基本原理,特点,精度,应用

1、中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学1. 1. 变形监测概述变形监测概述内容：按其研究范围可分为三类：全球性的、区域性的和局部性的。u全球性的变形监测主要是研究地极移动，地球旋转速度的变化以及地壳板块运动；u区域性的变形监测，用以研究地壳板块范围内的变形状态和板块交界处地壳的相对运动，前者一般由定期复测国家控制网的资料获得，后者要建立专用监测网，监测板块相对运动在其交界处造成的地壳变形；u局部性的变形监测主要是研究工程建筑物的沉陷、水平移动、扭曲和倾斜，滑坡体的滑动以及采矿、采油和抽地下水等人为因素造成的局部地壳变形。意义：实用上的意义主要是

2、检查各种工程建筑物和地质构造的稳定性，及时发现问题，以便采取措施。科学上的意义包括更好地理解变形的机理，严重有关工程设计的理论和地壳运动假说，以及建立正确的预报变形的理论和方法。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学变形监测方法u传统的方法：常规大地测量方法（测角、测边、水准）优点：（1）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 （2）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缺点：耗费大量的人力、物力u新技术： GPS一机多天线技术 激光扫描技术合成孔径雷达干涉测量技术三维光学扫描技术（工业领域）中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学重大工

3、程的变形监测案例u 机器人滑坡监测u中央电视台新台址中央电视台新台址 CCTV主楼施工主楼施工 变形监测变形监测中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学u GPS一机多天线技术在变形监测中的应用小弯电站高边坡变形监测（同时接收）东海大桥变形监测方案（间隔接收）东海大桥变形监测方案（间隔接收）中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学u北斗一号导航卫星在滑坡自动化监测中的应用中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学2 激光三维扫描技术在变形监测中的应用激光三维扫描技术在变形监测中的应用 2.1三维激光扫描技术的基本原理三维激光扫描技术的基本原理 地面三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数

4、码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其它附件设备共同构成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。地面三维激光扫描系统的工作原理如图所示，首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后通过探测器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件处理实现实体建模输出。 接受器透镜发射器 按钮电光二极管接收器激光极管时间测量 单元微机计算数据传输数据显示中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学2.2 三维激光扫描测量的精度三维激光扫描测量的精度 三维激光扫描仪的单点定位精度，一般可以达到亚厘米级，

5、其模型精度还要远高于这个精度。 我院购置的Trimble GX200激光扫描仪的主要技术参数：指标数值扫描距离最远350m距离测量精度7mm100m单点定位精度6mm50m，12mm100m激光波长脉冲532 nm扫描范围360 x 60 连续扫描中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学2.3三维激光扫描技术的特点三维激光扫描技术的特点 三维激光扫描技术可以大范围，快速全面，高精度，高分辨率的获取被测物体的平面和高程坐标，并可以方便的建立可以量测的三维模型。综合起来，激光测量具有以下特点：l 快速性；l 实时、动态、主动性；l 激光的穿透性；l 非接触性；l 高密度、高精度特性；l 数字化

6、、自动化；l 地面三维激光扫描系统对目标环境及工作环境的依赖性很小，其防辐射、防震动、防潮湿的特性，有利于进行各种场景或野外环境的操作。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学2.4 三维激光扫描技术应用的实例三维激光扫描技术应用的实例u高速公路路面变形高速公路路面变形u国家体育馆屋顶钢结构安装与滑移监测国家体育馆屋顶钢结构安装与滑移监测中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学u煤矿地表变形监测112工作面三维激光扫描仪地表 运用激光三维扫描仪监测煤炭井工开采的地表沉陷示意图如上运用激光三维扫描仪监测煤炭井工开采的地表沉陷示意图如上图，技术路线为：当工作面推进到位置图，技术路线为：当工

