电子水准仪在建筑变形监测中的应用研究

沈阳建筑大学毕业论文毕 业 论 文 题 目 电子水准仪在建筑变形监测中的应用研究 学院专业班级 土木工程学院测绘08-01班学 生 姓 名 性别 指 导 教 师 职称 2012年6月15日摘要建筑变形监测是按照一定的周期对变形体进行重复观测以确定其形状在空间位置随时间的变化量，并利用观测结果总结出变形规律从而监测变形体的运动。如果变形超过了限差，就会影响建筑物的正常使用，严重的会使建筑物倾斜甚至倒塌。因此，在建筑物施工过程和运营期间，都需要对它们进行变形观测，确保工程建筑物的稳定性，为安全运行诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施。本论文主要介绍了数字水准仪的结构、测量原理；数字水准仪的种类和特点，目前发展的现状，今后发展的趋势。以及数字水准仪在各种工程中的应用，尤其是在沉降监测中的应用；利用数字水准仪如何快速准确地获得监测对象的沉降信息,以便对监测对象进行及时的数据分析和准确的预报；依据电子水准仪的基本原理及其在建筑沉降监测中的应用进行研究和分析,从而得出对普及电子水准仪的应用和发展有益的结论。关键词： 电子水准仪；变形监测；沉降观测AbstractBuilding deformation monitoring is repeated observing the deformation objects with a certain period to determine the shape of the spatial position with the change of time, and using the observed results to sum up the law of deformation and to monitor the movement of the deformation objects. If the deformation exceeds the limit, it will affect the normal use of the building, and will seriously make the building tilting or even collapse. Therefore, in the period of building construction and operation ,observing the building deformation to ensure buildings stability is very necessary .And then it can provide the necessary information for safe operation. It can also find problem and take measures to solve the problem timely. This paper introduces the structure , types , characteristics and measurement principle of the digital level instrument. This paper also probe into the development situation at present and the development trend in the future of the digital level instrument. Importantly, this paper make a research of large number of engineering applications, especially in the settlement monitoring ,of the digital level instruments. Using the digital level instruments ,it can quickly and accurately obtain the monitoring information of monitoring object, so that the prediction of monitoring object can be obtained timely accurately. To research and analysis on the basis principle of electronic level and its application in building settlement monitoring, the useful conclusions in popularization and development of electronic leveling instrument application is obtained.Key words: Electronic