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第九章现代变形测量技术(1)数字化近景摄影测量系统的原理；(2)高精度变形测量机器人系统；(3)GPS技术进行变形测量。一、数字化近景摄影测量系统随着计算机技术的迅速发展，以及数码相机、摄像机的日益大众化，由中南大学曾卓乔教授主持开发数字化近景摄影测量系统（PHOTO系统）。该系统更具有工程实用性。能并在岩土工程开挖领域如矿山巷道、塌陷坑及地铁、铁路、大型沉井等工程的监测领域，以及森林调查、交通事故调查等领域成功地应用。数字化近景摄影测量系统的特点及适用范围摄影测量作为一种遥感式数据采集方法，作业人员可以远离被测对象进行测量。尽管从原理上讲，常规摄影测量可用于各种目的的测绘，但存在：（1）设备过于专业化、价格昂贵；（2）所需工作环境在工程中往往难以满足，如地下空区测量既难于设置摄站，又不易布设物方控制；（3）数据处理技术复杂；（4）数据处理周期长、信息反馈慢等原因而难于推广。数字化近景摄影测量系统构成、工作环境及功能数字化近景摄影测量数据主系统的运行过程如图7－2，所需环境为Windows95或Win98，AutoCADforWin，中文之星（对于中文版）。数字化近景摄影测量系统（PHOTO）包括的子系统构成如图7－3。数字化近景摄影测量系统由图像处理、立体重建计算、位移分析和绘图4个软件系统构成。1．图像处理系统图像处理系统的功能是：在计算机屏幕上，用鼠标量测每张照片的像点，系统自动计算出每张照片上像点的像平面坐标x，y值，并存入数据文件。2．立体重建计算系统立体重建计算系统用改进后的P-H算法，用Fortran语言编程。目标点（控制点和待定点）在像空间坐标系和物空间坐标系之间的关系。3．位移分析系统位移分析系统，其基础理论是附有已知条件的自由网平差和拟稳平差。用Fortran语言编程。当各像点的两期物空坐标计算出来后，利用该系统解算出各测点的三维位移量或二维位移量（垂直位移和指向基坑方向的水平位移）。4．绘图子系统绘图子系统将计算机系统算出的各点和各摄站的三维物空坐标调入AutoCAD程序，可给出在X－Y，X－Z，Y－Z平面的测点、摄站布置图。二、高精度变形测量机器人系统能连续或定时对多个合作目标进行自动识别、照准、跟踪、测角、测距和三维坐标测定的自动跟踪全站仪称为测量机器人（GEOROBOT）。测量机器人自动化程度高，能全天候工作，特别适应于工程开挖体及各种建（构）筑物的变形观测。测量机器人是以测边和三边交会法确定监测点的三维坐标来解决全自动观测的问题。即在具体实施时，需要建立三个观测站，并安装三套自动测距系统，在被监测对象上设置多个监测点，在监测点上安置反光镜，并在计算机的控制下，对各个监测点进行自动监测。而对于监测点的移动量的计算，则是以第一次测得的各测点的坐标作为初始值，以后每测一次都得到一组新的坐标值，然后将全部数据自动存入数据库，并在计算机屏幕上实时显示出正在观测的监测点的位移过程线、安全状态等，并按预设参数作超限时的报警。三、卫星定位技术进行变形测量现代GPS技术能够提供毫米级实时定位精度，目前已被成功地用于对高层建筑、大坝、桥梁等大型工程结构的变形或位移的监测。比如，加拿大的卡尔加里高塔（CalgaryTower）、美国DiamondValleyLake大坝、美国旧金山海湾大桥（BayBridge）以及英国的Humber大桥等，我国清江隔河岩大坝GPS监测、虎门大桥都采用了GPS技术进行长期连续监测，并实现对这些大型工程结构的安全性动态评估和安全预警。采用GPS技术监测，其基本监测系统主要是由GPS基站（参照站）、GPS远程监测站、通讯系统和监测中心组成。GPS参照站为参照GPS接收机系统，包括GPS接收机、接收机天线、电源及通讯装置等。