第二章 變形觀測技術(shù)2

1、2.2 2.2 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)自動化變形監(jiān)測系統(tǒng) 1 測量機器人 2 實時動態(tài)GPSRTK法 3 數(shù)字?jǐn)z影測量方法 4液體靜力水準(zhǔn)測量 5 3D激光掃描技術(shù)2.2.1 測量機器人 能連續(xù)或定時對多個合作目標(biāo)進行自動識別、照準(zhǔn)、跟蹤、測角、測距和三維坐標(biāo)測定的自動跟蹤全站儀稱為測量機器人(GEOROBOT)。測量機器人自動化程度高，能全天候工作，特別適應(yīng)于工程開挖體及各種建(構(gòu))筑物的變形測量。動態(tài)監(jiān)測模式1TCA動態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng) 工作方式工作方式 （1）逐點掃描； （2）后方交會。某大壩的變形測量機器人系統(tǒng) 動態(tài)監(jiān)測模式系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 某大壩的變形測量機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3套高精度自動測

2、距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、反射棱鏡組、系統(tǒng)軟件、中央控制室主計算機、頻率校準(zhǔn)儀、高精度通風(fēng)溫度計、數(shù)字氣壓計、數(shù)字濕度計等組成。工作原理 全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng) ADMS ADMS章 全站儀測量系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用3 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)ADMS ADMS（Automatic Deformation Monitoring System）自動變形監(jiān)測軟件是在學(xué)習(xí)、消化、吸收瑞士Leica公司研制的自動極坐標(biāo)測量系統(tǒng)APSWin（Automatic Polar System for Windows）的基礎(chǔ)上，通過實際的工程應(yīng)用，并結(jié)合國內(nèi)用戶的實際需求，研制出的本地化的智能型自動變形監(jiān)

3、測中文軟件。 4.3 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)ADMS 自動全站儀 通訊及供電 控制計算機 基準(zhǔn)點1 基準(zhǔn)點2 基準(zhǔn)點n 變形點1 變形點m 監(jiān)測站控制機房基巖上變形體ADMS系統(tǒng)配置圖 全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng) ADMS ADMS章 全站儀測量系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用3 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)ADMS 4.3 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)ADMS ADMS 自動測量界面 全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng) ADMS ADMS章 4.4 全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例 1、大壩及邊坡監(jiān)測 全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng) ADMS ADMS章 全站儀測量系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用3 自動變形監(jiān)測系

4、統(tǒng)系統(tǒng)ADMS 3、地鐵形變監(jiān)測2、大橋變形監(jiān)測 4.4 全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例 全站儀測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng) ADMS ADMS章 全站儀測量系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用3 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)ADMS 提高測距精度采取的措施 1非比例誤差 通過利用光電測距儀檢定中心嚴(yán)格的室內(nèi)儀器檢定，監(jiān)測現(xiàn)場強制對中、在反光鏡上設(shè)照準(zhǔn)鏡或固定反光鏡等措施來降低非比例誤差且的影響。 2比例誤差的影響 (1)通過采用自行研制的光電測距儀頻率校準(zhǔn)儀，使測尺頻率誤差減小。 (2)采用，0.02的超線性石英高精度溫度計。 (3) 60Pa的數(shù)字氣壓計，4的數(shù)字濕度計，通過計算機采集數(shù)據(jù)，計算氣象元素測定引起的測距

5、誤差。 (4)采用精密大氣折射率計算公式，計算大氣折射率的誤差. 采用2臺TCAl800全站儀，在某電站大壩進行連續(xù)15 d的自動監(jiān)測，如圖，采樣周期為15min，實際測邊13000條，共20萬個數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：按第1 d測量結(jié)果計算中誤差取平均值，精度為0.26mm，使亞毫米級精度自動測距系統(tǒng)測量機器人成為現(xiàn)實。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了變形監(jiān)測“無人值班” 。2.2.2 實時動態(tài)GPSRTK法 在目前的GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)中，一般都是利用雙頻GPS接收機，采用精密星歷和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理軟件(如GAMIT和GLOBK等)，根據(jù)電離層組合來進行差分計算，得出高精度的變形監(jiān)測成果。由于受到各種條件的限制(穩(wěn)

