第二章 变形观测技术2

1、 2.2 2.2 自动化变形监测系统自动化变形监测系统 1 测量机器人 2 实时动态GPSRTK法 3 数字摄影测量方法 4液体静力水准测量 5 3D激光扫描技术 2.2.1 测量机器人 能连续或定时对多个合作目标 进行自动识别、照准、跟踪、 测角、测距和三维坐标测定的 自动跟踪全站仪称为测量机器 人(GEOROBOT)。测量机器人自 动化程度高，能全天候工作， 特别适应于工程开挖体及各种 建(构)筑物的变形测量。 动态监测模式1 TCA动态变形监测系统 工作方式工作方式 （1）逐点扫描； （2）后方交会。 某大坝的变形测量机器人系统 动态监测模式系统组成系统组成 某大坝的变形测量机器人系统，

2、该系统由3套高精度自动 测距系统、数据通讯设备、反射棱镜组、系统软件、中央控 制室主计算机、频率校准仪、高精度通风温度计、数字气压 计、数字湿度计等组成。 工作原理 全站仪测量系统应用举例 自动变形监测系统系统 ADMS ADMS章 全站仪测量系统的 开发与应用 3 自动变形监测系统系统ADMS ADMS（Automatic Deformation Monitoring System）自动变形监测软件是在学习、消化、吸收 瑞士Leica公司研制的自动极坐标测量系统APSWin （Automatic Polar System for Windows）的基础 上，通过实际的工程应用，并结合国内用户

3、的实际 需求，研制出的本地化的智能型自动变形监测中文 软件。 4.3 自动变形监测系统系统ADMS 自动全站仪 通讯及供电 控制计算机 基准点1 基准点2 基准点n 变形点1 变形点m 监测站 控制机房 基岩上 变形体 ADMS系统配置图 全站仪测量系统应用举例 自动变形监测系统系统 ADMS ADMS章 全站仪测量系统的 开发与应用 3 自动变形监测系统系统ADMS 4.3 自动变形监测系统系统ADMS ADMS 自动测量界面 全站仪测量系统应用举例 自动变形监测系统系统 ADMS ADMS章 4.4 全站仪测量系统应用举例 1、大坝及边坡监测 全站仪测量系统应用举例 自动变形监测系统系统

4、ADMS ADMS章 全站仪测量系统的 开发与应用 3 自动变形监测系统系统ADMS 3、地铁形变监测2、大桥变形监测 4.4 全站仪测量系统应用举例 全站仪测量系统应用举例 自动变形监测系统系统 ADMS ADMS章 全站仪测量系统的 开发与应用 3 自动变形监测系统系统ADMS 提高测距精度采取的 措施 1非比例误差 通过利用光电测距仪检定中心严格的室内仪器检 定，监测现场强制对中、在反光镜上设照准镜或固定 反光镜等措施来降低非比例误差且的影响。 2比例误差的影响 (1)通过采用自行研制的光电测距仪频率校准仪， 使测尺频率误差减小。 (2)采用，0.02的超线性石英高精度温度计。 (3)

5、60Pa的数字气压计，4的数字湿度计， 通过计算机采集数据，计算气象元素测定引起的测距 误差。 (4)采用精密大气折射率计算公式，计算大气折射 率的误差. 采用2台TCAl800全站仪，在某电站大坝进行连续15 d的自动监 测，如图，采样周期为15min，实际测边13000条，共20万个数 据。结果表明：按第1 d测量结果计算中误差取平均值，精度为 0.26mm，使亚毫米级精度自动测距系统测量机器人成为现实。 同时，系统实现了变形监测“无人值班” 。 2.2.2 实时动态GPSRTK法 在目前的GPS变形监测系统中，一般都是利用双频GPS 接收机，采用精密星历和高质量的数据处理软件(如 GAM

