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现代变形监测的技术分析与发展趋势.doc

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现代 变形 监测 技术 分析 发展趋势
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1龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 现代变形监测的技术分析与发展趋势 资源工程学院毕业论文(设计)开题报告2012 年 4 月 6 日论文(设计)题目:现代变形监测的技术分析与发展趋势姓名 年级 2008 级 所在院系 资源工程专业 测绘工程 指导教师开展本课题的意义及工作内容:意义:变形监测是我国建设事业的重要基础,它的发展关系到人类社会的进步和国民经济的发2展。随着工程建设的加快,对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。因此,在现有的变形监测技术基础上,我们需要与时俱进,研究出新的变形监测技术。工作内容:分析变形监测技术的现状,结合现在的变形监测新技术,讨论未来变形监测技术的发展趋势。总体安排及进度:1、4 月 5 日—-4 月 13 日 收集与变形监测技术相关的信息,并完成开题报告。2、4 月 13 日—4 月 20 日 根据论文内容变动情况,可以修改论文标题,并确定指导老师。.3、4 月 21 日—-5 月 4 日 整理分析收集的变形监测论文材料,列出论文大纲,然后开始论文的写作。4、5 月 5 日—-5 月 20 日 完成论文正文内容与结语,形成初稿,上交给指导老师。5、5 月 21 日—5 月 31 日 根据老师的指导对论文的不足之处进行修改和完善,并最终完成论文正稿。课题预期达到的效果:通过对现有的变行监测技术进行全方位的总结,了解变形监测发展的趋势,然后结合现在的新技术,分析变形监测技术的发展趋势,以便及时了解变形监测的技术改革,为国家建设事业做出更大的贡献。指导教师意见:签名:现代变形监测技术分析与发展趋势【摘 要】 论文介绍了变形监测的意义,列出了变形监测现有的技术。并且对新的技术进行了详细的分析。然后,结合传统的变形监测技术与新技术,对变形监测的技术发展趋势做了一定的总结,这对于变形监测技术的发展与我国的建设事业都有着一定的贡献。【关键词】 变形监测,传统方法;新技术;发展趋势3目录1、绪论 .....................................................................................................................................................52、传统变形监测技术 ............................................................................................................................62.1 常规的大地测量技术 ......................................................62.1.1 精密高程测量 .........................................................................................................................62.1.2 精密距离测量 ..........................................................................................................................62.1.3 角度测量 .................................................................................................................................62.1.4 重力测量 ..................................................................................................................................62.2 特殊的大地测量技术 ......................................................62.2.1 液体静力水准测量 .................................................................................................................642.2.2 准直测量 .................................................................................................................................72.2.3 应变测量 .................................................................................................................................72.2.4 倾斜测量 .................................................................................................................................72.3 摄影测量技术 ............................................................83.