变形观测与数据处理

变形观测与数据处理师芸2014.21.绪论变形监测：利用测量仪器及其它专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视、观测的工作。任务：确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。对象：全球性或区域性的变形研究；工程或局部性变形研究。工程测量的重要组成：对于重要建（构）筑物在各种应力作用下是否安全的监视是变形测量的重要手段。1.1变形监测的内容、目的与意义

1.1.1对象1）地表变形自然原因：地壳板块运动、地球内部岩浆活动等人为原因：人类的技术经济、生产活动引起各类变形。地下开采引起地表的移动变形；露天矿山开采及公路、铁路等地表工程所形成的人工边坡可能的滑坡；人工地下抽水或灌水引起的地表沉降和回弹；岩溶地区可能产生地面塌陷等。2）工程建（构）筑物常见类型：高层建筑物、桥梁、隧道、水利枢纽、架空索道、地下井巷、井塔和井架、精密输送带、冶炼设施、尾矿坝、挡土墙等。常见变形原因：①上述建（构）筑物所处地表变形引起，如矿区地表移动；②建筑物荷重压实地基，引起下沉与变形；③地基地质条件变化；④季节性或周期性的温度变化；⑤其他外力影响，如风力、车辆通过的振动等。3）大型精密设施主要对象：射电望远镜、粒子加速器等科学设施以及军事设施中的各种设备、导轨等；鸟巢、水立方；电厂传动装置、齿轮组等。1.1.2变形测量的目的变形测量的目的，在于获得被研究对象变形过程中有关变形大小的一切资料，分析研究这些资料可以监视地表变形和工程建（构）筑物的运营情况。如利用震前地表变形趋势作地震预报，边坡微小移动可作为滑坡的报警信号，大坝和尾砂坝的变形量可以判断坝体是否安全稳固。还可以根据变形测量量资料，检验设计理论是否正确，提供设计并修改所需的经验数据，如岩体地下工程监测，是实现信息化施工的重要手段。1.1.3变形测量的内容地表及各种工程建（构）筑物，由于地质、力学等原因，往往会产生移动与变形。这种变形有多大？变形的机理？变形的规律？会不会导致工程灾害？由于工程建（构）筑物都允许有一定的变形而不影响其正常使用和造成损害，因此要求能准确地估计和观测到各种移动与变形值，并能判定工程建（构）筑物的允许变形值。变形测量就是针对这些问题进行研究与测量的一个学科分支，因此变形测量的内容主要有：沉降测量、位移测量、倾斜测量、裂缝测量和挠度测量等。从历次测量结果的比较中了解变形随时间发展的情况。变形测量的周期常随单位时间内变形量的大小而定。当变形量较大时，测量周期宜短；当变形量减小，建（构）筑物趋于稳定，测量周期可相应放长。1.1.4变形测量资料分析与管理分析与管理变形测量资料，是变形测量工作的一个重要组成部分。由于变形测量方法的日益精密，变形测量手段日益增多，所获取的变形测量数据也越来越多，对测量成果的分析整理、管理提出了更高的要求。另一方面，由于计算技术的发展，又为这一工作提供了最理想的工具，如用计算机可视方法进行变形分析等等已成为现实。此外，近十年来新的平差计算方法及统计检验理论在变形测量成果分析中有了很大的进步。如自由网平差理论、变形统计检验等等就是明显的例证。还应该指出的是：在成果分析中，测量工程师不应只限于得出有关变形的大小及变形规律，而应作出或参与作出有关变形原因的分析，变形测量成果也不应只是总工程师桌上的摆设，而应是参与工程设计、施工与管理的重要资料。这样，变形测量工作将会更充分地发挥其应有的作用，这是在当前技术发展的过程中从事变形测量的测量工程师们提出的新课题。1.2变形监测技术及其发展