6、IT和GLOBK等)，根据电离层组合来进行差分计算， 得出高精度的变形监测成果。由于受到各种条件的限制 (稳定的数据链路、复杂的软件系统以及昂贵的硬件设备 等)，目前的GPS系统一般为非实时的监测系统，并且利 用多历元的观测数据进行解算和后处理；随着GPS硬、 软件的发展，测量精度的提高，GPS变形监测系统越来 越向数据采集自动化、内外业处理一体化方向发展。 GPS监测系统一般是由GPS基准站、GPS监测站、 通信网络和GPS监测中心等4部分组成，而监测 中心主要由工作站、服务器和局域网组成. GPSGPS监测系统监测系统 动态监测模式： （1）多天线GPS变形监测系统 （2）各监测点安置GP

7、S接收机 GPS-RTK作为新的变形监测手 段在使用过程中有以下问题： （1）由于卫星信号失锁、各种误差的影响， 造成粗差与变形的混淆，甚至测量数据的缺少， 如何从观测数据中获取有效的变形信息并加以 分析； （2）GPS全球定位系统价格昂贵，监测点数量 越多，费用支出就越大； （3）受地理位置影响，难以在山谷中应用。 TCA测量机器与测量机器与GPS RTK比较比较 比较 项目 TCA测量机器人方式GPS RTK方式 实时 性 测量机器人对各监测点上的反光镜 逐点进行自动化观测，各观测 点观测量在时间上有一定（几 分钟）的延时，无法做到真正 意义上的实时监测。 GPS RTK可不间断地进行全桥

8、真正意义上 的实时监测，尤其是在暴风雨和大雾 等恶劣条件下，更具有自动化实时监 测的特点。 数据 通讯 监控中心的计算机只与测量机器人 进行双向通讯，易于实现人机 对话、供电、通讯维护和通讯 布线设计。 监控中心的计算机不仅要与基准站上的 GPS接收机，而且还要与各监测点上 的GPS接收机进行双向通讯，监测点 越多，通讯量越大，供电、通讯维护 和通讯布设较为复杂。 可靠 性 在正常的气候条件下，可靠性较高， 而且由于仪器安装在房内，整 套系统的使用寿命将较长；在 恶劣的气候条件下，如大雾、 特大雨，整套系统将无法正常 工作。 如无外界无线电信号和雷电干扰，整套系 统在正常和恶劣的气候条件下均能

9、正 常工作，但由于GPS接收机长期暴露 在外界环境下，会促使电子仪器的老 化，因此整套系统的使用寿命将会受 到影响。 土建 方面 需要建造两座小型的测量机器人站 房。 无需土建施工 费用 方面 费用较低，监测点数量越多，越能 体现其在费用方面的优势。 费用较高，监测点数量越多，费用方面的 支出越大。 2.2.3 数字摄影测量方法 常规摄影测量由于存在： (1) 设备过于专业化、价格昂贵； (2) 所需工作环境在工程中往往难以满足， 如地下空区测量既难于设置摄站，又不易布设 物方控制； (3)数据处理技术复杂； (4)数据处理周期长、信息反馈慢等原因， 因而该法难于推广。 数字化近景摄影测量系统

10、 由中南大学开发的，作为近景摄影测量的最新科 研成果，它使摄影测量的内、外业工作大大简化， 对操作人员的要求大大降低，完全摆脱了昂贵的 传统摄影测量设备，从而使其应用领域显著扩大。 与常规的边、角测量方法相比，它不但外业速度 快，信息记录全，而且在许多常规测量无法作业 的地点(如矿山井筒内、塌陷区等)都能进行测量。 该系统将相片(数字影像)量测、三维坐标计算、计 算结果的绘图输出一体化，因此整个内业过程都 在计算机上完成，操作方便。 现场摄影 像片输入 像片量测 立体重建 输出 绘图 2.2.4 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

11、。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。 22021101 ghPghP 液体静力水准读数方法 电感式液体静力水准仪示意图 (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。

