現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)3

1、現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù),任課教師：高 飛,合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,土木工程專業(yè),第一章 變形監(jiān)測概述第二章 垂直位移與水平位移觀測第三章 變形監(jiān)測新技術(shù)與工程實例第四章 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ),本課程主要內(nèi)容,現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù),第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變形監(jiān)測的技術(shù)和方法正在由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發(fā)展。 在變形體上布置變形觀測點，在變形區(qū)影響范圍之外的

2、穩(wěn)定地點設(shè)置固定觀測站，用高精度測量儀器定期監(jiān)測變形區(qū)域內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)點的三維（X、Y、Z）或（X、Y、H）位移變化，是獲取待測物體變形的一種行之有效的外部檢測方法。,現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù),第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例 §3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) §3.2 合成孔徑雷達干涉測量 §3.3 近景攝影測量 §3.4 激光掃描技術(shù) 

3、7;3.5 工程實例,現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù),第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS——全稱是衛(wèi)星授時測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NAVSTAR/GPS）Navigation System Timing And Ranging / Global Positioning System,關(guān)于GPS和GNSS？ GNSS——Global Navigation Satellite S

4、ystem (全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）美國：GPS；俄羅斯：GLONASS；歐洲：GALILEO中國：北斗導(dǎo)航系統(tǒng) BeiDou Navigation Satellite System 簡稱BDS（原名COMPASS）,全球定位系統(tǒng)GPS的應(yīng)用是測量技術(shù)的一項革命性的變革。 與傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法相比較，應(yīng)用GPS不僅具有

5、精度高、速度快、操作簡便等優(yōu)點，而且利用GPS和計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進行集成，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理到變形分析及預(yù)報的自動化，達到遠程在線網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控的目的。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 1．測站間無須通視 對于傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測方法，點之間只有通視才能進行觀測，而GPS測量的一個顯著特點就是點之間無須保持通視，僅需

6、要測站上空開闊即可，從而可使變形監(jiān)測點位的布設(shè)方便而靈活，并可省去不必要的中間傳遞過渡點，提高工作效率，節(jié)省許多費用。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 1．測站間無須通視 2．可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息 采用傳統(tǒng)方法進行變形監(jiān)測時，平面位移和垂直位移是采用不同方法分別進行監(jiān)測的，不僅監(jiān)測的周期長、工作量大，而且監(jiān)測的時間和點位很難

7、保持一致，為變形分析增加了難度。采用GPS可同時精確測定監(jiān)測點的三維位移信息。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 1．測站間無須通視 2．可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息 3．全天候監(jiān)測 GPS測量不受氣候條件的限制，無論起霧刮風(fēng)、下雨下雪均可進行正常的監(jiān)測。配備防雷電設(shè)施后，GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)便可實現(xiàn)長期的全天候觀測，它對防汛抗洪、滑坡

8、、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域極為重要。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 4．監(jiān)測精度高 在變形監(jiān)測中，如果GPS接受機天線保持固定不動，則天線的對中誤差、整平誤差、定向誤差、天線高測定誤差等不會影響變形監(jiān)測的結(jié)果。 同樣，GPS數(shù)據(jù)處理時起始坐標(biāo)的誤差，解算軟件本身的不完善以及衛(wèi)星信號的傳播誤差中公共部分的影響也可以得到消除或削弱。 實踐證

9、明，利用GPS進行變形監(jiān)測可獲得 ±0.5~2 mm的精度。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 5．GPS大地高可用于垂直位移測量 由于GPS定位獲得的是大地高，而用戶需要的是正常高或正高，它們之間有以下關(guān)系：H大地高 =h正常高+ ξ； H大地高= h正高+N 式中，高程異常ξ和大地水準(zhǔn)面差距N的確定精度較低，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換

10、后的正常高或正高的精度不高。,一、GPS變形觀測的特點 5．GPS大地高可用于垂直位移測量 由于GPS定位獲得的是大地高，而用戶需要的是正常高或正高，它們之間有以下關(guān)系：H大地高 =h正常高+ ξ； H大地高= h正高+N,但是，在垂直位移監(jiān)測中我們關(guān)心的只是高程的變化，對于工程的局部范圍而言，完全可以用大地高的變化來進行垂直位移監(jiān)測。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GP