观测对象的变形过程一般都是动态过程，只不过变形速度有快有慢。通常是通过对被研究对象的不同离散时刻点进行观测，这时，把对象作静态系统看待，然后由多个时刻的观测结果，再来研究其运动的动态过程。变形测量方法的选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度等因素。1.2.1变形测量的主要方法1）根据变形监测的区域范围分类全球性监测方面，空间大地测量是最基本且最实用的技术，它主要包括全球定位系统（GPS）、甚长基线射电干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、激光测月技术（LLR）以及卫星重力探测技术。区域性变形监测方面，GPS已成为主要的技术手段。近20年来发展起来的合成孔径雷达干涉测量（InSAR)，在监测地震变形、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果精度可达cm甚至mm级，表现出很强的技术优势，但精密水准测量依然是高精度高程信息获取的主要方法。工程和局部性变形监测方面，地面常规测量技术（如引张线法、三角网法、导线测量等）；地面摄影测量技术；特殊和专用的测量手段（应力应变计、测缝计、裂缝仪、渗压计、扬压力计、测压管、渗流量仪、温度计等），以及以GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。2）根据变形监测的手段分类：（1）常规地面测量方法在这类方法中，视被观测对象的形状、范围以及测量精度等要求的不同，测定平面位置的变形有三角网、边角网、测小角法、导线网、引张线准直测量及交会等其他各种测量方法；测定沉降变形有精密水准测量、连通管道测量等；高精度全站仪测量，最有效、最直观，主要用于地表变形测量。如地震监测、边坡监测，也可用于大型工程建（构）筑物的变形测量，如水坝、码头等。三峡大坝（混凝土重力坝

）小浪底示意图三峡示意图东江水电站（拱坝）（2）摄影测量方法包括地面的单张相片摄影测量、地面立体摄影测量、航空摄影测量等。单相片摄影测量只能测定平行于摄影机承片框平面上的变形。地面立体摄影测量可测定物体空间位置的移动和变形，这两种方法最适于近距离单体建筑物的变形测量。由于计算机技术的广泛应用，使非地形解析摄影测量方法有了很大的发展，因此在近景摄影变形测量中不但可用带有框标与定向设备的测量摄影机，而且可广泛使用非量测用普通摄影机，这就为摄影测量方法在变形测量中的应用开辟了更广阔的前景，如数字化摄影测量和实时摄影测量系统的应用。航空摄影测量一般只适用于大面积的地表变形测量。1974～1978年西德鲁尔煤矿区为研究地下开采引起的大面积地表变形，进行了飞行高度375m，像比例1：2500，生成1：1000图的摄影测量试验：横坐标误差±1.2cm，纵坐标误差±3.0cm，位置误差±3.2cm，高程误差±5.8cm。摄影测量方法有很多优点，如可于同一时刻对建（构）筑物和对象的很大范围进行观测，并可测定任意数量的点，外业工作量少，效率高；能将观测得到的全部资料进行贮存，随时恢复其空间模型；而且对观测快速变形具有其他方法所不可及的优点。（3）物理传感器方法所谓传感器就是将观测对象的各种物理量转变为电信号后以便进行测定的器件，它是变形测量中的一种有效的方法，它的最大优点是能自动化、远距离操纵和连续记录。光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。例如，遥测垂线坐标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达到0.01mm；采用光纤传感器测量系统将测量与信号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。VWP型振弦式渗压计特点：智能识别、避雷芯片、同步温度；长期置于水工建筑物内、外部监测。用途：VWP型振弦式渗压计适用于长期埋设在水工建筑物或其它混凝土建筑物及地基内，测量结构物或地基内部的渗透或孔隙的水压力，并可同步测量埋设点的温度。

