變形監(jiān)測-第三章.

1、第三章變形監(jiān)測技術(shù) 在測量工程的實踐科學(xué)研究中，變形觀測占有十分重要的地位。工程建筑物的興建，從施工開始到竣工，以及建成后整個運營期間都要不斷地或周期性地監(jiān)測這些建筑物的變形情況，一般來說，由于各種因素的影響，工程建筑物及其設(shè)備在其運營過程中都會產(chǎn)生變形。在一定的限度之內(nèi)，這種變形可以認為是正常的現(xiàn)象，但如果這種變形超過了規(guī)定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴重時還會危及建筑物的安全，造成人類生命財產(chǎn)的巨大損失。 對可能產(chǎn)生變形的各種自然的或人工的建筑物或構(gòu)筑體我們可以統(tǒng)稱為變形體。對變形體在運動中的空間和時間域內(nèi)進行周期性的重復(fù)觀測，就稱為變形觀測，如地殼運動中由于地應(yīng)力的長期累積而可能導(dǎo)

2、致產(chǎn)生地震所進行的地殼形變監(jiān)測;山體不穩(wěn)可能導(dǎo)致滑坡所進行的坡體變形監(jiān)測;采礦、采油和抽取地下水而導(dǎo)致地面沉陷監(jiān)測以及攔河大壩的安全穩(wěn)定性監(jiān)測等都是變形觀測的具體實例。3. 1變形監(jiān)測技術(shù) 目前，變形監(jiān)測的技術(shù)和方法正在由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發(fā)展。在變形體上布置變形觀測點，在變形區(qū)影響范圍之外的穩(wěn)定地點設(shè)置固定觀測站，用高精度測量儀器定期監(jiān)測變形區(qū)內(nèi)網(wǎng)點的三維(X,Y,Z方向)位移變化是獲取變形體變形的一種行之有效的外部監(jiān)測方法。這些方法主要泛指高精度地面監(jiān)測技術(shù)、攝影測量方法及GPS監(jiān)測系統(tǒng)等手段。3.1.1地面監(jiān)測方法與測量機器人 地面監(jiān)測方法主要是指用高精度測

3、量儀器(如經(jīng)緯儀、測距儀、水準儀、全站儀等)測量角度、邊長和高程的變化來測定變形，它們是目前變形監(jiān)測的主要手段。常用的地面監(jiān)測方法主要有兩方向(或三方向)前方交會法、雙邊距離交會法、極坐標法、自由設(shè)站法、視準線法、小角法、測距法及幾何水準測量法，以及精密三角高程測量法等。常用前方交會法、距離交會法監(jiān)測變形體的二維(X,Y方向)水平位移;用視準線法、小角法、測距法觀測變形體的水平單向位移;用幾何水準測量法、精密三角高程測量法觀測變形體的垂直(Z方向)位移。地面監(jiān)測方法具有如下的優(yōu)點: 1)能夠提供變形體的變形狀態(tài)，監(jiān)控面積大，可以有效地監(jiān)測確定變形體的變形范圍和絕對位移量; 2)觀測量通過組成網(wǎng)

4、的形式可以進行測量結(jié)果的校核和精度評定; 均是獲取高精度變形量的首選儀器設(shè)備。圖3-1 DNA03數(shù)字水準儀 下面重點介紹當前變形監(jiān)測的最新技術(shù)變形監(jiān)測機器人的應(yīng)用。 測量機器人(Measurement Robot，或稱測地機器人，Georobot)是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀。它是在全站儀基礎(chǔ)上集成步進馬達、CCD影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件發(fā)展而形成的。測量機器人通過CCD影像傳感器和其他傳感器對現(xiàn)實測量世界中的“目標”進行識別，迅速作出分析、判斷與推理，實現(xiàn)自我控制，并自動完成

5、照準、讀數(shù)等操作，以完全代替人的手工操作。測量機器人再與能夠制定測量計劃、控制測量過程、進行測量數(shù)據(jù)處理與分析的軟件系統(tǒng)相接合，完全可以代替人完成許多測量任務(wù)。 在工程建筑物的變形自動化監(jiān)測方面，測量機器人正漸漸成為首選的自動化測量技術(shù)設(shè)備。利用測量機器人進行工程建筑物的自動化變形監(jiān)測，一般可根據(jù)實際情況采用兩種方式:固定式全自動持續(xù)監(jiān)測;移動式半自動變形監(jiān)測。 1.固定式全自動持續(xù)監(jiān)瀏固定式全自動持續(xù)監(jiān)測方式是基于一合測量機器人的有合作目標(照準棱鏡)的變形監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候的無人守值監(jiān)測，其實質(zhì)為自動極坐標測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與組成方式如圖3一2。圖3-2測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)組成 1)基

