第七章-变形监测和数据处理(三)课件.ppt
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- 第七 变形 监测 数据处理 课件
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1、47.1 工程变形监测的基础知识1237.2 变形监测方案设计(重点)7.3 变形监测方法和自动化(重点)7.4 变形观测数据处理 第七章 工程的变形监测和数据处理7.5 变形监测资料整理、成果表达和解释(重点+难点)5教学重点教学重点:1、变形监测网和变形监测方案设计,2、变形观测数据处理,成果表达和解释77.3 变形监测方法和自动化 变形监测的基本方法 1)在全球变形监测方面:空间大地测量技术(全球定全球定位系统(位系统(GPS)、甚长基线干涉测量()、甚长基线干涉测量(VLBI)、卫)、卫星激光测距(星激光测距(SLR)、激光测月技术(、激光测月技术(LLR)、卫星)、卫星重力探测技术等
2、技术手段)。重力探测技术等技术手段)。2)在区域性变形监测方面:全球定位系统(全球定位系统(GPS)、)、空间对地观测遥感新技术空间对地观测遥感新技术-合成孔径雷达干涉测量(合成孔径雷达干涉测量(SnSAR)。)。3)在工程和局部性变形监测方面:地面常规测量技术地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段全球定、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段全球定位系统(位系统(GPS)、甚。)、甚。7.3 变形监测方法和自动化 变形监测的基本方法 1)、利用常规的大地测量方法:水准、三角高水准、三角高程、三角、导线、交会等测量。程、三角、导线、交会等测量。2)、摄影测量方法:航空摄影测量
3、、近景摄影航空摄影测量、近景摄影测量、遥感。测量、遥感。3)、物理原理的方法:激光准直、液体静力水激光准直、液体静力水准量。准量。4)、空间测量技术方法:全球定位系统(全球定位系统(GPS)、甚长基线干涉测量、卫星激光测距。)、甚长基线干涉测量、卫星激光测距。监测方法和仪器的选择p 变形监测方法和仪器的选择主要取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件,根据监测内容的不同可以选择不同的方法和仪器。p比如对于局部性的外部变形监测,高精度水准测量,高精度三角、三边、边角以及测量机器人监测系统是工程建筑物外部变形监测的良好手段和方法。而钻孔倾斜仪、多点位移仪则非常适合于工程建筑物内部的变形观测。静态监
4、测与动态监测的关系静态监测与动态监测的关系 p 1.由于观测条件的影响,静态监测一般应避开阳光太强或暴风雨的恶劣天气,而这时候才是变形体变形和振动幅度最明显的时候;动态监测是全天候的,可以监测任何时候的变形。p 2.静态监测可以不同精度监测建筑物的不同部位,而动态监测特别是GPS只能监测变形较大的位移等。p 3.静态监测体现的是相对于建筑物竣工状态的变化情况;而动态监测则是在建筑物正常运营的状态下进行的实时监控,体现了在各种荷载(特别是动荷载)情况下的瞬时状态。p 4.由于两者以上不同的特点,故静态监测与动态监测可以相辅相成,全面监测建筑物的运营状态,以达到共同监测建筑物安全的目的。常常用用监
5、监测测仪仪器器比比较较 方法仪器精度适用性评价常规大地测量方法全站仪、水准仪、经纬仪、测距仪可满足不同的精度要求。灵活性大,能适用于不同结构形式的建筑物。缺点是受地形通视和气候条件影响,难以实现自动化监测。特殊测量手段机械位移计百分表的精度0.01mm,千分表的精度0.001mm精度较高,测量过程简单,容易实现连续监测和自动化观测,能够提供局部的观测信息。但不如常规测量仪器灵活。位移传感器可以达到0.01毫米测角仪精度与距离有关,最高可达1mm可以测量建筑物的挠度、高层建筑物的倾斜、基础的沉降。准直测量一般精度10-510-6可以测量建筑物的横向位移。精度较高,且易实现自动化,但不如常规测量仪
