现代变形监测技术.ppt

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1、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,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,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,第3章

2、 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,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）Navigation System Timing And Ranging/Global Positioning System,关于GPS和GNSS？GNSSGlobal Navigation Satellite System(全球卫星导航系统）美国：GPS；俄罗斯：GLONASS；欧洲：GALILEO中

3、国：北斗导航系统 BeiDou Navigation Satellite System 简称BDS（原名COMPASS）,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,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

4、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,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,一、GPS变形观测的特点 1测站间无须通视 2可同

5、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,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GP

6、S进行变形监测可获得 0.52 mm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,一、GPS变形观测的特点 5GPS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+；H大地高=h正高+N 式中，高程异常和大地水准面差距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。,一、GPS变形观测的特点 5GPS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+；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

7、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,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,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，

8、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WGS 84（World Geodetic System-1984）协议地球参照系CTRS 2000（Conventional Terrestrial Reference System 2000）国际地球参考框架ITRF 2000（International Terrestrial Reference 2000）中国大地坐标系CGCS 2000（China Geodetic Coordinate System 2000）,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,一、GPS变形观测的特点 8利用GP

9、S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,一、GPS变形观测的特点 二、GPS变形观测的实施 1GPS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

10、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,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。,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

11、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：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）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,GPS动态相对差分定位原理,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,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

12、统,GPS接收机阵列变形监测系统,GPS接收机阵列变形监测系统,GPS一机多天线变形监测系统结构图,GPS一机多天线变形监测系统结构图,GPS一机多天线变形监测系统天线布置图,一、GPS变形观测的特点 二、GPS变形观测的实施 1GPS观测站选择与标志建立 2GPS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,一、GPS变形观测的特点 二、GP

13、S变形观测的实施 4GPS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,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

14、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,卫星激光测距SLR,利用GPS对香港青马大桥进行动态变形监测,利用GPS对高层建筑物进行动态变形监测与数据处理,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（Interferometric Synthetic Aperture Radar）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

15、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0,3.2 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,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

16、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成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像,可区分两个相邻目标的最小距离称为雷达影像的空间分辨率，距离小则分辨率高；沿雷达飞行方向称为方位向，其分辨率为：,式中：R为雷达斜距，L为雷达天线长度，为雷达 微波波长。,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成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像,沿雷达飞行方向称为方位向沿雷达斜距方向的分辨率为：,式中：c 为光速，P为雷达脉冲宽度，i 为侧视角。由此可见,R 是常数，Y

17、随 i 的改变而变化。,雷达斜距向的地面分辨率为：,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成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像,所以目标物越远离底点，倾斜向地面分辨率越高；反之越靠近底点分辨率越低；这也是雷达成像要求侧视的主要原因；该特性与航空摄影测量的中心投影方式正好相反。,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成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像,目前利用人造卫星进行SAR航高一般在5002000Km；雷达微波波长530cm；侧视角一般在2070之间。假设取波长为5.66cm，为了达到10m方位向分辨率

18、，则：,但是沿雷达飞行方向的方位向分辨率，与天线长度有关。,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,在不增加雷达天线长度的前提下，由于雷达飞行与地面成像点O存在相对运动的现象，必然使得返回脉冲波的频率产生漂移，也就是多普勒频移现象。雷达接收并精确测定脉冲回波的相位延迟、跟踪频率漂移。,（二）合成孔径侧视雷达成像,通过数据处理合并成为一个被锐化的回波脉冲，提高雷达成像方位向的分辨率，最终形成高精度SAR影像。,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

19、及工程实例,如图所示，就是基于多普勒频移原理的合成孔径雷达成像几何图。地面成像点O的位置，通过锐化数据处理后，成像方位向分辨率得到提高。近似为：,可见所谓“合成孔径”是通过数据处理实现的！,（二）合成孔径侧视雷达成像,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,SAR系统基于侧视成像几何原理所获取的数据称为“粗数据”，经过地面预处理后形成单视复数影像，每一像素可用一个复数表示：,（三）SAR图像的基本特征,式中：为振幅：对应地面分辨单元灰度信息；为相位值：沿侧视方向脉冲总波数的尾数。,一、SAR成像原理与图像特征,3.