变形监测新技术 ..................................................................................................................................83.1 伪卫星定位技术 ..........................................................83.2 三维激光扫描技术 ........................................................93.2.1 三维激光扫描技术的特点 ......................................................................................................93.2.2 三维激光扫描在工程变形监测中的优势及问题 ................................................................103.3 测量机器人监测技术 ....................................................103.4 GPS 监测技术 ...........................................................113.4.1 GPS 监测方法 ........................................................................................................................113.4.2 GPS 监测技术在变形监测中的优势及问题 ........................................................................123.5 合成孔径雷达干涉测量技术 ...............................................124 其他监测技术 ....................................................................................................................................134.1 机载三维扫描技术 .......................................................134.2 GPS 一机多天线技术 .....................................................134.3 计算机层析成像技术 .....................................................134.4 光电式精密三向位移测量系统 .............................................135 变形监测技术的应用 .......................................................................................................................146 变形监测技术的分析 .......................................................................................................................157 变形监测技术的展望 .......................................................................................................................158 结束语 .................................................................................................................................................16致谢 .........................................................................................................................................................17参考文献 .................................................................................................................................................181、绪论随着科学技术的不断发展,人类社会取得了很大的进步,同时,工程建设的脚步也越发的快速,各种新型建筑物也逐渐增多。所以,对现代建筑物的施工质量也越加严谨。因此,变形监测的工作变得非常重要。