12、液体静力水准优缺点 2.2.5 3D激光扫描技术 传统的测量仪器的缺点： 1 不能满足高密度三维坐标采集和“逆 向工程（实际物体到几何建模的直接转 换 ）”的需要. 2 需要采用接触式的测量方式，因此测 量速度不可能很快。 激光扫描仪 21世纪初，美国Cyra公司推出三维测量的激光扫描仪 Cyrax，有点类似于无合作目标全站仪的测量模式，但速 度更快。激光扫描仪都带有丰富的后处理软件，通过测 得的三维“点云”数据，可以直接生成物体表面的三维 CAD模型，实现了大型目标实体及实景、建筑物和地形 测量实时三维仿真模型建立和可视化。但Cyrax的坐标测 量精度为6mm，只和普通全站仪的精度相当，其他

13、厂家 也相继推出了类似的产品。下图为不同厂家激光扫描仪 的外形。 2002年，瑞士徕卡公司 推出了精度更高的激光 扫描仪LR200，也称为 调频相干激光雷达扫描 仪或激光雷达。该仪器 应用于测量中，但其测 量精度与激光跟踪仪相 当。图2为LR200激光雷 达。 激光扫描仪 为何用3维激光扫描? ILRIS 3D全数字三维激光扫描仪全数字三维激光扫描仪 激光类型：一级激光，安全无害激光类型：一级激光，安全无害 Class I Laser at all mode (IEC 60825-1,Am2,US FDA 21 CFR 1040) 扫描精度：扫描精度：3mm 仪器重量：仪器重量：12kg 扫描

14、范围：扫描范围： 1500 m 80%反射率目标反射率目标 800 m 20%反射率目标反射率目标 350 m 4% 反射率目标反射率目标 参考价格：参考价格：2525万美元万美元 生产产地：日本生产产地：日本 ILRIS-3D操作过程 一人带上设备和脚架，到一人带上设备和脚架，到 现场后将仪器架设好，无需对现场后将仪器架设好，无需对 中整平，通过取景窗选定需扫中整平，通过取景窗选定需扫 描范围（可多重选取多窗口），描范围（可多重选取多窗口）， 设定扫描间距，即开始逐行从设定扫描间距，即开始逐行从 下往上扫描目标下往上扫描目标 ILRIS-3D操作过程 回到办公室后将记录数据的回到办公室后将记

15、录数据的CFCF卡从仪器中取出，卡从仪器中取出， 插入计算机中读取，将从不同角度扫描的数据找出插入计算机中读取，将从不同角度扫描的数据找出 重合的特征点，将三维点云数据拼接在一起，并可重合的特征点，将三维点云数据拼接在一起，并可 叠加上数码照片，方便判读，再找出叠加上数码照片，方便判读，再找出三个特征点三个特征点， 赋予其三维坐标值，即确定整个扫描数据的三维坐赋予其三维坐标值，即确定整个扫描数据的三维坐 标系统标系统 ILRIS-3D替代传统作业方式的优势替代传统作业方式的优势 1、单人即可作业，且只需架设好仪器后设定扫描范 围等参数，作业人员就可休息待仪器自行收集数据 2、精度高，扫描范围远

16、，不需接触即可作业 3、三维数据和彩色数码图片相对应，量大且明细， 形象、全面、直观 4、扫描速度快，对收集动态数据尤为有效 ILRIS-3D应用 文物古迹抢救性备份资料文物古迹抢救性备份资料 共扫描共扫描25次次 - 内部和外部内部和外部 扫描时间扫描时间 - 1 天天 ILRIS-3D应用 三维数字城市数据收集三维数字城市数据收集 ILRIS-3D应用 大型工程竣工测量大型工程竣工测量 ILRIS-3D应用 大型构筑物变形大型构筑物变形监测监测 不同时期扫描的点云数据拼 接重叠后，很方便地计算出每一 个细部点的变形情况，以助判断 是否安全运行，并确诊故障部位， 辅助维护方案制定，可用于公路 桥、铁路桥、水坝、厂矿等各种 构筑物变形监测。对大坝等受水 位影响适时动态扫描分析特别有 效 ILRIS-3D应用 灾害现场分析灾害现场分析 通过不断扫描分析，判断现通过不断扫描分析，判断现 场哪些部位还会出现坍塌，哪些场哪些部位还会出现