20、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,SAR图像的基本特征与相位观测值的构成,二、InSAR基本原理,1801年Thomas Young（17731829）发现了光的相干效应，并用波的叠加原理成功解释了该效应，这就是著名的“杨氏双缝光干涉实验”。InSAR正是根据所谓“光干涉条纹”为基本原理，将覆盖同一区域的两幅SAR影像对应像素的相位值相减，便可得到相位差图，即干涉相位图，经过数据处理对相位信息进行分离和提取，反映的就是该区域地面起伏和地表形变的信息。,一、SAR成像原理与图像特征,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,从技术角度看，干涉合成孔

21、径雷达的数据收集一般要求雷达平台上配备两副SAR天线，这两副天线在航线方向交替工作。对于机载系统：两副天线固定在同一飞机上，传感器中心连线称为空间基线向量，长度不变，可以从数米到数十米（军用侦察飞机相距914毫米）。它们交替进行脉冲的发射和接收，产生时间略有差异的接收信号形成干涉现象。,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理与图像特征,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,对于星载系统：一般采用单天线模式，卫星以一定的时间间隔对同一区域进行重复SAR成像，两次飞行轨道近似平行，组成类似机载SAR的干涉相位。,（一）干涉相位的形成,二、InSA

22、R基本原理,一、SAR成像原理与图像特征,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,S1和S2两个传感器分别接收地面目标P点的SAR回波信号1和2，经数据处理后得到的影像分别为主、从影像。,经配准，将图像逐像素进行复共轭相乘，得：,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理与图像特征,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,雷达接收信号中的相位包括两部分：1往返路径确定的相位；2地表不同的散射特性造成的随机相位。即：,（一）干涉相位的形成,假设两次成像间无随机扰动，则两信号的相位差为：,由此可见，干涉图中的相位差取决于斜距信号

23、的路径差R，两者成正比例关系；在实际干涉数据处理中，采用三角函数运算则丢失了相位的整周数，只能得到干涉相位的主值（即缠绕相位），必须通过解缠算法恢复相位完整值。由于相位差的周期性变化，反映在干涉图上表现为干涉条纹。干涉条纹在陆地区域是连续的，较为清晰；但在水域地区，干涉条纹比较模糊，主要由信号噪声引起。,（一）干涉相位的形成,3.2 合成孔径雷达干涉测量,电磁波测距基本原理公式,设电磁波在大气中传播速度为c，当它在距离D上往返一次的时间为t，则有：,5.3.1测距仪的测距原理,相位法测距原理,调制波的调制频率f，角频率，设调制波在距离D往返一次产生的相位延迟为，,-为调制光的波长,GPS 整周

24、未知数解算,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成:(1)初始整周未知数n；(2)t 0至t i 时刻的整周记数 Ci；(3)相位尾数 i如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数 N为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值 N+Ci+i,由此可见，干涉图中的相位差取决于斜距信号的路径差R，两者成正比例关系；在实际干涉数据处理中，采用三角函数运算则丢失了相位的整周数，只能得到干涉相位的主值（即缠绕相位），必须通过解缠算法恢复相位完整值。由于相位差的周期性变化，反映在干涉图上表现为干涉条纹。干涉条纹在陆地区域是连续的，较为清晰；但在水域地区，干涉条

25、纹比较模糊，主要由信号噪声引起。,（一）干涉相位的形成,3.2 合成孔径雷达干涉测量,（一）干涉相位的形成,3.2 合成孔径雷达干涉测量,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪声测度,干涉相位图像质量评价的量化标准，是干涉相关系数（意大利 Prati，1993年），其定义为：,式中：E 表示数学期望，M、S分别表示主、从影像复数集，*为复数的共轭算子。干涉相关系数的绝对值取值范围为0，1。1当=0 时，表示两景影像完全不相关；2当=1 时，表示两景影像完全相关，无噪声。,3.2 合成孔径雷达干涉测量,实际计算干涉相关系数时，取某一分辨单元周围一定范围内的邻近像素复数信息来估算其相关度：,（一）

