Desplazamiento y deformación de la superficie
El monitoreo del desplazamiento de la superficie se divide en monitoreo del desplazamiento relativo de la superficie y monitoreo del desplazamiento absoluto de la superficie, incluido el desplazamiento vertical y el desplazamiento horizontal. El monitoreo del desplazamiento relativo de la superficie monitorea principalmente los cambios en la superficie de formación de grietas. El monitoreo del desplazamiento absoluto de la superficie se refiere principalmente al monitoreo del desplazamiento tridimensional de puntos designados en la superficie.
Las grietas en laderas y edificios (muros de contención, casas, acequias, caminos, etc.) son los signos más evidentes de deformación de los desastres geológicos. El seguimiento de estas grietas es el más sencillo y directo. Dado que la deformación de la superficie del suelo (incluidos los edificios de superficie) es la más intuitiva, la instalación de instrumentos ahorra mano de obra, tiempo e inversión, por lo que el método de monitoreo de la deformación de la superficie es el método técnico preferido en el trabajo de monitoreo. Historia de desarrollo más temprana y la mayor variedad, la experiencia más madura en uso. Por tanto, estos métodos técnicos desempeñan un papel muy importante en el trabajo de seguimiento.
Las técnicas y métodos de monitoreo convencionales utilizados en el monitoreo de la deformación de la superficie incluyen: método de detección mecánica de grietas, método de detección de grietas, método de inclinómetro del suelo, método de nivelación, tecnología de posicionamiento y navegación por satélite global (método GPS), tasa de alta resolución. método de imagen de teledetección, método de escaneo láser tridimensional, método de medición de distancia, método de radar interferométrico, método de tecnología lidar, etc. En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología de monitoreo y la ciencia y la tecnología, algunos métodos de alta tecnología, como los métodos de detección remota (RS) y los métodos de escaneo láser tridimensional, se han introducido gradualmente en el campo del monitoreo del entorno geológico y han desempeñado un papel importante. papel importante.
1. Método de unión mecánica
El método de unión mecánica consiste en insertar refuerzos, enterrar pilotes o marcas a ambos lados de la grieta o zona de deslizamiento, y utilizar reglas de acero, cintas métricas, calibradores, etc. para medir su desplazamiento relativo. , o pegar trozos de papel, mortero de cemento o vidrio, etc., para controlar su deformación. Las ventajas de este método son simples, intuitivos, confiables, rápidos resultados, de bajo costo, fáciles de promover y no se ven afectados por el medio ambiente; las desventajas son una precisión ligeramente menor y menos información, por lo que es adecuado para la medición grupal y el monitoreo de prevención;
La gente todavía valora el uso de máquinas simples para medir los cambios en las grietas en la superficie del suelo y los edificios como método de monitoreo antes del establecimiento formal del sistema de monitoreo y como método complementario al sistema de monitoreo formal. . La razón es que este método es simple, factible, de bajo costo y tiene cierta precisión. En 1985, J. Dunnicli y otros académicos estadounidenses, británicos y franceses propusieron conjuntamente el método de pegar la placa de vidrio en la grieta con una regla para medir, midiendo los pernos de acero enterrados a ambos lados de la grieta con una regla de acero a lo largo del acero. pernos y usar una máquina de mano para medir. Hay docenas de métodos simples para medir grietas. También se recomienda que cuando se puedan utilizar métodos mecánicos para cumplir con los requisitos, se intente dar prioridad a los métodos mecánicos (Figura 3-1).
2. Método del instrumento para medir costuras
Un extremo del instrumento para medir costuras se fija en el cuerpo deslizante y el otro extremo se aprieta sobre el instrumento con un peso o un resorte. Cuando la grieta se expande y contrae, el alambre de acero se estira o acorta y se puede obtener el desplazamiento en función del tiempo. El método del medidor de grietas para monitorear grietas superficiales tiene un principio de instrumento simple, una estructura sencilla, una operación fácil, resultados rápidos y la información de los resultados es intuitiva y confiable.