6、器灵活。摄影测量方法摄影经纬仪精度可达毫米级观测精度低,有时不能满足要求,各监测点不同步,精度与建筑物的形状、大小有关,受自然地理条件限制。数码像机TCA测量机器人1mm1ppm能够观测建筑物的沉降、位移、倾斜量等,易于实现自动化。但测点不同步,且受气候条件影响,不能全天候监测。GPS RTK方式平面精度101ppm,垂直精度可达201ppm全天侯监测、操作简单、自动化程度高、定位速度快;缺点是平面精度高、高程精度低。选择仪器时一般要注意p 1.选择观测仪器必须从监测实际情况出发,选用的仪器应能满足监测精度的要求。p 2.在选用仪器时,既要注意环境条件,又要避免盲目追求精度。p 3.仪器应该有
7、足够的量程,一般要满足监测的要求。p 4.一般说来,电测仪器的适应性不如机械仪器仪表,而机械仪器仪表的适应性又不如光学仪器。7.3 变形监测方法和自动化 1、常规的大地测量方法 指用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称。常规的大地测量仪器:光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子水准仪、电子全站仪、GPS接收机等常规大地测量方法:变形监测网(GPS网、边角网),几何水准、电磁波测距三角高程测量等。电子经纬仪电子经纬仪l尼康l宾得l索佳l拓普康l徕卡DS1水准仪水准仪l全站仪lDNA数字水准仪Leica常规地面监测方法具有以下优点p1.能够提供变形体的变
8、形状态,监控面积大,可以有效地确定变形范围和绝对位移量;p2.观测量组成网的形式可以进行测量结果的处理和精度评定;p3.灵活性大,能适用于不同结构形式的变形体、不同的外界条件和不同的精度要求。p而缺点是外业工作量大,作业时间长,难于实现连续监测及测量过程的自动化。Leica全站仪 测量机器人(Measurement Robot,或称测地机器人,Georobt)是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标记忆影像等信息的智能型电子全站仪。它是在全站仪的基础上集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统,并配置智能化的控制及应用软件发展而成的。测量机器人测量机
9、器人测量机器人进行自动化变形监测一般可采用两种方式 p(1).固定式全自动持续监测p(2).移动式半自动变形监测(1).固定式全自动持续监测p固定式全自动持续监测方式是基于一台测量机器人的有合作目标(照准棱镜)的变形监测系统,可实现全天候的无人值守监测,其实质为自动化坐标测量系统。(2).移动式半自动变形监测p 移动式半自动变形监测系统的作业与传统的观测方法一样,在各观测墩上安置仪器,输入测站点号,进行必要的测站设置,后视之后测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数,全自动地寻找目标。测量机器人具有以下优点优点1)能够同时全方位地观测工程建筑物的三维位移,克服了以往平面位移监测和垂直位移
10、监测分别进行的缺陷。2)可以自动进行气象改正,克服气象代表性误差。由于测量都是在预定的测站和地段进行,可以较为可靠地求得大气改正的数学模型,从而有效地提高测量精度。3)建立高精度的参考站,采用差分测量方式,可以消除和减弱各种误差(外部的和仪器内部的)对测量结果的影响,大幅度地提高测量的精度。4)可以实现连续24小时自动监测,实时数据处理、分析、输出,提供图形,多点、多项目、全自动和可视化,达到亚毫米以内的精度。5)可求得被测点的三维坐标,因此根据设计方案的要求,可作全方位的预报,包括位移、沉降、挠度、倾斜等变形监测内容。6)是一套相对投资省(包括设备投资和运行中的投资)、自动化程度高、可靠性强