level; Deformation monitoring; Settlement observatio目录第一章电子水准仪的基本原理11.1引言11.2电子水准仪的结构及测量原理11.3 电子水准仪的种类和特点21.3.1 电子水准仪的种类21.3.2 电子水准仪的特点81.4 电子水准仪的发展现状及发展趋势9第二章 建筑变形观测132.1建筑变形观测132.1.1 建筑变形观测概述132.1.2 建筑变形观测的分类132.1.3 建筑变形观测的特点142.1.4 建筑变形观测的基本方法152.2 变形观测的重要意义15第三章 电子水准仪的观测方法173.1 DiNi 12电子水准仪的简介173.2 电子水准仪的观测方法18第四章 电子水准仪的检验与校正204.1 电子水准仪的误差204.2 电子水准仪的检验与校正224.2.1电子水准仪常规检验与校正224.2.2电子水准仪i角的检验与校正23第五章 电子水准仪在变形观测中的应用实例265.1 工程概况265.2 沉降观测高程控制网方案设计265.2.1 观测仪器及依据265.2.2水准基点的布设275.2.3工作基点的布设275.2.4 沉降观测点的布设285.2.5观测方法285.2.6 观测成果295.3数据处理与分析305.3.1 观测点的观测成果305.3.2 累积沉降值335.3.3 沉降等值线图345.3.4 沉降-荷载-时间曲线图345.3.5各观测点随时间累积沉降速度曲线图38第六章 总结与展望406.1经济技术分析406.2 结论406.3 展望40参考文献42致谢43附录一 中文译文附录二 外文翻译原文电子水准仪在建筑变形监测中的应用研究第一章 电子水准仪的基本原理1.1引言随着城市建设的迅猛发展, 高大建筑物越来越普遍, 建筑物的安全也越来越受到社会各界的关注, 为保证建筑物的顺利施工和施工后的安全运营,就必须对建筑物进行系统的变形监测，其中一项重要工作就是沉降观测。因此对建筑物进行精确的沉降观测就显得尤为重要，因为它关系到整个工程的施工安全和使用安全。随着测绘仪器制造技术的飞速发展,沉降观测手段也从传统的光学水准仪发展到现在的电子水准仪。电子水准仪以其时尚的外观设计、操作方便、高精度等诸多优点,得到了广大测绘工作者的青睐，在各种工程的变形监测中得到了非常广泛的应用。为了监测验证电子水准仪的精度，本文以天宝DiNi-12电子水准仪为例，通过实际的工程沉降监测数据来验证电子水准仪的精度完全符合沉降监测的精度。1.2电子水准仪的结构及测量原理电子数字水准仪是在精密自动安平水准仪的基础上发展起来的。电子水准仪是通过感光器分析标尺影像对一维数字影像处理的应用(一维数字影像处理原理：影像-数字化-译码数据处理-结果)，利用二极管检测阵列来代替测量人员的眼睛，相当于在水准仪里架设了具有稳定视线的一部CCD照相机。水准条码标尺上的不用条码在通过望远镜成像到平面上的CCD光电传感器上，CCD光电传感器再将黑白相间的条码图像转换成模拟视频信号，经过仪器内部的数字图像处理，即可获得望远镜中丝条形码标尺上的读数。此数据一方面在屏幕上显示，另一方面存储在仪器内部的存储器中，供计算、查核和保留之用。其工作原理如图1-1所示。1.3 电子水准仪的种类和特点1.3.1 电子水准仪的种类目前流行的几种电子水准原理主要是相关法、几何法、相位法、RAB原理及叶氏原理。从这几种原理的共同性的角度看，都使用了光学水准仪的光路原理，也都使用了条形码标尺,条码明暗相间，通过改变明暗条码的宽度实现编码，且条码不存在重复的码段。但它们的编码规则也有非常明显的个性区别,从这些区别是可以看出它们的解码原理的区别的。另外，除上述编码环节存在共同性外，解码环节也还是有共同性的。可以断定，所有的电子水准原理的解码过程都存在粗测、精测和精粗衔接这些步骤过程。且这些过程和普通的光学模拟水准仪仍然有相似之处。如图1-2所示：（1）相关法Leica仪器使用相关法，其解码原理就是对图像信号与约定的编码进行相关解算，寻找最大相关点的位置从而完成图象识别进而获得所截获的条码片段的原码(粗测值)和物象比(距离)，精测原理则由电子中丝和码元的相位关系实现。其解码突破口在于二维相关搜索运算。由于是直接进行相关搜索运算，所以标尺的编码直接以伪随机码进行黑白二进制编码。如图1-3所示，码元0和1分别与条码的黑自相对应。YN条形编码标尺CCD光电传感器数字图像锁定译码图像处理计算结果数据液晶显示数据查核、保留图1-1 电子水准仪工作原理图1-2 常见的电子水准仪原理图1-3相关法的直接黑白编码原理相关法的优点是思想方法简单，而缺点是由于粗测值和距离(物象比)两个未知量同时进行二维相关运算搜索，而每个条纹中所包含的码元数目具有很大的随意性，最少是1个码元，而最多可以是16个码元，而且码元宽度很窄(如2.025mm)远距离是无法直接分辨码元少的窄条纹的(“淹没”现象)，由于相关法是比较实在的由所有像素参与的对可能结果的“穷举式表决”，那些“淹没”的条纹和条纹边沿细节以及被遮挡损坏的少量条纹并不足以影响到整个“投票结果”，实现了可靠的解码。