地表位移监测分地表相对位移监测和地表绝对位移监测，包括垂直位移和水平位移。地表相对位移监测主要是对在地表形成的裂缝变化量的监测。地表绝对位移监测主要指地表指定点的三维位移量监测。
山坡和建筑物(挡土墙、房屋、水沟、路面等)上的裂缝是地质灾害体变形最明显的标志，对这些裂缝进行监测最简单易行又最直接。由于地表(包括地表建筑物)变形最为直观，而且仪器安装省工省时、投资少，因此地表形变监测方法是监测工作中被最优先考虑的技术方法，而且此类方法所采用的仪器，开发的历史最早，类型也最多，使用经验也最成熟。因此该类技术方法在监测中起着非常重要的作用。
地表形变监测采用的常规监测技术方法主要有：机械测缝法、测缝计法、地面倾斜仪法、水准测量法、全球卫星导航定位技术(GPS法)、高分辨遥感影像法、三维激光扫描法、测距法、干涉雷达法、激光雷达技术方法等。近年来，随着监测技术水平和科学技术的发展，一些高新技术方法如遥感(RS)法、三维激光扫描法等也逐渐被引入地质环境监测领域，并发挥了显著的作用。
一、机械测缝法
机械测缝法就是在裂缝两侧或滑带两侧插筋、埋桩或标记，用钢尺、皮尺、卡尺等测量其相对位移，或在裂缝或滑带上粘贴纸片、水泥砂浆片或玻璃片等，监测其变形情况。该方法的优点是简便、直观、可靠、见效快、成本低，便于普及，不受环境影响；缺点是精度稍差、信息量少，适用于群测群防监测。
利用简易的机械测量地表与建筑物裂缝变化，作为正式建立监测系统之前的监测手段及正规监测系统的补充手段，至今仍被人们所重视。其原因是该法简单可行、便宜、有一定精度。1985年，J.Dunnicli等美英法学者联合提出将玻璃板粘贴在裂缝上用直尺量测、将钢栓埋在裂缝两侧用一条跨越钢栓的钢尺进行量测及采用手提式机械测量计量测裂缝等几十种简易方法。并建议在能用机械法满足要求的情况下，尽量优先考虑选用机械法(图3-1)。
二、测缝计法
测缝计是一端固定在滑体上，另一端在仪器上用重锤或发条拉紧。当裂缝伸缩时，钢线被拉长或缩短，即可得到位移随时间的变化值。裂缝计法监测地表裂缝其仪器原理简单，结构不复杂，便于操作，见效快，成果资料直观可靠。
测缝计的工作原理是：对位移信号准确采集，采用振弦式或者压阻式等原理，转换为电信号进行输出，再把采集到的电信号准确换算成位移值。这里以振弦式裂缝计(图3-2，图3-3)为例，简要介绍一下其工作原理。把测缝计安装到需要测量的部位，待测线变形通过拉杆传递给拉簧产生一与变形呈线性关系的力ΔF作用于感应体上，引起振弦的自振频率发生变化，由二次仪表通过线圈对振弦激振并接收数字信号，便可按照给出的计算公式求得作用在测缝计两端线性变形的大小。一般公式如下：
图3-1 机械测缝法的几种情况
a—测量A、B两柱之间的相对位移；b—测量裂缝的水平、垂直位移；c—伸缩标尺读数即裂缝位移；d—竖直刻度即为裂缝位移
Ji＝K(Fi-F0)＋bΔt
式中：Ji—测缝计所受到的变形值；K—测缝计标定系数；F0—测缝计零点输出频率值；Fi—对应于Ji的输出频率值；b—温度修正系数，由制造商给出；Δt—相对基准点温度改变量，温度升高为正，下降为负。
图3-2 测缝计
图3-3 测缝计野外测量图
三、地面倾斜仪法
地表倾斜监测具有很大的适用性。当不稳定斜坡的周界范围尚不清楚时，可用地面倾斜仪来测量地面点的倾斜与旋转分量。这种方法最初主要用于监测露天矿和铁路挖方边坡的移动，20世纪60年代开始用于滑坡的监测。利用地面倾斜仪监测滑体地面倾斜或倾角变化和方向，精度高，易操作。主要适用于倾倒和角变位的滑体，即倾斜式崩塌、拉裂式崩塌、滑移式崩塌之“蠕滑-拉裂”型滑坡中的切层滑坡、“滑移-弯曲”型滑坡等，不适用于顺层滑坡。对于崩滑初期阶段的危岩体(开裂岩土体)，当以角变位和倾摆变形为主时，有条件的情况下，可投入精度高的地表倾斜监测。
倾斜监测仪的核心部件一般都是加速度计。根据地球引力相对不变这一特点，对不同倾斜程度导致的加速度变化进行采集，从而换算成倾斜角度。
四、水准测量法
常规地面沉降监测一般采用重复精密水准测量方法，布设一、二等水准网后通过严密的平差程序，最终提取出每一期的微小地面沉降变化值。通过定期的重复观测，为研究与控制地面沉降提供准确、可靠的资料。
