需要多種測量儀器和測量方法的聯(lián)合使用在變形監(jiān)測中，由于變形監(jiān)測的精度存在著很大的差異，監(jiān)測周期的不確定性，有的需要連續(xù)監(jiān)測，因此我們就必須有針對性地運用不同的監(jiān)測儀器、監(jiān)測方法。在一些大區(qū)域的變形監(jiān)測領域，如全球變形監(jiān)測，常采用甚長基線干涉測量和GPS相對定位技術，來監(jiān)測地殼板塊的相對運動。在精密工程監(jiān)測中，可以采用常規(guī)大地測量儀器，但有時還的需要特殊的儀器聯(lián)合使用。在監(jiān)測大規(guī)模的地表沉陷,一般用一種測量方法和儀器是完成不了的，常需要地面測量。攝影測量和遙測等方法和儀器的綜合使用。1.4變形監(jiān)測技術的發(fā)展 隨著科學技術和變形監(jiān)測的要求不斷提高，變形監(jiān)測技術不斷地發(fā)生著變化。在20世紀80年代以前,監(jiān)測技術主要是采用常規(guī)大地測量技術。采用經(jīng)緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等常規(guī)測量儀器測定點的變形。這種測量方法能夠提供變形體整體的變形狀態(tài);適用于不同的監(jiān)測精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測環(huán)境;可以提供相對的變形信息。但是由于它的外業(yè)工作量太大，布點受地形條件的影響，不易實現(xiàn)自動化監(jiān)測。在近10年來,ＧＰＳ技術的快速發(fā)展，使得其在隧道、橋梁、大壩、礦區(qū)等方面的變形監(jiān)測中得到了大范圍的應用.其監(jiān)測精度能達到㎜級。GPS測量技術耗費時間短,效率高；數(shù)據(jù)信息豐富，便于進行變形的對比分析,監(jiān)測工作簡單、快速、安全;精度高并且不受地形條件限制。GPS測量技術給世界帶來了一場巨大的革命,國外從20世紀80年代開始用GPS進行變形監(jiān)測。近年來，我國利用GPＳ進行大壩變形、礦區(qū)地表沉陷等方面的變形監(jiān)測。作為ＧPS測量RＴＫ網(wǎng)絡技術的一種,測量的精度得到了進一步提高，而且測量受到的限制條件也少了很多。１.5變形監(jiān)測技術的未來(１）多種傳感器、數(shù)字近景攝影、全自動化跟蹤全站儀和GPS的應用，使得變形監(jiān)測方向向著連續(xù)、實時、高效率、自動化、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的方向發(fā)展；(２）變形監(jiān)測在時間和空間上的采樣率得到了大大提高，變形監(jiān)測自動化為變形分析提供極為豐富的數(shù)據(jù)信息;(3)為了要求在一些復雜環(huán)境下長期、穩(wěn)定可靠地進行監(jiān)測,需要高度可靠、實用、先進的監(jiān)測儀器和自動化系統(tǒng)；(4）實現(xiàn)遠程持續(xù)在線實時監(jiān)控，在大壩、橋梁、邊坡體等工程測量中將發(fā)揮巨大作用，網(wǎng)絡監(jiān)控是推進重大工程監(jiān)測安全的必由之路。1。６對礦區(qū)進行變形監(jiān)測的意義近五十年來，采礦事業(yè)快速發(fā)展,很多礦區(qū)都進行了大規(guī)模的開采,一些礦區(qū)地表在井下開采區(qū)域內(nèi)發(fā)生了變形和地表移動，造成地上建筑物產(chǎn)生皸裂被破壞,礦區(qū)范圍表面出現(xiàn)不同程度的變形。對礦區(qū)進行變形監(jiān)測,可以對變形發(fā)展態(tài)勢進行預測和研究，監(jiān)測礦區(qū)在垂直方向和水平方向上的位移，以確保地表建筑物及其周圍環(huán)境的安全,還能為恢復礦區(qū)地表、重建礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境提供參數(shù)。２。變形監(jiān)測方法傳統(tǒng)的方法:常規(guī)大地測量方法,如三角測量法、導線測量法、水準等。現(xiàn)階段一些新技術:ＧＰＳ一機多天線技術、激光掃描技術、合成孔徑雷達干涉測量技術、三維光學掃描技術(應用與工業(yè)領域）不做詳細解說。