變形觀測的現(xiàn)代技術分析

一般來說，工程建筑物的變形通常處于微小的量級，因此相關技術發(fā)展的目標和首要任務是不斷地提高變形觀測的精度。一則使得同樣處于微小量級的測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)變形體更細小的變形。

（1）精密水準測量是測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精密水準測量結果的影響是相當困難的。盡管中、美、俄等國家的科技專家在這方面進行了長期、大量的研究，但目前尚未能提出一種切實有效的方法。材料科學和測試技術的前進，促進標準長度的精度得以提高。新型超因瓦精密水準尺的線脹系數(shù)可達0.1×10-6/°C。用雙頻激光測長儀檢定精密水準尺，其精度優(yōu)于±5μm。對精密水準測量成果精度的潛在威脅來自地球磁場對自動安平水準儀本身的影響。大量的實驗研究證明，該項影響可使觀測成果包含1mm/km甚至更大的系統(tǒng)誤差。目前，自動安平補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安平水準儀，其磁場誤差已小于0.1mm/km。

（2）精密光學經(jīng)緯儀所具有的簡便易行、操作簡單、觀測精度高、成果可靠等諸多優(yōu)點，曾經(jīng)使得精密角度測量成為國家大地測量、城市和工程控制測量的主要方法。但是，最近幾十年來，角度測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80年代，電子經(jīng)緯儀和激光經(jīng)緯儀的相繼問世，使測量工作者看到了希望的曙光。隨著其關鍵技術的成熟和日益完善，一些國家正在試制雙波長（波長分別為6328A的可見紅光和4416A的可見藍光）測角儀器，期望將角度觀測的精度提高一個數(shù)量級。這樣，角度測量的精度不僅可以與目前物理測距已經(jīng)達到的精度相匹配，而且可使物理測距的光電三角高程測量代替精密水準測量成為可能。

（3）傳統(tǒng)的直接測距和間接測距等距離測量方法存在著諸多缺點：勞動強度大、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無法進行等。

20世紀50年代至今，隨著物理測距技術的逐步成熟和日臻完善，物理測距儀器得以普及并獲得廣泛應用。

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

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

（4）傳統(tǒng)的大地測量方法，無法測得絕對量（例如點在投影面上的坐標x、y和高程H），而只能觀測一些相對量（例如角度β、距離S、高差h等）。對于工程建筑物變形觀測來說，據(jù)此所解算的變形總是相對于某個基準。而該基準則是由某些在整個觀測期間一成不變的所謂不動點確定的。這樣，就有可能歪曲變形結果。

GPS是一種以衛(wèi)星為基礎的全球無線電定位導航系統(tǒng)。在測量上，GPS則具有全球性、全天候、高精度、連續(xù)、快速、實時的三維定位能力。GPS定位具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)內容豐富、信號可靠、準確度高、多用性強、操作簡便、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。GPS定位的觀測結果，既可以表述為地心空間三維直角坐標（X、Y、Z）或地心大地坐標（B、L、H），亦可表示為參心空間三維直角坐標（X、Y、Z）T或參心大地坐標（B、L、H）T，并可據(jù)此分別按投影函數(shù)F1、F2轉換為高斯—克呂格坐標系統(tǒng)的平面直角坐標（x、y）。

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

現(xiàn)在，GPS精密定位技術不僅廣泛用于國家控制網(wǎng)、城市控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)各等級控制點的定位測量和航空攝影測量的外業(yè)控制測量，而且也廣泛用于大地形變測量、地表沉降監(jiān)測和工程建筑物的變形觀測。例如水庫大壩和船閘、核電站、海上石油勘探平臺等大型工程建筑物，均已采用GPS精密定位技術進行施工和運營期間的變形觀測。

GPS精密定位技術用于沉降監(jiān)測，可以直接采用GPS定位測量所解算的大地高，無需進行高程系統(tǒng)的轉換。這樣不僅簡化了計算工作，更重要的是對保證觀測成果的精度不受損失具有一定的意義。