（廈門閩礦測繪院 福建廈門 361004）

1 引言

變形監(jiān)測就是利用專用的儀器和方法對變形體的變形現象進行持續(xù)觀測、對變形體變形性態(tài)進行分析和變形體變形的發(fā)展態(tài)勢進行預測等的各項工作。其任務是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小、及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。隨著科學技術的不斷發(fā)展，測量儀器不斷更新監(jiān)測手段也更加多樣化。新的技術手段逐漸取代傳統的測量方式。現代變形監(jiān)測正逐步實現多元數據融合、自動化、快速、實時的立體監(jiān)測體系。

2 變形監(jiān)測新技術

2.1 GPS 一機多天線

在一般的變形監(jiān)測中，我們在需要監(jiān)測的目標上安裝GPS 接收機。如果有很多監(jiān)測目標的話，顯然監(jiān)測成本會提高，針對這一問題，河海大學何秀鳳（2002）研發(fā)了GPS 一機多天線系統[1]。它的設計思路為，將多根天線同時連接在一臺GPS 接收機上，這樣就可以在每個監(jiān)測點上只安裝GPS 天線，不安裝接收機，實現多個監(jiān)測目標共用一臺接收機（圖1）。GPS 一機多天線系統的核心部件是一機多天線控制器，讓它保證系統能夠互不干擾地接收來自若干個不同監(jiān)測目標的傳輸信號，最后通過后處理軟件獲取高精度的定位信息。

圖1 GPS 多天線控制器原理框圖

GPS 多天線控制器由硬件和軟件兩部分組成，把計算機實時控制技術和無線電通訊中的微波開關技術有機地結合在一起，實現只用一個接收機即可互不干擾地接收多個GPS 天線傳輸來的信號。硬件是由8個GPS 天線和具有8 通道的微波開關、對應的微波控制開關及一臺GPS 接收機組成。利用軟件實現8個GPS 天線分時工作。系統的軟件部分功能是實時控制微波開關中各個通道的斷通，保證信號正常的接收到。一機多天線系統最大的優(yōu)點在于保證了定位精度，降低了監(jiān)測系統成本，實際定位精度可達3-4mm，通過后期的濾波技術可實現更高的定位精度。

2.2 偽衛(wèi)星增強

當GPS的可視衛(wèi)星個數和幾何圖形條件受到遮擋影響時，GPS 定位精度會大大降低，甚至無法定位。在這種條件下，利用GPS/偽衛(wèi)星組合定位技術，可增強衛(wèi)星的幾何強度[2]，提高定位精度。偽衛(wèi)星（Pseudo-Satellite 或Pseudolite，縮寫為PL），是布設在地面上或空中的發(fā)射器，能發(fā)射與GPS 相似的信號。通常提及的偽衛(wèi)星大部分都是針對GPS 設計的。利用它作為一種無線電信號的發(fā)送設備，能夠實現增強GPS 星座的效果，和真實衛(wèi)星一樣，它也能和其他傳感器或衛(wèi)星一起形成獨立的導航定位系統。偽衛(wèi)星的精密載波相位測量有非常廣泛的應用，例如高樓林立城市中的監(jiān)測和山區(qū)復雜條件下的變形監(jiān)測等[3][4]。盡管偽衛(wèi)星是一顆地面衛(wèi)星，但它會因為平臺位置的不同會導致定位結果不同。所以利用地面無線電發(fā)射機和飛艇作為偽衛(wèi)星平臺，結果是不同的。偽衛(wèi)星具有能夠改善信號和幾何圖形的可用性，但是如果和用戶距離太近就會在捕獲信號過程中產生遠近效應、多路徑等誤差。實驗表明，系統誤差去除后的基線向量X、Y、Z 三個方向的標準差分別為0.1mm、0.1mm、0.3mm。