但由此带来的运算量非常巨大，于是导致了测量速度慢和对微处理器的速度要求高以及能耗大等缺陷。为解决测量速度慢的问题，早期的徕卡仪器在望远镜的调焦旋钮上安装传感器以实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围，也有仪器则采用面阵光电传感器通过测量标尺条码的横向长度来实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围。相关法的精测原理仍然利用电子中丝和所截获的码片段码元的相位(位置)关系实现。对于这一点，目前还没发现有文献对其进行了分析和披露。目前文献所介绍的“粗相关”“精相关”概念实质都是介绍的粗测原理即条码片段或其码序的确立过程，对其真正的精测原理即电子中丝和条码片段之间的位置关系的确立过程没有涉及。（2）几何法几何法的解码原理区别于相关法的地方是通过载码的引人减少了标尺上黑白条纹宽度的种类，并使得图像信号中可以恢复出载码的周期波谱，从而实现了准确的码元坐标定位继而实现快速的“码词”(和相关法中的条码片段概念类似)读取，解决了相关法的测量速度慢的问题。其所谓的相似二角形空间变换几何关系如图1-4所示，这利用相似二角形空间几何比例关系其实是所有电子水准原理所共同采用的(包括相关法、相位法、RAB原理以及叶氏原理也实质都使用了这种望远镜成像的光学比例关系)，所有电子水准原理的精测过程实质都是使用了这种几何关系。所以我们一直认为几何法的叫法是不妥的。图1-4 文献对几何法原理的描述示意先看几何法的相位调制编码原理。如图1-5所示。图1-5几何法的相位调制编码原理图中反映了载码遇0码元则反相，遇1码元则同相的编码规则。可以看出这样的条码的宽度种类仅有二种宽度，大的条纹宽度就是码元的宽度，小的条纹宽度就是半个码元的宽度，比相关法中的16种宽度大大减少，条纹也粗得多，100m距离不可能出现整条纹完全“淹没”(至少在理论上)，根据恢复出的周期波谱的波长和相位，码元成像在CCD上的坐标分布定位就清清楚楚，简单的一维相关就可以完成粗测，物象比由周期值直接求解。但由此带来的问题是:信息密度稀疏了，很难同时顾及远近距离的测量要求。因为近距离时望远镜成像很大，在光电传感器上成像的码元个数大大减少，少到一定限度就保证不了解码的唯一性。但若减少码元宽度顾及近距离又对远距离的图像分辨不利。为解决短视距的测量问题，几何法采用双相位码编码在单相位码的基础上加人约定的1mm明暗窄条码，这种码只有在近距离时光电传感器才可以分辨并参与解码，在远距离时其在光电传感器上无法分辨(淹没)，不参与解码。这是几何法原理的远近兼容测量原理。目前文献所介绍的几何法原理其实只是着重强调了其精测原理和精粗衔接过程，其望远镜成像几何比例关系就是说明电子中丝和码元之间的相位位置关系而对于其粗测原理“码词”，的获取这一电子水准仪的最实质的图象识别技术问题则没有涉及。可以看出，相关法和几何法的命名角度本身是不一致的，前者是粗测特征，后者是精测特征。这样的命名与分类当然是不严谨的。实际上，相关法也利用了望远镜成像几何位置(相位)关系实现精测，几何法也可以使用相关算法(但不是二维相关)实现粗测(获得“码词”)。而其区别仅在于是否利用载码调制来实现解码运算量的减少。（3）相位法相位法原理的基本特征是利用标尺条码图像信号中的几个不同周期码的波谱的相位差来实现粗测，算法是快速傅里叶变换，其运算量也不小。精测原理利用R周期码的相位信息实现。其测量原理和光电测距仪的组合频率测距法是类似的如图1-6所示。主要分如下6个步骤进行:分别测量出电子中丝在标尺成像中的A码、B码和R码二种周期信号中的相位值如、；用、求解出电子中丝在隐含频率Fc =-中的相位=-；根据隐含频率Fc的波长五:Lc= /(-)和相位求得第一高度粗测值；根据A码(或者B码)信号的波长(或者)和相位(或者)求得第二高度粗测值(或者)；再根据R信号的周期和相位求得高度精测值；最后依次将,(或者)和逐次精粗衔接就可以获得精确的高度测量结果H了。之所以要使用第二粗测值，是因为第一粗测值的精度很容易超出精测R码的波长，将第一粗测值和精测值直接衔接将容易出现整周期的R码粗差。图1-6相位法的编码解码原理示意（4）RAB原理RAB原理编码规则是载码码宽数字电子，其解码的突破口是利用相邻码元中心等距离特征即图像信号中包含有周期波谱，从而通过周期波谱的测量实现了准确的码元坐标定位继而实现物象比解算、快速粗测的相关运算等，精测原理和其他方法仍然类似。如图1-7所示：RAB原理为解决远近视距兼容使用了6种宽度的编码，且6种码分为两组，每组2种宽度的码元，同组中的2种码元的宽度差别不大，这种不大的差别在近距离是容易区别的，在远距离时由于截获了较大视场的条码片段，同组中的2种宽度差别不大的码元按一种码处理。RAB码的显著特点是相邻暗条纹(或者相邻明条纹)中心离等于定值。图1-7 RAB原理的码宽调制编码原理（5）叶氏原理叶氏原理是武汉大学发明并实现的数字电子原理，已经应用于博飞DAL系列和苏光EL系列电子水准仪中。其核心思维是以比例码为载码，测量码调制寄生在比例码之中。