26、干涉相位的形成（二）干涉相位的噪声测度,3.2 合成孔径雷达干涉测量,（二）干涉相位的噪声测度,3.2 合成孔径雷达干涉测量,在实际数据处理时，也可用像元信噪比（SNR）来计算干涉相关系数：,可见：干涉相关系数越高的目标，其信噪比越大；反之越小；两种方法对干涉相位噪声程度的衡量是一致的。高信噪比目标的数量越多，干涉测量成果的精度越高、质量越可靠。,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪声测度,3.2 合成孔径雷达干涉测量,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪声测度（三）干涉相位成分分析,在非零基线（即两次成像的卫星轨道不完全重合）的情况下，干涉相位主要由五个分量组成：1参考分量（平地分量）2

27、地形分量 3形变相位 4大气相位 5相位随机噪声,3.2 合成孔径雷达干涉测量,上述干涉相位中包含五个分量，其中参考分量和地形分量具有显著影响，必须在提取地表形变信息时从初始干涉图中予以剔除，这就是所谓的二次差分干涉DInSAR（Differential InSAR）。在忽略大气和噪声影响的前提下，DInSAR的具体t方法主要有三种：两轨法、三轨法、四轨法,三、DInSAR 地表形变测量（一）观测几何,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理与图像特征,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,1两轨法：使用两幅雷达图像和1个外部数字高程模型。两幅雷达图像形成一个干涉对

28、，生成既包含地表形变信息又包含地形相位的干涉图；外部数字高程模型通过运算能够反演出地形相位；将上述两类数据叠加处理，去除地形相位后便可得到地表形变信息干涉图。,三、DInSAR 地表形变测量（一）观测几何,2四轨法：使用四幅雷达图像形成两个干涉对，分别为“地形对”和“地形+地表形变对”。两个干涉对叠加处理，去除地形相位后便可得到地表形变信息干涉图。,3.2 合成孔径雷达干涉测量,两轨法和四轨法的差分原理相似！如图：地面点P在两次成像期间发生位移d，反映在干涉相位上的数值为：,参考相位：,地形相位：,初始干涉相位：,三、DInSAR 地表形变测量（一）观测几何,3.2 合成孔径雷达干涉测量,3三

29、轨法：使用3幅雷达图像形成两个干涉对，分别为“地形对”和“地形+地表形变对”。从“地形+地表形变对”干涉相位中，直接扣除“地形对”中仅反映地面高程信息的相位数据，便可得到地表形变信息干涉相位图。该方法的特点是不需要产生数字高程模型。,三、DInSAR 地表形变测量（一）观测几何,3.2 合成孔径雷达干涉测量,3三轨法：如图：地面点P在三次成像期间发生位移d，反映在干涉相位上的数值为：,参考相位：,地形相位：,“地形+形变”干涉相位：,三、DInSAR 地表形变测量（一）观测几何,3.2 合成孔径雷达干涉测量,3三轨法：,参考相位：,地形相位：,“地形+形变”干涉相位：,式中top1 为地形干涉

30、对的干涉相位：,h,其中B0/和 B0分别代表基线（轨道偏移）在雷达参考视线方向上的平行和垂直投影分量。二次差分干涉后进行相位解缠，得到绝对相位差abc反映地表沿雷达视线方向的斜距变化量为：,（二）DInSAR对地表形变的敏感度,从式 中看出：,R2是差分干涉相位变化一整周2所对应的位移量，即DInSAR对形变测量敏感度为雷达波长的一半。由前面公式可得出：1对于DInSAR来说，基线越短越有利；2经二次差分，DInSAR具有毫米级形变测量精度。,三、DInSAR 地表形变测量（一）观测几何,3.2 合成孔径雷达干涉测量,四、InSAR数据处理过程,对于单像对干涉处理，首先必须选择合适的干涉像对

31、和其它辅助数据（如外部数字高程模型DEM），干涉像对的选择原则：1对于DEM生成来说，干涉基线长度应适中；2对于地表形变测量来说，干涉基线越短越好。具体步骤包括：SAR图像配准、干涉图的生成、参考面与地形影响去除、相位解缠和地理编码等。,三、DInSAR 地表形变测量,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理与图像特征,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,基于DInSAR技术提取地表形变数据的干涉处理流程,五、InSAR应用实例、精度分析及其局限性,（一）台湾集集地区地震形变探测及其精度分析,3.2 合成孔径雷达干涉测量,一、SAR成像原理与图像特征二、InSAR