El principio de funcionamiento del medidor de grietas es: recolectar con precisión la señal de desplazamiento, convertirla en una señal eléctrica para su salida usando un cable vibrante o tipo piezoresistivo, y luego convertir con precisión la señal eléctrica recolectada en un valor de desplazamiento. . A continuación se toma el medidor de grietas de cuerda vibrante (Figura 3-2, Figura 3-3) como ejemplo para presentar brevemente su principio de funcionamiento. Instale el medidor de costura en la pieza a medir, y la deformación de la línea a medir se transfiere al resorte a través de la varilla de tracción para generar una fuerza ΔF que está relacionada linealmente con la deformación y actúa sobre el sensor, provocando la vibración. La frecuencia de la cuerda vibrante cambia. El instrumento secundario controla la vibración a través de la bobina. Cuando la cuerda se excita y se reciben señales digitales, el tamaño de la acción de la deformación lineal en ambos extremos del medidor de costura se puede dar de acuerdo con el cálculo. fórmula.
La fórmula general es la siguiente:
Figura 3-1 Varias situaciones del método de detección mecánica de grietas
a-Mida el desplazamiento relativo entre las columnas A y B-Mida el nivel; de la grieta Desplazamiento y desplazamiento vertical; c-la lectura de la escala de expansión es el desplazamiento de la grieta d-la escala vertical es el desplazamiento de la grieta
Ji=K (Fi-F0) bΔt
En la fórmula ． Ji - el valor de deformación del instrumento de medición conjunto; K - el coeficiente de calibración del instrumento de medición conjunto; F0 - el valor de frecuencia de la salida del punto cero del instrumento de medición conjunto; Fi - el valor de frecuencia de salida correspondiente a; Ji; b-- Coeficiente de corrección de temperatura, proporcionado por el fabricante; Δt--el cambio de temperatura con respecto al punto de referencia, el aumento de temperatura es positivo, la caída de temperatura es negativa.
Figura 3-2 Instrumento de medición de costuras
Figura 3-3 Diagrama esquemático de medición en sitio con instrumento de medición de costuras
Método inclinómetro de superficie
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El monitoreo de la inclinación de la superficie tiene una gran aplicabilidad. Cuando se desconoce el perímetro de una pendiente inestable, se puede utilizar un inclinómetro de terreno para medir los componentes de inclinación y rotación de un punto del terreno. Este método se utilizó inicialmente principalmente para monitorear el movimiento de taludes en minas a cielo abierto y excavaciones ferroviarias, y comenzó a usarse para el monitoreo de deslizamientos de tierra en la década de 1960. Utilice un inclinómetro de suelo para monitorear los cambios de pendiente o inclinación y la dirección de la superficie del deslizamiento, con alta precisión y fácil operación. Es principalmente adecuado para deslizamientos de tierra con inclinación y dislocación angular, a saber, deslizamientos de tierra de inclinación, deslizamientos de tierra de tracción, deslizamientos de tierra deslizantes, deslizamientos de tierra de "deslizamiento-deslizamiento-tracción", deslizamientos de tierra de "deslizamiento-curvatura", etc. No es adecuado para deslizamientos de tierra de capa lisa. Para masas rocosas peligrosas (rocas agrietadas y masas de suelo) en las primeras etapas de colapso y deslizamiento, cuando el desplazamiento angular y la deformación por inclinación son dominantes, se puede implementar un monitoreo de inclinación de la superficie de alta precisión si las condiciones lo permiten.
El componente principal de un monitor de inclinación es generalmente un acelerómetro. De acuerdo con las características relativamente constantes de la gravedad terrestre, los cambios de aceleración causados por diferentes inclinaciones se capturan y convierten en ángulos de inclinación.
IV.Método de nivelación
El monitoreo regular del hundimiento del terreno generalmente adopta un método de nivelación de precisión repetido. A través de estrictos procedimientos de nivelación, después de diseñar la red de primer y segundo nivel, finalmente se extrae cada red de nivelación. Pequeños cambios en el hundimiento del terreno durante el período. A través de observaciones periódicas repetidas, se proporciona información precisa y confiable para estudiar y controlar el hundimiento del terreno.
En los años 80, cuando aún no había aparecido el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), los métodos más utilizados para los trabajos de nivelación eran el teodolito y el nivel, o el distanciómetro electroóptico que se venía utilizando desde la década de los 80. Década de 1950. (EDM). Si solo está midiendo la posición vertical, generalmente se elige un nivel. La técnica de nivelación diferencial permite a los topógrafos calcular la elevación de un punto conocido a otro utilizando un telescopio calibrado con precisión y una escala vertical indexada. Este método no sólo es simple y fácil de usar, sino también muy preciso. La mayoría de los países, incluidos Estados Unidos y Japón, adoptaron medidas de nivelación para monitorear el hundimiento del terreno en los primeros días, y todavía hay muchas áreas en Japón que utilizan mediciones de nivelación para monitorear el hundimiento del terreno (Figura 3-4).
