变形监测系统集成数据库的设计与实现

1、第卷第期年月测绘工程。自动变形监测系统集成数据库的设计与实现贵慧宏，张锦（太原理工大学测绘科学与技术系，山西太原）摘要：指出自动变形监测系统引入集成数据库技术的必要性。从自动变形监测系统的组成、软件功能设计以及实现过程等方面，分析集成监测数据库的结构，并采用建模方法构建其概念模型。使用软件将概念模型自动转化为物理模型并生成。脚本文件，满足自动变形监测的应用需求。关键词：变形监测；传感器；测苗机器人；模型中图分类号：文献标识码：文章编号：（，（，）：，（）：；目前，测量机器人、等技术已经广泛应用于变形监测领域。测量机器人的自动目标识别、自动照准、读数等功能以及全天候、实时、无需通视的作业特点不仪

2、降低了工作强度、提高了作业效率，还为变形监测实现自动化奠定了基础。借助于计算机和通信技术构建实时连续的自动变形监测系统已经成为当代变形监测工作的重要内容。近年来，国内外以测量机器人和技术为基础，对变形监测的自动化实现相继展开研究，并取得了一定成果。国内的主要有武汉大学测绘学院的（）、解放军信息下程大学测绘学院的自动变形监测系统，主要实现了测量机器人的自动测量；国外的有瑞士徕卡公司的自动监测系统引、加拿大新布伦瑞克大学的监测系统等，在实现自动测量的基础上允许接入多种类型传感器并实现协同作业。其中，自动收稿日期：基金项目：两省自然科学基金自丰项日资助（）作者简介：贵慧宏（一）男硕士研究生监测系统主

3、要分为和。可连接入气象、倾斜等多种传感器，而且可通过方式获取参考站软件的自动解算成果，并将监测成果存人服务器；而可以通过访问服务器中的数据库来实现监测数据的查询和分析。随着监测技术的发展，传感器类型的增多、监测区域和监测领域的扩大必将成为监测系统发展的主要趋势。随之产生的就是数据类别增多和数据量增大问题；旧有的以文件方式管理数据的方法必然会严重影响监测系统的作业效率。而数据库技术以其数据结构化、独立性高、共享性高、冗余度低等特点能够很好地解决这一问题。此外，结合变形区域的现有数据（如遥感影像、常规测量成果等）综合分析监测数据以获取监测对象的变形量及其诱因也是变形监测的重要内容。要实现这一目标就

4、必须正确高万方数据测绘工程第卷效地使用和管理多源数据，这也需要数据库技术的支持。由此可见，系统数据库设计是监测系统构建的必要环节。本文通过对自动变形监测系统的组成、软件功能设计以及实现过程中需关注问题的分析，完成了自动变形监测系统数据库的设计和实现，并在运行中取得了良好的效果。系统组成变形监测的主要内容是对变形体的关键部位或重要构筑物，进行反复周期性观测获取其变形量。而自动变形监测指利用监测巾心端的监测软件通过指定的通讯方式向传感器发送观测指令，传感器完成作业后以相同方式将获取的数据传送回监测中心，南监测软件存人数据库并完成解算。因此，可以将自动变形监测系统分为传感器、通讯链路和软件系统三部分

5、（见图）。软件系统与传感器之间的通讯链路由电缆、。、或无线电等方式建立。本文中将系统中具有协作关系的传感器以节点方式绑定，方便传感器管理和监测数据解算分析。下面以图中的节点和节点为例，描述节点内传感器的协作过程。图自动变形监测系统结构图）节点（测量机器人、和气象传感器）：测量机器人、和气象传感器协同作业是变形监测中最常见的作业模式。在这一模式下，系统结构主要由基准点、测站点和目标监测点组成。基准点提供变形监测基准，监测测站点和后视点的位置变化；测站点用于安置测量机器人，目标点则安装监测棱镜。可布设于测站点或基准点，而气象传感器则可以具体情况安装在变形区域内，一般安置于测站点或基准点。通过定期在