2。１常規(guī)大地測量方法2。1。1常規(guī)大地測量方法含義常規(guī)大地測量方法是通過測量高程、角度、坐標、邊長來測定變形的方法，該種方法直觀、儀器工具簡單且普及，能解決各種精度級別的要求，是變形監(jiān)測的主要方法。２.1.2常規(guī)大地測量使用儀器經(jīng)緯儀、全站儀、水準儀、測距儀２.1。3常規(guī)大地測量方法1)．三角測量法在地面上按一定的要求選定一系列觀測點Ａ,B，C…所有點都滿足與周圍相鄰近點的通視，構(gòu)成三角形網(wǎng)狀。在各點上可以進行水平角觀測，從而精確測量各三角形的內(nèi)角。三角網(wǎng)的元素：起算元素；已知點的坐標、邊長和已知的方位角。觀測元素:三角網(wǎng)中觀測的所有邊長或角度.推算元素:由起算元素和觀測元素的平差值推算的三角網(wǎng)中其他的邊長、坐標方位角和各點的坐標。由于三角點布設成網(wǎng)狀時，能夠控制整個礦區(qū)，有利于加密圖根控制網(wǎng)；作業(yè)比較簡單，只需測量少數(shù)邊長和一些水平角，一般都是精密測角、測距,所以精度高；內(nèi)業(yè)平差計算時由于幾何條件多,點位精度相對較高.因此三角測量法一般是工程作業(yè)的主要方法.2)．導線測量法設想將地面控制點連接成一條折線的形狀,直接測量各邊的邊長和相互之間的夾角,若已知１點的坐標和邊1２的方位角α12,就可以推算該條導線上的所有控制點的坐標.不過需要注意的是為了控制方位角傳算誤差的積累,需要沿導線測定必要數(shù)據(jù)的天文方位角。優(yōu)點:布設靈活,容易克服地形障礙，導線測量只要求相鄰兩點通視,在不易開展三角測量的地方，比如森林、隱蔽地區(qū)、高山地區(qū)等，為了需要可以布設導線測量。因此可降低占標的高度,費用少,便于觀測，網(wǎng)內(nèi)邊長可以直接觀測,精度均勻.缺點：導線結(jié)構(gòu)簡單,檢核條件不足，不易發(fā)現(xiàn)粗差，可靠性也就不高。３）。三邊測量及邊角同測法三邊測量和邊角同測法的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)與三角測量法一樣，只是觀測的數(shù)據(jù)不同而已，三邊測量觀測的是三角形的三條邊的邊長，根據(jù)余弦定理計算各內(nèi)角。如果在測角基礎上在加測部分或全部邊長,則叫邊角同測法。相對來說，導線測量是三角測量的輔助測量，雖說測量簡單但由于考慮到精度、檢核問題，我們一般采用三角測量法.在一些不利于三角測量的地區(qū)附加用導線測量.但隨著電磁波測距技術的發(fā)展以及電磁波測距儀的普及,建立邊角網(wǎng)與導線網(wǎng)的測量方法逐漸被采用.和三角測量相比，導線測量網(wǎng)中的方向數(shù)據(jù)少，除了節(jié)點外只有兩個方向,布設網(wǎng)形靈活,在隱蔽地區(qū)很容易克服地形障礙；導線測量只要求相鄰兩點間的通視,可降低占標的高度,造標費用少;而且便于組織測量，工作量也少,受天氣條件影響小;網(wǎng)內(nèi)邊長可直接測量,邊長精度均勻.當然，導線測量也有它的缺點：導線結(jié)構(gòu)簡單，沒有三角網(wǎng)那么多的檢核條件，不易發(fā)現(xiàn)粗差，可靠性也就不高;結(jié)構(gòu)簡單,單線推進,控制面積不足,兩者的結(jié)合使用是測量工作者常用的方法.４）.天文測量法天文測量法是在地面點上架設儀器，通過觀測天體并記錄觀測天體瞬間位置的時刻，來確定地面觀測點的地理位置,即確定該點的天文經(jīng)度、天文緯度和該點到另一點的天文方位角.這種工作簡單、測量誤差也不會累積,各點彼此獨立觀測，不需要兩點之間通視.這種測量精度低，不能用于建立控制網(wǎng).但為了推算方位角，需要在每隔一段距離的三角測量點上觀測天文數(shù)據(jù),用來推求大地方位角。推算公式:A=式中：A：大地方位角L：大地經(jīng)度：天文緯度：天文經(jīng)度：天文方位角２.2ＧPS一機多天線技術近年來,GＰS定位技術已廣泛應用于測繪工作中，與常規(guī)監(jiān)測方法相比,采用GPＳ監(jiān)測手段,具有不受地形要求，不受通視條件、距離的限制，排除了人為的觀測誤差影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候觀測,有三維空間變形同步監(jiān)測的優(yōu)勢。