应用：VWP振弦式渗压计广泛用于水利水电、公路铁路、桥梁、隧洞、矿山、国防及建筑工程安全监测领域物理量的测量，其中诸多项目为国家重点大型水电工程及重要桥梁。

原理：当被测水压荷载作用在渗压计上，将引起弹性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经水工屏蔽专用电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值。同时可同步测出埋设点的温度值。仪器具有智能识别功能。沉降管型号：GN沉降/测斜管，主要有ABS塑料管、高强塑料管、铝合金沉降管三种。用途：广泛适用于混凝土大坝、港口建设、隧道建设、矿山与冶金开采、地质灾害的预防、高层建筑物及其基础、石油、高等级公路、铁道等岩土工程中，与测斜仪配合使用，以测量铅垂方向的垂直位移、边坡滑移等，作为沉降设备的导轨使用。特点：“U”形导槽结构，定位更精确、可靠轻质、高强、高柔韧、表面高光洁、综合精度高。测斜管与测斜管接头采用凹凸槽连接，并用自攻螺丝固定。测斜管内有供测斜仪探头定向的90°间隔的导槽，坚固、耐环境腐蚀、导槽无扭旋。GN-1X型固定倾斜仪特点：智能识别、避雷芯片、同步温度；长期置于水工建筑物内、外部监测。用途：GN-1X型倾斜仪适用于长期测量混凝土大坝、土石坝等水工建筑物倾斜变化量，同样适用于工民用建筑、道路、桥梁、隧道、路基、土建基坑等的倾斜测量应用：广泛用于水利水电﹑公路铁路﹑桥梁隧洞﹑矿山﹑国防及建筑工程安全监测领域物理量测量。原理：结构物产生的倾斜变形，通过安装架传递给倾斜传感器。传感器内装有电解液和导电触点，当传感器发生倾斜变化时，电解液的液面始终处于水平，但液面相对触点的部位发生了改变，也同时引起了输出电量的改变。倾斜仪随结构物的倾斜变形量与输出的电量呈对应关系，以此可测出被测结构物倾斜角度，同时它的测量值可显示出以零点为基准值的倾斜角变化的正负方向。倾斜仪可布设为一个测量单元独立工作，亦可多支连点布设测出被测结构物的各段倾斜量，以此将结构物的变形曲线描述出来。若在被测物上装成二维方向，可测量结构物的二维变形。倾斜仪可以回收重复使用，并且可方便实现倾斜测量的自动化。（4）GPS技术以GPS为代表的现代空间定位技术，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子测量仪器。自20世纪80年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度扩展到dm级、cm级乃至亚mm级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。地学工作者已将GPS应用于地表变形监测的多个试验中，取得了丰富的理论研究成果，并逐步走向了实用阶段。数据通信技术、计算机技术和以GPS为代表的空间定位技术的日益发展和完善，使得GPS由原来的周期性观测走向高精度、实时、连续、自动监测。用GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性两种模式。周期性变形监测与传统的变形监测网没有多大区别，因为有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内可以认为是稳定的，其监测频率有的是几个月，有的甚至长达几年，此时，GPS静态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后的。经过10多年的努力，GPS静态相对定位数据处理技术已基本成熟。在周期性监测方面，利用GPS技术的最大屏障还是基准的选择与确定，它已成为近几年研究的热点。连续性变形监测是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，获取变形数据序列。虽然连续性监测模式也是对测点进行重复性观测，但其观测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测。超水位蓄水大坝：要求变形响应的实时性，监测系统应具有实时的数据传输和数据处理与分析能力，它对数据解算和分析提出了更高的要求。桥梁静动载试验、高层建筑物振动测量：要求较高的时间采样率，但数据解算和分析可以是事后的。动态监测过去常采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑物结构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高、以及连续性、实时性和自动化监测程度要求的提高，常规测量技术已越来越受到局限。GPS作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善特别是高采样率GPS接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独特优越性。加拿大卡尔加里塔、深圳帝王大厦：现在GPS动态监测数据处理主要采用的是整周模糊度动态解算法。已有研究表明，对于长期监测的GPS系统，采用Kalman滤波三差法代替RTK技术中的双差相位求解，可以mm级精度。1.2.2变形监测技术的未来发展①多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪、地面三维激光扫描系统和GPS的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展，如：某大坝变形监测系统是由测量机器人、GPS和特殊测量仪器所构成的最优观测方案；②变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信息；③高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；④实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、地铁和边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程安全监控管理的必由之路。地质灾害监测与预警系统这里主要介绍数字化近景摄影测量系统、高精度变形测量机器人系统、卫星定位技术、三维激光扫描技术及其在变形测量中的应用。1）数字化近景摄影测量系统优点：数字化近景摄影测量系统，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、角测量相比，它不但外业速度快，信息记录全，且在许多常规测量无法作业的地点都能进行测量。