在20世纪80年代，由于还没有出现全球卫星定位系统(GPS)，开展水准测量工作最常见的方法主要用经纬仪和水准仪，或者是从20世纪50年代开始使用的光电测距仪(EDM)。如果只是测量垂直位置，通常选择使用水准仪。差分水准测量技术允许测量人员通过使用精确刻度的望远镜和分度竖尺从一个已知点到另一测点计算得出海拔高程。除了操作简单，这种方法也非常精确。采用水准测量监测地面沉降，早期被包括美国、日本在内的大多数国家所采用，目前日本还有很多地区采用水准测量监测地面沉降(图3-4)。
图3-4 水准测量示意图
水准测量早期在我国的大中城市，特别是我国最大工业城市上海就已开始应用，而且沿用至今，积累了很多成功的经验。水准测量观测地面沉降的主要优点是测量的精度高。就国内而言，1842年，上海通过市区重复水准测量发现了地面沉降，通过水准资料，编绘了最早的上海地面沉降发育程度图。1962年开始长期的地面沉降水准测量工作(上海市地质调查院，2008)。利用水准测量方法监测地面沉降的地区或城市还有华北平原、台北、太原、西安及江苏苏锡常地区、浙江杭嘉湖地区等。从水准测量结果看，精密水准测量在最初确定是否有地面沉降发生时具有重要作用。精密水准测量方法原理成熟，仪器操作简便，地面沉降测量精度高，至今仍是区域地面沉降监测的主要方法。
五、全球卫星导航定位技术(GPS法)
与常规水准测量技术相比，GPS测量具有定位精度高、观测时间短、测站间无须通视、可提供三维坐标、操作简便、可全天候作业等优点，因此GPS技术具有广阔的应用前景。
GPS绝对定位也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。“绝对”一词，主要是为了区别相对定位方法，绝对定位与相对定位，在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则上的区别。
利用GPS进行绝对定位的基本原理，是以GPS卫星和接收机天线之间的距离(或距离差)测量为基础，并根据已知的卫星瞬间坐标，来确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。
GPS绝对定位方法的实质，即是测量学中的空间距离后方交会。为此，在1个观测站上，原则上有3个独立的距离观测量便够了，这时观测站应位于分别以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点。
但是，由于GPS采用单程测距原理，同时卫星钟与用户接收机钟又难于保持严格同步，所以，实际观测的测站至卫星之间的距离，均含有卫星钟和接收机钟同步差(故习惯上称之为伪距)。关于卫星钟差，我们可以应用导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差，一般难于预先准确地确定。所以，通常均把它作为一个未知参数，与观测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在1个观测站上，为了实时求解4个未知参数(3个点位坐标分量和1个钟差参数)，便至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测4颗卫星(图3-5)。
图3-5 GPS绝对定位原理
图3-5中xsi、ysi、zsi为定位卫星的瞬间坐标(为已知值)，x、y、z为接收机的坐标(为未知值)，ρ·si为卫星到GPS接收机之间的伪距，C为光速，dτ为卫星钟和GPS接收机之间的时间差。GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法，它广泛地应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航。
相对定位的最基本情况是用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。
相对定位包括静态相对定位和快速相对定位。