6、定的數(shù)據(jù)鏈路、復(fù)雜的軟件系統(tǒng)以及昂貴的硬件設(shè)備等)，目前的GPS系統(tǒng)一般為非實時的監(jiān)測系統(tǒng)，并且利用多歷元的觀測數(shù)據(jù)進行解算和后處理；隨著GPS硬、軟件的發(fā)展，測量精度的提高，GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)越來越向數(shù)據(jù)采集自動化、內(nèi)外業(yè)處理一體化方向發(fā)展。GPS監(jiān)測系統(tǒng)一般是由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站、通信網(wǎng)絡(luò)和GPS監(jiān)測中心等4部分組成，而監(jiān)測中心主要由工作站、服務(wù)器和局域網(wǎng)組成.GPSGPS監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測模式：（1）多天線GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)（2）各監(jiān)測點安置GPS接收機GPS-RTK作為新的變形監(jiān)測手段在使用過程中有以下問題： （1）由于衛(wèi)星信號失鎖、各種誤差的影響，造成粗差與變形的混淆，

7、甚至測量數(shù)據(jù)的缺少，如何從觀測數(shù)據(jù)中獲取有效的變形信息并加以分析； （2）GPS全球定位系統(tǒng)價格昂貴，監(jiān)測點數(shù)量越多，費用支出就越大； （3）受地理位置影響，難以在山谷中應(yīng)用。TCA測量機器與測量機器與GPS RTK比較比較比較項目TCA測量機器人方式GPS RTK方式實時性測量機器人對各監(jiān)測點上的反光鏡逐點進行自動化觀測，各觀測點觀測量在時間上有一定（幾分鐘）的延時，無法做到真正意義上的實時監(jiān)測。GPS RTK可不間斷地進行全橋真正意義上的實時監(jiān)測，尤其是在暴風(fēng)雨和大霧等惡劣條件下，更具有自動化實時監(jiān)測的特點。數(shù)據(jù)通訊監(jiān)控中心的計算機只與測量機器人進行雙向通訊，易于實現(xiàn)人機對話、供電、通訊維

8、護和通訊布線設(shè)計。 監(jiān)控中心的計算機不僅要與基準(zhǔn)站上的GPS接收機，而且還要與各監(jiān)測點上的GPS接收機進行雙向通訊，監(jiān)測點越多，通訊量越大，供電、通訊維護和通訊布設(shè)較為復(fù)雜。可靠性在正常的氣候條件下，可靠性較高，而且由于儀器安裝在房內(nèi)，整套系統(tǒng)的使用壽命將較長；在惡劣的氣候條件下，如大霧、特大雨，整套系統(tǒng)將無法正常工作。如無外界無線電信號和雷電干擾，整套系統(tǒng)在正常和惡劣的氣候條件下均能正常工作，但由于GPS接收機長期暴露在外界環(huán)境下，會促使電子儀器的老化，因此整套系統(tǒng)的使用壽命將會受到影響。土建方面需要建造兩座小型的測量機器人站房。無需土建施工費用方面費用較低，監(jiān)測點數(shù)量越多，越能體現(xiàn)其在費用

