变形监测-第三章.

1、第三章变形监测技术 在测量工程的实践科学研究中，变形观测占有十分重要的地位。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，以及建成后整个运营期间都要不断地或周期性地监测这些建筑物的变形情况，一般来说，由于各种因素的影响，工程建筑物及其设备在其运营过程中都会产生变形。在一定的限度之内，这种变形可以认为是正常的现象，但如果这种变形超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，造成人类生命财产的巨大损失。 对可能产生变形的各种自然的或人工的建筑物或构筑体我们可以统称为变形体。对变形体在运动中的空间和时间域内进行周期性的重复观测，就称为变形观测，如地壳运动中由于地应力的长期累积而可能导

2、致产生地震所进行的地壳形变监测;山体不稳可能导致滑坡所进行的坡体变形监测;采矿、采油和抽取地下水而导致地面沉陷监测以及拦河大坝的安全稳定性监测等都是变形观测的具体实例。3. 1变形监测技术 目前，变形监测的技术和方法正在由传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展。在变形体上布置变形观测点，在变形区影响范围之外的稳定地点设置固定观测站，用高精度测量仪器定期监测变形区内网点的三维(X,Y,Z方向)位移变化是获取变形体变形的一种行之有效的外部监测方法。这些方法主要泛指高精度地面监测技术、摄影测量方法及GPS监测系统等手段。3.1.1地面监测方法与测量机器人 地面监测方法主要是指用高精度测

3、量仪器(如经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等)测量角度、边长和高程的变化来测定变形，它们是目前变形监测的主要手段。常用的地面监测方法主要有两方向(或三方向)前方交会法、双边距离交会法、极坐标法、自由设站法、视准线法、小角法、测距法及几何水准测量法，以及精密三角高程测量法等。常用前方交会法、距离交会法监测变形体的二维(X,Y方向)水平位移;用视准线法、小角法、测距法观测变形体的水平单向位移;用几何水准测量法、精密三角高程测量法观测变形体的垂直(Z方向)位移。地面监测方法具有如下的优点: 1)能够提供变形体的变形状态，监控面积大，可以有效地监测确定变形体的变形范围和绝对位移量; 2)观测量通过组成网

4、的形式可以进行测量结果的校核和精度评定; 均是获取高精度变形量的首选仪器设备。图3-1 DNA03数字水准仪 下面重点介绍当前变形监测的最新技术变形监测机器人的应用。 测量机器人(Measurement Robot，或称测地机器人，Georobot)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、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。它是在全站仪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形成的。测量机器人通过CCD影像传感器和其他传感器对现实测量世界中的“目标”进行识别，迅速作出分析、判断与推理，实现自我控制，并自动完成

5、照准、读数等操作，以完全代替人的手工操作。测量机器人再与能够制定测量计划、控制测量过程、进行测量数据处理与分析的软件系统相接合，完全可以代替人完成许多测量任务。 在工程建筑物的变形自动化监测方面，测量机器人正渐渐成为首选的自动化测量技术设备。利用测量机器人进行工程建筑物的自动化变形监测，一般可根据实际情况采用两种方式:固定式全自动持续监测;移动式半自动变形监测。 1.固定式全自动持续监浏固定式全自动持续监测方式是基于一合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守值监测，其实质为自动极坐标测量系统，其结构与组成方式如图3一2。图3-2测量机器人变形监测系统组成 1)基

6、站。基站为极坐标系统的原点，用来架设测量机器人，要求有良好的通视条件和牢固稳定。 2)参考点。参考点(三维坐标已知)应位于变形区域之外的稳固不动处，参考点上采用强制对中装置放置棱镜一般应有34个，要求覆盖整个变形区域。参考系除提供方位外，还为数据处理提供距离及高差差分基准。 3)目标点。均匀地布设于变形体上能体现区域变形的部位。 4)控制中心。由计算机和监测软件构成，通过通信电缆控制测量机器人作全自动变形监测，可直接放置在基站上，若要进行长期的无人守值监测，应建专用机房。 2.移动式半自动变形监浏 固定式全自动变形监测系统可实现全天候地无人守值监测，并有高效、全自动、准确、实时性强等特点。但也