Figura 3-4 Diagrama esquemático de nivelación
La nivelación se ha aplicado muy tempranamente en ciudades grandes y medianas de mi país, especialmente en Shanghai, la ciudad industrial más grande de mi país. , y se ha utilizado hasta el día de hoy con mucha experiencia exitosa. La principal ventaja de la nivelación para observar el hundimiento del terreno es la alta precisión de la medición. A nivel nacional, en 1842, Shanghai descubrió el hundimiento del terreno a través de repetidas mediciones de nivelación en el área urbana, y compiló el mapa de desarrollo del hundimiento del terreno más antiguo de Shanghai a través de datos de nivelación. En 1962, comenzaron las mediciones de nivelación a largo plazo del hundimiento del terreno (Academia de Estudios Geológicos de Shanghai, 2008). . Las regiones o ciudades que utilizan mediciones de nivelación para monitorear el hundimiento de la tierra también incluyen la llanura del norte de China, Taipei, Taiyuan, Xi'an, la región de Jiangsu Suxichang, la región de Zhejiang Hangjiahu, etc. Las mediciones de nivelación de precisión muestran que el hundimiento del terreno en Shanghai ha disminuido a un nivel de 1,5 metros. A juzgar por los resultados de las mediciones de nivelación, la nivelación de precisión juega un papel importante a la hora de determinar preliminarmente si se ha producido un hundimiento del terreno. El principio de nivelación de precisión está maduro, el instrumento es fácil de operar y la precisión de la medición del hundimiento del terreno es alta. Sigue siendo el método principal para el monitoreo del hundimiento del terreno regional.
5. Tecnología de posicionamiento y navegación por satélite global (método GPS)
En comparación con la tecnología de nivelación convencional, la medición por GPS tiene las ventajas de una alta precisión de posicionamiento, un tiempo de observación corto y sin necesidad de hacerlo. ver entre estaciones. Puede proporcionar coordenadas tridimensionales, fácil operación y operación en todo clima. Por lo tanto, la tecnología GPS tiene amplias perspectivas de aplicación.
El posicionamiento absoluto GPS, también conocido como posicionamiento de un solo punto, generalmente se refiere a un método de posicionamiento que determina directamente las coordenadas absolutas de una estación de observación en relación con el origen del sistema de coordenadas (el centro de masa de la Tierra). cuando el sistema de coordenadas de la Tierra es consistente. El llamado "absoluto" sirve principalmente para distinguir los métodos de posicionamiento relativo. El posicionamiento absoluto y el posicionamiento relativo son, en principio, diferentes en términos de métodos de observación, procesamiento de datos, precisión de posicionamiento y alcance de aplicación.
El principio básico del uso del GPS para posicionamiento absoluto es determinar el punto correspondiente a la antena receptora del usuario en función de las coordenadas instantáneas conocidas del satélite midiendo la distancia (o diferencia de distancia) entre el satélite GPS y la antena receptora, es decir, la ubicación de la estación de observación.
La esencia del método de posicionamiento absoluto GPS es la intersección hacia atrás de la distancia espacial en la medición. Para ello, en principio, en una estación de observación basta con tener tres puntos de observación a distancia independientes. La estación de observación debe estar situada en una esfera con los tres satélites como centro y la distancia correspondiente es la intersección del radio. de la esfera y el plano donde se ubica la estación de observación.
Sin embargo, dado que el GPS utiliza el principio de alcance unidireccional y es difícil mantener una sincronización estricta entre el reloj del satélite y el reloj del receptor del usuario, la distancia real entre la estación de observación y el satélite se incluye en el reloj del satélite y el reloj del receptor La diferencia de sincronización del reloj de la máquina (por lo que habitualmente se le llama pseudodistancia). Con respecto a la diferencia del reloj del satélite, podemos aplicar los parámetros de reloj relevantes proporcionados en el mensaje de navegación para corregirla. Sin embargo, la diferencia del reloj del receptor generalmente es difícil de determinar con precisión de antemano. Por lo tanto, generalmente se trata como un parámetro desconocido y se resuelve junto con las coordenadas de la estación de observación durante el procesamiento de datos. Por lo tanto, para resolver cuatro parámetros desconocidos (tres coordenadas de puntos y un parámetro de diferencia de reloj) en tiempo real en una estación de observación, se requieren al menos cuatro observaciones simultáneas de pseudorango. En otras palabras, se deben observar al menos cuatro satélites simultáneamente (Figura 3-5).
