變形觀測(cè)的現(xiàn)代技術(shù)分析

一般來(lái)說(shuō)，工程建筑物的變形通常處于微小的量級(jí)，因此相關(guān)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)和首要任務(wù)是不斷地提高變形觀測(cè)的精度。一則使得同樣處于微小量級(jí)的測(cè)量誤差不至于掩蓋變形體的變形；二則可能更有效地發(fā)現(xiàn)變形體更細(xì)小的變形。

（1）精密水準(zhǔn)測(cè)量是測(cè)定變形體垂直位移的主要方法，但消除或者改正大氣折光誤差對(duì)精密水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的影響是相當(dāng)困難的。盡管中、美、俄等國(guó)家的科技專家在這方面進(jìn)行了長(zhǎng)期、大量的研究，但目前尚未能提出一種切實(shí)有效的方法。材料科學(xué)和測(cè)試技術(shù)的前進(jìn)，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的精度得以提高。新型超因瓦精密水準(zhǔn)尺的線脹系數(shù)可達(dá)0.1×10-6/°C。用雙頻激光測(cè)長(zhǎng)儀檢定精密水準(zhǔn)尺，其精度優(yōu)于±5μm。對(duì)精密水準(zhǔn)測(cè)量成果精度的潛在威脅來(lái)自地球磁場(chǎng)對(duì)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀本身的影響。大量的實(shí)驗(yàn)研究證明，該項(xiàng)影響可使觀測(cè)成果包含1mm/km甚至更大的系統(tǒng)誤差。目前，自動(dòng)安平補(bǔ)償器全部采用抗磁化材料制造，特別是更換了Nivarox合金吊絲的精密自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，其磁場(chǎng)誤差已小于0.1mm/km。

（2）精密光學(xué)經(jīng)緯儀所具有的簡(jiǎn)便易行、操作簡(jiǎn)單、觀測(cè)精度高、成果可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，曾經(jīng)使得精密角度測(cè)量成為國(guó)家大地測(cè)量、城市和工程控制測(cè)量的主要方法。但是，最近幾十年來(lái)，角度測(cè)量的精度未能獲得突破性提高。究其原因，主要是受大氣折光誤差的制約。

20世紀(jì)80年代，電子經(jīng)緯儀和激光經(jīng)緯儀的相繼問(wèn)世，使測(cè)量工作者看到了希望的曙光。隨著其關(guān)鍵技術(shù)的成熟和日益完善，一些國(guó)家正在試制雙波長(zhǎng)（波長(zhǎng)分別為6328A的可見(jiàn)紅光和4416A的可見(jiàn)藍(lán)光）測(cè)角儀器，期望將角度觀測(cè)的精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣，角度測(cè)量的精度不僅可以與目前物理測(cè)距已經(jīng)達(dá)到的精度相匹配，而且可使物理測(cè)距的光電三角高程測(cè)量代替精密水準(zhǔn)測(cè)量成為可能。

（3）傳統(tǒng)的直接測(cè)距和間接測(cè)距等距離測(cè)量方法存在著諸多缺點(diǎn)：勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低下、精度難以提高、受地形條件和氣候條件限制有時(shí)無(wú)法進(jìn)行等。

20世紀(jì)50年代至今，隨著物理測(cè)距技術(shù)的逐步成熟和日臻完善，物理測(cè)距儀器得以普及并獲得廣泛應(yīng)用。

物理測(cè)距的主要誤差來(lái)源仍然是大氣折光。多波測(cè)距是減小大氣折光誤差、提高物理測(cè)距精度的有效技術(shù)措施。目前，采用最佳觀測(cè)方案，單波（波長(zhǎng)為0.76～0.92μm的近紅外光）測(cè)距儀的測(cè)距精度已達(dá)1×10-6量級(jí)，雙波（波長(zhǎng)分別4580A的藍(lán)色45激光和5140A的綠色激光）測(cè)距儀的測(cè)距精度可達(dá)0.5×10-6量級(jí)，而三波（波長(zhǎng)為6328A的紅色激光、波長(zhǎng)為4416A的藍(lán)色激光和頻率為9600MHz的微波）測(cè)距儀的測(cè)距精度則可達(dá)0.5×10-7量級(jí)。

目前，在高精度的工程建筑物變形監(jiān)測(cè)中，邊角網(wǎng)幾乎完全取代了傳統(tǒng)的測(cè)角網(wǎng)和單純的測(cè)邊網(wǎng)，最大限度地增加了網(wǎng)中的多余觀測(cè)，從而極大地提高了變形觀測(cè)的精度。

（4）傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法，無(wú)法測(cè)得絕對(duì)量（例如點(diǎn)在投影面上的坐標(biāo)x、y和高程H），而只能觀測(cè)一些相對(duì)量（例如角度β、距離S、高差h等）。對(duì)于工程建筑物變形觀測(cè)來(lái)說(shuō)，據(jù)此所解算的變形總是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)。而該基準(zhǔn)則是由某些在整個(gè)觀測(cè)期間一成不變的所謂不動(dòng)點(diǎn)確定的。這樣，就有可能歪曲變形結(jié)果。

GPS是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的全球無(wú)線電定位導(dǎo)航系統(tǒng)。在測(cè)量上，GPS則具有全球性、全天候、高精度、連續(xù)、快速、實(shí)時(shí)的三維定位能力。GPS定位具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、信號(hào)可靠、準(zhǔn)確度高、多用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。GPS定位的觀測(cè)結(jié)果，既可以表述為地心空間三維直角坐標(biāo)（X、Y、Z）或地心大地坐標(biāo)（B、L、H），亦可表示為參心空間三維直角坐標(biāo)（X、Y、Z）T或參心大地坐標(biāo)（B、L、H）T，并可據(jù)此分別按投影函數(shù)F1、F2轉(zhuǎn)換為高斯—克呂格坐標(biāo)系統(tǒng)的平面直角坐標(biāo)（x、y）。

GPS定位測(cè)量的結(jié)果是以WGS-84（a=6378137m，b=6356752m，α=1:298.257223563，ω=7.292115×10-5rad·s-1，GM=398600.5km3·s-2）為基準(zhǔn)的絕對(duì)量，避免了傳統(tǒng)大地測(cè)量方法只能觀測(cè)相對(duì)量和人為給定不動(dòng)點(diǎn)的弊端。目前，GPS精密定位技術(shù)的精度已達(dá)0.1～1.0×10-6量級(jí)。

現(xiàn)在，GPS精密定位技術(shù)不僅廣泛用于國(guó)家控制網(wǎng)、城市控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)各等級(jí)控制點(diǎn)的定位測(cè)量和航空攝影測(cè)量的外業(yè)控制測(cè)量，而且也廣泛用于大地形變測(cè)量、地表沉降監(jiān)測(cè)和工程建筑物的變形觀測(cè)。例如水庫(kù)大壩和船閘、核電站、海上石油勘探平臺(tái)等大型工程建筑物，均已采用GPS精密定位技術(shù)進(jìn)行施工和運(yùn)營(yíng)期間的變形觀測(cè)。

GPS精密定位技術(shù)用于沉降監(jiān)測(cè)，可以直接采用GPS定位測(cè)量所解算的大地高，無(wú)需進(jìn)行高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。這樣不僅簡(jiǎn)化了計(jì)算工作，更重要的是對(duì)保證觀測(cè)成果的精度不受損失具有一定的意義。