7、作面推进到位置1时，用三维激光扫描仪观测时，用三维激光扫描仪观测一次地表，获得当时的数字高程模型一次地表，获得当时的数字高程模型DEM(1)。当工作面推进到位置。当工作面推进到位置2时，再用三维激光扫描仪对同一位置地表进行第二次扫描，获得数值时，再用三维激光扫描仪对同一位置地表进行第二次扫描，获得数值高程模型高程模型DEM(2)。用。用DEM(1)减去减去DEM(2),可以得到监测区域的地表可以得到监测区域的地表下沉值，再结合井下开采情况，便可以反演出地表移动变形预测参数。下沉值，再结合井下开采情况，便可以反演出地表移动变形预测参数。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学计算下沉曲线实测

8、下沉曲线BBAA下沉（ ）0.51.01.52.02.5002.52.01.51.00.5下沉（ ）鲍店矿扫描处理数据鲍店矿扫描处理数据实测值下沉剖面图实测值下沉剖面图中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学u 大型建筑物变形监测及成果分析大型建筑物变形监测及成果分析处理流程：处理流程： 变形监测点布置及数据采集变形监测点布置及数据采集 坐标匹配坐标匹配 去噪处理去噪处理 点云数据点云数据 特征线提取特征线提取 两次特征线比较两次特征线比较 最终变形数据最终变形数据中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学实例：焦炉和烟囱变形监测的扫描数据实例：焦炉和烟囱变形监测的扫描数据1号焦炉点云数

9、据号焦炉点云数据2号焦炉点云数据号焦炉点云数据点云数据截面截取点云数据截面截取截取后的点云数据和特征截取后的点云数据和特征线数据线数据中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学3 岩体内部观测系统岩体内部观测系统 岩层内部观测站测点一般布设在岩层内部的钻孔中，用于研究岩层内部的移动和变形规律。3.1 岩体内部下沉测量（钻孔伸长仪）岩体内部下沉测量（钻孔伸长仪）安装好的下沉测量系统如图所示。 1基准架；2读数装置、卷缆轮；3水泥浆； 4充填砂浆；5用粘结剂和胶带密封的感应环； 6感应环；7倾斜仪套管接头；8倾斜仪套管； 9注浆阀门；10重锤；11探头； 12用粘结剂和胶带密封的软管接头；13用

10、尼龙丝或胶带夹固定的软管接头； 14固定在刚性管上的软管末端。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学测量原理测量原理 探头内的感应电路在探头接近感应环时，将引起蜂鸣器报警，并使指示器上指针偏转。当指针达到蜂值，即探头中心正好对准感应环时，利用电缆和标尺上的刻度，便可测得探头中心所在的深度。根据一定时间间隔内前后两次的测量结果，可计算出不同深度（感应环所在位置）岩层的垂直位移以及每一段内岩层的竖向伸长或压缩量。为获得绝对的位移值，至少应有一个感应环（如孔底附近）埋在稳定岩石中，或者有一个感应环（如孔口附近）用其它方法测得绝对位移值。仪器精度仪器精度 对于一个熟练的操作员，测深精度可达到1.

11、5mm。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学3.2 岩体内部水平移动测量（钻孔测斜仪）岩体内部水平移动测量（钻孔测斜仪）岩体内部水平移动测量系统的安装及原理示意图。1-电缆；电缆；2-传感器；传感器；3-钻孔；钻孔；4-接头；接头；5-套管；套管；6-充填料；充填料；7-总位移；总位移； 8-位移；位移；9-初始位置；初始位置；10-导向槽；导向槽；11-导向轮；导向轮；12-读数间距；读数间距；13-读数设备；读数设备；测量原理测量原理 将传感器通过电缆和读数设备连接在一起，由孔口用电缆将传将传感器通过电缆和读数设备连接在一起，由孔口用电缆将传感器下放到测管内，依次用电缆上的刻度将传

12、感器标定到每一个感器下放到测管内，依次用电缆上的刻度将传感器标定到每一个指定的深度处，测出偏斜增量。整个钻孔测完后，计算出钻孔内指定的深度处，测出偏斜增量。整个钻孔测完后，计算出钻孔内每一指定深度相对于基准点（孔口或孔底处）的偏斜值。在一定每一指定深度相对于基准点（孔口或孔底处）的偏斜值。在一定时间间隔内，前后两次测量所得的各深度处钻孔偏斜值之差，即时间间隔内，前后两次测量所得的各深度处钻孔偏斜值之差，即为各深度处的水平移动值。为各深度处的水平移动值。仪器精度仪器精度 在安装良好、钻孔偏离竖直方向的偏角不超过在安装良好、钻孔偏离竖直方向的偏角不超过3度的情况下，一度的情况下，一个个30米深的钻