Figura 3-5 Principio de posicionamiento absoluto GPS
Figura 3-5 xsi, ysi, zsi son las coordenadas instantáneas (valores conocidos) del satélite de posicionamiento, x, y, z son las coordenadas recibidas de la aeronave (valor desconocido), ρ-si es el pseudodistancia entre el satélite y el receptor GPS, C es la velocidad de la luz y dτ es la diferencia horaria entre el reloj del satélite y el receptor GPS. Posicionamiento relativo GPS, también llamado receptor GPS diferencial. El posicionamiento, también conocido como posicionamiento GPS diferencial, es uno de los métodos de posicionamiento más precisos en el posicionamiento GPS y se usa ampliamente en campos como la topografía geodésica, la topografía de ingeniería de precisión, la investigación geodinámica y la navegación de precisión.
La situación más básica de posicionamiento relativo es utilizar dos receptores GPS, colocados en ambos extremos de la línea de base, para observar el mismo satélite GPS simultáneamente para determinar la posición de los puntos finales de la línea de base cuando son consistentes con la sistema de coordenadas terrestres o vector de línea base.
El posicionamiento relativo incluye el posicionamiento relativo estático y el posicionamiento relativo rápido.
Posicionamiento relativo estático, es decir, el receptor configurado en el punto final de la línea de base es estacionario, de modo que se pueden obtener suficientes datos de observación redundantes a través de la observación continua, mejorando así la precisión del posicionamiento. Generalmente, la observación de la fase de la portadora (o pseudorango de fase) se utiliza como observación básica. La observación sincrónica del mismo satélite en dos o más puntos de observación puede eliminar o debilitar eficazmente los efectos de los errores de órbita de los satélites, las diferencias de reloj de satélite, las diferencias de reloj de receptor, etc.
La idea básica del método de posicionamiento relativo rápido es: un receptor se fija en el punto de referencia (o estación base) y observa continuamente todos los satélites GPS visibles, y el otro receptor se mueve en la observación circundante. estaciones Cada estación móvil realiza observaciones estáticas para determinar la posición relativa entre la estación móvil y la estación base (Figura 3-6). La precisión de posicionamiento de este método es equivalente a la del posicionamiento relativo estático. Debido a su rápida velocidad y alta precisión, ha sido adoptado por la mayoría de los usuarios de GPS. También utilizaremos este método de posicionamiento para el posicionamiento tridimensional y, finalmente, resolveremos el cambio de elevación del suelo (hundimiento del suelo) en la dirección vertical.
Figura 3-6 Posicionamiento relativo rápido GPS
Debido a las características globales, para todo clima, de alta precisión y en tiempo real del GPS, la aplicación del GPS para monitorear el hundimiento del terreno ha sido adoptado por la mayoría de los países desarrollados. California, EE. UU., es un área con graves hundimientos del terreno. El Servicio Geológico de los Estados Unidos ha desplegado 250 estaciones de monitoreo GPS en el área. Hay un punto cada 30 km en el área, y las áreas clave se concentran en un punto cada 3 km para el monitoreo clave. La precisión de monitoreo estimada es de 1 mm/pieza. Otros lugares en los Estados Unidos como el área de Houston en Texas, Albuquerque, Nuevo México, el Valle de Avra, Arizona y Las Vegas, Nevada también se han establecido en Nevada, el Delta Sacramento-San Joaquim, el. Delta Sacramento-San Joaquim en California y la cuenca de Tucson en Arizona. Red de monitoreo de hundimiento geodésico del terreno. Después del terremoto de Hanshin de 1995, Japón propuso establecer una red de observación GPS con una densidad de 30 kilómetros y una cobertura integral de todo el país, con alrededor de 1.000 estaciones. Actualmente, se han construido alrededor de 650 estaciones para fortalecer el seguimiento de la deformación de la superficie.
Según los últimos datos, la precisión de posicionamiento actual del GPS en una superficie plana es de 5 mm, y la precisión absoluta de medir la elevación en la dirección vertical es de 2 a 3 veces la de la dirección horizontal. Si se utiliza tecnología de posicionamiento relativo, la tecnología de posicionamiento del GPS alcanzará el nivel milimétrico. Para cambiar lentamente el hundimiento del terreno, la precisión del GPS es suficiente para satisfacer las necesidades de monitoreo. Por lo tanto, cada vez más países en el mundo están aplicando la tecnología GPS para monitorear el hundimiento de la tierra: por ejemplo, la cuenca del río Po y la región de Venecia en Italia, los campos petroleros occidentales de Venezuela, la región de Cheshire en el Reino Unido y el valle de Latrobe. de Australia han establecido una red de monitoreo GPS para realizar un monitoreo integral del hundimiento del terreno.