由于礦區(qū)變形監(jiān)測一般情況下要布設很多個監(jiān)測點，ＧPS儀器設備成本高,在礦區(qū)布設大量的GPS接收機投資太大，這就制約著GPS在變形監(jiān)測中的應用。為了解決這一問題,技術人員在不斷地探索中提出了ＧPS一機多天線的方法，讓GPS在變形檢測中的廣泛應用成為可能。2。2．1ＧPS一機多天線工作原理GＰＳ一機多天線由1臺接收機連接多個天線，每個監(jiān)測點上只安裝ＧPＳ天線,不安裝接收機,多個測點共用1臺GPS接收機.與1臺GPＳ天線使用1部GPS接收機相比，這樣建立的變形監(jiān)測系統(tǒng)的成本因GＰS接收機數(shù)量的減少而大大降低。基于此設計思路研制開發(fā)了ＧPS多天線控制器，該控制器是由8個GＰS天線和具有8個通道的微波開關、相應微波開關控制電路以及1塊ＧPＳOＥＭ接收機主板有機集成而成。每個ＧＰS天線與微波開關相應通道連接，該微波開關的8個信號通道的通斷狀態(tài)受開關控制電路控制，通過軟件編程實時控制微波開關電路中各通道的通或斷。最新研制開發(fā)的ＧPS多天線控制器以嵌入式工業(yè)控制機PC—１04作為控制器的核心,并集成微波開關GＰS－OＥＭ板，能夠確保整個系統(tǒng)在惡劣的野外環(huán)境下長期連續(xù)工作。此外，開發(fā)的相應控制軟件能有效地對GＰS原碼觀測數(shù)據(jù)進行存儲與傳輸。以GＰS一機多天線技術為核心建立的變形監(jiān)測系統(tǒng)如圖２所示,由３部分組成：1）.數(shù)據(jù)采集,由GPS多天線控制器完成；2）．數(shù)據(jù)傳輸，通過光纜或GＰＲS等實現(xiàn);3).控制中心，系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)多天線控制器狀態(tài)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?、成果分析與數(shù)據(jù)管理等功能.２.2。2監(jiān)測系統(tǒng)礦區(qū)地表變形監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、計算機網(wǎng)絡、應用軟件、趨勢分析及預警5個子系統(tǒng)組成，見圖5。圖5系統(tǒng)組成原始監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分主要負責各監(jiān)測點GPS數(shù)據(jù)的接收和存儲，其核心部分是一機多天線控制器,由硬件和軟件控制兩大部分構(gòu)成。硬件部分包括多通道微波開關及相應的控制電路、一臺ＧＰS接收機及相應的處理芯片;軟件部分實現(xiàn)控制多通道工作方式并可設置測點的觀測時間、與ＧＰS接收機通訊和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能,通過采用實時控制技術，使接收機能夠互不干擾地接收若干個GPS天線傳輸來的信號.系統(tǒng)基于工業(yè)控制中常用的嵌入式系統(tǒng)PCO104架構(gòu)，從而更為有效地控制系統(tǒng)運行以及監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲與傳輸.數(shù)據(jù)無線傳輸主要負責將采集到的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂浦行?，主要利用GPRＳ技術實現(xiàn)。2。２。３ＧPＳ一機多天線特點１、測站間無需通視。ＧPS測量只需測站上空開闊即可，從而使變形監(jiān)測的點位布設方便靈活，并節(jié)省不必要的中間過度點，節(jié)省開支；2、可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息;3、全天候監(jiān)測，ＧPＳ測量不受氣候條件限制，配備防雷設施后，GPＳ變形檢測系統(tǒng)便可以實現(xiàn)全天候觀測,它對防汛抗洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害檢測等領域極為重要;4、檢測精度高;5、操作簡便,易于實現(xiàn)檢測自動化；6、GPS大地高用于垂直位移測量；３.