圖2 基準衛(wèi)星及偽衛(wèi)星基站分布

2.3 GPS 與InSAR 融合技術

InSAR是監(jiān)測地表變形的新技術，它具有高空間分辨率、低成本、全天時成像等優(yōu)點，在大范圍地表變形監(jiān)測中表現出了巨大的優(yōu)勢，將會給這個領域帶來技術革命。但是InSAR 技術也有缺陷，特別是電離層和對流層對它的影響。學者研究發(fā)現將該技術與GPS技術進行融合能夠改善這一缺陷。因為GPS 在地面上有著很高的定位精度，借助它可以改正InSAR 數據的大氣延遲誤差和軌道誤差，而且可以把GPS 高平面位置精度與InSAR 技術高空間分辨率和高的高程變形精度的有效統一起來，進一步優(yōu)化了InSAR 適用范圍和監(jiān)測精度[5]。在地面上把GPS 接收機同步放置在“角反射器”上，當雷達波掃到這些GPS控制點并成像時，會在相應雷達圖像上產生亮點。如地面上可以在雷達圖像上產生亮點的標志都可以作為GPS控制點。這些控制點既有精度很高的地理坐標又有精確影像坐標。利用它可對InSAR 生成的DEM 和干涉圖像進行校正，得到更好的結果。芮勇勤（2010）利用InSAR 與GPS 融合技術對禹州至登封高速公路進行變形監(jiān)測，效果頗為滿意。

2.4 激光雷達（LiDAR）測量技術

發(fā)射器發(fā)射激光束后，經介質傳播到地面或物體表面，再被反射回接收器。如果精確記錄下發(fā)射時刻和接收時刻，那么激光器至地面或者物體表面的距離（R）就可以通過以下公式計算出來：R=ct/2。這就是激光雷達（Lidar）測量技術原理。激光雷達的載荷平臺可以是衛(wèi)星、航空飛機、汽車或架設于地面腳架，根據平臺不同分別稱為星載、機載、車載和地面激光雷達。Lidar是主動式傳感器，波長屬于近紅外波段，一般在910～1064nm 之間。所有類型的激光雷達，最終獲取的數據都是被測量體的三維地理坐標。因為它可以獲取高精度的地面或物體表面的三維空間坐標，所以激光雷達（Lidar）測量技術發(fā)展非常迅速并逐漸走向實用化。

針對西雅圖地區(qū)滑坡頻發(fā)的問題，Schulz（2007）[6]利用機載Lidar 數據和該地區(qū)滑坡記錄，對滑坡穩(wěn)定性進行了分析。作者認為，由于該地區(qū)的森林密布，利用航空攝影，解譯得到影像與真實的地質、地貌吻合的不是太好，主要還是因為光線不能穿過森林導致無法拍攝到真實地貌。作者利用Lidar 數據來分析，最后圈出的滑坡體是過去用航空影像圈定的滑坡體的四倍多，這是因為Lidar 能穿過樹木，所獲取數據更符合真實地貌。

馬洪超等（2008）[7]曾用機載Lidar 對2008年“5·12”特大地震引發(fā)的都（都江堰）-汶（汶川）公路上的滑坡進行監(jiān)測。在短短的1Km 范圍內圈定了多個滑坡體，并對滑坡體的土方和傾角等進行了估算和測量，結果表明該技術在滑坡災后應急響應中是可行的。在精度上，Z方向的精度最好可達10cm-15cm,最差0.5m。Z方向的定位精度優(yōu)于XY方向，XY方向上的精度為15cm-1m。

2.5 三維激光掃描與RTK 融合技術

為了監(jiān)測礦區(qū)的變形，中國礦業(yè)大學吳侃、周大偉[8]等利用地面三維激光掃描儀與RTK 結合建立短期觀測站。針對傳統觀測站的缺點，短期觀測站有眾多優(yōu)勢。其融合測量流程如下：掃描完一站之后，卸下三維激光掃描儀，把流動站GPS 接收機安裝在標靶上，該標靶做了改進，在標靶的上方加工一個螺絲，這樣可以實時獲取該測站點及后視點的三維坐標，把后視轉到下一測站點。之后再把三維激光掃描儀放在下一測站點的腳架上，應用RTK 獲取的三維坐標設置測站點及后視點，就緒后進行掃描采集點云數據。

這一技術主要優(yōu)勢就是無需建立常規(guī)觀測站，可以快速獲取所需參數快。解決了常規(guī)觀測站的布置繁瑣、觀測耗時耗力和測點容易缺少的問題。在改進標靶上RTK的三維中誤差為28mm，高程中誤差為15mm，利用該技術所求取的概率積分法參數完全滿足礦區(qū)生產需要，實踐證明精度可靠。