La aplicación nacional de la tecnología GPS para monitorear el hundimiento del terreno comenzó tarde. En 1995, la Universidad de Tongji estableció una red de monitoreo de deformación tridimensional en Suzhou y llevó a cabo experimentos de monitoreo de hundimiento del suelo en Suzhou utilizando tecnología GPS. En 1995, el primer centro de monitoreo de la deformación del terreno de la Administración de Terremotos de China estableció una red de pruebas de monitoreo GPS que constaba de 18 estaciones de monitoreo GPS en Tianjin (principalmente en la Nueva Área de Binhai). La prueba de monitoreo de 7 años muestra que si se tiene en cuenta el hundimiento del terreno en la cuenca del río Po y el área de Venecia, se pueden establecer redes de monitoreo GPS en el campo petrolífero de Cheshire en el Reino Unido y el valle de Latrobe en Australia para realizar un monitoreo integral del terreno. hundimiento. La prueba de monitoreo de 7 años muestra que si se tienen en cuenta el error de transferencia de elevación de la medición de nivelación y el error del componente de elevación de coordenadas (elevación geodésica) obtenido mediante la medición GPS, el cambio de elevación obtenido mediante la medición GPS es consistente con el cambio de elevación obtenido por medición de nivelación; la cantidad de asentamiento obtenida mediante medición GPS (cambio de elevación de la Tierra) es bastante consistente con el asentamiento (cambio de elevación normal) obtenido mediante mediciones de nivelación de precisión, y el valor cuadrático medio de la desviación entre los dos es 11,6 mm/a.
En 1998, Shanghai inició un estudio piloto de tecnología GPS para monitorear el hundimiento del terreno. En la actualidad se ha construido una red de monitoreo GPS de hundimiento del terreno compuesta por 4 estaciones base GPS, 33 tomas de primer nivel y 110 tomas de segundo nivel. Desde 2001 hasta la actualidad, la Red de Monitoreo GPS de Subsidencia Terrestre de Shanghai ha realizado 9 períodos de observaciones. Cada período tiene 33 puntos de medición (red de primer nivel) y se han desplegado 6 receptores GPS simultáneamente, entre los que se encuentran el período 3º al 6º. Se han implementado simultáneamente 10 receptores GPS utilizando métodos de conexión de red y de borde. La red se implementa de extremo a extremo y de red a red. Cuando la red primaria de GPS está dañada o las condiciones ambientales circundantes no son adecuadas para las observaciones de GPS, se selecciona una red secundaria cercana como complemento a la red de GPS para garantizar una densidad de puntos uniforme de la red de GPS para cada medición.
La red GPS de primer nivel de subsidencia del terreno constituye una red de monitoreo general, y se utiliza un modelo de tasa para el ajuste general en su trabajo interno. Con el desarrollo de la tecnología de monitoreo de hundimiento del terreno por GPS y la optimización continua de los métodos de procesamiento de datos, la diferencia entre el valor de medición del GPS y el valor de medición del nivel de hundimiento del terreno en Shanghai después de 2004 es estable y consistente.
En 2003, el Servicio Geológico de China lanzó el proyecto "Estudio y seguimiento de la subsidencia de las tierras planas del norte de China". La red de monitoreo de hundimiento del terreno por GPS construida por este proyecto en la llanura del norte de China tiene 5 estaciones base de GPS y 152 muelles de observación, y se han construido 266 puntos de monitoreo de GPS. Entre ellos, la red de monitoreo de hundimiento del suelo por GPS en Beijing ha comenzado a tomar forma, logrando observaciones dos veces al día. El trabajo de seguimiento por GPS en Tianjin también se ha llevado a cabo sin problemas. El trabajo de observación GPS en Hebei también se ha llevado a cabo sin problemas, pero la frecuencia de observación aún está por detrás de la de Beijing y Tianjin.
El sexto es el método de imágenes de detección remota de alta resolución.
El método de imágenes de detección remota es adecuado para el monitoreo dinámico regional y a gran escala de colapsos y deslizamientos de tierra. Sobre la base de imágenes de teledetección, la tecnología de teledetección se utiliza para interpretar los deslizamientos de tierra y los cambios en los deslizamientos de tierra se comprenden en función de los cambios de imágenes en diferentes períodos.