其实,工程建筑物在设计时就采用了一定的安全系数,只是在施工和运营期间,受到了多种主观和客观因素的影响,导致变形。任何事物都会有变形,建筑物的变形有一个规定的限度,如果超出了规定的的限度,就会影响建筑物的正常使用,甚至还会危机建筑物的安全,给社会和人民生活带来巨大的损失。虽然工程建筑物在施工过程中采用了一定的安全措施,使得建筑物的荷载在承受范围之内,但是在施工和运营期间,都无法做到完全准确的估计,施工质量也不可能完美无缺,因此,工程建筑物还是经常出现意外。如果发生了,对人民财产与安全都有着莫大的威胁。例如,意大利 262m 高的瓦依昂拱坝 1963 年5因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效;我国板桥和石漫滩两座土坝 1975 年洪水漫坝失事;1996 年 12 月广东韶关特大桥梁坍塌,事故致 32 人死亡、59 人受伤;2000 年 8 月27 日,台湾连接高雄与屏东的重要通道上的高屏大桥突然拦腰断裂等。另外,近几年的铁路提速,对于那些设计最大时速仅有 120km/h 的大批铁路桥梁来说也是严峻的考验。所以,确保工程建筑物在施工和运营期间的安全是一个十分重要的问题,这也是变形监测的首要目的。1-1 意大利瓦依昂拱坝1-2 石漫滩土坝随着世界科技水平的快速提升,不仅促进了各国国民经济的发展,也使得变形监测技术手段日新月异。从传统的变形监测技术,到近景摄影变形监测技术,以及到现在的测量机器人、地面三维激光扫描等为代表的地面高端监测技术。这不仅改变了水准仪、全站仪等人工观测技术,更实现了测量的自动化。此外,更多观测设备的改进也改变了变形监测技术,以测斜仪、应变计、沉降仪等为代表的地下观测监测技术,逐渐实现数字化、自动化、网络化。以 GPS 技术、合成孔径雷达干涉差分技术和机载激光雷达技术为代表的空间对地观测技术,正逐步得到发展和应用。下面,主要介绍传统的变形监测技术与新型变形监测技术,并且将二者结合起来,探讨未来变形监测技术的发展方向。62、传统变形监测技术2.1 常规的大地测量技术常规的大地测量技术是指通过测角、测边、水准等技术来测定变形的方法,它具有以下优点:①能够提供变形体整体的变形状态;②观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度的评定;③灵活性大,能够适应于不同的精度要求、不同形式的变形体和不同的外界条件。常规大地测量方法包括以下一些典型的测量技术。2.1.1 精密高程测量高程测量一般通过几何水准测量或者电磁波测距三角高程测量的方法获得。在变形监测中,多采用重复精密水准仪或者精密三角高程精确测定监测点之间的高差及其变化。2.1.2 精密距离测量重复精密测距可测定点在某个方向上的相对位移。早期的测距工具是因瓦基线尺,目前因瓦基线尺仍然是有效的精密测距工具,但其不适应于距离远、地表起伏不定或跨越深沟的区域。20 世纪 70 年代以来,各种新型号的精密光电测距仪或全站仪广泛应用于变形监测,使得变形测量中的精密距离测量变得非常便利,测距精度由毫米提高到亚毫米精度。长距离测距需要解决大气折光问题,20 世纪 90 年代以后,由于 GPS 的广泛应用,长距离测距仪已被 GPS 所取代。2.1.3 角度测量角度测量又分为水平角测量和高度角测量,主要工具是经纬仪,包括光学经纬仪、电子经纬仪、全站仪等,全站仪已成为地面测量的主要工具。由伺服马达带动的全站仪可以实现自动测角、测距,也称测量机器人。2.1.4 重力测量地面高程的变化也可以间接地用重力测量测定。目前精度约 10υGal,相当于高程变化30mm,这样的精度是不够高的。但是,由于重力测量的成本比较低,因此可以在较大范围的地壳形变监测中作为水准测量的补充。重力测量一般可以用于以下几个方面:①地震预报时,测定和解释地面的垂直运动,监测和解释地震后地壳的垂直运动;②在火山地区结合水准测量和重力测量可以发现地下岩浆的运动;③研究用于采油、抽地下水和利用地热蒸汽等造成的地表变形;④研究地壳的板块运动和变形。2.2 特殊的大地测量技术2.2.1 液体静力水准测量液体静力水准测量是利用静止液面原理来传递高程的方法,利用连通器原理测量各点位容器内液面高差,以测定各点垂直位移的观测方法(如下图 2-1),它可以测出两点或多点间的高差,适用于混凝土坝基础廊道和土石坝表面垂直位移观测。一般将其中一个观测头安置在基准点,其他各观测头放置在目标点上,通过他们之间的差值就可以得出监测点高程(如下表 2-2)。该方法无需点点之间的通视,容易克服障碍物之间的阻挡,另外还可以将液面的高程变化转换成电感输出 ,有利于实现监测自动化。7图 2-1 静力水准仪表 2-2 静力水准观测技术要求2.2.2 准直测量准直测量就是测量偏离基准线的垂直距离,它以观测某一方向上点位相对于基准线的变化为目的,包括准直法和铅直法两种。准直法为偏离水平准线的微距离测量法,该水平基准线一般平行于被监测的物体,基准线一般可用光学法、光电法和机械法产生;铅直法为偏离垂直基准线的微距离测量,过基准点的铅垂线作为垂直基准线,该基准线同样可以用光学法、光电法和机械法产生。2.2.3 应变测量应变是与结构变形有关的一个重要概念,它是力学、机械设计、材料等领域中用得最多的待测物理量。力学中用测量应变的方法来检测工程中结构物的变形,掌握结构的变形特点就可以了解工程结构的工作状态,随时提供相关信息以便预报工程险情。2.2.4 倾斜测量基础不均匀的沉降将使建筑物倾斜,对于高大建筑物影响更大,严重的不均匀沉降会使建筑物产生裂缝甚至倒塌。倾斜测量的关键是测定建筑物顶部中心相对于底部中心相对于底部中心或者各层上层中心相对于下层中心的水平位移矢量。建筑物倾斜观测的基本原理大都是测出建筑物顶部中心相对于底部中心的水平偏差来推算倾斜角,常用倾斜度〔上下标志中心点间的距离与上下标志点高差的比值〕来表示。82.3 摄影测量技术摄影测量具有以下一些优点。1)摄影测量不需要接触被监测的变形体。