11、、汇报率大的现代化的监测方法。缺点是:没有多余的观测量,测量的精度随着距离的增长而显著地降低,且不易发现粗差;各测点不同步;大变形比较难以测量;实时性较差;在恶劣的天气,如大雾、暴风雨中不能进行工作等。测量机器人具有以下缺点测量机器人具有以下缺点7.3 变形监测方法和自动化 2、摄影测量方法 特点:(1)不接触被监测的变形体。(2)外业工作量小,观测时间短,快速,在具有同步装置的条件下可同时对动态目标进行多点测量 (3)信息量大,显示能力客观,能提供完全和瞬时的三维空间信息;利用率高,利用种类多;(4)仪器费用较高,数据处理对软硬件的要求较高。p观测精度低,有时不能满足要求;p各监测点不同步;
12、p精度与变形体的形状、大小有关;p受自然地理条件限制。摄影测量方法的缺点 7.3 变形监测方法和自动化 3、特殊的大地测量方法 特殊测量手段包括准直测量、铅直测量、倾斜测量、挠度测量、振动测量和应变测量等。常规的的地面测量方法相比,它们具有如下特点:1)精确地获取被测对象的变化;2)对被测对象本身的精度,要求不是很高 3)测量过程简单;4)容易实现连续监测和自动化监测;5)提供的是局部的变形信息。7.3 变形监测方法和自动化 3、特殊的大地测量方法(1)短距离和距离变化测量方法 距离小于50m,可采用机械法。如研制的金属丝测长仪,将很细的金属丝(受温度影响小)在固定拉力下绕在铟瓦测鼓上,精度优
13、于1mm。两点间在i和i+1周期之间的距离变化l:伸缩测微铟瓦线尺:由伸缩测量和拉力测量两部分组成,其测微分辨率为0.01mm,如果传递元素(铟瓦线、石英棒等)的长度a、b保持不变,则只需测微小量。l的精度可达0.02mm。7.3 变形监测方法和自动化 3、特殊的大地测量方法(1)短距离和距离变化测量方法 下图伸缩测微仪原理 7.3 变形监测方法和自动化 3、特殊的大地测量方法(2)偏离水平基准线的微距离测量准直法 1.水平基准线通常平行于被监测物体(如大坝、机器设备)的轴线。2.偏离基准线的垂直距离或到基准线所构成的垂直基准面的偏离值称偏距(或垂距)。3.测量偏距的方法称准直(测量)法。4.
14、基准线(或基准面)可用光学法、光电法和机械法产生。7.3 变形监测方法和自动化 3、特殊的大地测量方法(2)偏离水平基准线的微距离测量准直法一、光学法:用光学经纬仪或电子经纬仪的视准线构成基准线,又称视准线法(包括测小角法、活动觇牌法)。若在望远镜目镜端加一个激光发生器,则基准线是一条可见的激光束二、光电法:光电法是通过光电转换原理测量偏距,有激光经纬仪准直、波带板激光准直、尼龙丝准直系统和激光准直系统三、机械法:在基准点上吊挂钢丝或尼龙丝构成基准线,用测尺游标、投影仪或传感器测量中间目标点相对于基准线的偏距。引张线法:是一种典型的进行偏距测量的机械法。准直测量准直测量p 准直测量是提供一条基
15、准线,测量观测点相对于基准线的单向位移,可以是水平方向,也可以是垂直方向。准直测量方法由很多,有测小角法、活动觇牌法、垂线法、激光准直法和引张线法等。一、光 学 法 用光学经纬仪或电子经纬仪的视准线构成基准线,又称视准线法(包括测小角法、活动觇牌法)。若在望远镜目镜端加一个激光发生器,则基准线是一条可见的激光束。测小角法按下式计算偏距及精度:一、光 学 法采用测回法观测时,一测回所测小角的误差等于照准误差,它与眼的视力临界角(60)和经纬仪的望远镜的放大倍数V有关,即根据偏距的精度要求值和,可计算出小角的测量精度,再由望远镜的放大倍数计算小角观测的测回数。活动觇牌法:(主要考虑站牌的图案形状、
16、颜色)引张线法7.3 变形监测方法和自动化 3、特殊的大地测量方法(2)偏离垂直基准线的微距离测量 铅直法 定义:以过基准点的铅垂线为垂直基准线,测量沿铅垂基准线上的目标点相对于基准线的水平距离(亦称偏距)的方法。铅垂线可以用光学法、光电法或机械法产生。偏距可用垂线坐标仪、测尺或传感器测得。例如,两台经纬仪过同一基准点的两个垂直平面的交线即为铅垂线(参见图7-13)。用精密光学垂准仪可产生过底部基准点(底向垂准仪)或顶部基准点(顶向垂准仪)的铅垂线。光学法仪器中加上激光目镜,则可产生可见铅垂线,称激光铅直法。用经纬仪作铅直测量 机械法(正、倒垂线法):1)正垂线法:用正垂线装置测量偏距的一种方