解码时首先通过条码图像信号中的比例载码周期波谱的测量实现了准确的码元坐标定位继而实现物象比解算、快速粗测、精测。如图1-8所示图1-8 叶氏原理的比例调制编码原理本原理中条码区别于其他原理的显著特点是相邻明暗条纹的边界(或者明暗条纹的边界)之间的距离等于定值。比较这5种原理可以看出，除前边提到的粗测、精测、精粗衔接这些大体过程存在相同以外，所有电子水准原理的精测原理其实也是基本相同的，都要涉及电子中丝和所截获条码图像中的某种信息的相位(位置)关系，都要涉及望远镜成像的三角形几何比例关系的应用。而不同之处在于粗测的实现过程(图象识别)以及精测、粗测都要涉及到的物象比的确立过程。除相关法外，相位法、几何法、RAB原理和叶氏原理都使用和利用了载码调制编码解码，通过载码波谱的使用以实现快速图象识别，也由于相位法的波谱相对复杂，必须以傅里叶变换来解码，而后3种原理则只需相对简单的算法就可以获得载码成像的周期波谱信息。而实践应用也证实了后二种原理的实际测量速度效果也的确比相位法和相关法明显快捷。就三种使用载码调制的原理而言，几何法必须增加细条纹码克服近距离时信息密度过低的缺陷，RAB原理和叶氏原理只需增加调制级数就可以轻易解决近距离时信息密度低的问题。1.3.2 电子水准仪的特点电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD),并采用条码标尺和图象处理电子系统二构成的光机电测一体化的高科技产品。采用普通标尺时，又可像一般自动安平水准仪一样使用。 它与传统仪器相比有以下共同特点：（1）读数客观：不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。（2）精度高。：视线高和视距读数都采用大量条码分划图像经处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。（3）速度快：由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。（4）效率高：只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实线内外业一体化。1.4 电子水准仪的发展现状及发展趋势 （1）数字水准仪和传统水准仪的异同：相同点：数字水准仪具有与传统水准仪相同的光学、机械和补偿器结构；光学系统也是沿用光学水准仪的；既可以用于数字水准测量，也可以用于传统水准测量。不同点：传统水准仪用人眼观测，数字水准仪用光电传感器（CCD线针）代替人眼；数字水准仪与其相应条码水准标尺配用。仪器内装有图像识别器；采用数字图像处理技术，这些都是传统水准仪所没有的；同一根编码标尺上的条码宽度不用，各型数字水准仪的条码尺有自己的编码规律，但均还有黑白两种条块，这与传统水准标尺不同。另外，对精密水准仪而言，传统的利用测微器读数，而数字水准仪没有测微器。（2）当今世界上已有电子水准仪型号和技术指标：自从徕卡公司在1990年推出第一台电子水准仪NA2000以来，电子水准仪己经发展到了第二代，天宝、拓普康、索佳和尼康等都先后推出了自己的产品。目前市场上的电子水准仪分为不同精度的两个等级(与采用的标尺也有关系)，常用的高精度电子水准仪及其指标见表1-1所示。表1-1常用高精度电子水准仪及主要技术指标特性指标徕卡DNAO3天宝DINI12拓扑康DL101C索佳SDL30M尼康AP-7高程测量精度(1公里往返测中误差)电子读数0.3mm/Km光学读数1.Omm/Km电子读数0.3mm/Km光学读数1.Omm/Km电子读数0.3mm/Km光学读数1.Omm/Km电子读数0.4mm/Km光学读数1.Omm/Km电子读数0.8mm/Km测程范围铟瓦尺1.8 - 60m玻璃钢尺1.8 - 110m铟瓦尺1.5 - 100m折叠条码尺1.5 - 100m铟瓦尺2 - 60m玻璃钢尺2 - 100m铟瓦尺6 - 100m玻璃钢尺6 - 100m玻璃钢尺0.75 - 100m最小显示0.0lmm0.0lmm0.0lmm0.lmm0.lmm测量时间3秒3秒4秒3秒4秒放大倍率24X32X32X32X28X补偿范围1010101010补偿精度0.30.20.50.50.5（3）不同电子水准仪的不同点：由于各厂家的标尺编码规则不同，电子读数的原理也不同，导致不同厂家的产品在技术指标和性能上也有一些差别。下面对徕卡、天宝和拓普康三个厂家的精密电子水准仪加以比较。测量原理与编码标尺规则不同:徕卡仪器采用相关法读数，天宝采用几何法读数，拓扑康采用相位法读数。技术指标的差别:各厂家的电子水准仪由于设计思路不同，采用的原理不同，导致在技术指标上存在一些差别，如测量时间不同，对标尺条码截取的范围不同，计算方法不同等。性能的差别:由于不同厂家产品的电子读数原理不同，从而反映在它们的性能上也存在差别。折光差:由于空气中折射率的梯度的存在，对视线高的影响。当视线靠近地面时，由于受折光的影响，标尺影像将产生形变，导致光电传感器图形处理的困难，从而对电子读数产生影响，造成折光差。