13、孔中，测量的总位移的误差不超过米深的钻孔中，测量的总位移的误差不超过4mm。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学3.3 岩体内部观测系统的实际应用岩体内部观测系统的实际应用 在实际应用中，通常将伸长仪和测斜仪结合起来组成一个三 维的岩体内部的测量系统。这一系统可应用于矿山中的许多方面。l露天矿边坡及山区滑坡的监测露天矿边坡及山区滑坡的监测 利用这一观测系统对不稳定边坡进行监测，不仅可以及早掌握潜在滑面和弱面的产状及活动情况，同时也能推断出活动边坡破坏所涉及的形状和力学上的情况。对于山区滑坡，可以用于监测岩体内部的薄弱面。l煤矿井筒变形监测煤矿井筒变形监测 许多矿区由于煤层的开采引起断层

14、的活化或引起含水层失水，导致井筒产生变形破坏。为正确掌握破坏的原因和移动变形的规律，建立一个三维的岩体内部的监测系统，进行长期的监测是十分必要的。目前，淮南矿务局谢二煤矿、孔集煤矿和兖州矿业（集团）有限责任公司鲍店煤矿均建立了钻孔监测系统。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学l堤坝稳定性监测堤坝稳定性监测 堤坝（特别是受采动影响的区域）可用钻孔监测系统监测坝体的移动及其坝体与基础间的相对移动。淮南矿务局在淮堤下采煤中采用了这一监测系统，已经获得了大量的丰富的观测资料。l开采引起的岩体内部移动变形监测开采引起的岩体内部移动变形监测 为掌握开采引起的岩体内部的动态移动和变形规律，可以应用这

15、一系统监测。兖州矿业（集团）有限责任公司南屯煤矿在综采放顶煤开采的工作面上方建立一个监测钻孔，也已经取得了非常有用的观测资料。钻孔伸长仪钻孔伸长仪测孔布置示意图测孔布置示意图中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学 4 工业领域变形监测系统 4.1 XJTUOM 三维光学面扫描系统三维光学面扫描系统光学白光三维面扫描仪的原理光学白光三维面扫描仪的原理 向被测工件投射白光编码纹（散斑或正弦图案），由一个或向被测工件投射白光编码纹（散斑或正弦图案），由一个或两个相机拍摄条纹图像（多次相移图像），根据三角原理，从而两个相机拍摄条纹图像（多次相移图像），根据三角原理，从而解算出工件轮廓的三维点云。

16、从原理上讲，三维光学面扫描设备解算出工件轮廓的三维点云。从原理上讲，三维光学面扫描设备不是完全意义的工业近景摄影测量，它属于机器视觉学科中的立不是完全意义的工业近景摄影测量，它属于机器视觉学科中的立体视觉测量。体视觉测量。 测量精度测量精度 单次测量幅面单次测量幅面128mm96mm2200mm2000mm，单次，单次测量点云数量为测量点云数量为100万万600万，单次扫描时间为万，单次扫描时间为5秒。相当于在秒。相当于在5秒时间测量一个工件秒时间测量一个工件100万万600万个点的三维坐标，每个点的间万个点的三维坐标，每个点的间隔为隔为0.08mm1mm。通过多次拼接可以测量。通过多次拼接可

17、以测量10毫米毫米30米的工米的工件，测量精度根据单次幅面大小和相机像素不同为件，测量精度根据单次幅面大小和相机像素不同为0.011mm，一般为一般为0.03mm。 中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学三维光学面扫描测量头三维光学面扫描测量头三维光学面扫描系统软件界面三维光学面扫描系统软件界面中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学4.2 XJTUDP三维光学点测量系统三维光学点测量系统 XJTUDP 三维光学点测量系统,采用数字近景工业摄影测量技术（digital close-range industrial Photogrammetry ），是便携式光学三坐标系统，用于测量物体