激光掃描技術3．１背景介紹激光掃描技術是一種新興空間信息獲取技術,是一種獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段,因快速、精確、無接觸測量的優(yōu)勢在眾多領域發(fā)揮著不可或缺的作用，尤其是在測這一行業(yè)中，在變形監(jiān)測、3D數(shù)字城市、地圖測量等等上的快速、準確運用，是在ＧPS變革后的又一次技術變革.隨著對激光掃描技術的進一步深入,它的應用領域?qū)⒏訌V泛,人們對空間三維信息的需求更加迫切.基于原始測距測角的工程測量方法，在理論、設備和應用等諸多方面都已相當成熟，全站儀可以完成工業(yè)目標的高精度測量，ＧＰＳ可以全天候的精確定位全球任何位置的三維坐標，多用于一些特殊目標點的高精度測量.隨著傳感器、電子、光學、計算機等技術的發(fā)展,計算機獲取物體表面三維信息的攝影測量與遙感技術成為主流,但它在由三維轉(zhuǎn)換為二維影像的過程中,不可避免地會丟失部分幾何信息，所以從二維影像來理解三維客觀世界,這本身存在著局限性。因此,如何獲取空間三維信息,來滿足應用的需求，如何快速、有效地將現(xiàn)實世界的三維信息數(shù)字化并能快速導入計算機成為解決這一問題的難題。激光測量技術的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，為信息數(shù)字化發(fā)展提供了必要的生存條件。隨著三維激光掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升及價格的逐步下降，它在測繪領域成為研究的熱點，應用領域不斷擴展,逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一。激光掃描測量技術解決了傳統(tǒng)測量技術的局限性,采用不接觸主動測量方式直接獲取三維數(shù)據(jù)，能夠把任意物體進行掃描，得到應有的數(shù)據(jù),而且沒有白天和夜晚的限制,快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點,可以極大地降低成本,能夠節(jié)約時間,而且使用起來方便,可直接與CAＤ、三維動畫等工作軟件接口。激光掃描技術是一種剛剛起步的產(chǎn)品,這項技術還沒有廣泛推廣。但是激光掃描技術與傳統(tǒng)測量方法相比較，有許多傳統(tǒng)測量方法沒有的優(yōu)點，同時激光掃描技術還存在許多待解決的問題：1)三維激光掃描技術在現(xiàn)階段還難以檢驗和校驗；2）激光掃描技術還不能完全勝任高精度的工程測量工作;３）激光掃描技術獲得的數(shù)據(jù)量十分大,需要特殊的軟件,加快處理速度;4)模型構(gòu)建有一定的主觀性；５）設備費用太高。3．2激光原理3.2．１激光原理光與物質(zhì)的相互作用，實質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子,同時改變自身運動狀況的表現(xiàn).微觀粒子都具有特定的一套能級(通常這些能級是分立的）。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態(tài)（或者簡單地表述為處在某一個能級上）.與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，并相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為=△E/h（h為普朗克常量)。１）受激吸收（簡稱吸收)處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)(即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞）,吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。