11、S變形觀測的特點 6．操作簡便，易于實現(xiàn)監(jiān)控自動化 GPS接收機的自動化越來越高，趨于“傻瓜”，而且體積越來越小，重量越來越輕，便于安裝和操作。 同時，GPS接收機為用戶預(yù)留有必要的接口，用戶可以較為方便地利用各監(jiān)測點建成無人值守的自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報警到入庫的全自動化。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 7．具

12、有嚴(yán)格定義的參考系統(tǒng) GPS定位測量采用世界大地坐標(biāo)系WGS84，很容易與其它全球地心坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換，納入嚴(yán)格定義的全球參考系統(tǒng)。 世界大地坐標(biāo)系WGS 84 （ World Geodetic System - 1984） 協(xié)議地球參照系CTRS 2000（Conventional Terrestrial Reference System 2000） 國際地球參考框架ITRF 2000（Intern

13、ational Terrestrial Reference 2000 ） 中國大地坐標(biāo)系CGCS 2000（China Geodetic Coordinate System 2000）,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 8．利用GPS進行變形監(jiān)測，存在的缺點： （1）GPS觀測會受到現(xiàn)場環(huán)境的影響 GPS信號易受測站附近的房屋、大面積

14、水域等物體遮擋或產(chǎn)生多路徑效應(yīng)；還可能受到測站周圍電磁場的影響，降低測量精度。 （2）GPS信號受大氣的影響 如果GPS參考站之間或與監(jiān)測點之間距離遠、高差大，有可能受到電離層、對流層等大氣條件的影響，反映出較大誤差。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 二、GPS變形觀測的實施 1．GPS觀測站選擇與標(biāo)志建立 （1）GPS測站的設(shè)置應(yīng)盡可

15、能避開易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)和易受電磁場影響的地方。 （2）GPS測站應(yīng)設(shè)立穩(wěn)固的標(biāo)石，盡量采用強制對中裝置，保持點位的穩(wěn)定，便于長期觀測。 （3）GPS接收天線應(yīng)高出地面0.5米以上。 （4）GPS參考站與監(jiān)測點之間距離不要太遠。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),二、GPS變形觀測的實施 1．觀測站選擇與標(biāo)志建立 2．觀測模式的選擇 GP

16、S變形監(jiān)測分為定期重復(fù)觀測和連續(xù)性觀測兩種模式。 （1）定期重復(fù)觀測又稱為周期性變形監(jiān)測，與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測網(wǎng)相類似，一般采用靜態(tài)相對定位的方法，事后處理和分析數(shù)據(jù)。觀測周期根據(jù)變形的速率確定。,二、GPS變形觀測的實施 1．觀測站選擇與標(biāo)志建立 2．觀測模式的選擇（2）連續(xù)性觀測模式 連續(xù)性觀測模式是將GPS接收機固定在測站上，連續(xù)采集衛(wèi)星信號，獲得變形觀測數(shù)據(jù)序列。該方法實質(zhì)上也是對監(jiān)測點進行重復(fù)觀測，但數(shù)據(jù)可以是連續(xù)的

17、，具有較高的時間分辨率和觀測精度。 具體觀測方法有兩種： ①靜態(tài)相對定位方法（采用事后處理，適用于不需要實時數(shù)據(jù)傳輸、處理和分析的場合） ② 動態(tài)相對定位方法（能夠?qū)崟r監(jiān)控變形）,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS動態(tài)相對差分定位原理,,,,發(fā)射電臺,GPS主機,基準(zhǔn)站,移動站,,,GPS主機,動態(tài)實時差分RTK測量原理圖,采集器,,接收電臺,二、GPS變形觀測的實施動態(tài)相對定位方法又分為兩種形式：

18、 利用GPS接收機陣列進行動態(tài)相對定位；（主要缺點：價格昂貴，不便于管理） 利用一機多天線方式實現(xiàn)GPS動態(tài)相對定位,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS接收機陣列變形監(jiān)測系統(tǒng),GPS接收機陣列變形監(jiān)測系統(tǒng),GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)天線布置圖,一、GPS變形觀測的特點 二、GPS變形觀測的實施 1．GPS觀測站選擇與標(biāo)志建立

19、 2．GPS觀測模式的選擇 3．?dāng)?shù)據(jù)采集與傳輸 （1）GPS定期重復(fù)觀測模式：數(shù)據(jù)由接收機存儲，事后傳輸?shù)接嬎銠C進行數(shù)據(jù)處理與分析。 （2）GPS連續(xù)性觀測模式：根據(jù)現(xiàn)場條件，GPS數(shù)據(jù)傳輸可采用有線（監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)）和無線（基準(zhǔn)點觀測數(shù)據(jù)）相結(jié)合的方法。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點 二、GPS變形觀測的實施 4．GPS數(shù)據(jù)處理 （1）