Con el desarrollo continuo de la tecnología de sensores de teledetección, la resolución de las imágenes de teledetección terrestre es cada vez mayor. Por ejemplo, la resolución de las imágenes de teledetección terrestre del satélite estadounidense LANDSAT (1982) es. 30 m, y la resolución de las imágenes de teledetección terrestre TM del satélite francés SPOT (2002) es de 30 m. La resolución de la imagen terrestre de banda completa del satélite estadounidense IKNOS (1999) es de 2,5 m. -La imagen en color del satélite estadounidense IKNOS (1999) es de 1 m. Las imágenes de teledetección por satélite tienen resoluciones terrestres de hasta 1 m, las imágenes pancromáticas del satélite estadounidense QUICKBIRD (2001) tienen resoluciones terrestres de hasta 0,61 m y los satélites estadounidenses WorldView (2007) tienen resoluciones de hasta 0,5 m. Al utilizar imágenes de teledetección por satélite para reflejar información rica sobre el terreno y adquirir periódicamente imágenes de la misma ubicación, las imágenes de teledetección del mismo punto de desastre geológico se pueden comparar con imágenes de teledetección del mismo punto de desastre geológico en diferentes etapas. Las imágenes de teledetección por satélite se utilizan para reflejar información rica del terreno, y se pueden adquirir imágenes de la misma ubicación periódicamente. Se pueden comparar imágenes de teledetección del mismo punto de desastre geológico en diferentes períodos de tiempo, logrando así el propósito de monitoreo dinámico de desastres geológicos. .
7. Método de escaneo láser tridimensional
La tecnología de escaneo láser tridimensional es una tecnología avanzada de escaneo tridimensional automático de alta precisión, también conocida como "tecnología de replicación de escenas reales". Es el sucesor de la tecnología de posicionamiento espacial GPS. Otra innovación posterior en la tecnología topográfica y cartográfica llevará los métodos de adquisición de datos topográficos y cartográficos, las capacidades y niveles de servicio y los métodos de procesamiento de datos a una nueva etapa de desarrollo. Extiende la medición puntual de los sistemas de medición tradicionales a la medición de superficies y puede realizar operaciones de escaneo en entornos y espacios de campo complejos. Recopila directamente datos tridimensionales completos de varias entidades grandes y complejas en la computadora y reconstruye rápidamente los tridimensionales. modelo y puntos del objetivo. También puede realizar varios trabajos de posprocesamiento en los datos de nube de puntos láser tridimensionales recopilados.
Los escáneres láser tridimensionales se pueden dividir en sistemas de escaneo láser aéreos (o espaciales), sistemas de escaneo láser terrestres y sistemas de escaneo láser portátiles según las diferentes plataformas de escaneo.
Los escáneres láser tridimensionales suelen clasificarse según su distancia de escaneo efectiva, que se puede dividir en:
(1) Escáner láser de corto alcance: su distancia de escaneo más larga no excede los 3 m, y generalmente la distancia de escaneo óptima es de 0,6 a 1,2 m. Generalmente, este tipo de escáner es adecuado para medir moldes pequeños. No solo tiene una velocidad de escaneo rápida sino también una alta precisión, que puede llegar a 300.000 puntos. , y la precisión puede alcanzar ±0.
(2) Escáner láser de alcance medio: la distancia de escaneo más larga es de 1 km. Debe estar equipado con un sistema de navegación y posicionamiento preciso y puede usarse para escaneo y medición de terreno a gran escala.
Los escáneres láser de larga distancia terrestres se utilizan principalmente en el campo de la monitorización del entorno geológico.
El principio de funcionamiento del sistema de escaneo láser 3D terrestre es: el transmisor del escáner láser 3D emite una señal de pulso láser, que se refleja de manera difusa en la superficie del objeto y se transmite de regreso al receptor a lo largo de casi la misma ruta. La distancia de escaneo S se puede calcular. El codificador se controla para medir sincrónicamente el valor de observación del ángulo de escaneo transversal a y el valor de observación del ángulo de escaneo longitudinal β de cada pulso láser (Figura 3-7). La medición de escaneo láser tridimensional generalmente personaliza el sistema de coordenadas del instrumento. El eje x está en el plano de escaneo transversal, el eje y es perpendicular al eje x en el plano de escaneo transversal y el eje z es perpendicular al plano de escaneo transversal. Obtenga las coordenadas de P: xP = Scosβcosa, yP = Scosβsina, zp = Ssinβ.