6、站?；緸闃O坐標系統(tǒng)的原點，用來架設(shè)測量機器人，要求有良好的通視條件和牢固穩(wěn)定。 2)參考點。參考點(三維坐標已知)應(yīng)位于變形區(qū)域之外的穩(wěn)固不動處，參考點上采用強制對中裝置放置棱鏡一般應(yīng)有34個，要求覆蓋整個變形區(qū)域。參考系除提供方位外，還為數(shù)據(jù)處理提供距離及高差差分基準。 3)目標點。均勻地布設(shè)于變形體上能體現(xiàn)區(qū)域變形的部位。 4)控制中心。由計算機和監(jiān)測軟件構(gòu)成，通過通信電纜控制測量機器人作全自動變形監(jiān)測，可直接放置在基站上，若要進行長期的無人守值監(jiān)測，應(yīng)建專用機房。 2.移動式半自動變形監(jiān)瀏 固定式全自動變形監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)全天候地?zé)o人守值監(jiān)測，并有高效、全自動、準確、實時性強等特點。但也

7、有缺點:沒有多余的觀測量，測量的精度隨著距離的增長而顯著地降低，且不易檢查發(fā)現(xiàn)粗差;系統(tǒng)所需的測量機器人、棱鏡、計算機等設(shè)備因長期固定而需采取特殊的措施保護起來;這種方式需要有雄厚的資金作保證，測量機器人等昂貴的儀器設(shè)備只能在一個變形監(jiān)測項目中專用。 移動式半自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的作業(yè)與傳統(tǒng)的觀測方法一樣，在各觀測墩上安置整平儀器，輸人測站點號，進行必要的測站設(shè)置，后視之后測量機器人會按照預(yù)置在機內(nèi)的觀測點順序、測回數(shù)，全自動地尋找目標，精確照準目標、記錄觀測數(shù)據(jù)，計算各種限差，作超限重測或等待人工干預(yù)等。完成一個測點的工作之后，人工將儀器搬到下一個施測的點上，重復(fù)上述的工作，直至所有外業(yè)工作完成

8、.這種移動式網(wǎng)觀測模式可大大減輕觀測者的勞動強度，所獲得的成果精度更好。 3.工程應(yīng)用 基于測量機器人的變形監(jiān)測系統(tǒng)，已在不同類型的變形監(jiān)測中進行了實驗或?qū)嶋H應(yīng)用。對滑坡監(jiān)測，選定三峽工程庫區(qū)巴東滑坡進行了監(jiān)測試驗，滑坡體面積約1 km2，經(jīng)實地勘察，在滑坡體對岸穩(wěn)定且位置較高的山體上設(shè)置基站，在滑坡體同岸的滑坡區(qū)域外設(shè)3個參考站，在滑坡體上均勻設(shè)置5個目標丟按，監(jiān)測視線穿過長江，其長度在8001300M之間實驗時恰逢下雨，因此只進行了5個周期的觀測，每期盤左盤右觀測一個測回。從實驗結(jié)果來看，在雨中TCA1800自動目標識別情況良好，且基本達到儀器的標稱精度o時，長半軸e的方向在第一、三象限;

9、當Q0時，e的方向在第二、四象限。當Q=0時，誤差橢圓成為一個圓，即誤差圓。 2.可靠性標準 可靠性概念是荷蘭3arrda教授(1968年)針對觀測值數(shù)據(jù)中的粗差提出來的。測量控制網(wǎng)的可靠性是指控制網(wǎng)探測觀測值粗差和抵抗殘存粗差對平差成果影響的能力，它分為內(nèi)部可靠性和外部可靠性。 (1)內(nèi)部可靠性 內(nèi)部可靠性是指某一觀測值中至少必須出現(xiàn)多大的粗差.(下界值)，才能以所給定的檢驗功效。在顯著水平為的統(tǒng)計檢驗中被發(fā)現(xiàn)?這時觀測值l上可發(fā)現(xiàn)粗差的下界值為:=式中，為觀測值l的中誤差; 為非中心參數(shù); 為觀測值的多余觀測分量。為了直接進行不同類觀測值的可靠性比較， 令= (3一10)作為度量觀測值內(nèi)部

10、可靠性的指標。 2)外部可靠性外部可靠性是指無法探測出(小于)，而保留在觀測數(shù)據(jù)中的殘存粗差對平差結(jié)果的影響。這時，最大殘存粗差對平差參數(shù)的影響為:由于式(3-11)與基準有關(guān)，且使用不便，為此定義影響因子可以證明，與平差基準無關(guān)。由此可以得到即為描述不同觀測值的外部可靠性指標。3)多余觀測分量由于內(nèi)、外可靠性均與、有關(guān)，當顯著水平和檢驗功效。一定時，它們完全隨的變化而變化。因此，可以作為評價內(nèi)、外部可靠性的公共指標。= (3一13)即為矩陣主對角線上的元素，稱為控制網(wǎng)的多余觀測分量。多余觀測分量與多余觀測數(shù)有下列關(guān)系: r= (3一14)比較式(3-10)和式(3-12)，不難發(fā)現(xiàn)，多余觀測