20、GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理：事后由計算機利用專門基線解算和網(wǎng)平差軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。 （2）GPS連續(xù)動態(tài)數(shù)據(jù)處理：從每臺GPS接收機傳輸數(shù)據(jù)開始，到處理、分析、變形顯示為止，所需總的時間小于10分鐘，為此，必須建立一個局域網(wǎng)，有一個完善的軟件管理、監(jiān)控系統(tǒng)。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),一、GPS變形觀測的特點二、GPS變形觀測的實施三、GPS變形監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用 1．地殼形變

21、觀測 （1）甚長基線干涉測量系統(tǒng)（VLBI） （2）衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)（SLR） （3）全球定位系統(tǒng)（GPS） 2．大壩變形觀測 3．高層建筑物變形觀測 4．大型橋梁變形觀測,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,§3.1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),衛(wèi)星激光測距SLR,利用GPS對香港青馬大橋進行動態(tài)變形監(jiān)測,利用GPS對高層建筑物進行動態(tài)變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理,合成孔徑雷達干涉測量是

22、上世紀(jì)60年代逐步發(fā)展起來的一種遙感技術(shù)。簡稱：InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）包括兩大技術(shù)的融合： 1．合成孔徑雷達遙感成像（SAR） 2．電磁波干涉測量 利用微波雷達成像傳感器對地表進行連續(xù)主動遙感成像，使用專門的數(shù)據(jù)處理方法，從雷達影像的相位信號中提取地面的地形或變形信息。主要特點： 高精度（可達毫米級）、大范圍、全天候,§

23、;3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征 InSAR是利用覆蓋同一地區(qū)的多幅SAR影像所產(chǎn)生的干涉相位圖來提取有用地形信息。,（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像 1．雷達平臺：可以是飛機、人造衛(wèi)星和航天飛機等。 2．所謂側(cè)視：是指雷達向地面發(fā)射的微波脈沖束（橢圓錐狀）側(cè)向傾斜了一個角度θ0,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形

24、觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,橢圓錐狀微波脈沖束在地表形成一個輻射帶，可看成由許多小的空間面元組成；每個面元分別反射脈沖波并被雷達接收；不同雷達斜距R對應(yīng)不同的像素，形成一定幅寬范圍的連續(xù)地表影像。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖

25、像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,可區(qū)分兩個相鄰目標(biāo)的最小距離稱為雷達影像的空間分辨率，距離小則分辨率高；沿雷達飛行方向稱為方位向，其分辨率為：,式中：R為雷達斜距，L為雷達天線長度，λ為雷達 微波波長。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,沿雷達飛行方向稱為方位向沿雷達斜距方向的分辨率為：,式中：c 為光速，τ

26、P為雷達脈沖寬度，θi 為側(cè)視角。由此可見, ΔR 是常數(shù)， ΔY 隨 θi 的改變而變化。,雷達斜距向的地面分辨率為：,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,所以目標(biāo)物越遠離底點，傾斜向地面分辨率越高；反之越靠近底點分辨率越低；這也是雷達成像要求側(cè)視的主要原因；該特性與航空攝影測量的中心投影方式正好相反。,§3.2

27、合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,目前利用人造衛(wèi)星進行SAR航高一般在500~2000Km；雷達微波波長5~30cm；側(cè)視角一般在20°~70°之間 。假設(shè)取波長為5.66cm，為了達到10m方位向分辨率，則：,但是沿雷達飛行方向的方位向分辨率，與天線長度有關(guān)。,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,§

28、;3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,在不增加雷達天線長度的前提下，由于雷達飛行與地面成像點O存在相對運動的現(xiàn)象，必然使得返回脈沖波的頻率產(chǎn)生漂移，也就是多普勒頻移現(xiàn)象。雷達接收并精確測定脈沖回波的相位延遲、跟蹤頻率漂移。,（二）合成孔徑側(cè)視雷達成像,通過數(shù)據(jù)處理合并成為一個被銳化的回波脈沖，提高雷達成像方位向的分辨率，最終形成高精度SAR影像。,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成

29、像,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,如圖所示，就是基于多普勒頻移原理的合成孔徑雷達成像幾何圖。地面成像點O的位置，通過銳化數(shù)據(jù)處理后，成像方位向分辨率得到提高。近似為：,可見所謂“合成孔徑”是通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)的！,（二）合成孔徑側(cè)視雷達成像,一、SAR成像原理與圖像特征（一）真實孔徑側(cè)視雷達成像,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,SAR