32、基本原理三、DInSAR 地表形变测量四、InSAR数据处理过程五、InSAR应用实例、精度分析及其局限性,（一）台湾集集地区地震形变探测及其精度分析（二）InSAR技术探测地表形变的局限性 1时、空失相关引起严重的相位噪声 2大气相位延迟降低形变测量结果的可靠性,研究可能解决的办法：采用“永久散射体”干涉测量技术可减小时空失相关和大气相位延迟对雷达干涉结果的影响。,3.2 合成孔径雷达干涉测量,建筑微变远程监测系统Image by Interferometric Survey-IBIS,IBIS-S是一个基于微波干涉技术的高级远程监控系统，它将步进频率连续波技术（SF-CW）和干涉测量技术相

33、结合，能够广泛应用于建筑物、桥梁、高塔、坝体、公路和铁路边坡等微小位移变化的监测。,3.3 近景摄影测量,概述 近景摄影测量Close range photogrammetry 用于变形测量时，首先在待测变形体周围稳定点上安置照相机或摄像机，对变形体摄影（现在一般均为数码摄影），然后通过内业量测和数据处理得到变形信息。主要优点：1像片信息丰富，可批量获取待测物体变形信息 2可根据需要定期重复摄影，便于进行变形分析 3外业工作量小、效率高、劳动强度低 4可以用于多种变形，如长周期、快速和动态等 5摄影属于遥测，可拍摄人难以到达的地方。,第3章 变形观测新技术及工程实例,概述 近景摄影测量可广泛用

34、于土木、水利工程的勘测设计，地质调查，文物保护，大型工程工业测量，地理信息系统建模，城建规划分析，交通，房产，环保，矿山，电厂，林业等领域。主要功能：1地形测量；2三维重建；3大型工业测量；4土石方量计算；5建（构）筑物变形观测及滑坡监测,3.3 近景摄影测量,第3章 变形观测新技术及工程实例,近景摄影测量系统,概述 应用地面摄影测量方法进行变形测量，可以有三种方式：时间基线法、立体摄影测量法和多影像交会法。（1）时间基线法：当只需要测定建（构）筑物竖直平面上点的位置变化时，可以将像平面安置与被摄物体的竖直平面平行，多次摄取单张像片，这种从一个摄影站上进行的摄影称为零基线摄影，又称时间基线（或

35、称视差法）。,3.3 近景摄影测量,第3章 变形观测新技术及工程实例,概述（1）时间基线法（2）地面立体摄影测量 当需要了解建筑物景深范围内各处不同点位的变化时，就必须采用在地面不同的摄影站上，对同一物体摄取一对重叠像片，利用像对的量测数据，来求定空间点的三维坐标，根据不同观测周期数据的比较，确定其变形量，这就成为地面立体摄影测量。,3.3 近景摄影测量,第3章 变形观测新技术及工程实例,概述（1）时间基线法（2）地面立体摄影测量（3）多影像交会法：多影像交会法是在两个或两个以上摄影测站对变形体进行摄影，然后量测影像上测点的像点坐标，建立观测方程，使用最小二乘法计算测点的三维坐标。再根据不同观

36、测周期得到的同名点三维坐标值，确定观测点的变形。,3.3 近景摄影测量,第3章 变形观测新技术及工程实例,近景摄影测量基本原理一、地面摄影测量使用的坐标系（一）像片坐标系与像片坐标 在摄影机安片框上有两对框标XX和ZZ,它们的连线相互垂直,摄影时它们都构像在像片上，以水平框标的连线为X轴，垂直框标的连线为Z轴，两轴的交点“0”为原点。这就是像片坐标系，它控制整个像片平面，任何一个像点 i 在像片坐标系中，对X轴和Z轴的垂直距离（X，Z），称为该点的像片坐标。,3.3 近景摄影测量,一、地面摄影测量使用的坐标系（一）像片坐标系与像片坐标（二）摄影坐标系与摄影坐标 坐标原点是摄影仪安置在基线左端时