但由于三种仪器的读数原理不同，受折光差的影响大小也不同，天宝仪器受折光差的影响要小于其它两种仪器。这主要是因为蔡司电子水准仪在读数时，仅用到中丝上下各15cm的标尺截距，并没有用的到全视场的条码，所以当视线靠近地面时，受折光差的影响小，而其它两种仪器利用视场中的所有条码，靠近地面的条码也参加读数，而最后的判读结果是所有这些条码的平均值，所以受折光差的影响大。红外光线的影响不同徕卡NA系列电子水准仪具有“谱灵敏度”，即电子水准仪的探测器是利用光线的红外部分接收和检测条码影像的。因此，在人工光线下进行测量时，如果红外光成分较弱时，会造成测量误差，甚至无法读数。另外，对标尺像的背景色也有一定的要求，当标尺背景为红色(如红色墙等)或接近探测器的工作色谱时，则电子读数将遇到困难，作业时应加以注意。而天宝和拓普康的电子水准仪是利用可见光来接收和检测条码影像的，所以不受此影响，它们只要求标尺要有足够的照明。调焦对测量结果的影响不同天宝电子水准仪的标尺每2cm划分为一个测量间距，其中的条码构成一个码词，每个测量间距的边界由黑白过渡线构成，其下边界到标尺底部的高度，可以由该测量间距中的码词判读出来，望远镜中丝照准的那个码词，被判读出来后就可得到视线高读数。这种读数原理对条码分划边沿的成像质量要求高，要求调焦要清晰，否则对读数将产生较大影响。而徕卡和拓普康的电子水准仪是利用视场中的每个条码的中心线读数，因此条码成像质量对读数没有多大影响，但是条码成像模糊时，仪器会通过延长图像处理时间来获得读数。但是也应该注意，虽然通常调焦波动，对测量结果只产生微不足道的影响，但若是大量测量都是这样，就会影响最后的测量精度。因此要获得最佳的测量精度，每站的仪器调焦质量也很重要。对标尺遮挡的容许幅度不同在水准测量中，标尺不同部位常遭树枝、杂草等障碍物遮挡，在山地或公路旁作业时更是如此。各厂家的电子水准仪在设计时也考虑到了这一点，因此在仪器出厂时都给出了此项性能指标。由于电子水准仪的读数并不是采用编码标尺上的某一处条码刻划，而是对视场中标尺截距编码的平均值，因此允许标尺部分遮挡。只是不同厂家的仪器由于读数原理和采用的条码范围不同，对标尺遮挡的容许幅度也不同。天宝的电子水准仪是利用对称于视准轴上下各15cm的标尺编码来读数，即使视场中有多余的标尺编码，也不参与读数，这部分标尺被遮挡不影响测量值，若视距位于最小视距和几米之间时(视场角是一定的)，落在视场里的编码尺段只要有10cm就能观测。同时，蔡司的电子水准仪具有标尺非对称截距测量功能。但是，这类仪器的中丝附近条码不允许遮挡。对于徕卡和拓普康的仪器，是利用视场中的所有条码来进行读数。当视距大于5m时，徕卡电子水准仪对遮挡的容许幅度一般为20%-30%，当视距小于5m时，标尺稍有遮挡可能就无法读数，而对中丝是否遮挡没有特殊要求。（4）电子水准仪有广阔的应用前景,主要有：高精度水准测量：NA3003被美国联邦大地控制协会指定用作一等水准测量，其他如DL-101、DiNi-10均可用于一、二等水准测量，可提高作业效率30%-50%。变形观测：建筑物沉降观测（将马达驱动器附在电子水准仪上，为建筑物的沉降、隆起和垂直位移的自动监测开辟了新的途径）；大坝垂直变形观测。工业测量：机器、地基轴倾、转台精密测量。连续精密测量：与计算机相联，实时、自动连续测量。地形测量：图根导线点、碎步点测量。线路测量：公路、铁路、河道、隧道等纵、横断面测量。建筑施工：放样、抄平。（5）电子水准仪今后的发展方向：电子水准仪是一种功能很强的测量系统，操作简单，测量速度比光学水准仪提高50%-60%，易于实现内外业一体化，所以肯定是几何水准测量继续发展的方向。今后电子水准仪将从以下几个方面进行完善：改善补偿器的结构与安平精度；数字水准仪之所以能成功，主要是依赖于CCD技术和数字图像处理技术，因为今后电子水准仪将随着CCD技术和数字图像技术的发展而发展；改进测量程序与数据存储软件；增强仪器适应环境的能力；使机内系统逻辑增加对其他一些干扰，如亮度变化、补偿器应力释放、传感器时性改变等的改正。第二章 建筑变形观测2.1建筑变形观测2.1.1 建筑变形观测概述建筑物在工程建设和使用过程中，由于基础的地质结构不均匀，土壤的物理性质不同，土基的塑性变形，地下水位的变化，大气温度的变化，建筑物本身的荷重（如风力，震动等）的作用，会导致工程建筑物随时间的推移发生沉降，位移，扰曲，倾斜及裂缝等现象，这些现象统称为变形。工程建筑物的变形，按其类型可以分为：静态变形和动态变形。静态变形通常是指变形观测的结果只表示在某一时期内的变形值，也就是说，它只是时间的函数；动态变形是指在外力影响下而产生的变形，故它是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的变化，其观测结果是表示建筑物在某一时刻的瞬时变形。变形按时间长短可分为：长周期变形（建筑物自重引起的沉降和变形），短周期变形（温度变化引起的变形）。按研究的范围可以分为：全局性变形，区域性变形，局域性变形。按成因可以分为：人工干预变形，自然原因变形，综合原因变形。