全站仪免棱镜测量技术在滑坡变形监测中的应用

2010-05-25欧阳祖熙魏学勇

中国地质灾害与防治学报 2010年1期

李捷，欧阳祖熙，魏学勇，周昊

（中国地震局地壳应力研究所，北京 100085）

1 概述

全站仪免棱镜测量是一种不需要棱镜作为合作目标，直接对物体表面进行测量，即“所瞄即所测”的测量方法。由于不需要在目标点上安放棱镜，不仅减免了测量人员的奔波跋涉，而且大大拓宽了全站仪测量的工作范围。此法尤其适用于比较危险，测量条件比较恶劣的作业环境。目前，免棱镜测量已被广泛应用于地籍测量、结构安装与施工测量等领域。

免棱镜全站仪可以提供两种测距方式，相位法测距和激光脉冲法测距。相位法激光测距是利用发射连续激光信号和接收信号之间的相位差所含有的距离信息来实现对被测目标距离测量的。相位法测距有两种模式，一种是IR（Infra Red）测距方式，仪器发射波长为780nm的红外光束，另一种为RL（Red Laser）测距，全站仪发射波长为670nm的红色激光束进行测量，相位测距法采用高频测距技术和动态频率校正技术以确保达到较高的测距精度。脉冲式测距是脉冲激光测距系统通过脉冲激光器向被测目标发射宽度极窄的光脉冲，然后接收被测目标表面反射回来的光脉冲，根据测量光脉冲从发射到返回接收机的时间差来计算全站仪与待测目标之间的距离。激光脉冲法通过细分一个时标脉冲，可以使得精度达到毫米级，具有测程远的特点，但测距精度略低于相位测距法。

2 全站仪免棱镜测量应用现状

近年来，随着测绘技术的革新进步，许多学者和测绘人员在全站仪免棱镜测量方面做了很多有益的探索。解放军信息工程大学范百兴等运用TCRA1101全站仪对不同目标物体进行了测量，发现：对于50m之内的测量目标最优观测方差在1mm左右，测量具有较高的内符合精度；影响测距精度的因素主要有：气象条件、反射物体的稳定性、目标物类型和测量距离；在反射表面较光滑和气象条件一般的情况下，免棱镜测量技术最大测程为60m左右［1］。河海大学岳建平教授使用拓普康GPT-3002全站仪，在距离37m左右对不同材质、不同颜色的物体进行了测试。发现物体表面的粗糙程度和材料颜色对测量精度的影响并不明显，材料颜色越浅，物体的反射信号越强，对测距就越有利，但黑色物体不能测距［2］。解放军信息工程大学朱顺平用溯源的高精度仪器和柯达灰度板白面，分别在3m、20m、37m距离上对徕卡TCR1102全站仪的免棱镜测量性能进行了检验，结果显示全站仪免棱镜测量具有较高的外符合精度［3］。

由于全站仪免棱镜测量具有不需要合作目标，在较短的测线时具有较高的测量精度，方便快捷等优点，已在隧道、地形、地籍等测量中得到广泛的应用。但将此项技术用于地质灾害监测领域，还存在测距较短、测量精度略低等不足，不能满足实际工作的需要。

3 反射膜测量法和相关试验研究

三峡库区地形复杂，丘陵山地分布广泛，具有冬暖、春早、夏热、秋雨、霜少，温度大，云雾多等特点。库区内的自然滑坡和高切坡众多，坡陡路滑，采用全站仪有棱镜测量有许多不便，而全站仪免棱镜测量在这类地形复杂、植被覆盖广泛的苛刻环境条件下也显得力不从心。

全站仪免棱镜测量在地质灾害监测工作中应用的首要问题是测距基线短，其根本原因是全站仪测量发射激光束在传播过程，尤其是经被测物体表面反射时，信号强度有很大的衰减，致使免棱镜测量测程短，或在较长测量基线时测距不稳定，不能满足实际测量要求。作者在研制与运用滑坡无线遥测台网时发现，把一种高效反射膜应用于免棱镜测量，可以在保证测量精度的前提下，极大地延长有效测程，由此提出全站仪反射膜测量法。

运用全站仪反射膜测量法，首先要制作一个贴有高效反射膜的激光反射器。由于全站仪所发射的激光束为点发散光源，其光斑一般为椭圆形，随着测程的增加，落在目标物的光斑也会增大。以徕卡TPS1201+全站仪为例，光斑在20m处椭圆大小约为7mm×14mm，在100m处为12mm×40mm。故要有效地进行免棱镜测量，作为观测目标的反射膜，其大小至少要大于目标点处的激光光斑。

制作激光反射器需要以下材料：一张大小适宜的激光反射膜，一块尺寸大于激光反射膜，且表面平整的塑料板，激光板固定支架和遮光罩。作者在300m测程内，使用了150mm×150mm大小的激光反射膜。按图1所示组装激光发射器。首先，将反射膜粘贴于事先准备好的塑料平板上，然后，在反射膜中心处用标记漆做一个半径为30mm的圆环为测量标记，并和遮光罩一起固定于激光板支架上，最后将组装好的激光板支架通过膨胀螺丝固定于被监测物体上。为提高测距精度，安装时应尽量使激光板垂直于测线方向；测量宜选在阴天、晴天的清晨或傍晚时进行，测距效果更好。

图1 激光反射器结构示意图Fig.1 Structure of the laser reflector

我们在三峡库区对反射膜测量法的测量精度进行了相关试验研究。首先，对本测量技术的内符合精度进行了试验，在野外强制对中桩上安装了一面徕卡圆棱镜和一块已制作好的激光反射器，使用徕卡TPS1201+全站仪，在大约250m处分别观测40次，测量结果如表1。

表1 使用反射膜和棱镜测试结果对比Table 1 Comparison of measurements with reflecting film and prism

从表1中可以看出全站仪反射膜测量具有很高的内符合精度，在观测距离约250m时，其观测值误差和使用棱镜比较，并没有很大的差别。

图2 监测布网示意图Fig.2 Sketch map of the monitoring network

为了进一步检验该方法的有效性，又在三峡万州库区某处涉水楼房的实际应急监测中，试用了全站仪反射膜测量技术，并与全站仪常规有棱镜测量开展了对比观测试验。全站仪监测布网如图2所示。图中WG212点处为全站仪的设站位置，河对面1～4#楼房为所要监测的对象，兴茂雅园A#楼为全站仪测量的后视点位置。我们一方面在1～4#楼房上建立了可安装棱镜的强制对中桩，分别对应101至402变形监测点；另外，还在1#、3#和4#楼房安装了粘贴有高效反射膜的激光反射器。

从2009年3月～9月，我们对1#、3#、4#涉水楼房运用两种测量方法同步进行了十期测量，以变形监测点301为例，平距测量结果如图3、4所示。可以看出，两组结果无论在楼房变形的趋势上，还是在变形的幅度上均十分相近。

图3 使用反射膜的平距测量结果Fig.3 Horizontal distance measured by the reflecting film

图4 使用棱镜的平距测量结果Fig.4 Horizontal distance measured by the prism

用SPSS软件进行相关性分析，发现这两组数据的相关性高达0.965。其他两块激光板和对应棱镜平距测量结果的相关性分别为0.942和0.946，说明全站仪反射膜免棱镜测量技术测距性能稳定，而且精度较高，我们已在三峡库区三期高切坡地质灾害监测工作中开始推广运用。鉴于所使用的反射膜成本低廉，今后在众多地质灾害点的变形监测中，该项技术将具有广泛的应用前景。