37、的物镜前焦点S1，Z轴是过原点S1的铅垂线，向上为正；以左摄影机主光轴的水平投影方向为Y轴，自原点向被摄目标方向为正；通过原点，垂直于Y轴且与Y轴位于同一个水平面的方向为X轴，自原点O向右为正，向左为负，形成右手空间直角坐标系。每张照片均有自己的摄影坐标系。在摄影坐标系控制的空间内，任意一点到三轴的垂直距离（Xs,Ys,Zs）称摄影坐标。,3.3 近景摄影测量,一、地面摄影测量使用的坐标系（一）像片坐标系与像片坐标（二）摄影坐标系与摄影坐标（三）空间大地坐标系 大地坐标系为左手空间坐标系即确定投影中心S空间位置的X,Y,H，另外为了确定摄影光束在空间的位置还必须有三个角度元素，即a0、K。0主

38、光轴的大地方位角 主光轴与水平线的夹角，仰角为+，俯角为-。KZZ轴与主纵线的夹角。ZZ轴顺时针转向主纵线时为负，逆时针转K为正。,3.3 近景摄影测量,一、地面摄影测量使用的坐标系二、地面立体摄影测量的摄影方式 地面立体摄影测量根据主光轴和摄影基线的相对位置不同，其摄影方式分为正直摄影、等偏摄影、交向摄影和等倾斜摄影等。1正直摄影是立体像片对的摄影主光轴水平，相互平行并且都垂直与摄影基线方向。2等偏摄影是立体像片对的摄影主光轴水平，相互平行且与摄影机基线的垂直方向偏离一定的角度。3交向摄影方式是指左，右摄影机主光轴在保持水平的情况下，相交成角的摄影方式。4等倾摄影将地面摄影仪的摄影机光轴向上

39、或向下在左右摄影站上作等倾角的摄影。,3.3 近景摄影测量,立体坐标量测仪,全数字摄影测量系统,概述 近景摄影测量基本原理 一、地面摄影测量使用的坐标系 二、地面立体摄影测量的摄影方式近景摄影测量的应用 1河南新乡大官庄古墓三维重建案例 墓地位于河南省新乡市辉县常村镇大官庄，距今1800多年，属于我国一墓九室东汉墓葬。为了更好的保存墓地的文物资料，需要对墓地进行变形测量与三维重建工作。,3.3 近景摄影测量,1河南新乡大官庄古墓三维重建案例,3.3 近景摄影测量,3.3 近景摄影测量,2长江三峡边坡监测案例 摄站离被拍摄物体的距离约为D=240m，被摄物体的长度约210m。四个摄站，每个摄站摄

40、影四张像片。外业共测量了20个控制点的三维坐标，平差时使用9个作为控制，另外11个作为检查。,3.3 近景摄影测量,3.3 近景摄影测量,3.3 近景摄影测量,3.3 近景摄影测量,3.3 近景摄影测量,一、三维激光扫描仪的类型 三维激光扫描仪按测量方式划分有3种：1基于脉冲式原理；2基于相位差原理；3基于三角测距原理。按用途可分为2种：1室内型；2室外型。,3.4 激光扫描技术及其应用,第3章 变形观测新技术及工程实例,一、三维激光扫描仪的类型 二、各种三维激光扫描仪的技术特点 1脉冲式三维激光扫描仪测距范围最大（几百到几公里）、而且不受环境光线影响，但单点精度较差，扫描频率较低，适合于室外

41、和大型工程使用。2 基于三角测距原理的三维激光扫描仪由于测量距离有限，受环境光影响较大，但测量精度极高、扫描频率快，适合用于室内精度要求很高的环境。3基于相位式的三维激光扫描仪结合了以上两种方式的优点，同时也继承了两种方式的缺点。测距范围和受环境影响程度比三角式好，精度和扫描频率比脉冲式好。,3.4 激光扫描技术及其应用,一、三维激光扫描仪的类型 二、各种三维激光扫描仪的技术特点三、三维激光扫描仪的性能指标 1基于脉冲式三维激光扫描仪的性能特点：（1）射程：几百米，最远的甚至达到6k米；但一般在50至100米范围内精度最高。（2）精度：对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪：2 mm 7 mm（测