所谓变形观测，是用测量仪器或者专用仪器测定建筑物及地基建筑物在荷载和外力作用下随时间变形的工作。通过变形观测，可以检查、各种工程建筑物和地质构造的稳定性，及时发现问题，确保质量和使用安全；更好的了解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，建立正确的预报变形的理论和方法。 2.1.2 建筑变形观测的分类变形观测属于安全监测。变形观测有内部观测和外部观测两方面。内部观测内容由建筑物的内部应力，温度变化的测量，动力特征及其速度的测定等，一般不由测量工作者完成。内部观测与外部观测之间有着密切的联系，应同时进行，以便互相验证和补充。外部观测的内容主要有沉降观测、位移观测、倾斜观测、裂缝观测和扰度观测等。（1）沉降观测它是指建筑物及其基础在垂直方向上的变形(也称垂直位移)。沉降观测就是测定建筑物上所设观测点(沉降点)与基准点(水准点)之间随时间的变化的高差变化量。通常采用精密水准测量或液体静力水准测量的方法进行。（2）水平位移观测它是指建筑物在水平面内的变形,其表现形式为在不同时期平面坐标或距离的变化。建筑物水平位移观测是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量。 测定水平位移的方法很多,有常规的地面控制测量方法，如导线，前方交会法等；也有各专用方法，如基准线法，正、倒垂线法等。（3）倾斜位移观测它是指建筑物因为地基的不均匀沉降或其他原因造成的。建筑物倾斜位移分为两类：一类表现为以不均匀的水平位移为主；另一类则表现为以不均匀的沉降为主。倾斜观测是用经纬仪，水准仪或其他专用仪器测量建筑物的倾斜随时间变化的工作。对于上述两种倾斜一般采用不同的观测方法，前者可采用先测出水平位移然后计算倾斜的方法，即所谓的“直接法”；后者可通过测量建筑物基础相对沉降的方法进行测定，即先测出沉降后计算倾斜的方法，也就是所谓的“间接法”。（4）裂缝观测它是指建筑物基础的不均匀沉降，温度的变化和外界各种荷载的作用，使得建筑物内部的应力大大超过了允许的限度，使得建筑物的结构产生裂缝。测定建筑物裂缝发展情况的观测工作即为裂缝观测。（5）扰度观测在建筑物垂直面上，各个不同高程点相对于底点不同的水平位移，称为扰度。所进行的观测称为扰度观测。2.1.3 建筑变形观测的特点与一般的测量工作相比，变形观测具有以下几个特点：（1）观测的精度要求高：由于变形观测的结果直接关系到建筑物的安全，影响对变形原因的分析和变形规律的正确分析，和其他测量工作相比较，变形观测必须具有很高的精度。典型的变形观测精度要求是1mm或者相对精度110-6。因此，根据变形观测的目的不同，确定合理的观测精度和观测方法，优化观测方案，选择测量仪器是实施变形观测的前提。（2）需要重复观测：建筑物由于各种原因产生的变形都有时间效应，计算其变形最简单，最基本的方法是计算建筑物上同一点在不同时间的坐标差和高程差。这就要求变形观测必须依一定的时间周期重复观测，时间跨度较大。重复观测的周期取决于变形观测的目的，预计的变形量的大小和速度。（3）要求采用严密的数据处理方法建筑物的变形一般都比较小，有时甚至与观测精度处在同一个数量级；同时，大量重复观测使原始数据增多。要求从不同时期的大量数据中，精确确定变形信息，必须采用严密的数据处理方法。2.1.4 建筑变形观测的基本方法第一类:常规大地测量方法,包括几何水准测量,三角高程测量,三角(边)测量,导线测量,交会法等。这类方法的测量精度高,应用灵活,适用于不同变形体和不同的工作环境,但野外工作量大,不易实现自动和连续监测。第二类:摄影测量方法:包括近景摄影测量.它可以同时测量许多点子,作大面积的复测,尤其适用于动态式的变形观测,外业简单且精度较底。第三类:专门测量方法,或称物理仪器法,包括各种准直测量(激光准直系统具有代表性),倾斜仪观测,流体静力水准测量系统及应变计测量。用专门测量手段的最大特点是容易实现连续自动监测及遥测,且相对精度高,但测量范围不大,提供的是局部变形的信息。第四类:空间测量技术:包括甚长基线干涉测量(VLBI),卫星激光测距,全球定位系统(GPS)等。空间测量技术先进,可以提供大范围的变形信息,是研究地壳变形及地表下沉等全球性变形的主要手段。工程建筑物变形观测的基本方法,要根据建筑物的变形性质,使用情况,观测精度,周围的环境以及对观测的要求来选定。在实际变形观测方案时应综合考虑各种测量方法的应用,互相取长补短。2.2 变形观测的重要意义大型水工建筑物、工业与交通建筑物、高大建筑物群体和许多精密机械的安装、导轨以及尖端科学技术试验设备由于自然条件的影响与变化，例如，建筑物地基的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度的 影响与变化，会引起建筑物的变形。另一种是建筑物本身的荷重。及建筑物的结构、型式、风力、地震等动荷载的作用，虽然在设计、施工及运营中采取了措施，但不可能尽善尽美，因此，还会引起建筑物的变形。如果这些变形在一定限度之内，认为是正常的现象；如果超过了限差，就会影响建筑物的正常使用，严重的会使建筑物倾斜甚至倒塌。