9、方面的優(yōu)勢。費用較高，監(jiān)測點數(shù)量越多，費用方面的支出越大。2.2.3 數(shù)字?jǐn)z影測量方法 常規(guī)攝影測量由于存在： (1) 設(shè)備過于專業(yè)化、價格昂貴； (2) 所需工作環(huán)境在工程中往往難以滿足，如地下空區(qū)測量既難于設(shè)置攝站，又不易布設(shè)物方控制； (3)數(shù)據(jù)處理技術(shù)復(fù)雜； (4)數(shù)據(jù)處理周期長、信息反饋慢等原因，因而該法難于推廣。數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng) 由中南大學(xué)開發(fā)的，作為近景攝影測量的最新科研成果，它使攝影測量的內(nèi)、外業(yè)工作大大簡化，對操作人員的要求大大降低，完全擺脫了昂貴的傳統(tǒng)攝影測量設(shè)備，從而使其應(yīng)用領(lǐng)域顯著擴大。與常規(guī)的邊、角測量方法相比，它不但外業(yè)速度快，信息記錄全，而且在許多常規(guī)測量無

10、法作業(yè)的地點(如礦山井筒內(nèi)、塌陷區(qū)等)都能進行測量。該系統(tǒng)將相片(數(shù)字影像)量測、三維坐標(biāo)計算、計算結(jié)果的繪圖輸出一體化，因此整個內(nèi)業(yè)過程都在計算機上完成，操作方便?，F(xiàn)場攝影像片輸入像片量測立體重建輸出繪圖2.2.4 液體靜力水準(zhǔn)測量 幾何水準(zhǔn)測量是依據(jù)水平視線來測定兩點間高差的，而水平視線是靠水準(zhǔn)器調(diào)平來實現(xiàn)的。若直接依據(jù)靜止的液體表面(水平面)來測定兩點(或多點)之間的高差，則稱為液體靜力水準(zhǔn)測量。22021101ghPghP液體靜力水準(zhǔn)讀數(shù)方法電感式液體靜力水準(zhǔn)儀示意圖 (1) 目視接觸法。 (2) 電子傳感器法。通過電子傳感器不僅可以提高靜力水準(zhǔn)的讀數(shù)精度，而且可實現(xiàn)測量的自動化。 優(yōu)

11、點： 1）連通管方法原理簡單,測量變形在人工讀數(shù)情況下精度可達到1mm，而用超聲波液位計測量精度則遠遠超過人工讀數(shù)的精度； 2）該方法簡便易行且有很高的可靠性。 缺點： 1）液體填充系統(tǒng)需在主梁內(nèi)布設(shè)液壓連通管，安裝較為復(fù)雜； 2）由于連通管內(nèi)液體粘性阻力，對測點動態(tài)位移的靈敏性較差。液體靜力水準(zhǔn)優(yōu)缺點2.2.5 3D激光掃描技術(shù) 傳統(tǒng)的測量儀器的缺點： 1 不能滿足高密度三維坐標(biāo)采集和“逆向工程（實際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換 ）”的需要. 2 需要采用接觸式的測量方式，因此測量速度不可能很快。激光掃描儀 21世紀(jì)初，美國Cyra公司推出三維測量的激光掃描儀Cyrax，有點類似于無合作目標(biāo)全站

12、儀的測量模式，但速度更快。激光掃描儀都帶有豐富的后處理軟件，通過測得的三維“點云”數(shù)據(jù)，可以直接生成物體表面的三維CAD模型，實現(xiàn)了大型目標(biāo)實體及實景、建筑物和地形測量實時三維仿真模型建立和可視化。但Cyrax的坐標(biāo)測量精度為6mm，只和普通全站儀的精度相當(dāng)，其他廠家也相繼推出了類似的產(chǎn)品。下圖為不同廠家激光掃描儀的外形。 2002年，瑞士徠卡公司推出了精度更高的激光掃描儀LR200，也稱為調(diào)頻相干激光雷達掃描儀或激光雷達。該儀器應(yīng)用于測量中，但其測量精度與激光跟蹤儀相當(dāng)。圖2為LR200激光雷達。激光掃描儀為何用3維激光掃描?ILRIS 3D全數(shù)字三維激光掃描儀全數(shù)字三維激光掃描儀激光類型：