静态相对定位，即设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可以通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。一般均采用载波相位观测值(或测相伪距)为基本观测量。在两个或多个观测点同步观测相同的卫星，可有效地消除或减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差等的影响。
快速相对定位法的基本思想是一台接收机在参考点(或基准站)上固定不动，并对所有可见的GPS卫星进行连续观测，而另一台接收机在其周围的观测站流动，并在每一流动站上，静止地进行观测，以确定流动站与基准站之间的相对位置(图3-6)。这种方法的定位精度与静态相对定位相当，由于速度快、精度高，所以被广大GPS用户采用。我们也将采用这种定位方式进行三维定位，最后解算出在垂直方向上地面高程的变化量(地面沉降量)。
图3-6 GPS快速相对定位
由于GPS具有全球性、全天候、高精度、实时性等特点，应用GPS对地面沉降进行监测已经被广大发达国家所采用。美国加利福尼亚州是地面沉降比较严重的地区，美国地质调查局在该地区布设GPS监测站250个，在区域上每30km一个点，重点区域加密到3km一个点，对其进行重点监测，预期监测精度达到1mm/a。美国在其他一些地方如德克萨斯州的休斯敦地区、新墨西哥州的阿尔伯克基(Albuquerque，New Mexico)、亚利桑那州的艾弗拉河谷(the Avra Valley，Arizona)、内华达州的拉斯维加斯(Las Vegas，Nevada)、加州的萨克拉曼多-圣华金三角洲(the Sacramento-San Joaquim Delta，California)、亚利桑那州的图森盆地(the Tucson basin，Arizona)也已经建立了完善的地面沉降GPS大地监测网。日本在1995年阪神地震后，提出建立以30km的密度全面覆盖国土的GPS观测网，拟建约1000个站，目前已建成约650个站，以加强地表的变形监测。
据最新资料，目前GPS在平面的定位精度是5mm，在垂直方向上测高程的绝对精度是水平方向上的2～3 倍。如果采用相对定位技术，GPS 的定位技术将达到毫米级，对于缓变性的地面沉降，GPS精度足以满足监测的需要。因此世界上有越来越多的国家在地面沉降监测中应用了GPS技术：如意大利的波河流域和威尼斯地区、委内瑞拉西部油田、英国柴郡地区、澳大利亚拉特罗布谷地等分别建立GPS监测网对地面沉降进行全面监测。
国内应用GPS技术监测地面沉降起步较晚。1995年，同济大学在苏州建立了三维形变监测网，采用GPS技术开展了苏州地面沉降监测试验。1995年，中国地震局第一地形变监测中心在天津(主要在滨海新区)布设了由18个GPS监测站组成的GPS监测试验网。7年的监测试验表明，如果考虑到水准测量的高程传递误差和GPS测量得到坐标高程(大地高)分量的误差，那么GPS测得的高程变化与水准测量测得的变化是一致的；用GPS测得的沉降量(大地高变化量)与直接用精密水准得到的结果(正常高变化量)相当一致，两者偏差的均方根值为11.6mm/a。
1998年，上海开始进行GPS技术监测地面沉降试验研究。目前，已建成由4座GPS基准站、33座一级网点、110座二级网点组成的地面沉降GPS监测网。2001年至今，上海地面沉降GPS监测网已进行了9次观测，每期实测点数为33点(一级网)，同步投入6台GPS接收机，其中第3～6期同步投入10台GPS接收机，采用边连式、网连式布网。当GPS一级网点遭破坏或者周围环境条件不宜进行GPS观测时，就近选取二级网点补充，保证每次测量GPS网的点位密度均匀。地面沉降GPS一级网组成一个整体监测网，内业采用速率模型进行整体平差。随着地面沉降GPS监测技术的发展和数据处理方法的不断优化，2004年后上海地面沉降GPS测量值与水准测量的差值平稳，一致性较好。
2003年，中国地质调查局启动“华北平原地面沉降调查与监测”项目。该项目在华北平原建设的地面沉降监测GPS网共有5座GPS基准站、152座观测墩，并完成266 点次的GPS监测。其中，北京地区地面沉降GPS监测网络已初具规模，已实现每天观测2次。天津地区的GPS监测工作开展也比较顺利。河北地区的GPS观测也顺利展开，但观测频率与京津两地还存在一定差距。