Figura 3-7 Principio de cálculo de coordenadas del punto de escaneo
Todo el sistema consta de un escáner láser 3D terrestre, una cámara digital, software de posprocesamiento, fuente de alimentación y equipo auxiliar. Adopta topografía láser de alta velocidad sin contacto para obtener datos geométricos e imágenes del terreno u objetos complejos. Utiliza medición láser de alta velocidad sin contacto para obtener datos geométricos e imágenes de terreno u objetos complejos. Finalmente, el software de posprocesamiento convierte los datos de nubes de puntos y de imágenes recopilados en coordenadas o modelos de posición espacial en el sistema de coordenadas absolutas, y los genera en varios formatos para satisfacer las fuentes de datos de las bases de datos de información espacial y las necesidades de diferentes aplicaciones. (Figura 3-8).
Figura 3-8 Principios básicos de la medición con escáner láser terrestre
8 Método de medición de distancia
El método de medición de distancia utiliza ondas electromagnéticas, ópticas, acústicas, etc. Principios de los métodos de medición de distancias. En la medición de la deformación de la superficie, se pueden utilizar medidores de asentamiento del suelo, telémetros láser, reglas de acero, etc. para medir desplazamientos planos y verticales.
El instrumento de asentamiento del suelo consta de dos partes: una es la parte subterránea enterrada, que se compone de un conducto de asentamiento, una cubierta inferior y un anillo magnético de asentamiento, la otra es el instrumento receptor de suelo, que; Se compone de una sonda, un cable de medición, un sistema receptor y un devanado. Compuesto por carretes de alambre y otras partes. La parte de la sonda está hecha de acero inoxidable y en su interior se instala un sensor de campo magnético. Cuando se encuentra un campo magnético externo, el sistema receptor se enciende y cuando el campo magnético externo no funciona, el sistema receptor se apaga automáticamente. La parte del cable de medición utiliza tecnología plástica para combinar la regla de acero y el alambre en uno, lo que no solo evita que la regla de acero se oxide, sino que también simplifica el proceso de operación y hace que las lecturas sean más convenientes y precisas. Un extremo del cable de la regla de acero está conectado a la sonda y el otro extremo está conectado al sistema receptor. El sistema receptor consta de un dispositivo de sonido y un indicador de pico. El dispositivo de sonido emite un pitido continuo y el indicador de pico se indica mediante el puntero del voltímetro. Ambos se pueden seleccionar mediante un interruptor de palanca. de las lecturas es la misma. La parte del carrete se compone de un carrete y un soporte. El sistema receptor y la batería se colocan en la cavidad central del carrete y el cable de regla de acero se enrolla fuera de la cavidad.
Un telémetro láser es un instrumento que utiliza luz láser para medir con precisión la distancia a un objetivo. Cuando el telémetro láser está funcionando, emite un rayo láser muy delgado hacia el objetivo. El elemento fotoeléctrico recibe el rayo láser reflejado por el objetivo. El temporizador mide el tiempo desde la emisión hasta la recepción del rayo láser y calcula la distancia entre el observador. y el objetivo. El telémetro láser es liviano, de tamaño pequeño, fácil de operar, rápido y preciso, y su error es solo de 1/5 a unas pocas centésimas del de otros telémetros ópticos.
9. Método de radar de interferencia
Radar de apertura sintética SAR (Radar de apertura sintética) es una tecnología de observación aire-Tierra desarrollada en los últimos 20 años. Radar de apertura sintética de interferometría InSAR (Radar de apertura sintética de interferometría) es un producto de la combinación de radar de apertura sintética y tecnología de interferometría de radioastronomía. Utiliza dos antenas para realizar dos observaciones paralelas al mismo tiempo o en un intervalo determinado para obtener imágenes complejas de. la misma forma de terreno Debido a la compleja relación geométrica entre el objetivo y la antena, se genera una diferencia de fase en el par de imágenes, formando un patrón de interferencia. El interferograma contiene información precisa sobre las diferencias de posición entre los puntos de la imagen y la antena. Por lo tanto, utilizando la relación geométrica entre la altura del sensor, la longitud de onda del radar, la dirección de visión del haz y la distancia de la línea base de la antena, la posición tridimensional de cada punto en la imagen se puede medir con precisión milimétrica (Figura 3-9).