２）自發(fā)輻射粒子受到激發(fā)而進入的高能態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級,即使沒有外界作用,粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(Ｅ2）向低能級（E1)躍遷，同時輻射出能量為(E2－Ｅ1)的光子,光子頻率=（E2－E1)/h.這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。３）受激輻射、激光1917年愛因斯坦從理論上指出:除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級.他指出當頻率為=(E2-E1）／h的光子入射時，也會引發(fā)粒子以一定的概率,迅速地從能級E2躍遷到能級E１,同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子,這個過程稱為受激輻射?？梢栽O想,如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率=（E２－Ｅ1)/h的光子入射，從而激勵E２上的原子產(chǎn)生受激輻射,得到兩個特征完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子,又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個特征相同的光子，這意味著原來的光信號被放大了.這種在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光.圖2.1激光原理３。2.3激光的特性1）高方向性:普通光向四面八方輻射,而激光基本沿某一直線傳播,激光束的發(fā)散角很小。2)單色性：指光強按頻率的分布狀況，激光的頻譜寬度非常窄。3）高亮度：在單位面積、單位立體角內(nèi)的輸出功率特別大.４）相干性：時間相干性和空間相干性都很好.３．３激光雷達(LＩDAＲ)激光雷達測量技術是全球近年來發(fā)展起來的第三代前沿測繪技術，其基本的技術原理是,通過發(fā)射與回收激光點得到發(fā)射點與被反射點之間的空間直線距離與空間角度,再通過發(fā)射點的空間坐標直接得到反射點的空間坐標。三維激光雷達測量系統(tǒng)是一種主動遙感裝置,是實現(xiàn)空間三維坐標和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實現(xiàn)客觀事物三維實時、變化、真實形態(tài)特性再現(xiàn)的先進測量系統(tǒng)。3．3．1激光雷達工作原理激光雷達的工作原理與雷達非常相近。由激光器發(fā)射出的脈沖激光由空中入射到地面上，打到樹木上，道路上,橋梁上,房子上，引起散射。一部分光波會經(jīng)過反射返回到到激光雷達的接收器中.接收器通常是一個光電倍增管或一個光電二極管，它將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺涗浵聛?同時由所配備的計時器記錄下來同一個脈沖光信號由發(fā)射到被接收的時間T。于是,就能夠得到由飛機上的的激光雷達到地面上的目標物的距離R為: ?這里C代表光速，是一個常數(shù),即C=3０0,０00公里／秒。激光雷達每一個脈沖激光的最大距離分辨率(maxiｍｕｍrａｎgeresoｌutiｏn）也可由以下公式給出:? 這里，tL代表激光脈沖的長度，tＮ代表接收器電子器件的時間常數(shù)，tＷ代表激光與目標物體的碰撞時間常數(shù)。對于一個Ｑ-開關的Ｎd:ＹAG激光器,它的脈沖常數(shù)是10納秒,接收器電子器件的時間常數(shù)sｔN一般是５0納秒到２00納秒，激光與目標物體的碰撞時間常數(shù)tＷ較小,一般忽略不計。因此,距離分辨率⊿R一般在7.５米到3０米。３．3．