13、一級激光，安全無害激光類型：一級激光，安全無害Class I Laser at all mode (IEC 60825-1,Am2,US FDA 21 CFR 1040)掃描精度：掃描精度：3mm 儀器重量：儀器重量：12kg掃描范圍：掃描范圍： 1500 m 80%反射率目標(biāo)反射率目標(biāo) 800 m 20%反射率目標(biāo)反射率目標(biāo) 350 m 4% 反射率目標(biāo)反射率目標(biāo)參考價格：參考價格：2525萬美元萬美元生產(chǎn)產(chǎn)地：日本生產(chǎn)產(chǎn)地：日本ILRIS-3D操作過程 一人帶上設(shè)備和腳架，到一人帶上設(shè)備和腳架，到現(xiàn)場后將儀器架設(shè)好，無需對現(xiàn)場后將儀器架設(shè)好，無需對中整平，通過取景窗選定需掃中整平，通過取景

14、窗選定需掃描范圍（可多重選取多窗口），描范圍（可多重選取多窗口），設(shè)定掃描間距，即開始逐行從設(shè)定掃描間距，即開始逐行從下往上掃描目標(biāo)下往上掃描目標(biāo)ILRIS-3D操作過程 回到辦公室后將記錄數(shù)據(jù)的回到辦公室后將記錄數(shù)據(jù)的CFCF卡從儀器中取出，卡從儀器中取出，插入計算機中讀取，將從不同角度掃描的數(shù)據(jù)找出插入計算機中讀取，將從不同角度掃描的數(shù)據(jù)找出重合的特征點，將三維點云數(shù)據(jù)拼接在一起，并可重合的特征點，將三維點云數(shù)據(jù)拼接在一起，并可疊加上數(shù)碼照片，方便判讀，再找出疊加上數(shù)碼照片，方便判讀，再找出三個特征點三個特征點，賦予其三維坐標(biāo)值，即確定整個掃描數(shù)據(jù)的三維坐賦予其三維坐標(biāo)值，即確定整個掃描數(shù)

15、據(jù)的三維坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)系統(tǒng)ILRIS-3D替代傳統(tǒng)作業(yè)方式的優(yōu)勢替代傳統(tǒng)作業(yè)方式的優(yōu)勢1、單人即可作業(yè)，且只需架設(shè)好儀器后設(shè)定掃描范圍等參數(shù)，作業(yè)人員就可休息待儀器自行收集數(shù)據(jù)2、精度高，掃描范圍遠，不需接觸即可作業(yè)3、三維數(shù)據(jù)和彩色數(shù)碼圖片相對應(yīng)，量大且明細，形象、全面、直觀4、掃描速度快，對收集動態(tài)數(shù)據(jù)尤為有效ILRIS-3D應(yīng)用文物古跡搶救性備份資料文物古跡搶救性備份資料共掃描共掃描25次次 - 內(nèi)部和外部內(nèi)部和外部掃描時間掃描時間 - 1 天天ILRIS-3D應(yīng)用三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)收集三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)收集ILRIS-3D應(yīng)用大型工程竣工測量大型工程竣工測量ILRIS-3D應(yīng)用大型構(gòu)筑物變形大型構(gòu)筑物變形監(jiān)測監(jiān)測 不同時期掃描的點云數(shù)據(jù)拼接重疊后，很方便地計算出每一個細部點的變形情況，以助判斷是否安全運行，并確診故障部位，輔助維護方案制定，可用于公路橋、鐵路橋、水壩、廠礦等各種構(gòu)筑物變形監(jiān)測。對大壩等受水位影響適時動態(tài)掃描分析特別有效ILRIS-3D應(yīng)用災(zāi)害現(xiàn)場分析災(zāi)害現(xiàn)場分析 通過不斷掃描分析，判斷現(xiàn)通過不斷掃描分析，判斷現(xiàn)場哪些部位還會出現(xiàn)坍塌，哪些場哪些部位還會出