42、量距离50米时）；对于超长距离脉冲扫描式三维激光扫描仪：15 mm（测量距离50米以内时）。（3）扫描速度：不同厂家的产品相差较大。徕卡、Riegl、LASE的较快：高精度扫描：216分钟以内，Optech和天宝的较慢：高精度扫描：4080分钟以内。,3.4 激光扫描技术及其应用,一、三维激光扫描仪的类型 二、各种三维激光扫描仪的技术特点三、三维激光扫描仪的性能指标 2基于相位差的三维激光扫描仪的性能特点：（1）射程：79米，Faro于今年的第二季度推出一款Photon 120，射程能够达到153米。（2）精度：5 mm(距离：25米）：12 mm（50米）。（3）最大激光发射频率：300,0

43、00 600,000赫兹。（4）扫描速度：随所设定的激光发射频率变化。（5）太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响：大。不适宜在阳光和晴天下室外进行大于20米的测距工作。,3.4 激光扫描技术及其应用,三维激光扫描仪,三维激光扫描仪 及其应用,美国FARO Photon 120 相位式三维激光扫描仪扫描速度：12万点/秒视角范围:水平360度,垂直320度最大扫描距离:153m精度:25米处3mm.内置PC:Pentium III集成倾斜传感器扫描控制:PC或PDA控制独立电源系统:10小时供电集成设计理念:14Kg.,3.4 激光扫描技术及其应用,3.4 激光扫描技术及其应用,瑞士 Leica

44、 ScanStation C10 脉冲式三维激光扫描仪扫描速度：5万点/秒视角范围:水平360度,垂直270度最大扫描距离:300m精度:25米处3mm.内置PC:Pentium III集成倾斜传感器、双轴补偿扫描控制:PC或PDA控制独立电源系统:5小时/每块电池集成设计理念:13Kg.,3.4 激光扫描技术及其应用,实例一：安徽省港口湾大坝自动变形监测,新技术应用于变形监测实例简介,实例二：安徽省新桥露天矿滑坡自动变形监测,原变形观测方法,全自动变形监测系统,新技术应用于变形监测实例简介,新技术应用于变形监测实例简介,实例三：高速铁路和地铁施工控制与监测,GPS贯通控制测量,地铁施工测量与

45、安全监控,近几年我校承担了多条高铁和城市轨道交通的贯通技术设计和测量控制项目，如沪宁高铁镇江段、无锡地铁1号线、合肥地铁试验段、宿淮铁路、青容高铁等。,实例四：土木工程施工中的安全监控测量,合肥新桥国际机场钢结构吊装精密工程测量,哥斯达黎加国家体育场钢结构顶棚施工卸载安全监控测量,新技术应用于变形监测实例简介,实例五：GIS及其应用-数字水利,基于遥感和GIS的水资源规划与监测信息系统,水利流域三维建模与动态分析,新技术应用于变形监测实例简介,实例六：利用GPS进行结构振动安全分析研究,新技术应用于变形监测实例简介,实例七：桥梁施工中的安全监控测量,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施

46、工安全监控测量,新技术应用于变形监测实例简介,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施工安全监控测量,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施工安全监控测量,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施工安全监控测量,监测内容1：平台变形与平整度监测,监测内容2：支墩和临时支墩变形监测,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施工安全监控测量,监测内容3：主梁轴线位置监测,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施工安全监控测量,监测内容4：导梁端部标高及挠度监测,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施工安全监控测量,全自动全站仪进行测点三维坐标及挠度监测,合肥高铁枢纽南环线工程钢梁柔性拱顶推法架设施工安全监控测量,重点内容与思考题,1全球定位系统GPS进行工程建（构）筑物变形监测的特点和应用方式有哪些。2GPS变形监测的主要过程、步骤应注意的问题。3SAR为什么要采用侧视和合成孔径雷达成像？4什么是InSAR？与SAR有何区别？在使用中有哪些局限性？5二次差分干涉DInSAR的目的是什么？有哪几种方法？6缠绕相位和相位解缠的含义是什么？7近景摄影测量用于变形监测主要有哪几种摄影方式，绘图表示并说明其特点。8简述三维激光扫描仪的分类和技术特点。,第3章 变形观测新技术及工程实例,谢谢！,