2激光雷達技術優(yōu)勢三維激光雷達測量系統(tǒng)按承載方式可分為機載激光雷達測量系統(tǒng)與地面激光雷達測量系統(tǒng)兩類，與傳統(tǒng)航測相比，激光雷達測量技術具有很大的技術優(yōu)勢與綜合經(jīng)濟優(yōu)勢.1）成果的整體精度與精細程度更高:三維激光雷達測量系統(tǒng)是主動式的直接測量技術，單點精度遠高于立體像對模擬測量技術的精度；三維激光雷達測量系統(tǒng)采集原始點的密度遠遠高于傳統(tǒng)航測,平均每平方米可達到一個、甚至十幾個原始數(shù)據(jù)點,這是傳統(tǒng)航測立體像對模擬技術采集或工程測量人工采集所無法比擬的;2）生產(chǎn)效率高、工期相對較短:三維激光雷達測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時受天氣的影響比傳統(tǒng)航測要??；三維激光雷達測量系統(tǒng)技術只需少量的人工野外測量工作，內(nèi)業(yè)智能化、自動化生產(chǎn)水平較高；而傳統(tǒng)航測必須要基于大量野外測量工作的基礎之上,并采用立體像對模擬技術、通過大量人工內(nèi)業(yè)測量工作來完成生產(chǎn)；3)成果質(zhì)量更有保障：三維激光雷達測量系統(tǒng)成果的精度基本不受野外工作的影響,而傳統(tǒng)航測的關鍵基礎是需要大量野外人工工作，顯然野外人工工作的質(zhì)量是較難控制的；三維激光雷達測量系統(tǒng)在現(xiàn)場就可以直接快速確定原始成果的質(zhì)量情況，而傳統(tǒng)航測在現(xiàn)場無法直接確定原始成果的質(zhì)量情況；三維激光雷達測量系統(tǒng)是同時采集激光點云、數(shù)碼影像等多源原始數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)之間彼此可以互驗，而傳統(tǒng)航測只采集單影像類原始數(shù)據(jù)；4）應用價值更加深遠：基于真實環(huán)境的三維地形、地貌數(shù)字成果將是今后數(shù)字城市發(fā)展的核心基礎，三維激光雷達測量系統(tǒng)所生產(chǎn)的三維數(shù)字化成果?？梢詾榇颂峁姶蟮募夹g支撐，將對各行各業(yè)的三維數(shù)字化帶來深刻的變革與影響,其應用價值將更加深遠。3。３.3激光雷達技術應用現(xiàn)狀目前激光雷達測量技術在國內(nèi)各行業(yè)已得到初步應用,但是由于相關技術標準的滯后以及相關人才的缺乏,激光雷達測量技術的應用深度仍然遠遠不夠,歸納起來有以下一些特點：１）機載激光雷達測量技術采集及加工的測繪成果精度更多集中在小于或等于1：2000比例尺精度測量成果，更大比例尺的成果很少,且航飛采集容易受天氣、軍事等不可預見因素的影響，機動性較差；２）地面激光雷達測量技術已初步應用于加工１：500等大比例尺的數(shù)字線劃圖測量，但往往只適用于采集與加工小范圍測繪，而且僅用于加工數(shù)字線劃圖(ＤLG)與數(shù)字地面模型(ＤTＭ），而無法加工數(shù)字正射影像圖(DＯＭ）.３.４激光掃描儀的原理3。4.1激光掃描方式三維激光掃描儀所得到的原始觀測數(shù)據(jù)主要是：1）根據(jù)2個連續(xù)轉(zhuǎn)動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值；2）根據(jù)脈沖激光傳播的時間而計算得到的儀器到掃描點的距離值;3）掃描點的反射強度等。前兩種數(shù)據(jù)用來計算掃描點的三維坐標值，掃描點的反射強度則用來給反射點匹配顏色,脈沖激光測距的原理如圖2.2所示。掃描儀的發(fā)射器通過激光二極管向物體發(fā)射近紅外波長的激光束,激光經(jīng)過目標物體的漫反射,部分反射信號被接收器接收。通過測量激光在儀器和目標物體表面的往返時間，計算儀器和點間的距離。圖2。2掃描目標示意圖實時三維激光掃描裝置與傳統(tǒng)近景攝影測量的方法相比的優(yōu)點有：采用實時三維激光掃描裝置可以克服傳統(tǒng)方法中的速度慢，實時掃描裝置具有超高速測量、無須重復、免去腳手架、快速建模高質(zhì)量信息、減少返工、快速循環(huán)、安全、易于操作的優(yōu)點。能對工作人員不能直接到達的地方對物體進行測量。它是對測量目標進行數(shù)據(jù)獲取快速有效途徑.激光掃描裝置采用激光對所測單點坐標發(fā)光，再接受光，測定點位三維坐標.如果所測目標是按一定間隔連續(xù)測量則如圖2.3所示:這可將掃描區(qū)域按X和Ｙ自動進行掃描,X方向400。Y方向也是400,可完成整個區(qū)域的三維掃描，得到目標的表面三維坐標值。