浅谈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

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 (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。

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]。

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]：

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。