2)摄影测量观测时间短,因而外业工作量小,可以大量减少野外测量工作量、可快速获取变形过程。3)摄影测量信息量大、利用率高。摄影测量方法可以同时测定变形体上任意点的变形信息,对变形前后的信息做各种后处理后、通过底片可以获得变形体的任一位置的状态等。由于摄影测量具有以上一些有点,因此摄影测量也常应用于某些变形监测中。用摄影测量方法测定各种工程建筑物、滑坡体等的变形,其方法就是在这些变形体的周围选择稳定的点,在这些目标点上安置照相机或者摄像机,对变形的物体进行拍摄,然后通过内业处理得到变形体上目标点的二维或者三维坐标,通过对不同时期相同目标点的坐标变化得到他们的变化情况,从而得到建筑物的变化。3.变形监测新技术3.1 伪卫星定位技术伪卫星又称“地面卫星”,它从地面某特定地点发射类似于 GPS 的导航信号,采用的导航电文格式与 GPS 基本一致。由于伪卫星发射的是类似于 GPS 的信号,并工作在 GPS的频率上,所以用户的 BPS 接收机可以同时接受 GPS 信号和伪卫星信号,而不必增设另一套伪卫星接收设备。地面建立的伪卫星站不仅可以增强区域性 GPS 卫星导航定位系统,而且可以提高卫星定位系统的可靠性和抗干扰能力。事实上,伪卫星的概念始于 20 世纪70 年代初,在 GPS 系统运行之前就有伪卫星技术,主要用来测试地面 GPS 用户设备。20世纪 80 年代末,伪卫星技术被用于飞机的精密进场着陆。近十年来,特别是目前的 GPS现代化阶段,人们提出了新的伪卫星概念,并不断开发了多种伪卫星设备用于导航和形变测量。由于 GPS 是接收来自两万多千米高空的卫星信号,信号到达地面时已经很微弱,因而GPS 信号很容易被干扰。另外, GPS 定位的精度和可靠性主要取决于跟踪的可见卫星数量和可见卫星的几何图形分布这两个重要因素。对于城市高楼密集区的“城市峡谷”和位于深山峡谷中的水库大坝,由于 GPS 接收机天线受遮挡,使得接收到的 GPS 卫星数较少、卫星几何图形分布不佳,导致 GPS 定位精度大大降低,不能满足导航定位的要求。此外,应用 GPS 技术进行精密工程测量,目前在水平方向的定位精度可达到毫米级;但在垂直方向,GPS 定位精度较差,通常是水平定位误差的 2-3 倍,这个不能满足精密工程测量的要求。因此,提高 GPS 定位精度,特别是提高其垂直方向的精度,是目前亟需解决的一个关键问题。此外,目前在隧道、室内、地下还无法直接使用 GPS 卫星信号。伪卫星定位技术是解决上述 GPS 卫星导航定位问题的有效途径之一。地面伪卫星设备可以发射与 GPS 类似的信号,并根据需要安装在适当的位置,以改善可见卫星的数目及分布情况。现有的接收机可以根据不同类型的伪卫星,稍微改进甚至不改进便可以同时接收来自 GPS 和伪卫星的信号。93.2 三维激光扫描技术激光扫描技术是非接触测量的重要手段,通过激光雷达反射红外激光直接测量雷达中心到地面点的角度和距离信息,获取地面点的三维数据。由于激光雷达属于非接触目标测量技术,不需要任何测量专用标志,直接对物体测量,能够快速获取高密度的三维数据,所以又称为三维激光扫描技术。利用激光扫描获得的数据真实可靠,最直接地反映了客观事物实时的、变化的、真实的形态特性,所以人们将激光扫描技术作为快速获取空间数据的一种有效手段。西方发达国家已将这一先进技术用于对地观测系统和快速获取特定目标的立体模型中。图 3-1 激光扫描原理3.2.1 三维激光扫描技术的特点三维激光扫描技术是近几年发展起来的空间对地观测技术,它的优越性主要体现在数据采集的高密度、高速和非接触目标测量。操作者可以设置测点间隔密度为任意数值,数值越小,测速越快,每秒可以达到几十点、几千个点乃至上万个点的高速测量,具有很强的数字空间模型信息的获取能力。根据仪器种类不同,地面三维激光扫描仪在测程上也有所不同,从几米到 2 千米以上。10 米以内测程为超短程,10 米-100 米为短程,100 米-300 米为中程,300 米以上为远程三维激光扫描系统。由于三维激光扫描测量受步进器的测角精度、背景辐射噪声强度、回波信号强度、激光信号的信噪比、激光脉冲接收器灵敏度、仪器测时精度、测量距离、激光信号反射率、仪器与被测目标面所形成的角度等各种方面的影响,所以中远程三维激光扫描仪的单点测量精度一般在几毫米到数厘米之间,模型的精度要远高于单点精度,可达 2-3mm。目前常见的地面三维激光扫描仪及主要技术参数见表 3-2 所示.地面三维激光扫描仪作为非接触式高速激光测量方式,在地面景观形体测量,文物保护建模,高陡边坡地形测量 及工程量计算等具有明显优势。与同样具有快速测量优势的数字摄影测量相比,降低了对地表纹理的要求,无需像控点,能反应对象细节信息等特点。10表 3.-2 常见的地面三维激光扫描仪及主要技术参数3.2.2 三维激光扫描在工程变形监测中的优势及问题三维激光扫描技术能快速准确地生成监测对象的三维数据模型,已开始在桥梁、文物、滑坡体、泥石流、火山等领域快速面监测中进行应用。美国佛罗里达州运输部利用ILRIS一3D对佛罗里达州I10出口的3O号桥梁进行桥梁加载变形监测的试验 [1] ,以分析该桥梁结构承受能力,通过与传统监测手段在外界所需条件、测量精度、测量时问、需要人员、测量总点数、成果输出等方面的比较,认为三维激光扫描技术在变形监测方面是可行的。激光扫描系统得到是海量数据,点云具有一定的散乱性、没有实体特征参数,直接利用三维激光扫描数据比较困难。必须建立针对三维激光扫描技术的整体变形监测概念 [2],研究与之相适应的变形监测理论及数据处理方法:现有的基于监测点的变形监测模式不适用于基于三维激光扫描仪的变形监测,必须探讨无监测点的监测对象测量方法;要研究监测对象三维模型的建立和模型的匹配;研究基于三维监测对象模型的变形分析理论及方法;建立基于激光三维扫描技术的监测数据和模型精度的评价体系等。
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