边坡表面测点的位移可采用传统方法监测，即采用前方交会、极坐标、视准线等方法观测水平位移，水准测量或三角高程测量观测竖直位移；采用边角测量和摄影测量方法进行三维测量，同时测得水平和竖直位移；采用收敛计测量测点沿钢尺方向的相对位移，也是一种常用的监测方法。此外，多功能、高效率的光机电算一体化的大地测量新仪器、新技术，已逐渐成为表面位移监测中的重要监测手段。

以下介绍几种边坡表面位移监测常用设备及方法。

1.收敛计

收敛计又称带式伸长计或卷尺式伸长计，可用于测量两个外露测点的相对位移，是一种简单有效、应用较为普遍的便携式仪器。在边坡表面位移监测中，主要用于监测固定在边坡及周边岩土体测点间的相对位移，可在施工期和竣工后定期观测边坡的表面位移。

收敛计主要由钢卷尺（高弹性工具钢）、百分表、测量拉力装置及与测点相连接的连接挂钩等部分组成。

2.全站仪

全站仪是边坡表面监测中最常用的测量仪器，可用来测量布设在边坡表面的反光棱镜的三维坐标。典型的全站仪是以电子测距仪与电子经纬仪的组合作为基本单元。全站仪读数（距离/角度）通常在工程区域内相对所有棱镜的最高点布设的固定仪器平台上进行，根据读数可计算出棱镜位置及位移情况。

边坡表面位移监测中，全站仪的主要用途包括：

（1）放样测量。在实地上测定出所要求的点。

（2）偏心测量。测定测站至通视但无法设置棱镜的点或者测定测站至不通视点间的距离和角度。

（3）对边测量。在不搬动仪器的情况下，直接测量某一起始点与任意点间的斜距、平距和高差。

（4）悬高测量。对不能设置棱镜的目标高度的测量。

（5）后方交会测量。通过对多个已知点的测量定出测站点的坐标。

（6）面积计算。通过仪器内存中3个或多个点的坐标数据，计算出由这些点的连线封闭而形成的图形面积，所用坐标数据可以是测量所得，也可以手工输入，且这两种方法可交替进行。

3.自动全站仪地表位移监测系统

自动全站仪又称测量机器人，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。

该监测方法只需在监测区域内布设一定数量的棱镜，在监测区域外放置测量机器人，即可定期自动完成目标识别、照准等测量工作，成本相对较低，监测精度可靠，且实施简单易行。

监测系统组成包括坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、目标识别系统、目标捕获系统和集成传感器等八大部分。

4.雷达监测系统

雷达技术是边坡表面位移监测的新技术，雷达是一种用于边坡表面位移监测的先进设备，无须利用反射镜即可测得±0.1mm精度的位移。使用时系统生成图像，显示相对于整个边坡参考图像的空间变形，并可绘出图像中各点的变形。

雷达发出的信号自边坡顶部向底部，或从底部向顶部反复进行扫描，每一次扫描均采集相应数据，并可在浏览器上观察。比较两次扫描的数据可看出台阶表面的位移变化。

雷达监测系统主要由雷达、无线传输转发器、初级监测点及配套软件组成。主要部件有雷达天线、摄像头、雷达电器盒、雷达计算机、通信天线、车载电源及拖车等。

雷达监测系统能以毫米级精度对监测区域进行大范围快速扫描；雨雪、烟雾、灰尘的干扰和影响较小，可实现24h实时监测；可在监测现场实现方便、快捷移动；监测位置选取灵活，能远距离对存在隐患的区域进行监测；无须在边坡稳定性隐患区域布设固定监测设备，即使发生事故，也不会造成设备损失；可对边坡事故进行全过程连续监测，并能在后期对事故地段继续监测、评估；由软件对监测数据进行分析处理，操作简便、直观，监测结果精确、可靠；软件自动预警，能以图像、声音、短信等多种途径发出报警信号。

5.GPS与北斗导航监测系统AGPS

GPS（Global Position System，全球定位系统）由空间部分（GPS卫星星座）、地面控制部分（地面监控系统）、用户设备部分（GPS信号接收机）等3部分组成，可进行全方位实时导航与定位，具有全天候、高精度、自动化、高效率等显著优点。采用双频接收机，可将GPS相位观测精度提高到毫米级。

1）空间部分

由24颗卫星组成（21颗工作卫星，3颗备用卫星），卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。但因大气摩擦等原因，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。(www.daowen.com)

2）地面控制系统

由监测站（Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站负责收集由卫星传回的信息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。

3）用户设备部分

即GPS信号接收机，其主要功能是捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS定位的基本原理是采用空间距离后方交会的方法，将高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，以GPS卫星和用户接收机天线之间距离（或距离差）的观测值为基础，确定待测点的位置。如图10-1所示，在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间，进而得到待测点的准确坐标。