7、有缺点: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，且不易检查发现粗差;系统所需的测量机器人、棱镜、计算机等设备因长期固定而需采取特殊的措施保护起来;这种方式需要有雄厚的资金作保证，测量机器人等昂贵的仪器设备只能在一个变形监测项目中专用。 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，在各观测墩上安置整平仪器，输人测站点号，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，精确照准目标、记录观测数据，计算各种限差，作超限重测或等待人工干预等。完成一个测点的工作之后，人工将仪器搬到下一个施测的点上，重复上述的工作，直至所有外业工作完成

8、.这种移动式网观测模式可大大减轻观测者的劳动强度，所获得的成果精度更好。 3.工程应用 基于测量机器人的变形监测系统，已在不同类型的变形监测中进行了实验或实际应用。对滑坡监测，选定三峡工程库区巴东滑坡进行了监测试验，滑坡体面积约1 km2，经实地勘察，在滑坡体对岸稳定且位置较高的山体上设置基站，在滑坡体同岸的滑坡区域外设3个参考站，在滑坡体上均匀设置5个目标丢按，监测视线穿过长江，其长度在8001300M之间实验时恰逢下雨，因此只进行了5个周期的观测，每期盘左盘右观测一个测回。从实验结果来看，在雨中TCA1800自动目标识别情况良好，且基本达到仪器的标称精度o时，长半轴e的方向在第一、三象限;

9、当Q0时，e的方向在第二、四象限。当Q=0时，误差椭圆成为一个圆，即误差圆。 2.可靠性标准 可靠性概念是荷兰3arrda教授(1968年)针对观测值数据中的粗差提出来的。测量控制网的可靠性是指控制网探测观测值粗差和抵抗残存粗差对平差成果影响的能力，它分为内部可靠性和外部可靠性。 (1)内部可靠性 内部可靠性是指某一观测值中至少必须出现多大的粗差.(下界值)，才能以所给定的检验功效。在显著水平为的统计检验中被发现?这时观测值l上可发现粗差的下界值为:=式中，为观测值l的中误差; 为非中心参数; 为观测值的多余观测分量。为了直接进行不同类观测值的可靠性比较， 令= (3一10)作为度量观测值内部

10、可靠性的指标。 2)外部可靠性外部可靠性是指无法探测出(小于)，而保留在观测数据中的残存粗差对平差结果的影响。这时，最大残存粗差对平差参数的影响为:由于式(3-11)与基准有关，且使用不便，为此定义影响因子可以证明，与平差基准无关。由此可以得到即为描述不同观测值的外部可靠性指标。3)多余观测分量由于内、外可靠性均与、有关，当显著水平和检验功效。一定时，它们完全随的变化而变化。因此，可以作为评价内、外部可靠性的公共指标。= (3一13)即为矩阵主对角线上的元素，称为控制网的多余观测分量。多余观测分量与多余观测数有下列关系: r= (3一14)比较式(3-10)和式(3-12)，不难发现，多余观测

11、分量值较大的，其内、外部可靠性也一定较好。反之亦然。因此，多余观测分量不仅代表了该观测值在总的多余观测数中所占地位，而且也可以作为可靠性评价中的一个重要量度局部可靠性。同时，多余观测数r愈大，表明对发现粗差愈有利。因此，我们也可以用多余观测的平均值作为另一可靠性度量整体可靠性指标。 (3一15)在控制网设计阶段、根据网的类型，能够对观测值起良好控制的网其多余观测分量应该满足 n 3.变形监测网的特殊准则灵敏度准则 变形监测网以灵敏度准则作为其特殊的质量准则，是由变形监测网不同于一般控制网的性质、特点和用途所决定的。我们知道，变形监测的目的就是要证明监测对象是否存在显著变形，和一般控制网相比，监

12、测网最主要的特点就是具有周期性和方向性，即通过多期观测来发现建筑物在某一特定方向上的变形。如重力坝主要是发现垂直于坝体方向的变形等。而变形监测网的灵敏度则正是用来描述监测网发现变形体在某一特定方向上变形的能力。因此，灵敏度应作为变形监测网的主要质量准则。下面作具体讨论。 1)变形监测网的总体灵敏度 设监测网两期观测分别平差后，公共坐标未知数X的平差值为，和，位移向量d= -。消去附加参数(如定向角未知数)后与，和。相应的法方程系数阵为N，和N2。根据所考虑的变形模型，可得位移向量d与变形参数向量C之间的关系式 d=MC (3一16)式中，M为变形模型系数矩阵。参数C的估值可由下式按最小二乘法求