六、高分辨率遥感影像法
遥感法适用于大范围、区域性崩滑体动态监测。根据遥感图片，利用遥感技术进行滑坡判释，根据不同时期图像变化了解滑坡的变化情况。
随着遥感传感器技术的不断发展，遥感影像对地面的分辨率越来越高，例如：美国LANDSAT卫星(1982)的TM遥感影像对地面的分辨率为30m，法国SPOT卫星(2002)全波段影像对地面的分辨率达2.5m，美国IKNOS卫星(1999)全色影像对地面的分辨率达1m，美国QUICKBIRD 卫星(2001)全色影像对地面的分辨率高达0.61m，美国 WorldView 卫星(2007)的分辨率可以达到0.5m。利用卫星遥感影像所反映的地面信息丰富，并能周期性获取同一地点影像的特点，可以对同一地质灾害点不同时相的遥感影像进行对比，进而达到对地质灾害动态监测的目的。
七、三维激光扫描法
三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型、复杂实体的三维数据完整地采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、体等各种几何数据，而且用所采集到的三维激光点云数据还可以进行多种后处理工作。
三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。
通常情况下按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类，可分为：
(1)短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为0.6～1.2m，通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测，不仅扫描速度快且精度较高，可以多达30万个点，精度至±0.018mm。
(2)中距离激光扫描仪：最长扫描距离﹤30m的三维激光扫描仪属于中距离三维激光扫描仪，其多用于大型模具或室内空间的测量。
(3)长距离激光扫描仪：扫描距离﹥30m的三维激光扫描仪属于长距离三维激光扫描仪，其主要应用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量。
(4)航空激光扫描仪：最长扫描距离通常﹥1km，并且需要配备精确的导航定位系统，其可用于大范围地形的扫描测量。
地质环境监测领域主要用的是地面型长距离激光扫描仪。地面型三维激光扫描系统工作原理：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值a和纵向扫描角度观测值β(图3-7)。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。x轴在横向扫描面内，y轴在横向扫描面内与x轴垂直，z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标：xP＝Scosβcosa，yP＝Scosβsina，zp＝Ssinβ。
图3-7 扫描点坐标计算原理
整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要(图3-8)。
图3-8 地面激光扫描仪测量的基本原理
八、测距法
测距法就是利用电磁波学、光学、声学等原理测量距离的方法。在地表形变中可采用土体沉降仪、激光测距仪、钢尺进行平面和垂向位移量测量。
土体沉降仪由两大部分组成：一是地下埋入部分，由沉降导管和底盖、沉降磁环组成；二是地面接收仪器，由测头、测量电缆、接收系统和绕线盘等部分组成。测头部分为不锈钢制成，内部安装了磁场感应器，当遇到外磁场作用时，便会接通接收系统，当外磁场不作用时，就会自动关闭接收系统。测量电缆部分由钢尺和导线采用塑胶工艺合二为一，既防止了钢尺锈蚀，又简化了操作过程，测读更加方便、准确。钢尺电缆一端接入测头，另一端接入接收系统。接收系统由音响器和峰值指示组成，音响器发出连续不断的蜂鸣声响，峰值指示为电压表指针指示，两者可通过拨动开关来选用，不管用何种接收系统，测读精度是一致的。绕线盘部分由绕线圆盘和支架组成，接收系统和电池全置于绕线盘的心腔内，腔外绕钢尺电缆。
