變形測量-第九章變形測量新技術第一頁，共27頁。一、數字化近景攝影測量系統

隨著計算機技術的迅速發展，以及數碼相機、攝像機的日益大眾化，由中南大學曾卓喬教授主持開發數字化近景攝影測量系統（PHOTO系統）。該系統更具有工程實用性。能并在巖土工程開挖領域如礦山巷道、塌陷坑及地鐵、鐵路、大型沉井等工程的監測領域，以及森林調查、交通事故調查等領域成功地應用。第二頁，共27頁。數字化近景攝影測量系統的特點及適用范圍

攝影測量作為一種遙感式數據采集方法，作業人員可以遠離被測對象進行測量。盡管從原理上講，常規攝影測量可用于各種目的的測繪，但存在：（1）設備過于專業化、價格昂貴；（2）所需工作環境在工程中往往難以滿足，如地下空區測量既難于設置攝站，又不易布設物方控制；（3）數據處理技術復雜；（4）數據處理周期長、信息反饋慢等原因而難于推廣。第三頁，共27頁。數字化近景攝影測量系統構成、工作環境及功能

數字化近景攝影測量數據主系統的運行過程如圖7－2，所需環境為Windows95或Win98，AutoCADforWin，中文之星（對于中文版）。數字化近景攝影測量系統（PHOTO）包括的子系統構成如圖7－3。第四頁，共27頁。

數字化近景攝影測量系統由圖像處理、立體重建計算、位移分析和繪圖4個軟件系統構成。1．圖像處理系統圖像處理系統的功能是：在計算機屏幕上，用鼠標量測每張照片的像點，系統自動計算出每張照片上像點的像平面坐標x，y值，并存入數據文件。2．立體重建計算系統立體重建計算系統用改進后的P-H算法，用Fortran語言編程。目標點（控制點和待定點）在像空間坐標系和物空間坐標系之間的關系。3．位移分析系統位移分析系統，其基礎理論是附有已知條件的自由網平差和擬穩平差。用Fortran語言編程。當各像點的兩期物空坐標計算出來后，利用該系統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．繪圖子系統繪圖子系統將計算機系統算出的各點和各攝站的三維物空坐標調入AutoCAD程序，可給出在X－Y，X－Z，Y－Z平面的測點、攝站布置圖。第五頁，共27頁。第六頁，共27頁。二、高精度變形測量機器人系統

能連續或定時對多個合作目標進行自動識別、照準、跟蹤、測角、測距和三維坐標測定的自動跟蹤全站儀稱為測量機器人（GEOROBOT）。測量機器人自動化程度高，能全天候工作，特別適應于工程開挖體及各種建（構）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測點的三維坐標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，在被監測對象上設置多個監測點，在監測點上安置反光鏡，并在計算機的控制下，對各個監測點進行自動監測。而對于監測點的移動量的計算，則是以第一次測得的各測點的坐標作為初始值，以后每測一次都得到一組新的坐標值，然后將全部數據自動存入數據庫，并在計算機屏幕上實時顯示出正在觀測的監測點的位移過程線、安全狀態等，并按預設參數作超限時的報警。第七頁，共27頁。第八頁，共27頁。第九頁，共27頁。第十頁，共27頁。三、衛星定位技術進行變形測量

現代GPS技術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、橋梁等大型工程結構的變形或位移的監測。比如，加拿大的卡爾加里高塔（CalgaryTower）、美國DiamondValleyLake大壩、美國舊金山海灣大橋（BayBridge）以及英國的Humber大橋等，我國清江隔河巖大壩GPS監測、虎門大橋都采用了GPS技術進行長期連續監測，并實現對這些大型工程結構的安全性動態評估和安全預警。第十一頁，共27頁。