Figura 3-9 Principio de medición de la tecnología InSAR
La interferometría de radar de apertura sintética tiene las características de operación en todo clima, pocos puntos de control terrestre, alta resolución de procesamiento de imágenes y amplio rango de aplicación. La fase de cada píxel de la imagen del radar de apertura sintética se compone de los siguientes tres factores: (i) la trayectoria de propagación bidireccional (sensor-objetivo-sensor), dividida por la longitud de onda para formar miles de ciclos (ii) la fase de; cada elemento dentro de las interacciones de la unidad de resolución terrestre; (iii) cambios de fase causados por el sistema de procesamiento utilizado para adquirir la imagen. Por lo tanto, confiar únicamente en la fase de una imagen de radar de apertura sintética no tiene importancia práctica. Sin embargo, si las imágenes de radar de apertura sintética se adquieren desde diferentes ángulos de visión, se pueden utilizar expresiones para sus diferencias de fase (franjas de interferencia) para generar mapas de elevación digitales (DEM) para monitorear los cambios en la superficie y mejorar la resolución del terreno.
Los métodos de aplicación de la tecnología de radar interferométrico en diversos campos también se estudian ampliamente, como el uso de tecnología de radar interferométrico diferencial para monitorear el hundimiento urbano de terrenos débiles (Mark Haynes et al.), la aplicación de tecnología de radar interferométrico para monitorear cambios de superficie (Dixon et al.), monitoreo del movimiento de los glaciares (Goldstein R.M.), realización de clasificación de uso de la tierra y monitoreo de tierras agrícolas (Wegmueller U. et al.). Diversos monitoreos de deformaciones del suelo relacionados con desastres geológicos son un campo de aplicación potencial de la tecnología de radar interferométrico, como la deformación y el desplazamiento de la superficie causados por actividades tectónicas antes y después de los terremotos, la deformación de la superficie causada por movimientos volcánicos, el monitoreo de deslizamientos de tierra y el monitoreo del hundimiento del suelo causado por la minería. . esperar.
10. Tecnología y métodos Lidar
Lidar es una tecnología de alta tecnología en rápido desarrollo que tiene una amplia gama de usos en el campo militar y ha atraído gran atención por parte de los departamentos militares de varios países. La Ley Internacional de Control de Tecnología de Misiles estipula claramente que "el sistema lidar se utilizará para medir y orientar el eco láser y para identificar objetivos mediante la posición, la velocidad radial y las características de reflexión del objeto, incorporando tecnología especial de lanzamiento, escaneo, recepción y procesamiento de señales" y enumeró el lidar como una de las tecnologías militares para limitar la proliferación.
El sistema de escaneo láser aerotransportado (LIDAR) integra un altímetro láser lidar, un sistema de posicionamiento global GPS y una unidad de medición inercial (IMU). Cuando el equipo a bordo de la aeronave vuela sobre la superficie terrestre, puede obtener las imágenes y datos digitales necesarios al mismo tiempo, calcular la posición y orientación precisas del sensor y proporcionar un mapa de elevación digital (DEM). Con esta nueva generación de sistemas de ortofotografía de imágenes DEM, los tradicionales, tediosos y costosos levantamientos manuales, procesamiento de películas, escaneo y mapeo estéreo de datos GPS terrestres serán cosa del pasado. La parte inferior de la cámara digital alberga un sensor CCD de formato extra grande que consta de una matriz dinámica de 8 bits con 4096 x 4096 píxeles. Cuando el avión viaja a 240 km/h, su sistema de obturador de alta velocidad captura imágenes con una resolución mejor que 16 cm (sin sombras) (Figura 3-10). El sistema lidar también está equipado con una cámara de conformación hiperespectral de alta resolución para que los píxeles multiespectrales se correspondan directamente con los valores de las coordenadas xyz, lo que permite una distinción clara de carreteras, edificios, árboles, ríos y otros accidentes geográficos.
Figura 3-10 Diagrama esquemático del lidar que mide la elevación del terreno
El sistema de detección remota lidar, combinado con una nueva generación de cámaras digitales, se ha convertido en el sistema de detección remota más avanzado del mundo. el mundo. Se puede utilizar para establecer sistemas de información ecológica del entorno natural de cuencas, sistemas de predicción y pronóstico de inundaciones, deslizamientos de tierra, flujos de escombros, deslizamientos de tierra, hundimientos del suelo y otros desastres, sistemas de monitoreo dinámico tridimensional para represas, diversos sistemas de análisis de hidrología y simulación de desastres. investigación geográfica, topografía y cartografía, etc.