现代变形监测技术3

12020年6月19日星期五现代变形监测技术任课教师：高飞合肥工业大学土木与水利工程学院土木工程专业22020年6月19日星期五第一章变形监测概述第二章垂直位移与水平位移观测第三章变形监测新技术与工程实例第四章变形监测数据处理基础本课程主要内容现代变形监测技术32020年6月19日星期五第3章变形观测新技术及工程实例•随着现代科学技术的发展，变形监测的技术和方法正在由传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展。•在变形体上布置变形观测点，在变形区影响范围之外的稳定地点设置固定观测站，用高精度测量仪器定期监测变形区域内监测网点的三维（X、Y、Z）或（X、Y、H）位移变化，是获取待测物体变形的一种行之有效的外部检测方法。现代变形监测技术42020年6月19日星期五第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统§3.2合成孔径雷达干涉测量§3.3近景摄影测量§3.4激光扫描技术§3.5工程实例现代变形监测技术52020年6月19日星期五第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统GPS——全称是卫星授时测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS）NavigationSystemTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem关于GPS和GNSS？GNSS——GlobalNavigationSatelliteSystem(全球卫星导航系统）美国：GPS；俄罗斯：GLONASS；欧洲：GALILEO中国：北斗导航系统BeiDouNavigationSatelliteSystem简称BDS（原名COMPASS）62020年6月19日星期五•全球定位系统GPS的应用是测量技术的一项革命性的变革。•与传统变形监测方法相比较，应用GPS不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用GPS和计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统72020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点1．测站间无须通视对于传统的地表变形监测方法，点之间只有通视才能进行观测，而GPS测量的一个显著特点就是点之间无须保持通视，仅需要测站上空开阔即可，从而可使变形监测点位的布设方便而灵活，并可省去不必要的中间传递过渡点，提高工作效率，节省许多费用。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统82020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点1．测站间无须通视2．可同时提供监测点的三维位移信息采用传统方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移是采用不同方法分别进行监测的，不仅监测的周期长、工作量大，而且监测的时间和点位很难保持一致，为变形分析增加了难度。采用GPS可同时精确测定监测点的三维位移信息。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统92020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点1．测站间无须通视2．可同时提供监测点的三维位移信息3．全天候监测GPS测量不受气候条件的限制，无论起雾刮风、下雨下雪均可进行正常的监测。配备防雷电设施后，GPS变形监测系统便可实现长期的全天候观测，它对防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域极为重要。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统102020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点4．监测精度高•在变形监测中，如果GPS接受机天线保持固定不动，则天线的对中误差、整平误差、定向误差、天线高测定误差等不会影响变形监测的结果。•同样，GPS数据处理时起始坐标的误差，解算软件本身的不完善以及卫星信号的传播误差中公共部分的影响也可以得到消除或削弱。•实践证明，利用GPS进行变形监测可获得±0.5~2mm的精度。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统112020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点5．GPS大地高可用于垂直位移测量•由于GPS定位获得的是大地高，而用户需要的是正常高或正高，它们之间有以下关系：H大地高=h正常高+ξ；H大地高=h正高+N式中，高程异常ξ和大地水准面差距N的确定精度较低，从而导致转换后的正常高或正高的精度不高。似H正常高H正Nζ122020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点5．GPS大地高可用于垂直位移测量•由于GPS定位获得的是大地高，而用户需要的是正常高或正高，它们之间有以下关系：H大地高=h正常高+ξ；H大地高=h正高+N•但是，在垂直位移监测中我们关心的只是高程的变化，对于工程的局部范围而言，完全可以用大地高的变化来进行垂直位移监测。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统132020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点6．操作简便，易于实现监控自动化•GPS接收机的自动化越来越高，趋于“傻瓜”，而且体积越来越小，重量越来越轻，便于安装和操作。•同时，GPS接收机为用户预留有必要的接口，用户可以较为方便地利用各监测点建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统142020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点7．具有严格定义的参考系统GPS定位测量采用世界大地坐标系WGS84，很容易与其它全球地心坐标系进行转换，纳入严格定义的全球参考系统。