17、法。正垂线装置由悬线、固定与活动夹线装置、观测墩、垂线、重锤、油箱等组成。重锤在下面,固定夹线装置在上面,是悬挂垂线的支点(可与工作基点相联系),活动夹线装置由多点夹线法的观测支点构成,支点设在不同的高程面上,垂线是一种高强度且不生锈的金属丝(一般直径为12.5mm),重锤是使垂线保持铅垂状态的重物,重量为20kg200kg。油箱的作用是不使重锤旋转或摆动,保持重锤稳定。图7-14为正垂线装置图。机械法(正、倒垂线法):2)倒垂线法:用倒垂线装置测量偏距的一种方法。倒垂线装置的重锤(称倒锤)在上面,利用钻孔将垂线(直径0.81.0mm的不锈钢丝)一端锚埋到基岩中,提供在基岩下的基准点,垂线另一
18、端与浮体葙相连,倒锤在浮力的作用下拉紧垂线,形成铅直基准线。图7-15为倒垂线装置图。正、倒垂线常常成对布设,且与工作基点相对应,利用安置在工作基点观测墩上的垂线坐标仪(图7-16)可测定工作基点相对于倒垂线的两个坐标值(x、y),求得工作基点的位移值。垂线观测多采用自动读数设备,如遥测垂线坐标仪,分辨率达0.01mm。另外,还有自动视觉系统AVS(Automated Vision System),它通过CCD自动拍摄垂线的影像确定垂线位置的变化,分辨率可达3m。机械法(正、倒垂线法):垂准线法 p 垂准线的建立,可以利用悬吊垂球,也可以利用铅垂仪(或称垂准仪)。p 利用垂球时,是在高处的某点
19、,如墙角、建筑物的几何中心处悬挂垂球,垂球线的长度应使垂球尖端刚刚不与底部接触,用尺子量出垂球尖至高处该点在底部的理论投影位置的距离,即为高处该点的水平位移值。p 铅垂仪的构造如图所示,当仪器整平后,即形成一条铅垂视线。如果在目镜处加装一个激光器,则形成一条铅垂的可见光束,称为激光铅垂线。观测时,在低部安置仪器,而在顶部量取相应点的偏移距离。液体静力水准测量 几何水准测量是依据水平视线来测定两点间高差的,而水平视线是靠水准器调平来实现的。若直接依据静止的液体表面(水平面)来测定两点(或多点)之间的高差,则称为液体静力水准测量。22021101ghPghP液体静力水准读数方法电感式液体静力水准仪
20、示意图 (1)目视接触法。(2)电子传感器法。通过电子传感器不仅可以提高静力水准的读数精度,而且可实现测量的自动化。优点:1)连通管方法原理简单,测量变形在人工读数情况下精度可达到1mm,而用超声波液位计测量精度则远远超过人工读数的精度;2)该方法简便易行且有很高的可靠性。缺点:1)液体填充系统需在主梁内布设液压连通管,安装较为复杂;2)由于连通管内液体粘性阻力,对测点动态位移的灵敏性较差。液体静力水准优缺点水平位移观测 p测角前方交会p后方交会p极坐标法p导线法p视准线法p引张线法测角前方交会p 在变形点上不便于架设仪器时,多采用这种方法。如图所示,A、B为平面基准点,p为变形点,由于A、B
21、的坐标为已知,在观测了水平角、后,即可依下式求算p点的坐标。p 测角中误差;p D两已知点间的距离;p 206 265。p 采用这种方法时,交会角宜在60至120之间,以保证交会精度。cotcotcotcotcotcotcotcotBABApBABApxxyyyyyxxx)(sinsinsin222 Dmmpm 后方交会 p 如果变形点上可以架设仪器,且与三个平面基准点通视时,可采用这种方法。如图所示,A、B、C为平面基准点,p为变形点,当观测了水平角、后,即可依公式153计算p点坐标。BpBBpBpBBpBpxKyyyyKKbaxxxx21cot)()(BABAyyxxacot)()(BAB
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