2.6 攝影測量技術

圖3 地面三維激光掃描儀與RTK 結合測量流程圖

地面攝影測量在變形監(jiān)測中應用非常廣泛，目前已用于變形監(jiān)測的各個領域，如建筑物的沉降、傾斜，礦山變形和考古等各個領域，其應用的領域非常廣泛。在礦區(qū)變形監(jiān)測方面，石必明、任偉中等人將非量測數字相機數字化近景攝影測量技術用于沉陷模型的試驗觀測，取得了不錯的效果[9]。盛業(yè)華等采用未經標定的非量測相機，利用數字近景攝影測量技術進行礦山地表塌陷區(qū)的沉陷監(jiān)測[10]得出了地表的沉陷參數。楊化超[11]將普通數字相機用于小范圍塌陷區(qū)的數字近景攝影測量，構建的數字高程模型(DEM)可以用于礦山開采引起的地表沉陷分析，其測定精度滿足該工程分析的精度要求。從目前的研究成果來看，近景攝影測量解算出來的點位精度多為分米級，影響精度的主要因素有攝像機的分辨率、成像范圍大小和像控點的布設形式等。分米級的點位精度是各種誤差來源的綜合影響。攝影測量技術在高程上的監(jiān)測精度還有待進一步提高。

3 結論

變形監(jiān)測手段隨著科技的發(fā)展和現場的需要不斷的向前發(fā)展和革新。每一種手段技術都有它的優(yōu)勢和不足，監(jiān)測范圍和精度有差異，適用性也不同。在不同的監(jiān)測目標下，綜合考慮監(jiān)測成本和監(jiān)測精度，采用不同的技術手段，監(jiān)測效果和效率會有所不同。將兩種甚至更多技術融合起來，功能可以互補起來，將會起到更好的效果，這也將是以后發(fā)展的趨勢。但是，有些新技術我國的研究還是相當薄弱，尚處于起步階段，如Lidar 技術，2005年才首次使用該技術，因此還有待于更深層次的研究。目前，從國內外的使用和試驗情況來看，這些新的監(jiān)測技術技術基本實現了數據的自動獲取、實時快速監(jiān)測。

[1]何秀鳳,楊光,華錫生.基于GPS 一機多天線的大壩形變監(jiān)測系統[J].導航,2002,3:30-35.

[2]劉超,高井祥,王堅等.GPS/偽衛(wèi)星技術在露天礦邊坡監(jiān)測中的應用[J].煤炭學報.2010,5:755-756.

[3]Stone J.M.,Le Master E.A.,Powell J.D.&Rocks.(1999) GPS Pseudolite Transceiver s and Their Applications [A].Proceeding sof US ION National Technical Meeting [C],San Diego ,California,25-27 January,415- 424.

[4]Dai L.,Wang J.,Rizos C.&H an S.(2001b)Pseudo-satellites applications in deformation monitoring [J].GPS Solutions,5(3):80- 87.

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[6]Schulz.W.H.,2007.Landslide susceptibility revealed by Li－DAR imagery and historical records,Seattle,Washington.Engineering Geology.

[7]馬洪超,姚春靜,張生德,2008.機載激光雷達在汶川地震應急響應中的若干關鍵問題探討.遙感學報,(6):925－932.

[8]周大偉,吳侃等.地面三維激光掃描與RTK 相結合建立開采沉陷觀測站[J].2011,36(3):79-81.

[9]石必明,俞啟香.遠距離保護層開采煤巖移動變形特性的試驗研究[J].煤炭科學與技術,2005,33 (2):39-41.

[10]盛業(yè)華,閆志剛,宋金鈴.礦山地表塌陷區(qū)的數字近景攝影測量監(jiān)測技術[J].中國礦業(yè)大學學報,2003,32 (4):412-415.

[11]楊化超,鄧喀中,張書畢等.數字近景攝影測量技術在礦山地表沉陷監(jiān)測中的應用研究[J].中國圖像圖形學報,2008,13(3):519-524.