•世界大地坐标系WGS84（WorldGeodeticSystem-1984）•协议地球参照系CTRS2000（ConventionalTerrestrialReferenceSystem2000）•国际地球参考框架ITRF2000（InternationalTerrestrialReference2000）•中国大地坐标系CGCS2000（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000）第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统152020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点8．利用GPS进行变形监测，存在的缺点：（1）GPS观测会受到现场环境的影响GPS信号易受测站附近的房屋、大面积水域等物体遮挡或产生多路径效应；还可能受到测站周围电磁场的影响，降低测量精度。（2）GPS信号受大气的影响如果GPS参考站之间或与监测点之间距离远、高差大，有可能受到电离层、对流层等大气条件的影响，反映出较大误差。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统162020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点二、GPS变形观测的实施1．GPS观测站选择与标志建立（1）GPS测站的设置应尽可能避开易产生多路径效应和易受电磁场影响的地方。（2）GPS测站应设立稳固的标石，尽量采用强制对中装置，保持点位的稳定，便于长期观测。（3）GPS接收天线应高出地面0.5米以上。（4）GPS参考站与监测点之间距离不要太远。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统172020年6月19日星期五§3.1全球卫星定位系统二、GPS变形观测的实施1．观测站选择与标志建立2．观测模式的选择GPS变形监测分为定期重复观测和连续性观测两种模式。（1）定期重复观测又称为周期性变形监测，与传统的变形监测网相类似，一般采用静态相对定位的方法，事后处理和分析数据。观测周期根据变形的速率确定。BA182020年6月19日星期五二、GPS变形观测的实施1．观测站选择与标志建立2．观测模式的选择（2）连续性观测模式•连续性观测模式是将GPS接收机固定在测站上，连续采集卫星信号，获得变形观测数据序列。该方法实质上也是对监测点进行重复观测，但数据可以是连续的，具有较高的时间分辨率和观测精度。•具体观测方法有两种：①静态相对定位方法（采用事后处理，适用于不需要实时数据传输、处理和分析的场合）②动态相对定位方法（能够实时监控变形）§3.1全球卫星定位系统192020年6月19日星期五GPS动态相对差分定位原理202020年6月19日星期五发射电台GPS主机基准站移动站GPS主机动态实时差分RTK测量原理图采集器接收电台212020年6月19日星期五二、GPS变形观测的实施动态相对定位方法又分为两种形式：•利用GPS接收机阵列进行动态相对定位；（主要缺点：价格昂贵，不便于管理）•利用一机多天线方式实现GPS动态相对定位§3.1全球卫星定位系统222020年6月19日星期五GPS接收机阵列变形监测系统232020年6月19日星期五GPS接收机阵列变形监测系统242020年6月19日星期五GPS一机多天线变形监测系统结构图252020年6月19日星期五GPS一机多天线变形监测系统结构图262020年6月19日星期五大坝断面GPS一机多天线变形监测系统天线布置图272020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点二、GPS变形观测的实施1．GPS观测站选择与标志建立2．GPS观测模式的选择3．数据采集与传输（1）GPS定期重复观测模式：数据由接收机存储，事后传输到计算机进行数据处理与分析。（2）GPS连续性观测模式：根据现场条件，GPS数据传输可采用有线（监测点观测数据）和无线（基准点观测数据）相结合的方法。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统282020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点二、GPS变形观测的实施4．GPS数据处理（1）GPS静态数据处理：事后由计算机利用专门基线解算和网平差软件进行数据处理与分析。（2）GPS连续动态数据处理：从每台GPS接收机传输数据开始，到处理、分析、变形显示为止，所需总的时间小于10分钟，为此，必须建立一个局域网，有一个完善的软件管理、监控系统。第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统292020年6月19日星期五一、GPS变形观测的特点二、GPS变形观测的实施三、GPS变形监测技术的应用1．地壳形变观测（1）甚长基线干涉测量系统（VLBI）（2）卫星激光测距系统（SLR）（3）全球定位系统（GPS）2．大坝变形观测3．高层建筑物变形观测4．大型桥梁变形观测第3章变形观测新技术及工程实例§3.1全球卫星定位系统302020年6月19日星期五312020年6月19日星期五卫星激光测距SLR322020年6月19日星期五利用GPS对香港青马大桥进行动态变形监测332020年6月19日星期五利用GPS对高层建筑物进行动态变形监测与数据处理342020年6月19日星期五合成孔径雷达干涉测量是上世纪60年代逐步发展起来的一种遥感技术。简称：InSAR（InterferometricSyntheticApertureRadar）•包括两大技术的融合：1．合成孔径雷达遥感成像（SAR）2．电磁波干涉测量利用微波雷达成像传感器对地表进行连续主动遥感成像，使用专门的数据处理方法，从雷达影像的相位信号中提取地面的地形或变形信息。•主要特点：高精度（可达毫米级）、大范围、全天候§3.2合成孔径雷达干涉测量第3章变形观测新技术及工程实例352020年6月19日星期五一、SAR成像原理与图像特征InSAR是利用覆盖同一地区的多幅SAR影像所产生的干涉相位图来提取有用地形信息。（一）真实孔径侧视雷达成像1．雷达平台：可以是飞机、人造卫星和航天飞机等。2．所谓侧视：是指雷达向地面发射的微波脉冲束（椭圆锥状）侧向倾斜了一个角度θ0§3.2合成孔径雷达干涉测量第3章变形观测新技术及工程实例362020年6月19日星期五一、SAR成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像§3.2合成孔径雷达干涉测量第3章变形观测新技术及工程实例372020年6月19日星期五•椭圆锥状微波脉冲束在地表形成一个辐射带，可看成由许多小的空间面元组成；•每个面元分别反射脉冲波并被雷达接收；•不同雷达斜距R对应不同的像素，形成一定幅宽范围的连续地表影像。§3.2合成孔径雷达干涉测量第3章变形观测新技术及工程实例一、SAR成像原理与图像