圖2.3掃描目標示意圖3。4.２激光掃描儀的測量原理在近景攝影測量中，一旦確定了立體像對中兩張像片之間的關系(有時候也需要確定與地面之間的關系),即定向操作，那么在像片重疊范圍內(nèi)任意給定某地面點在左右像片上相應點的像坐標,就可以解算出該點的空間坐標；反過來也是一樣的，給定某地面點的空問坐標，根據(jù)定向參數(shù),我們也可以解算出該點在左右像片上的像坐標,這也是我們得到離散點群的數(shù)學基礎.一般情況下，無論是傳統(tǒng)的方式還是采用數(shù)字近景攝影測量的方式,得到這些離散點云的方式有兩種：一種是基于立體影像的數(shù)據(jù)采集:一種是影像匹配也即數(shù)字相關。本文研究則采用激光掃描的方式來獲取這樣的離散點云。在三維激光掃描儀內(nèi)，有一個激光脈沖發(fā)射體，兩個反光鏡快速而有序的旋轉(zhuǎn),將發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域。測量每個激光脈沖從發(fā)出到被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時間來計算距離，同時編碼器測量每個脈沖的角度，可以得到被測物體的三維真實坐標在這里我們設激光掃描儀通過脈沖傳播的時間的到一起的掃描點的間距值為S，精密時鐘控制編碼其同步側(cè)二兩每個激光脈沖和向掃描角度觀測值φ和縱向掃描角度觀測值ω。前面三種數(shù)據(jù)用來計算掃描點的三維坐標值。激光掃描三維測量一般使用儀器內(nèi)部坐標系,X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描內(nèi)與Ｘ軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直（如圖２。4）.由此可以得到三維激光點坐標的計算公式： 圖2。4激光掃描原理圖3。5激光掃描儀種類我們按照激光掃描儀的系統(tǒng)劃分，從掃描的空間位置或系統(tǒng)運行平臺來劃分可分為如下三類:1)機載（或星載）型激光掃描儀。這類系統(tǒng)由激光掃描儀（LS)，飛行慣導系統(tǒng)（INS)。GPS定位系統(tǒng)、成像裝置（UI)、計算機以及數(shù)據(jù)采集器、記錄器、處理軟件和電源構(gòu)成。GPＳ系統(tǒng)給出成像系統(tǒng)和掃描儀的精確空間三維坐標,慣導系統(tǒng)給出其空中的姿態(tài)參數(shù)，由激光掃描儀進行空對地式的掃描來測定成像中心到地面采樣點的精確距離，再根據(jù)幾何原理計算出采樣點的三維坐標。國際著名廠商美國徠卡、0PTEcH、德國IGI、奧地利RIGEL等公司都先后推出了各自的機載三維激光掃描設備。2）地面型激光掃描儀。此類別可劃分為兩類:一類是移動式掃描系統(tǒng),一類是固定式掃描系統(tǒng)。所謂移動式掃描系統(tǒng)，它是集成了激光掃描儀,CCD相機以及數(shù)字彩色相機的數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng).GPS接收機,基于車載平臺，由激光掃描儀和攝影測量獲得原始數(shù)據(jù)作為三維建模的數(shù)據(jù)源。而固定式的掃描儀系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測量中的全站儀,它由一個激光掃描儀和一個內(nèi)置或外置的數(shù)碼相機，以及軟件控制系統(tǒng)組成。二者的不同之處在于固定式掃描儀采集的不是離散的單點三維坐標，而是一系列的“點云”數(shù)據(jù).這些“點云”數(shù)據(jù)可以直接用來進行三維建模。而數(shù)碼相機的功能就是提供對應模型的紋理信息。目前，瑞典TｏpＥye機載系統(tǒng)、加拿大Optｃcｈ公司的ＡLTMl02０GG系統(tǒng)、美國的Fｌｉ.Ｍapｌ系統(tǒng)等都已經(jīng)用于快速獲取大面積三維地形數(shù)據(jù)。圖2．5固定式地面型激光掃描儀３）手持型激光掃描儀，是一種便攜式的激光測距系統(tǒng)。可以精確的給出物體的長度、面積、體積測量。可以幫助用戶在數(shù)秒內(nèi)快速的測得精確、