变形监测论文

变

形

监

测

论

文

——变形监测理论与技术发展的研究现状

姓名：谢石勇

学号：20114062

论文题目：变形数据理论与技术发展的研究现状

论文摘要：论述变形监测在工程建设、管理中的意义，以及变形监测的内涵

变迁；变形监测的监测技术与数据处理技术的发展进程；总结变形监测与技术发展的现状以及其趋势。

关键词：变形监测，数据处理，监测技术，发展现状与趋势，研究理论。

正文：

1.变形监测概论

人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模，造型，难度提出了更高的要求。与此同时，变形监测工作的意义更为重要。在工程项目建设中，由于受到多种主观或者客观的因素影响，会产生变形，变形如果超过了规定限度就会影响建筑物的正常使用，严重者还可能造成损失，而变形监测的首要目的就是要掌握变形体的实际性状，从而为判断其安全提供必要的信息。

变形监测队工程的施工和运营管理极为重要，变形监测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机等诸多学科的知识，因此它是一项跨科学的研究。变形监测主要涉及研究三方面的内容：变形信息的获取、变形信息的的分析与解释以及变形预报，它主要是掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，验证一些形变的运动以及设计有效的变形模型。

2.变形监测的一些技术介绍和分析

2.1.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。

2.1.1 自动全站仪监测技术

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。

2.1.2 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。

2.1.3 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。

2.2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。

2.2.1三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。

2.2.2三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。

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－Interferometric Synthetic Aperture Radar）差分干涉雷达测量和机载激光三维扫描等技术。

3.1 GPS监测技术

3.1.1 GPS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。

3.1.2 GPS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。

3.1.3 GPS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。GPS RTK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。

3.1.4 GPS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。

4.基于GIS的监测数据分析系统

随着GIS技术的发展，GIS已不单是简单的地图工具，它通过科学的手段将现实空间世界转化为数学模型，通过这些数学模型的分析计算并结合各专业知识进行创造性分析来解决问题。基于GIS的变形分析与预报专家系统，开始成为热门的研究。利用GIS工具进行变形分析的关键，要在GIS系统中解决四维时空的问题[40]，利用GIS进行变形分析主要利用统计方法分析变形与各影响因素之间的关系，利用GIS的叠加功能等得到变形灾害图，结合基于GIS数据库的力学模型，进行变形的分析与预报。GIS 就是将与变形有关的众多的内因和外因，所有数据都抽象为GIS的向量层或者栅格数据层，然后利用力学参数模型进行灾害评估和分析。

另外，GIS可以把大坝、滑坡体及其周围地区的地形、地貌、地物、变形测量点等信息放置到电子地形图上。通过图形与属性数据库的连接和多期变形测量结果趋势性计算与变形趋势图的制作，建立可视化的变形测

量查询、分析、管理信息系统，将更加有利于变形测量分析与管理。基于Web-GIS平台开发实时监测预报系统，可以实现全国范围内灾害信息的发布与查询。

4.变形监测技术的发展趋势

（1）多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪、地面三维激光扫描系统和GPS的应用，将向实、连续、高效、自动化、动态监测系统的方向发展，比如，某大坝变形监测系统是由机器人、GPS和特殊测量仪器所构成的最优测量方案；

（2）变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据；

（3）高度可靠、实用，先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣的环境下课稳定可靠的进行；

（4）实现远程在线实时监控，再大坝、桥梁、地铁、边坡体等工程中发挥巨大作用。

5.总结

随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅速发展，RTS、GPS、RS、内观传感器及GIS技术已从各自独立发展进人相互集成融合的阶段。在大范围的地质灾害监测方面，逐渐形成大时间尺度以遥感（RS）为主，配

合中长距离的GPS监测，小时间尺度的监测主要以实时自动监测手段为主。形成从天上到地面，从面到点的立体监测网络，技术集成为分析和研究各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑。

因此，现代工程变形监测技术，综合体现在数据获取的高精度、自动化，监测设备多层次的集优化，变形数据分析的专业化、信息化，监测信息共享的网络化。

参考文献：

《变形监测数据处理》武汉大学出版

《GPS测量原理及应用》武汉大学出版

变形数据监测百度百科