6、测站点安置或设置偏心观测站，可更新测量机器人测站点位置。该模式下目标棱镜点的空间位置可由获取的最新测站坐标、测量机器人获取的角度距离以及气象传感器获取的温度气压等综合解算求得。）节点（和倾斜传感器）：倾斜传感器、位万方数据移传感器等传感器仅能获取变形的相对量，而可以获取目标点的绝对位置。因此，通过协作就能够获取目标点的绝对变形量，适用于一些构筑物的监测，如桥梁、高层建筑等。通过对节点与节点的描述可知，不同类型传感器（）所作用的目标监测点（）数各不相同，如测量机器人的目标监测点可根据监测需求增减，而倾斜传感器只能作用于单个目标监测点。而节点（）是由相互问存在协作关系的传感器通过绑定（）构成。冈此

7、，目标监测点的解算方法（）由作用于它的传感器所在节点的类型（）决定。至于传感器的通讯方式及其设置参数（）可作为属性保存。具体模型如图所示。图模型（略去实体的属性对象）系统软件功能设计实现变形监测过程的买时、连续、商效和自动化是自动变形监测系统的总体目标。因此，作为系统重要组成部分的监测软件，首先，必须能够连接各类传感器并接收、存储其监测数据。作为自动变形监测的主要手段，要实现实时自动化作业，软件系统就必须具备自动接收和解算数据望能力；而，数据的皇挚接收和蟹算主要包括通信链路的创建与管理、数据的格式转换与存储、数据预处理、基线解算、平差计算和坐标系统转换等，比较复杂。因此，系统只存储自动解算软件

8、处理后的目标监测点的空问坐标。而其他测量传感器的数据格式相对简单，由系统直接处理和存储。下面简要介绍几种常用测量传感器的数据类型。测缝计是一种用来测量变形体表面、内部裂缝开合度的传感器，主要获取裂缝的水平张开位移、水平错动位移和垂直错动位移；位移传感器，又称为线性传感器，用于测定目标点的空间位置变化量，其数据类型为横向、纵向和高程方向上的位置变化量；倾角传感器，顾名思议，是朋于测量相对于水平面的倾角变化量的，其数据类型为角度。而气第期贵慧宏，等：自动变形监测系统集成数据库的设计与实现象传感器作为测量机器人的辅助传感器，测量的物理量为气压、温度、湿度等，用于计算气象改正参数，以提高测量机器人的观

9、测精度。测量机器人作为自动变形监测系统的关键技术，其作业流程如图所示。新建测站点、基准点和目标点，并通过创建点组的方式对其进行组织管理；初始化全站仪，主要包括设置计算机与仪器之间的通讯参数，如通讯接口、波特率、奇偶校验等；为各点组新建测量周期，包括自动测量的起止时间、测量频率等，并设置限差；执行自动测量，主要指测量机器人自动观测，并判断观测结果是否超限的过程；最后，对未超限的观测结果进行存储和解算及预警预报。图测量机器人自动作业流程综上所述，自动变形监测软件可以分为系统初始化、点与点组创建、传感器管理、自动测量和数据模型解算个功能模块。）系统初始化：主要包括限差和系统参数（）设置，如气压、温度

10、、角度和距离单位等。限差包括测量限差（）和预警限差（）。测量限差指对测最机器人测量成果的检校，如互差、指标差等；预警限差用于确定变形量多大时发送警报。）点与点组创建：在该模块中既可直接通过输入空间坐标定义点（），也可以利，测量机器人学习返回的坐标创建点。而点组（）的主要功能是组织点，方便测量机器人测量周期的设置。根据点组类型（）的不同，点组在自动测量过程中优先级也不同。当不同类型点组的观测周期冲突时，级别高的点组优先测量。）传感器管理：包括传感器（测量机器人一，其他传感器一（）的通讯方式和参数设置、节点的创建及其与传感器的绑定。此外，还应包括为各传感器指定空间位置点。）自动测量：为各传感器自动

11、作业设置周期（），主要包括起止时间和观测间隔。针对测量机器人还包括单双面观测、观测次序（逆时钟或自定义顺序）、测量方法（极坐标或方向观测法）等方面的设置。）数据模型解算：指将传感器的直接测量结果按照指定的解算方法（）计算出最终成果（）。这里需要强调的是，在本系统数据库中直接保存其空间坐标不涉及原始观测数据；测量机器人的直接观测结果则单独存储在一个表中（）。而其他传感器的直接观测数据都保存于表中，在数据分析解算时系统按照记录类别（）字段辨别。此外，自动变形监测系统中要求记录自动测量过程中所有操作（）和反馈信息（）。系统为每个测量机器人目标点赋予种坐标（），分别为当前坐标、基准坐标、扫描坐标和参考