图10-1　GPS原理示意图

北斗卫星导航定位系统是我国自主研发的拥有自主知识产权的导航定位系统，也是目前世界上继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS之后第三个投入运行的卫星导航定位系统，其具备定位导航与双向通信功能，无须其他通信系统支持或配合。北斗卫星导航定位系统采用与GPS系统相同的被动式定位原理，即北斗用户只需接收来自北斗卫星发送的导航定位信号，即可精确解算出全部所需参数。

基于北斗卫星导航定位系统的边坡监测系统，是将布设在边坡上的北斗终端所获取的信息，利用北斗系统的通信功能转送到数据解析处理子系统，再按照北斗系统的通信协议进行解析入库，数据综合管理子系统利用存储在数据库中的监测信息实现监测数据实时显示、历史监测数据统计分析等功能，整个系统的结构层次如图10-2所示。

图10-2　北斗导航监测系统结构示意图

北斗导航监测系统是实现对边坡的实时、全自动、高精度监测的有效手段，随着我国北斗导航系统的发展，将会提供更为精确的监测信息。

6.CCD成像及三维激光扫描技术

CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）是一种可将光学信号转变成数字信号的微型图像传感器，结合无线收发模块用于边坡表面位移监测，可实现系统的远程控制，达到边坡监测过程数字化和无线化的目的。

CCD是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化光电转换器件，其突出特点是以电荷作为信号载体。当入射光照射到CCD光敏单元上时，光敏单元中将产生光电荷，其与光子流速率、光照时间、光敏单元面积成正比。根据以上原理，可通过光敏单元接收到的标靶发出的电荷大小判断入射光源的位置变化情况，再与设定好的初始状态进行比较，进而给出边坡的具体位移参数。

实际监测中首先将专用光源标靶固定在待测边坡表面某选定测点处，使标靶与边坡牢固结合，即可将边坡位移或震动转换成特定波长的光源位移或震动，再通过光学解析系统将待测信号解析至CCD传感器，传感器通过检测标靶在CCD上成像的中心坐标的变化即可精确绘制被测边坡位移对时间的响应曲线。

三维激光扫描技术又称实景复制技术，其核心是激光发射器、激光反射镜、激光自适应聚焦控制单元、CCD技术和光机电自动传感装置。三维激光扫描技术能够快速、直接、高精度、非接触地获取研究对象表面空间三维数据，进而快速重构出边坡实体目标的三维模型及点、线、面、体、空间等各种制图数据，其独特的空间数据采集方式使其具有多方面的技术优势。与传统的测绘技术相比，三维激光扫描技术自动化提取信息程度高、表达对象细节信息能力强、受环境条件影响小、数据采集效率高。

三维激光扫描技术所获取的原始数据是由全离散的矢量距离点构成的，被称为“点云”。点云数据包含了大量的粗差和系统误差，不能被直接使用，此外，点云数据中还包含有大量的冗余信息，这些冗余信息对后续的三维建模和数据分析帮助不大，并且占用大量的存储空间。因此，该技术一般包括粗差剔除、模型拼接、参考系匹配、数据压缩、三维建模、应用分析等步骤。

在边坡表面位移监测中，三维激光扫描仪可在每个测站获取大量的点云数据，点云中每个点的位置信息均在扫描坐标系中以极坐标的形式描述。扫描前需在待扫描的边坡区域内布设“扫描控制点”，一般由GPS或者全站仪等传统测量手段获取控制点的大地坐标，将点云坐标转换为大地坐标，为边坡监测提供标准通用数据。获取数据后运用扫描数据处理软件进行坡体特征提取，生成边坡区域DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型），并用软件生成描述边坡形态的地形图，为边坡变形监测与灾害预报提供基础数据，如图10-3所示。

图10-3　三维激光扫描监测流程图

7.分布式光纤监测

光纤传感的基本原理是光纤中的光波参数，如光强、频率、波长、相位以及偏振态等会随外界信号参数的变化而变化，通过检测光纤中光波参数的变化可达到检测外界物理量的目的。

近年来兴起的光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀、耐久性长等特点。特别是分布式光纤传感器，其体积小、质量轻，便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小；光纤本身既是传感体又是信号传输介质，可实现对监测对象的远程分布式监测。分布式光纤传感技术最显著的优点就是可以测出光纤沿线任一点上的应变、温度和损伤信息等，实现对监测对象的全方位监测。

图10-4所示光纤网是若干个节点经由光纤或光缆连接而成的面状网络，通过特定的布设方法，可以仅凭一条光纤便将所有节点都连接起来，从而简化了数据线的接入问题。节点之间的光纤，也由于节点群的约束，对周围环境的变形非常敏感。

图10-4　光纤传感网络布设示意图

根据边坡条件，节点被固定在土体表面以下一定位置（土质边坡），或直接附着在岩体表面（岩质边坡），固定方式可采取锚杆等方法。光纤或光缆通过专门的固定剂固定在节点上，将岩土体表面的各节点连接成网，用以监测边坡表面位移。