因此，在建筑物施工过程和运营期间，都需要对它们进行变形观测，确保工程建筑物的稳定性，为安全运行诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施。在科学上，变形观测可以帮助我们更好地理解变形的机理，验证有关设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的预报模型。 第三章 电子水准仪的观测方法3.1 DiNi 12电子水准仪的简介（1）DiNi 12电子水准仪的基本图示：由于我们学校以及本论文中测量数据所采用的电子水准仪均为天宝DINI-12型电子水准仪，故重点介绍DINI12电子水准仪的结构及使用方法，其基本图示如图3-1所示：图 3-1 DiNi 12型电子水准仪图示（2）DiNi 12电子水准仪进行沉降观测的使用方法:仪器参数设置：使用仪器前需对仪器参数进行设置，主要是如下几项, 以下各值为按一级水准测量等级设定:a)Height Unit:测量的高程的单位和记录到内存的单位,m;b) Display resolution: 最小显示单位,0.00001m;c) Max dist:输入最大测量距离, 当测量的距离超过此距离时会警告用户,30m;d) Minsight:输入最小视线高度0.30m;e) Max dif:输入在线路测量中的一测站最大偏差,0.00030m。建立新工程项目：按屏幕右侧EDIT 键, 然后按PRJ, 选择NEWPROJECT, 输入项目名称。开始线路测量：按下在线路测量Line屏幕下的箭头所指的按键, 按下新建路线NewLine, 输入路线号, 选择测量模式(BFFB) ,输入后视点高程、点号、代码,然后就可以开始测量。中断和结束测量：当前视观测结束后, 就可以换站了, 可以把水准仪关闭后再换站, 当打开仪器后可以直接就进入刚才所在的地方, 并且可以继续进行水准路线测量。当观测结束并且已经观测了最后的闭合点,可以按下测段结束键Lend结束测量, 同时输入结束点高程、点号、代码, 此时仪器将显示出起始点和终点的高程之差,前后视距和等信息。(3)沉降观测数据的下载与处理：DiNi 12电子水准仪有两种数据下载方式, 从PCMCIA卡中下载数据和从RS232串口下载数据。第一次从PCMCIA卡中下载数据时需先安装PCMCIA卡的驱动程序, 然后就可以直接从PCMCIA卡复制文件到计算机中。从RS232串口下载数据时需先进行通讯设置使仪器与计算机中通讯参数设置一致,下载数据可以使用一些商业软件如恒华一点通HDLink软件, TGO等, 还可以使用Windows自带的超级终端来传输。对于数据平差一般用仪器本身平差程序即可,按MENU键,选择LINEADJUSTMENT。平差之前要先把原始测量数据下载至计算机,平差之后原始测量数据将被平差后数据覆盖。数据下载至计算机后可以直接导入到Excel 电子表格中, 导入时选择按固定宽度分隔, 然后按高程及点号排序, 这样可以把所测沉降点高程放在一起, 复制到沉降观测计录表中, 计算本次沉降及累计沉降值并绘制沉降曲线图、分析沉降情况。3.2 电子水准仪的观测方法（1）限差设置:在测量前我们应该对仪器的限差进行设置，根据规范以及测量等级来定应对测站最大视距；标尺最大读数；标尺最小读数；最大限差（一个测站）；最大距离限差（单站视距差及累积视距差）。（2）测量模式:后前前后、后后前前、后前。给定测量限差值，仪器可自动判断测量现差，超限时提示重测，能自动计算线路闭合差等。（3）测量方法:仪器及配套水准尺均应在有效检定期内。水准仪与水准尺在使用前及使用过程中，经常规检校合格，水准仪视准轴与水准管轴的夹角均不超过15。仪器各种设置正确，其中有限差要求的项目按规范要求在仪器中进行设置，并在数据采集时自动控制，不满足要求的应根据仪器的提示进行重测。观测时，一般按后-前-前-后的顺序进行，对于有变换奇偶站功能的电子水准仪，按以下顺序进行：a) 往测：奇数站为后-前-前-后 偶数站为前-后-后-前b) 返测：奇数站为前-后-后-前 偶数站为后-前-前-后每一测段必须为偶数站结束。观测前30min，将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致，并进行仪器预热。测量中避免望远镜直接对着太阳；尽量避免视线被遮挡，要求遮挡不不超过标尺在望远镜中截长的20；观测时用测伞遮蔽阳光，仪器需装遮光罩。自动安平水准仪的圆水准器，严格置平。在连续各测站上安置水准仪时，使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。除路线拐弯处外，每一测站上仪器与前后视标尺的三个位置，一般为接近一条直线。观测过程中为保证水准尺的稳定性，选用的尺垫重2.5kg，水准观测路线必须路面硬实，观测过程中尺垫踩实以避免尺垫下沉。同时观测过程中避免仪器安置震动的地方，如果临时有震动，确认震动源造成的震动消失后，再激发测量键。水准尺均借助尺撑整平扶直，使标尺上的气泡居中，确保水准尺垂直。