18、表面的标志点和特征的精确三维坐标。采用普通高分辨率数码相机拍摄大型工件的多幅二维相片，采用工业摄影测量计算工件关键点（人工粘贴圆形标志点、工件自身点线孔特征）的精确三维坐标。 这是一种便携式光学三坐标系统。可以代替传统的激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等，而且没有繁琐的移站问题，可以全方位方便测量大型工件。可以测量10毫米30米的工件，精度达到1/700001/150000,相当于1米长度的工件测量精度为0.01mm。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学坐标解算软件坐标解算软件编码参考点编码参考点标定尺标定尺专业数码相机专业数码相机高精度测量标尺高精度测量标尺工业近景摄影测量系统硬件组成工业

19、近景摄影测量系统硬件组成中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学工业近景摄影测量系统软件界面工业近景摄影测量系统软件界面工程区工程区信息区信息区图片区图片区三维点云区三维点云区数据区数据区中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学4.3 用于变形测量的分析系统XJTUSD静态变形测量分析系统静态变形测量分析系统 采用高分辨率单反数码相机，通过拍摄变形前后物体的多幅图像，计算出物体关键点的三维坐标，获得物体变形数据，是在工业数字近景三维摄影测量研究基础上发展的变形测量技术。可广泛应用于：机械载荷试验、热负载试验、环境试验、风洞光照模拟。 车门的变形测量车门的变形测量中 国 矿 业 大 学中

20、 国 矿 业 大 学 XJTUDA动态变形测量分析系统动态变形测量分析系统 通过2个高速数字相机，实时拍摄物体运动图像，实时计算物体表面关键点的三维坐标，利用高分辨率的高速相机构成的立体相机, 实现高速测量、静态和动态试验测量。应用领域：热负载试验、机械载荷试验、分析动态过程、高速测量、风洞测量等。XJTUSM板金变形测量分析系统板金变形测量分析系统 测量钣金的表面三维坐标、表面应变分布、材料减薄，产生成型极限图。XJTUWA焊接变形测量分析系统焊接变形测量分析系统三维动态测量三维动态测量板金冲压成形分析板金冲压成形分析中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学4.4 工业测量系统在相似材料

21、模型中的应用 采用“XJTUDP三维光学点测量（数字近景工业摄影测量)系统”，快速测量模型观测点坐标，通过同一观测点不同时期观测到的的坐标的差值获取移动变形量。基本流程：1.在工件表面粘贴标志点；2.放置系统标尺和编码点；3.采用XJTUDP摄影测量系统进行布设标志点的拍照计算；4. 坐标转换；5.将多次计算结果进行对比分析。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学固定编码点固定编码点拼接编码点拼接编码点非编码测点非编码测点高精度标尺高精度标尺模型编码与非编码标志点布设模型编码与非编码标志点布设中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学模型标志点解算模型标志点解算3-2-1坐标转换坐标转

22、换标志点坐标转换标志点坐标转换中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学 通过XJTUDP三维光学点测量系统观测计算所得到点的坐标分别为编码点坐标和非编码点坐标。其中编码点是全局控制解算点，而非编码点是根据观测需要所布设的目标点。由于每次观测所得到的非编码点的点号是系统随机给定的，而本次实验研究所要用到的数据是相同点在不同时刻的坐标值，所以必须进行点号匹配处理。每次测量所得到的坐标系也是随机的，必须将所有的坐标都转换到统一的坐标系下，才能进行位移解算。中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学提取相似材料模型试验模型表面非连续破坏区域方法：首先用点测量系统计算出编码点和非编码点的三维坐标，保证了整体精度。然后将关键点的三维坐标导入到三维光学面扫描，实现多幅面扫描的自动拼接，并消除三维光学面扫描的多幅累计误差。具体流程：1.在工件表面粘贴标志点；2.放置系统标尺和编码点；3.采用XJTUDP摄影测