30、系統(tǒng)基于側(cè)視成像幾何原理所獲取的數(shù)據(jù)稱為“粗數(shù)據(jù)” ，經(jīng)過地面預(yù)處理后形成單視復(fù)數(shù)影像，每一像素可用一個復(fù)數(shù)表示：,（三）SAR圖像的基本特征,式中： 為振幅： ——對應(yīng)地面分辨單元灰度信息； 為相位值： ——沿側(cè)視方向脈沖總波數(shù)的尾數(shù)。,一、SAR成

31、像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,SAR圖像的基本特征與相位觀測值的構(gòu)成,二、InSAR基本原理,1801年Thomas Young（1773~1829）發(fā)現(xiàn)了光的相干效應(yīng)，并用波的疊加原理成功解釋了該效應(yīng)，這就是著名的“楊氏雙縫光干涉實驗” 。 InSAR正是根據(jù)所謂“光干涉條紋”為基本原理，將覆蓋同一區(qū)域的兩幅SAR影像對應(yīng)像素的相位值相減，便可得到相位差圖，即

32、干涉相位圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理對相位信息進行分離和提取，反映的就是該區(qū)域地面起伏和地表形變的信息。,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,從技術(shù)角度看，干涉合成孔徑雷達的數(shù)據(jù)收集一般要求雷達平臺上配備兩副SAR天線，這兩副天線在航線方向交替工作。 對于機載系統(tǒng)：兩副天線固定在同一飛機上，傳感器中心連線稱為空間基線向量，長度不變，可以從數(shù)米到數(shù)十米（軍用偵察飛機相

33、距914毫米）。它們交替進行脈沖的發(fā)射和接收，產(chǎn)生時間略有差異的接收信號形成干涉現(xiàn)象。,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,對于星載系統(tǒng)： 一般采用單天線模式，衛(wèi)星以一定的時間間隔對同一區(qū)域進行重復(fù)SAR成像，兩次飛行軌道近似平行，組成類似機載SAR的干涉相位。,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基

34、本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,S1和S2兩個傳感器分別接收地面目標(biāo)P點的SAR回波信號ω1和ω2，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的影像分別為主、從影像。,經(jīng)配準(zhǔn)，將圖像逐像素進行復(fù)共軛相乘，得：,（一）干涉相位的形成,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,雷達接收信

35、號中的相位ψ包括兩部分： 1．往返路徑確定的相位； 2．地表不同的散射特性造成的隨機相位。即：,（一）干涉相位的形成,假設(shè)兩次成像間無隨機擾動，則兩信號的相位差為：,由此可見，干涉圖中的相位差Φ取決于斜距信號的路徑差ΔR，兩者成正比例關(guān)系；在實際干涉數(shù)據(jù)處理中，采用三角函數(shù)運算則丟失了相位的整周數(shù)，只能得到干涉相位的主值（即纏繞相位），必須通過解纏算法恢復(fù)相位完整值。由于相位差的周期性變化，反映在干涉圖上表現(xiàn)為

36、干涉條紋。干涉條紋在陸地區(qū)域是連續(xù)的，較為清晰；但在水域地區(qū)，干涉條紋比較模糊，主要由信號噪聲引起。,（一）干涉相位的形成,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,,電磁波測距基本原理公式,設(shè)電磁波在大氣中傳播速度為c，當(dāng)它在距離D上往返一次的時間為t，則有：,,5.3.1測距儀的測距原理,相位法測距原理,調(diào)制波的調(diào)制頻率f，角頻率 ，設(shè)調(diào)制波在距離D往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ ，,,,,,--

37、λ為調(diào)制光的波長,,GPS 整周未知數(shù)解算,測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成: (1)初始整周未知數(shù)n；(2) t 0至t i 時刻的整周記數(shù) Ci；(3)相位尾數(shù) ?i如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初始整周未知數(shù) N為了利用載波相位進行定位，必須設(shè)法先解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀測值 N + Ci+ ? i,由此可見，干涉圖中的相位差Φ取決于斜距信號的路徑差ΔR，兩者成正比例關(guān)系；在實際干涉數(shù)據(jù)處理