数据处理时，闭合差、中误差等均满足要求后进行平差计算，水准路线可以用手工平差（简易平差）以及软件平差（严密平差）。第四章 电子水准仪的检验与校正4.1 电子水准仪的误差电子水准仪依据图像识别的原理，将编码尺的图像信息与己存贮的参考信息进行比较，从而获得高程信息。它的测量速度快，操作简单，易于实现内外业一体化，代表了水准仪的发展方向。电子水准仪基于自动安平水准仪，因此，在传统的自动安平水准仪上存在的误差，在电子水准仪上仍然存在。电子水准仪获取的是编码尺多条编码的信息，其结果取平均效应，其检验方法与光学水准仪有所差别。在一般情况下，光学水准仪的检验是将仪器和标尺分开进行的，电子水准仪则应当与其配套的水准标尺一起进行检验。电子水准仪的误差主要有一下三个方面：（1）与主机有关的误差：圆水准器位置不正确圆水准器位置不正确可引起水准仪竖轴倾斜，形成“水平面倾斜”误差。各自的产品时，只在仪器上配置了圆水准器和电子水准器(没有长水准器)，同时增加了补偿器的补偿范围(10-15)，只要圆水准器居中，补偿器就可以工作，而无需用电子水准器来精密调平仪器，这样旨在提高测量速度。目前各厂家电子水准仪上安装有灵敏度为8/2mm(索佳、蔡司、徕卡)或10/2mm(拓普康)的圆水准器，长时间的使用、运输或温度变化，都会使气泡偏离其正确位置而产生漂移，致使仪器竖轴倾斜，无法建立正确的水平视线。偏移量较大时，还会导致补偿器无法工作。补偿器误差 电子水准仪的补偿器与光学自动安平水准仪的补偿器，都属于交叉吊带重力摆补偿器，其表现特性也基本一致，基本能够满足精密水准测量的要求(0.10)。但是，经过运输、温度变化和长时间的使用使其内应力变化，其补偿性能差异也较大。补偿器误差分为补偿器安置误差和补偿器滞后误差。前者反映补偿器建立水平视线的重复精度，通常作为仪器出厂的重要技术指标。后者指补偿器的平衡位置和静止位置之差。视准轴误差(i角误差)在电子水准仪上，i角误差分为光学i角误差和电了i角误差。由于环境温度、机械振动(如仪器搬站等)、望远镜调焦和磁场(包括地球磁场和外部电磁场)会引起i角变化。因此i角误差通常指环镜温度为20oC，在日标无穷远时仪器视准轴与水平面间的夹角。电子水准仪在电子读数时，是以CCD器件上认定的中点附近的这个像素为参考基准的，改正电i角，或说电子视准轴。各厂家的仪器中内置的i角自检程序，就是用软件改变认定的这个参考像素的位置，通过仪器内置软件计算出电i角的值，该值已存储到仪器中，并自动对测量结果进行改正。但是，还存在电子i角的残余误差，影响电子水准仪测量结果的，正是这部分误差。补偿误差由于补偿器性能不完善导致的仪器视准轴倾斜，会对前后观测带来“水平面倾斜”误差。高程误差其它原因导致的“水平面倾斜”误差望远镜调焦误差当观测前后视距不等时，望远镜在旋进或旋出的过程中，引起视准轴的位置发生变化，从而给观测值带来影响。它是反映电子水准仪望远镜性能好坏的一项指标。（2）与条码尺有关的误差：尺底面缺陷尺底面缺陷包括零点误差、尺底面不平和尺底面与尺的轴线不垂直等。水准尺缺陷水准尺缺陷主要有水准尺上的圆水准器不正确、铟瓦钢带的拉力不正确、水准尺的比例误差(包括比例误差和比例误差的变化)、温度膨胀和尺弯曲和扭曲等。其中圆水准器不正确将引起水准尺的倾斜，导致较大系统误差。水准尺分划误差包括标尺条码线的编码分划误差和有缺陷的条码线引起的分划误差。电子水准仪不同于光学水准仪，观测中测量的不是标尺上的单个分划，标尺分划误差对观测读数的影响是成像在CCD探测器上的所有分划线的分划误差的平均值，加上当前先进的制造加工工艺和过程确保了标尺编码分划线的误差很小，因此标尺分划误差对电子水准仪测量的影响远比光学水准仪小的多。实际测量中，观测视距不能过长(标尺上所有分划误差都带入观测值中)，另外视准线避免过高或过低。 其它 包括普通水准尺的联接误差和因潮湿引起的膨胀。（3）与条码尺光电读数有关的误差最小读数及其进位误差读数误差读数误差由测量信号遮挡、测尺照度不均匀、视线位于顶部或底部、调焦位置不正确、震动等外界因素和周期误差(包括周期误差随视距变化)等内在因素引起。国外对电子水准仪的研究结果表明，有些仪器读数存在周期误差，如Wild NA2000在视距15 m处存在峰值为0.7 mm,波长为2 mm的周期误差。内符合精度通常情况下，仪器的内符合精度与视距、震动、光强、对比度、调焦和气象条件等因素直接相关。从上述分析可以看出，电子水准仪的误差构成较为复杂。对普通用户而言，只需检定主要项目。常规检定可以参照现行光学水准仪的检定方法进行。但对仪器i角和综合精度的检定则须采用专门的方法。4.2 电子水准仪的检验与校正4.2.1电子水准仪常规检验与校正通过前面对电子水准仪的原理及误差的分析，可以看出:影响电子水准仪测量精度的误差源比较多，既有继承自光学自动安平水准仪的误差源，又包含了由于光电技术的使用带来的新的误差源。有些误差的影响，是可以通过在观测过程中选择合适的观测条件，制定有效的观测方法，对其削弱或消除，如观测前晾置仪器一段时间、选择合适的观测视距和观测路线(减少标尺遮挡影响)、避