12、坐标，并设定其更新规则，以便准确识别目标点。从变形分析的角度，为了便于用户查看变形体某一方向的偏移量，设置剖面（），剖面的角度即用户所关心的变形方向，如大坝监测中的坝体走向等。综上所述，设计了图的支持自动变形监测系统的数据库结构，并采用模型列出了主要实体和关系。万方数据测绘工程第卷图模型（略去实体的属性对象）（系统数据库实现及应用在系统数据库概念模式的设计过程中，遵照关）系数据库的规范化理论，保证大部分的表格的设计达到标准，尽量减少数据的冗余和确保数据的一致性；同时也从数据库的实用方面考虑，允许部分通过上述方式，在数据库中总共生成了个分别用于存储程、测量传感器观测、通讯、自动作业的基本参数表，

13、观测和解算结果及预警数据等信息；此外，创建了目标点坐标、测量成果和解算成果个视图以提高数据查询分析效率。基于该数据库，研发了实时自动化监测和预警系统（见图），实现了监测数据的自动采集、解算、分析和预警预报，目前，已完成在露天矿区沉降监测应用中的测试，取得较好效果。借助于数据库技术，该系统不仅保证了数据的安全性和高效管理，同时也为数据共享和集成分析提供了基础。图、图分别为项目数据的成果导出和图表分析模块。数据表存在冗余。在概念模式完成后，使用公司的作为开发工具，将概念模式自动转化为物理模式，并生成。脚本文件；在数据库查询分析器中运行该文件，实现自动变形监测数据库的创建。脚本文件中创建坐标（）表的

14、代码如下：（，（，），（，）图实时自动化监测和预警系统万方数据第期贵慧宏，等：自动变形监测系统集成数据库的设计与实现图成果导出模块图图表分析模块结束语不断增长的需求和监测技术的发展使得构建集成监测数据库和基于集成监测数据库的自动化监测系统势在必行。本文所设计的集成监测数据库模型具备支持连续、实时和兼容多种监测传感器等的自万方数据动变形监测系统，在实现过程中采用了孓数据库设计软件，最大程度保证了数据库结构的可用性。该数据库模型已应用于自主开发的变形监测软件，在监测工作过程中取得了良好效果，对自动变形监测系统软件的研制具有一定的参考价值。参考文献张正禄测量机器人介绍口测绘通报，（）：徕卡自动全站仪

15、监测应用专辑徕卡测量系统有限公司（香港），袁成忠智能型全站仪自动测量系统集成技术研究成都：西南交通大学，。，（）、：，帮助文档徕卡测量系统有限公司，：方绪顺，霍家平整体式型向测缝计构造及精度分析水电自动化与大坝监测，（）：责任编辑：刘文霞自动变形监测系统集成数据库的设计与实现作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：贵慧宏， 张锦太原理工大学,测绘科学与技术系,山西,太原,030024测绘工程ENGINEERING OF SURVEYING AND MAPPING2010，19(1)0次参考文献(9条)2.徕卡自动全站仪监测应用专辑Z.徕卡测量系统有限公司(香港),2001.4.

16、JAMES LUTES,ADAM CHRZANOWSKI,GEClFFREY BASTIN,et al.Dimons software for automatic data collectionand automatic deformation analysisA.The 10th FIG International Symposium on DeformationMeasurementsC,2001,101-109.5.RICK WILKINS,GEOFFREY BASTIN,ADAM CHRZANOWSKI.Alert:a fully automated displacement moni

17、toringsystemCD.Calgary:the CAMI 2003 Conference,2003.9.6.GeoMoS帮助文档Z.徕卡测量系统有限公司,2007.8.KARL SIPPEL.Modem monitoring system software developmentA.The 10th FIG International Symposiumon Deformation MeasurementsC.2001:88-100.9.方绪顺,霍家平.整体式TS型三向测缝计构造及精度分析J.水电自动化与大坝监测,2008,32(4):48-51.相似文献(10条)介绍步进式垂线坐标仪和