38、中，采用三角函數(shù)運算則丟失了相位的整周數(shù)，只能得到干涉相位的主值（即纏繞相位），必須通過解纏算法恢復(fù)相位完整值。由于相位差的周期性變化，反映在干涉圖上表現(xiàn)為干涉條紋。干涉條紋在陸地區(qū)域是連續(xù)的，較為清晰；但在水域地區(qū)，干涉條紋比較模糊，主要由信號噪聲引起。,（一）干涉相位的形成,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（一）干涉相位的形成,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度

39、,干涉相位圖像質(zhì)量評價的量化標(biāo)準(zhǔn)，是干涉相關(guān)系數(shù)（意大利 Prati，1993年），其定義為：,式中：E[ ]表示數(shù)學(xué)期望，M、S分別表示主、從影像復(fù)數(shù)集，*為復(fù)數(shù)的共軛算子。干涉相關(guān)系數(shù)γ的絕對值取值范圍為[0，1]。 1．當(dāng)γ = 0 時，表示兩景影像完全不相關(guān)； 2．當(dāng)γ = 1 時，表示兩景影像完全相關(guān)，無噪聲。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,實際計算干涉相關(guān)系數(shù)時，取某一分辨單元周圍一定

40、范圍內(nèi)的鄰近像素復(fù)數(shù)信息來估算其相關(guān)度：,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（二）干涉相位的噪聲測度,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,在實際數(shù)據(jù)處理時，也可用像元信噪比（SNR）來計算干涉相關(guān)系數(shù)：,可見：干涉相關(guān)系數(shù)越高的目標(biāo)，其信噪比越大；反之越?。粌煞N方法對干涉相位噪聲程度的衡量是一致的。高信噪比目標(biāo)的數(shù)量越多，干涉測量成果的精度越高、質(zhì)量越可靠。,（一）干涉

41、相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪聲測度（三）干涉相位成分分析,在非零基線（即兩次成像的衛(wèi)星軌道不完全重合）的情況下，干涉相位主要由五個分量組成： 1．參考分量（平地分量） 2．地形分量 3．形變相位 4．大氣相位 5．相位隨機噪聲,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,上述干涉相

42、位中包含五個分量，其中參考分量和地形分量具有顯著影響，必須在提取地表形變信息時從初始干涉圖中予以剔除，這就是所謂的二次差分干涉DInSAR（Differential InSAR）。在忽略大氣和噪聲影響的前提下，DInSAR的具體t方法主要有三種： 兩軌法、三軌法、四軌法,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章

43、 變形觀測新技術(shù)及工程實例,1．兩軌法： 使用兩幅雷達圖像和1個外部數(shù)字高程模型。兩幅雷達圖像形成一個干涉對，生成既包含地表形變信息又包含地形相位的干涉圖；外部數(shù)字高程模型通過運算能夠反演出地形相位；將上述兩類數(shù)據(jù)疊加處理，去除地形相位后便可得到地表形變信息干涉圖。,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,2．四軌法： 使用四幅雷達圖像形成兩個干涉對，分別為“地形對”和“地形+地表形變對”。兩個干涉對

44、疊加處理，去除地形相位后便可得到地表形變信息干涉圖。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,兩軌法和四軌法的差分原理相似！如圖：地面點P在兩次成像期間發(fā)生位移d，反映在干涉相位上的數(shù)值為：,參考相位：,地形相位：,初始干涉相位：,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,3．三軌法： 使用3幅雷達圖像形成兩個干涉對，分別為“地形對”和“地形+地表形變對”。從“地形+地表

45、形變對”干涉相位中，直接扣除“地形對”中僅反映地面高程信息的相位數(shù)據(jù)，便可得到地表形變信息干涉相位圖。該方法的特點是不需要產(chǎn)生數(shù)字高程模型。,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,3．三軌法：如圖：地面點P在三次成像期間發(fā)生位移d，反映在干涉相位上的數(shù)值為：,參考相位：,地形相位：,“地形+形變”干涉相位：,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合

46、成孔徑雷達干涉測量,3．三軌法：,參考相位：,地形相位：,“地形+形變”干涉相位：,式中φtop1 為地形干涉對的干涉相位：,h,其中B0// 和 B0┴分別代表基線（軌道偏移）在雷達參考視線方向上的平行和垂直投影分量。二次差分干涉后進行相位解纏，得到絕對相位差φabc反映地表沿雷達視線方向的斜距變化量為：,（二）DInSAR對地表形變的敏感度,從式 中看出：,ΔR2π是差分