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪质量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其他光学测距仪的1/5到数百分之一。
九、干涉雷达法
合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)是近20年发展起来的一种空间对地观测技术。干涉合成孔径雷达InSAR(Interferometry Synthetic Aperture Radar)，是SAR与射电天文学干涉测量技术结合的产物，是通过两副天线同时观测，或一定时间间隔的两次平行观测，获取近同一景观的复图像对，由于目标与天线的几何关系，在复图像对上产生相位差，形成干涉图纹。干涉图包含了图像点与天线位置差的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，可以精确地测量出图像上每一点的三维位置，其精度已经达到了毫米级(图3-9)。
图3-9 InSAR技术测量原理
SAR干涉测量具有全天候工作，只需极少数地面控制点，高分辨率进行图像处理和广泛的应用范围的特点。SAR系统的一个显著特点是它能够记录反射物回射信息的强度和相位。每个SAR图像像素的相位由下面3种因素构成：①双程传播路径(传感器—目标—传感器)，这个双程路径被所用波长分割，形成成千上万个周期；②在地面分辨率单元之内的各元素的相互作用；③获取图像的处理系统造成的相位偏移。所以，单独SAR图像的相位是无实际用处的。但是，假如有从不同视角获取SAR图像的话，则表达它们的相位差(干涉条纹)能被用来产生数字高程图(DEM)，监测地表变化，改善地面的分辨率。
干涉雷达技术在各领域中的应用方法研究也比较广泛，如利用差分干涉雷达技术监测城市微弱地面沉降(Mark Haynes et al.)，应用干涉雷达技术监测地面变化(Dixon et al.)，监测冰川运动(Goldstein R.M.)，进行土地利用分类和农田监测(Wegmueller U.et al.)。各种与地质灾害有关的地面形变监测是干涉雷达技术巨大的潜在应用领域，如地震前后构造活动引起的地表形变和位移、火山运动引起的地表变形、滑坡体的监测及采矿引起的地面沉降的监测等。
十、激光雷达技术方法
激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，在军事部门具有广泛的用途，受到了各国军事部门的极大关注。国际导弹技术控制法明确指出：“激光雷达系统将激光用于回波测距、定向，并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术”，并把激光雷达作为限制扩散的军事技术之一。
机载激光扫描仪系统(LIDAR)集LIDAR激光测高计、GPS全球定位系统、惯性测量器(IMU)为一体。当飞机机载该装置飞越地球表面时，它们能在获取所需图像及数码数据同时，计算出传感器的精确位置和取向，给出数字高程图(DEM)。有了此新一代DEM影像正射系统，传统的冗长乏味，费用昂贵的地面GPS数据的人工测量，胶卷的冲洗、扫描及立体绘图将成为历史。数码相机的底部配备着一个超大像幅的由8比特动态排列组成的具有4096×4096像素的CCD传感器。当飞机航速为240km/h时，用它的高速快门系统可拍摄到优于16cm分辨率的(无阴影)图像(图3-10)。该激光雷达系统还配置有一个高分辨超光谱成形相机，因此多谱段像素直接与xyz坐标值相对应，得以清晰的区分道路、建筑、树林、河流和其他地貌。
图3-10 LIDAR测量地面高程示意图
和新一代数码相机结合在一起的激光雷达遥感系统已发展成为目前世界上最先进的遥感系统。可用于建立流域自然环境生态信息系统，洪水、滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降等灾害的预测预报系统，三维堤坝动态监测系统，各种水文、灾害模拟分析系统、地理研究、测绘，等等。