它安装在已精确定位且安全稳定的地点，跟踪所有可见卫星，并为远程监测站提供差分纠正。远程监测站包括GPS接收机、接收机天线、电源及通讯装置等，安装在合理的监测点位置上。它同时接收几个卫星发来的定位信号。通讯系统可以是有线或无线系统，为基站、远程监测站和监测控制中心提供信息通讯网络链接。GPS基站（参照站）将坐标差分纠正通过有线或无线通讯系统实时地传输给远程监测站。远程监测站接收卫星定位信号和基站发来的差分纠正信号，并运行其GPS软件计算出其三维坐标，然后将计算出的坐标信息传输给监测控制中心。监测控制中心对收到的数据进行处理，通常包括坐标转换、位移分析等，给出各个监测点在特定方向上的位移信息，并做出安全评估和预警。基本监测系统示意图(1)为了获得监测所需要的毫米级精度，可采用载波相位差分GPS技术。这种特定的差分技术精度高，可以有效地消除GPS卫星和接收机的钟差，降低卫星星历（轨道）误差和大气误差，能满足监测的精度要求。(2)研究表明，星历（轨道）误差和大气误差往往随着参照站与远程监测站之间的距离增加而增大，因此，参照站位置通常应尽可能地布置在距离远程检测站较近的地方，其周围尽可能地避免有较大的构筑物和其它设备、设施，以减少多路径影响。而远程监测站通常应该布置在发生最大变形点或最有可能发生变形的地点，当然，其周围也应该尽可能地避开有可能造成多路径误差或星历误差的设施。切换天线阵列GPS监测系统结构示意图可见，切换天线阵列的GPS边坡检测系统大大减少了GPS接收机的数量，从而大幅度地降低监测成本，这对于建立较大规模的GPS监测系统来说意义重大。切换天线阵列的GPS监测系统结构示意图边坡监测点布置示意图参照系统安装在稳定的地表，四个远程监测点分别布置在变形边坡上。图中点0、1、2、3标明的为监测点位置。其中，监测点0、1、2沿边坡顶端布置，监测点3则布置在露天坑顶端监测点0、1、2以下45m处,下图为监测点3的GPS天线所在位置图片。可以看出，监测点3布置在露天台阶的中间，这主要是考虑到既要有利于边坡移动的监测，又要避免因靠边坡太近而造成的多路径误差以及受到边坡遮挡而导致可见卫星数减少而引起精度降低。监测点布置示意图：某边坡监测点布置监测点的位置3号监测点的水平北向坐标时间序列日期坐标差（m）3号监测点的水平东向坐标时间序列3号监测点的垂直方向坐标时间序列GPS多天线阵列变形监测系统特点GPS问世以后，由于它具有无与伦比的优越性，很快就广泛应用于变形监测。应用GPS进行变形监测，目前有两种模式。一种模式是只用几台GPS接收机，人工定期逐点采集数据，通过后处理获得各期之间的变形，这种模式的GPS变形监测属于常规的变形监测模式，云阳宝塔的GPS变形监测就属于这种模式；另一种模式就是在每个监测点上都安置一台GPS接收机，不间断地进行全天候自动监测，这种模式的变形监测实例有中国地壳形变监测网络和隔河岩大坝自动监测系统等。第一种模式的优点是简单、经济、成本低，GPS接收机可以与其他工程共享，其缺点是不能实现自动化，不能连续监测大坝变形。第二种模式的优点是能自动连续地监测大坝变形，其缺点是成本很高，尤其是当监测点很多时，造价十分昂贵。为了克服上述两种模式中各自的缺点，发挥各自的优点，研制成功了GPS多天线共享器，见图1。用该多天线共享器建立的GPS监测系统在每个监测点上只需安装天线，不需安装GPS接收机，即一台接收机控制多个天线。从而大幅度降低监测系统的成本。这样的变形监测系统称为GPS多天线阵列变形监测系统。该系统的造价仅为原1/3，可节省2/3的建设费用。该系统正在云南漫湾电厂大坝监测和滑坡监测中应用。系统运行稳定，自动化程度高。通过无线通信网络和计算机网络，实现了监测数据的远程通信和远程处理。GPS多天线共享器GPS多天线阵列变形监测系统硬件结构图GPS多天线阵列变形监测系统的软件功能及界面