47、干涉相位變化一整周2π所對應(yīng)的位移量，即DInSAR對形變測量敏感度為雷達波長的一半。由前面公式可得出： 1．對于DInSAR來說，基線越短越有利； 2．經(jīng)二次差分，DInSAR具有毫米級形變測量精度。,三、DInSAR 地表形變測量（一）觀測幾何,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程,對于單像對干涉處理，首先必須選擇合適的干涉像對和其它輔助數(shù)據(jù)（如外部數(shù)字高程模型DEM），干涉像對

48、的選擇原則： 1．對于DEM生成來說，干涉基線長度應(yīng)適中； 2．對于地表形變測量來說，干涉基線越短越好。具體步驟包括：SAR圖像配準(zhǔn)、干涉圖的生成、參考面與地形影響去除、相位解纏和地理編碼等。,三、DInSAR 地表形變測量,二、InSAR基本原理,一、SAR成像原理與圖像特征,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,基于DInSAR技術(shù)提取地表形變數(shù)據(jù)的干涉處理流程,五、In

49、SAR應(yīng)用實例、精度分析及其局限性,（一）臺灣集集地區(qū)地震形變探測及其精度分析,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,一、SAR成像原理與圖像特征二、InSAR基本原理三、DInSAR 地表形變測量四、InSAR數(shù)據(jù)處理過程五、InSAR應(yīng)用實例、精度分析及其局限性,（一）臺灣集集地區(qū)地震形變探測及其精度分析（二）InSAR技術(shù)探測地表形變的局限性 1．時、空失相關(guān)——引起嚴(yán)重的相位噪聲 2．大氣相位

50、延遲——降低形變測量結(jié)果的可靠性,研究可能解決的辦法： 采用“永久散射體”干涉測量技術(shù)可減小時空失相關(guān)和大氣相位延遲對雷達干涉結(jié)果的影響。,§3.2 合成孔徑雷達干涉測量,建筑微變遠程監(jiān)測系統(tǒng)Image by Interferometric Survey---IBIS,IBIS-S是一個基于微波干涉技術(shù)的高級遠程監(jiān)控系統(tǒng)，它將步進頻率連續(xù)波技術(shù)（SF-CW）和干涉測量技術(shù)相結(jié)合，能夠廣泛應(yīng)用于建筑物、橋梁、高塔、壩

51、體、公路和鐵路邊坡等微小位移變化的監(jiān)測。,§3.3 近景攝影測量,◆ 概述 近景攝影測量——Close – range photogrammetry 用于變形測量時，首先在待測變形體周圍穩(wěn)定點上安置照相機或攝像機，對變形體攝影（現(xiàn)在一般均為數(shù)碼攝影），然后通過內(nèi)業(yè)量測和數(shù)據(jù)處理得到變形信息。 主要優(yōu)點： 1．像片信息豐富，可批量獲取待測物體變形信息 2．可根據(jù)需要定期重復(fù)攝影，便于進行變形

52、分析 3．外業(yè)工作量小、效率高、勞動強度低 4．可以用于多種變形，如長周期、快速和動態(tài)等 5．?dāng)z影屬于遙測，可拍攝人難以到達的地方。,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆ 概述 近景攝影測量可廣泛用于土木、水利工程的勘測設(shè)計，地質(zhì)調(diào)查，文物保護，大型工程工業(yè)測量，地理信息系統(tǒng)建模，城建規(guī)劃分析，交通，房產(chǎn)，環(huán)保，礦山，電廠，林業(yè)等領(lǐng)域。   

53、主要功能： 1．地形測量 ；                         2．三維重建；      

54、  3．大型工業(yè)測量；         4．土石方量計算；        5．建（構(gòu)）筑物變形觀測及滑坡監(jiān)測,§3.3 近景攝影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,近景攝影測量系統(tǒng),◆ 概述 應(yīng)用地面攝影測量方法進行變形

55、測量，可以有三種方式：時間基線法、立體攝影測量法和多影像交會法。 （1）時間基線法： 當(dāng)只需要測定建（構(gòu)）筑物豎直平面上點的位置變化時，可以將像平面安置與被攝物體的豎直平面平行，多次攝取單張像片，這種從一個攝影站上進行的攝影稱為零基線攝影，又稱時間基線（或稱視差法）。,§3.3 近景攝影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆ 概述 （1）時間基線法 （2）地面立體攝影測量