该系统将相片量测、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。（1）系统构成、功能像片量测子系统立体重建子系统绘图子系统位移分析、立体建模数字化近景摄影测量系统的系统构成（2）适用范围①变形测量，包括房屋、桥梁、井筒、井架及各种工业构筑物和地下工程变形测量。②文物考古中发掘现场测绘等。③露天矿、隧道断面验收测量，物料体积测量，露天边坡及排土场稳态监测等。④塌陷区测量。⑤交通事故和刑事案件现场的测绘。⑥复杂机械零件的测绘。⑦森林调查，测定树位、树径、树冠、树高等。（3）系统使用的方法常用的主要有：①房屋变形测量②井筒和隧道的变形测量③体积测量④现场图的测绘⑤用虚拟相片法进行大物体精密变形测量不同的变形监测任务，系统的使用方法也不相同。现以房屋变形测量为例说明其使用具体方法：a、在需要观测房屋部分或房屋四周，选相距2-3m以上的两个竖直方向，粘贴一些作为观测和计算的标志点，并精确量出其距离作为起算边。标志点的分布可在重点变形区域多设，一般区域少设。b、手持照相机绕房屋四周或对待测部分照相，相邻两照片间应有足够的重叠度。c、将放大的彩色照片扫描成BMP格式的图像文件，存入计算机。一个场景不超过20张照片，场景大时可分作多个小场景计算。d、在该系统的主控菜单下，用鼠标在计算机屏幕上进行相片量测，然后做三维坐标计算，最后调用AutoCAD进行计算结果的绘图输出。e、对两期或多期变形测量照片，按上述方法计算出各标志点的三维坐标后，即可调用本系统的位移分析程序，进行每两期间的位移分析，找出位移点并求出其位移值。还可调用AutoCAD将各点位移过程及变形过程用图形表示（4）数字化近景摄影测量系统的应用前景数字化近景摄影测量系统在工程中有广泛的应用前景。特别是手持式数码相机的应用，免去相片的冲、放，减少了消耗，提高了信息反馈的速度；同时，由于数码相机是以数字方式存储相片，消除了软片压平误差及相片变形误差，并通过与计算机连接，其处理过程实际上直接从相机上量取相片，为工程监测及其他自动摄影监测提供了极为有利的条件。2）变形测量高精度测量机器人系统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。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成的。自动化、全天候工作，特别适用于工程开挖体及各种建（构）筑物的变形测量。测量机器人是以测边和三边交会法确定监测点的三维坐标来解决全自动观测的问题。（1）系统组成

上图为某大坝的变形测量机器人系统，该系统由三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。自动跟踪全站仪SMDAMS系统主机UPS电源数据通信部分高精度通风温度计数字气压计数字湿度计高精度光电测距仪频率校准仪测量机器人系统（2）系统工作原理进行自动连续观测，每次观测都通过计算得到一个位移值，从而据此可以获得监测点的移动速度及移动变化规律，并通过设定极限值来判断是否超限而报警。（3）提高精度所采取的措施系统中误差分为两类：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减小。②比例误差a、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。b、采用±0.02℃的超线性石英高精度温度计。c、采用±6Pa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。d、采用精密大气折射率计算公式，计算大气折射率的误差；对于气象代表性误差的处理，采用偶然误差与系统误差分别处理的办法，通过多次测距削弱大所喘流引起的距离偶然波动，通过周日观测，并经适当数据处理消除气象代表性误差的系统变化值。精度可达亚毫米级（0.2～0.3mm）。（4）应用领域由于测量机器人系统具有极高的监测精度，可全面、连续、自动监测，不遗漏掉险情，能及时发现微小的异常移动或变形，因而可实现边坡、基坑的自动监测，以及地下采矿、隧道、城市地下工程开挖对地表的影响监测等的信息化施工，并可用于高层建筑、大坝等重要建（构）筑物的变形监测和地震监测预报，目前，该系统已成功应用到某大型旅游观光电梯等建（构）筑物变形监测之中。3）卫星定位技术进行变形监测（1）卫星定位系统及原理全球卫星定位系统（GPS）是20世纪70年代由美国国防部批准。陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航系统。全球定位系统共由三部分组成：①地面控制部分，由主控站、监测站和通讯辅助系统组成②空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上③用户装置部分主要由GPS接收机和卫星天线组成。其定位原理：利用大地测量中的距离交会的原理进行定位。即以卫星为已知点，同时测量多颗卫星到接收机的距离，按距离交会方式确定接收机的坐标。（2）GPS卫星定位技术在变形监测中的应用随着GPS接收机硬件性能提高和软件处理技术进步，GPS相对定位的精度从10-7提高到10-9量级。加之GPS具有测站间无需通视、不受气候条件限制等优点，GPS技术逐渐成为变形监测中的一种重要手段。如，应用GPS技术进行板块运动和地壳形变监测为描述地球动力状态的一些物理模型提供了直接的经验；GPS用于短距离变形监测的精度可达亚毫米级，从而为大型建筑物及滑坡崩塌等高精度变形监测提供了一种新的手段。到目前为止，国内已成功应用GPS技术测量大坝变形并实现自动化；香港已成功建立了TsingMa、KapShuiMun和TingKau大桥的GPS自动变形监测系统。美国加州Pacoima大坝也采用后处理技术进行变形监测，来确保其安全性。（3）GPS变形监测系统及其功能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。系统各个部分的功能：①GPS基准站。输出差分信号