采用GPS技術監測，其基本監測系統主要是由GPS基站（參照站）、GPS遠程監測站、通訊系統和監測中心組成。GPS參照站為參照GPS接收機系統，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定的地點，跟蹤所有可見衛星，并為遠程監測站提供差分糾正。遠程監測站包括GPS接收機、接收機天線、電源及通訊裝置等，安裝在合理的監測點位置上。它同時接收幾個衛星發來的定位信號。通訊系統可以是有線或無線系統，為基站、遠程監測站和監測控制中心提供信息通訊網絡鏈接。GPS基站（參照站）將坐標差分糾正通過有線或無線通訊系統實時地傳輸給遠程監測站。遠程監測站接收衛星定位信號和基站發來的差分糾正信號，并運行其GPS軟件計算出其三維坐標，然后將計算出的坐標信息傳輸給監測控制中心。監測控制中心對收到的數據進行處理，通常包括坐標轉換、位移分析等，給出各個監測點在特定方向上的位移信息，并做出安全評估和預警。第十二頁，共27頁。基本監測系統示意圖

第十三頁，共27頁。(1)為了獲得監測所需要的毫米級精度，可采用載波相位差分GPS技術。這種特定的差分技術精度高，可以有效地消除GPS衛星和接收機的鐘差，降低衛星星歷（軌道）誤差和大氣誤差，能滿足監測的精度要求。(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測站之間的距離增加而增大，因此，參照站位置通常應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筑物和其它設備、設施，以減少多路徑影響。而遠程監測站通常應該布置在發生最大變形點或最有可能發生變形的地點，當然，其周圍也應該盡可能地避開有可能造成多路徑誤差或星歷誤差的設施。第十四頁，共27頁。切換天線陣列GPS監測系統結構示意圖

可見，切換天線陣列的GPS邊坡檢測系統大大減少了GPS接收機的數量，從而大幅度地降低監測成本，這對于建立較大規模的GPS監測系統來說意義重大。

第十五頁，共27頁。切換天線陣列的GPS監測系統結構示意圖

第十六頁，共27頁。邊坡監測點布置示意圖

參照系統安裝在穩定的地表，四個遠程監測點分別布置在變形邊坡上。圖中點0、1、2、3標明的為監測點位置。其中，監測點0、1、2沿邊坡頂端布置，監測點3則布置在露天坑頂端監測點0、1、2以下45m處,下圖為監測點3的GPS天線所在位置圖片。可以看出，監測點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致可見衛星數減少而引起精度降低。第十七頁，共27頁。監測點布置示意圖：某邊坡監測點布置

第十八頁，共27頁。監測點的位置

第十九頁，共27頁。3號監測點的水平北向坐標時間序列

第二十頁，共27頁。

3號監測點的水平東向坐標時間序列

第二十一頁，共27頁。3號監測點的垂直方向坐標時間序列

第二十二頁，共27頁。GPS多天線陣列變形監測系統特點

GPS問世以后，由于它具有無與倫比的優越性，很快就廣泛應用于變形監測。應用GPS進行變形監測，目前有兩種模式。一種模式是只用幾臺GPS接收機，人工定期逐點采集數據，通過后處理獲得各期之間的變形，這種模式的GPS變形監測屬于常規的變形監測模式，云陽寶塔的GPS變形監測就屬于這種模式；另一種模式就是在每個監測點上都安置一臺GPS接收機，不間斷地進行全天候自動監測，這種模式的變形監測實例有中國地殼形變監測網絡和隔河巖大壩自動監測系統等。第一種模式的優點是簡單、經濟、成本低，GPS接收機可以與其他工程共享，其缺點是不能實現自動化，不能連續監測大壩變形。第二種模式的優點是能自動連續地監測大壩變形，其缺點是成本很高，尤其是當監測點很多時，造價十分昂貴。為了克服上述兩種模式中各自的缺點，發揮各自的優點，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監測系統在每個監測點上只需安裝天線，不需安裝GPS接收機，即一臺接收機控制多個天線。從而大幅度降低監測系統的成本。這樣的變形監測系統稱為GPS多天線陣列變形監測系統。該系統的造價僅為原1/3，可節省2/3的建設費用。該系統正在云南漫灣電廠大壩監測