56、 當(dāng)需要了解建筑物景深范圍內(nèi)各處不同點位的變化時，就必須采用在地面不同的攝影站上，對同一物體攝取一對重疊像片，利用像對的量測數(shù)據(jù)，來求定空間點的三維坐標(biāo)，根據(jù)不同觀測周期數(shù)據(jù)的比較，確定其變形量，這就成為地面立體攝影測量。,§3.3 近景攝影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆ 概述 （1）時間基線法 （2）地面立體攝影測量 （3）多影像交會法： 多影像交會法是

57、在兩個或兩個以上攝影測站對變形體進行攝影，然后量測影像上測點的像點坐標(biāo)，建立觀測方程，使用最小二乘法計算測點的三維坐標(biāo)。再根據(jù)不同觀測周期得到的同名點三維坐標(biāo)值，確定觀測點的變形。,§3.3 近景攝影測量,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,◆ 近景攝影測量基本原理一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系（一）像片坐標(biāo)系與像片坐標(biāo) 在攝影機安片框上有兩對框標(biāo)XX和ZZ, 它們的連線相互垂直, 攝影時它們都構(gòu)像在

58、像片上，以水平框標(biāo)的連線為X軸，垂直框標(biāo)的連線為Z軸，兩軸的交點“0”為原點。這就是像片坐標(biāo)系，它控制整個像片平面，任何一個像點 i 在像片坐標(biāo)系中，對X軸和Z軸的垂直距離（X，Z），稱為該點的像片坐標(biāo)。,§3.3 近景攝影測量,一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系（一）像片坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)（二）攝影坐標(biāo)系與攝影坐標(biāo) 坐標(biāo)原點是攝影儀安置在基線左端時的物鏡前焦點S1， Z軸是過原點S1的鉛垂線，向上為正；以左攝影

59、機主光軸的水平投影方向為Y軸，自原點向被攝目標(biāo)方向為正；通過原點，垂直于Y軸且與Y軸位于同一個水平面的方向為X軸，自原點O向右為正，向左為負，形成右手空間直角坐標(biāo)系。 每張照片均有自己的攝影坐標(biāo)系。 在攝影坐標(biāo)系控制的空間內(nèi)，任意一點到三軸的垂直距離（Xs,Ys,Zs）稱攝影坐標(biāo)。,§3.3 近景攝影測量,一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系（一）像片坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)（二）攝影坐標(biāo)系與攝影坐標(biāo)（三）

60、空間大地坐標(biāo)系 大地坐標(biāo)系為左手空間坐標(biāo)系即確定投影中心S空間位置的X,Y,H，另外為了確定攝影光束在空間的位置還必須有三個角度元素，即a0、ω、K。α0—主光軸的大地方位角 ω—主光軸與水平線的夾角，仰角為+，俯角為-。 K—ZZ軸與主縱線的夾角。ZZ軸順時針轉(zhuǎn)向主縱線時為負，逆時針轉(zhuǎn)K為正。,§3.3 近景攝影測量,一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系二、地面立體攝影測量的攝影方式

61、 地面立體攝影測量根據(jù)主光軸和攝影基線的相對位置不同，其攝影方式分為正直攝影、等偏攝影、交向攝影和等傾斜攝影等。 1．正直攝影是立體像片對的攝影主光軸水平，相互平行并且都垂直與攝影基線方向。 2．等偏攝影是立體像片對的攝影主光軸水平，相互平行且與攝影機基線的垂直方向偏離一定的角度。 3．交向攝影方式是指左，右攝影機主光軸在保持水平的情況下，相交成γ角的攝影方式。 4．等傾

62、攝影將地面攝影儀的攝影機光軸向上或向下在左右攝影站上作等傾ω角的攝影。,§3.3 近景攝影測量,立體坐標(biāo)量測儀,全數(shù)字攝影測量系統(tǒng),◆ 概述◆ 近景攝影測量基本原理 一、地面攝影測量使用的坐標(biāo)系 二、地面立體攝影測量的攝影方式◆近景攝影測量的應(yīng)用 1．河南新鄉(xiāng)大官莊古墓三維重建案例 墓地位于河南省新鄉(xiāng)市輝縣常村鎮(zhèn)大官莊，距今1800多年，屬于我國一墓九室東漢墓葬。為

63、了更好的保存墓地的文物資料，需要對墓地進行變形測量與三維重建工作。,§3.3 近景攝影測量,1．河南新鄉(xiāng)大官莊古墓三維重建案例,§3.3 近景攝影測量,§3.3 近景攝影測量,2．長江三峽邊坡監(jiān)測案例 攝站離被拍攝物體的距離約為D = 240m，被攝物體的長度約210m。四個攝站，每個攝站攝影四張像片。 外業(yè)共測量了20個控制點的三維坐標(biāo)，平差時使用9個作為控制，另外