13、得:式中，P为矩阵的平行加。可以证明由(3-18),(3-19)式求得的和Q。是惟一的，与各期平差基准无关对所给变形模型作如下显著性检验 构造如下统计计量: (3一20) (3一21)式中，自由度f=rk()，非中心参数由下式计算;= (3一22)应用式(3-20)、式(3-21)就可以对变形模型作整体检验。但在监测网设计阶段，更有意义的是相反的问题:即给定显著水平和检验功效，问非中心参数应达到多大，才能导致拒绝H。而接受，即能发现的最小变形是多少? 对某一感兴趣方向g，变形参数C可以分解为: C=g式中为参数C在g方向上的长度，g为变形方向的单位向量，有=1。由给定的显著水平检验功效和自由度

14、f，可查有关的诺漠图得非中心参数的临界值。将(3-23)式代入(3-22)式，得到: (3一24) （3-25)数值为以功效所能发现的变形参数向量C在g方向上的最小长度，为在g方向上以功效所能发现的变形参数的下限值。我们称或为监测网的总体灵敏度。越小，总体灵敏度越高。 由(3-22)式得: = (3一26)它代表一个U维(U维未知坐标向量)超球，当=时，表示一个灵敏度超球，落于灵敏度超球内的变形参数向量，则监测网在.下无法检测出。 2)监测网的局部灵敏度与单点灵敏度 当网中点只有部分点或单点可能发生变动时，可只对动点进行检验从而得出网的局部灵敏度与单点灵敏度。对于监测网优化设计而言，常讨论的是

15、单点灵敏度，它有助于我们直观地了解网中各点处发现变形的能力，有效地衡量设计方案的优劣。 设监测网中第i点产生了移动，则由式(3-16)式(3-19)变为: 为矩阵与点相应的子块矩阵。将式(3-27)代人式(3-24)中，得到l点在给定g方向上的灵敏度为:对应的椭圆方程为 (3一30)称式(3-30)为单点灵敏度椭圆方程。对于两期不变设计而言，单点灵敏度椭圆参数的计算非常简单，这时有:N是法方程系数阵椭圆参数为:3. 3. 3变形监测网机助法优化设计系统机助法优化设计由于具有简单的数学模型，操作灵活方便，设计结果的合理性和可行性直观明了，易于控制等特点，因而，受到测量工作者的重视和广泛应用。 1

16、.机助法优化设计的基本原理 机助法优化设计的基本原理是:对一个根据经验设计的初始网，利用平差模型和网的分析模型，对各项质量指标进行评估。若质量指标未达到或高于设计要求，则根据分析结果，采用人机对话的形式适当改变原设计方案，再进行分析评估。如此多次修改，直到各项指标都满足设计要求，设计者感到满足为止。 按照机助设计的过程来看，一个机助设计系统大体上可以分为6个部分，即初始方案、数学模型、终端显示、人机对话、调整方案和成果输出。系统的总体结构可用图3-16表示。下面分别说明各个部分应具备的基本功能。 (1)初始方案 机助设计首先必须确定一个初始方案，它是由网点的位置，点与点之间的关联关系，观测值的

17、数目、类型和精度，网的类型和基准等因素所确定的。初始方案通常是由设计人员在设计图纸上(一般为地形图)，根据自己的实践经验和对控制网所提出的基本要求初步拟定的。 (2)数学模型 数学模型部分由许多个具有不同功能的程序模块所组成，它能对一项设计方案进行各种加工处理，如各个量的秩序排列和编号、比较大小以及各种数值计算。根据设计要求，求出各种反映该方案质量好坏的性能指标，以便设计者了解该方案是否满足设计要求、质量是否过高或过低等。同时，还应提供帮助设计者制定修改方案的有关信息，使修改后的方案优于修改前的方案。 数学模型部分的功能强弱，直接反映了机助设计系统的功能大小和设计的效果。所以，该部分是机助设计系统的核心。 (3)终端显示和人机对话 终端显示和人机对话是两个密切相关的部分，终端显示的内容和方式将受到人机对话部分的控制，并且所显示的信息.又为人机对话服务。它们的基本功能是，借助于计算机的屏幕显示功能，用字符、数字和图形等方式，将所设计的方案的有关信息，在屏幕上直观地显示出来。如控制网的图形和各种质量分析图，以