18、单(双)向引张线仪的测量原理与特点,以及在大坝变形监测中的应用.2.会议论文 储华平.李家群 步进电机式传感器在大坝变形监测中的应用与发展 2008讲述了步进电机式垂线坐标仪及单、双向引张线仪的测量原理、特点，组成的自动化监测系统在葛洲坝、三峡等大坝变形监测中的应用，以及步进电机式仪器的发展。将线阵列CCD摄像技术引入到铁路的变形监测中,实现了对铁路的实时监测,并且能够达到较高的测量精度.以此为背景,介绍了CCD传感器成像过程,描述了线阵列CCD摄像技术在铁路变形监测中的监测原理、数学模型、设备配置和软件开发环境等技术.5.会议论文 李宗春.李广云 大坝变形监测技术现状与进展 2001大坝久部

19、变形是大坝安全监测的一个重要内容,发展到目前为止,已有各种各样的监测方法.本文列出了目前所存在的主要监测方法,给出各种方法的特点主存在的问题,并预测了大坝外部变形监测的发展趋势.7.学位论文 孙惠敏 光纤在建筑结构变形监测中的应用研究 2003该文首先研究了光纤传感器在混凝土结构中应用的可能性.提出了四种埋设工艺,解决了光纤传感器的埋入问题.分析了光纤传感器与混凝土结构的相容性问题,考虑了光纤传感器的弹性模量,泊松比和线膨胀系数与混凝土的相关系数不一致,而引起的对结构应变监测的影响.然后应用光纤传感理论和分析结构件受力,推导出光纤微弯损耗与构件应变、曲率以及挠度之间关系的公式.并根据光纤微弯损

20、耗与构件挠度之间的关系,编制了相应的计算机程序.再者设计了一种新颖的缠绕式光纤传感器用于结构的大变形,用试验验证了光纤微弯损耗与构件应变关系的正确性和适用性,编制电算程序计算出了光功率损耗与构件挠度之间关系的理论曲线,计算结果与试验结果吻合程度较好.最后研制了另外一种光纤微弯传感器,并通过试验研究了光纤微弯传感器监测构件挠度的可行性,建立了光纤微弯传感器输出光功率与构件挠度之间的关系式.电磁差动式传感器具有测量精度高、可靠性好、仪器结构简单,不受潮湿等环境影响的优点.在完成基础性研究后于1993年在丹江口大坝36坝段进行现场试验,结果表明:仪器监测与同步进行的人工目视观测结果一致,性能稳定,实

21、际结果与设计指标相符,满足工程要求.1995年通过省级鉴定之后,先后在21坝段正垂线和36坝段倒垂线上安装了7台EMD仪器,效果良好.简要介绍了电磁差动式垂线仪的基本原理,并对观测成果进行了对比分析.本文在详细介绍地铁形变监测系统遵循的原则和地铁形变监测系统常规规定的基础上,对地铁结构变形自动化监测的方法进行了深入讨论,并对各种方法进行了比较分析。10.学位论文 张云芬 GPS多天线阵列大坝变形监测与灾害预报系统 2005本论文“GPS多天线阵列大坝变形监测与灾害预报系统”是2003年10月云南漫湾电力实业开发有限公司、昆明西普瑞格科技有限公司、武汉大学三方申报省院省校科技合作项目，获得了云南

22、省科技厅省院省校科技合作处的批准。课题组以漫弯水电站为实验基地，历经两年，成功开发研制了一整套水电站大坝变形分析与灾害预报系统。本项目主要是针对国内大中小型水电站大坝变形监测和变形分析预报的理论与方法进行深入的研究。本论文共分四章，第一章，绪论，概述了本系统研制范围，目的，方法，原理等。第二章，介绍了本项目主要相关知识GPS的原理及应用。第三章，本论文的重点，详细阐述了GPS多天线阵列大坝变形监测与灾害预报系统的组成，研制的内容，方法，原理。第四章，结论。研究内容主要分为大坝形变数据采集系统和大坝变形数据处理及灾害预报系统两大部分。系统包括了大坝监测的所有项目(如渗流、沉降、水平位移、孔隙水压力、土压力、裂缝、混凝土及钢筋应力应变、温度、扬压力、水文气象、波浪、巡视检测、边坡稳定分析等)的资料录入、计算、查询、报表打印、统计、图形绘制、分析以及对大坝变形数据进行处理、预报灾害。系统功能强大、全面，具有良好的人机界面，使用方便。能对观测结果进行实时分析，明显提高水库大坝安全监测水平、降低大坝安全监测自动化的成本、预防重大灾害的发生有重大意义，是水库信息化管理的核心之一，具有创新性、独特性、新颖性等特点，在国内技术领先。大坝形变数据采集系统。这部分以