64、11個作為檢查。,§3.3 近景攝影測量,§3.3 近景攝影測量,§3.3 近景攝影測量,§3.3 近景攝影測量,§3.3 近景攝影測量,一、三維激光掃描儀的類型 三維激光掃描儀按測量方式劃分有3種： 1．基于脈沖式原理； 2．基于相位差原理； 3．基于三角測距原理。 按用途可分為2種： 1．室內(nèi)型；

65、 2．室外型。,§3.4 激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用,第3章 變形觀測新技術(shù)及工程實例,一、三維激光掃描儀的類型 二、各種三維激光掃描儀的技術(shù)特點 1．脈沖式三維激光掃描儀測距范圍最大（幾百到幾公里）、而且不受環(huán)境光線影響，但單點精度較差，掃描頻率較低，適合于室外和大型工程使用。 2． 基于三角測距原理的三維激光掃描儀由于測量距離有限，受環(huán)境光影響較大，但測量精度極高、掃描頻率快，適合用于室內(nèi)

66、精度要求很高的環(huán)境。 3．基于相位式的三維激光掃描儀結(jié)合了以上兩種方式的優(yōu)點，同時也繼承了兩種方式的缺點。測距范圍和受環(huán)境影響程度比三角式好，精度和掃描頻率比脈沖式好。,§3.4 激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用,一、三維激光掃描儀的類型 二、各種三維激光掃描儀的技術(shù)特點三、三維激光掃描儀的性能指標(biāo) 1．基于脈沖式三維激光掃描儀的性能特點： （1） 射程：幾百米，最遠的甚至達到6k米；但一般在50至100

67、米范圍內(nèi)精度最高。 （2） 精度：對于中距離脈沖掃描式三維激光掃描儀： ±2 mm –±7 mm （測量距離<50米時）；對于超長距離脈沖掃描式三維激光掃描儀： ±15 mm （測量距離50米以內(nèi)時）。 （3） 掃描速度：不同廠家的產(chǎn)品相差較大。徠卡、Riegl、LASE的較快：高精度掃描：2~16分鐘以內(nèi)，Optech和天寶的較慢：高精度掃描：40~80分鐘以內(nèi)。,§3.4 激光掃描

68、技術(shù)及其應(yīng)用,一、三維激光掃描儀的類型 二、各種三維激光掃描儀的技術(shù)特點三、三維激光掃描儀的性能指標(biāo) 2．基于相位差的三維激光掃描儀的性能特點： （1） 射程：<79米，F(xiàn)aro于今年的第二季度推出一款Photon 120，射程能夠達到153米。 （2） 精度：5 mm (距離：< 25米）：±12 mm （< 50米）。 （3） 最大激光發(fā)射頻率：300,000 – 600,000

69、赫茲。 （4） 掃描速度：隨所設(shè)定的激光發(fā)射頻率變化。 （5） 太陽光和室外光線對掃描點數(shù)和精度影響：大。不適宜在陽光和晴天下室外進行大于20米的測距工作。,§3.4 激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用,三維激光掃描儀,三維激光掃描儀 及其應(yīng)用,美國FARO Photon 120 相位式三維激光掃描儀掃描速度：12萬點/秒視角范圍:水平360度,垂直320度最大掃描距離:153m精度: 25米處3mm.內(nèi)置P

70、C: Pentium III集成傾斜傳感器掃描控制: PC或PDA控制獨立電源系統(tǒng): 10小時供電集成設(shè)計理念: 14Kg.,§3.4 激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用,§3.4 激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用,瑞士 Leica ScanStation C10 脈沖式三維激光掃描儀掃描速度：5萬點/秒視角范圍:水平360度,垂直270度最大掃描距離:300m精度: 25米處3mm.內(nèi)置PC: Pe

71、ntium III集成傾斜傳感器、雙軸補償掃描控制: PC或PDA控制獨立電源系統(tǒng): 5小時/每塊電池集成設(shè)計理念: 13Kg.,§3.4 激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用,實例一：安徽省港口灣大壩自動變形監(jiān)測,新技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測實例簡介,實例二：安徽省新橋露天礦滑坡自動變形監(jiān)測,原變形觀測方法,全自動變形監(jiān)測系統(tǒng),新技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測實例簡介,新技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測實例簡介,實例三：高速鐵路和地鐵施工控制與監(jiān)測,GPS貫通控制