11、分量值較大的，其內(nèi)、外部可靠性也一定較好。反之亦然。因此，多余觀測分量不僅代表了該觀測值在總的多余觀測數(shù)中所占地位，而且也可以作為可靠性評價中的一個重要量度局部可靠性。同時，多余觀測數(shù)r愈大，表明對發(fā)現(xiàn)粗差愈有利。因此，我們也可以用多余觀測的平均值作為另一可靠性度量整體可靠性指標。 (3一15)在控制網(wǎng)設(shè)計階段、根據(jù)網(wǎng)的類型，能夠?qū)τ^測值起良好控制的網(wǎng)其多余觀測分量應(yīng)該滿足 n 3.變形監(jiān)測網(wǎng)的特殊準則靈敏度準則 變形監(jiān)測網(wǎng)以靈敏度準則作為其特殊的質(zhì)量準則，是由變形監(jiān)測網(wǎng)不同于一般控制網(wǎng)的性質(zhì)、特點和用途所決定的。我們知道，變形監(jiān)測的目的就是要證明監(jiān)測對象是否存在顯著變形，和一般控制網(wǎng)相比，監(jiān)

12、測網(wǎng)最主要的特點就是具有周期性和方向性，即通過多期觀測來發(fā)現(xiàn)建筑物在某一特定方向上的變形。如重力壩主要是發(fā)現(xiàn)垂直于壩體方向的變形等。而變形監(jiān)測網(wǎng)的靈敏度則正是用來描述監(jiān)測網(wǎng)發(fā)現(xiàn)變形體在某一特定方向上變形的能力。因此，靈敏度應(yīng)作為變形監(jiān)測網(wǎng)的主要質(zhì)量準則。下面作具體討論。 1)變形監(jiān)測網(wǎng)的總體靈敏度 設(shè)監(jiān)測網(wǎng)兩期觀測分別平差后，公共坐標未知數(shù)X的平差值為，和，位移向量d= -。消去附加參數(shù)(如定向角未知數(shù))后與，和。相應(yīng)的法方程系數(shù)陣為N，和N2。根據(jù)所考慮的變形模型，可得位移向量d與變形參數(shù)向量C之間的關(guān)系式 d=MC (3一16)式中，M為變形模型系數(shù)矩陣。參數(shù)C的估值可由下式按最小二乘法求

13、得:式中，P為矩陣的平行加?？梢宰C明由(3-18),(3-19)式求得的和Q。是惟一的，與各期平差基準無關(guān)對所給變形模型作如下顯著性檢驗 構(gòu)造如下統(tǒng)計計量: (3一20) (3一21)式中，自由度f=rk()，非中心參數(shù)由下式計算;= (3一22)應(yīng)用式(3-20)、式(3-21)就可以對變形模型作整體檢驗。但在監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計階段，更有意義的是相反的問題:即給定顯著水平和檢驗功效，問非中心參數(shù)應(yīng)達到多大，才能導(dǎo)致拒絕H。而接受，即能發(fā)現(xiàn)的最小變形是多少? 對某一感興趣方向g，變形參數(shù)C可以分解為: C=g式中為參數(shù)C在g方向上的長度，g為變形方向的單位向量，有=1。由給定的顯著水平檢驗功效和自由度

14、f，可查有關(guān)的諾漠圖得非中心參數(shù)的臨界值。將(3-23)式代入(3-22)式，得到: (3一24) （3-25)數(shù)值為以功效所能發(fā)現(xiàn)的變形參數(shù)向量C在g方向上的最小長度，為在g方向上以功效所能發(fā)現(xiàn)的變形參數(shù)的下限值。我們稱或為監(jiān)測網(wǎng)的總體靈敏度。越小，總體靈敏度越高。 由(3-22)式得: = (3一26)它代表一個U維(U維未知坐標向量)超球，當=時，表示一個靈敏度超球，落于靈敏度超球內(nèi)的變形參數(shù)向量，則監(jiān)測網(wǎng)在.下無法檢測出。 2)監(jiān)測網(wǎng)的局部靈敏度與單點靈敏度 當網(wǎng)中點只有部分點或單點可能發(fā)生變動時，可只對動點進行檢驗從而得出網(wǎng)的局部靈敏度與單點靈敏度。對于監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計而言，常討論的是

15、單點靈敏度，它有助于我們直觀地了解網(wǎng)中各點處發(fā)現(xiàn)變形的能力，有效地衡量設(shè)計方案的優(yōu)劣。 設(shè)監(jiān)測網(wǎng)中第i點產(chǎn)生了移動，則由式(3-16)式(3-19)變?yōu)? 為矩陣與點相應(yīng)的子塊矩陣。將式(3-27)代人式(3-24)中，得到l點在給定g方向上的靈敏度為:對應(yīng)的橢圓方程為 (3一30)稱式(3-30)為單點靈敏度橢圓方程。對于兩期不變設(shè)計而言，單點靈敏度橢圓參數(shù)的計算非常簡單，這時有:N是法方程系數(shù)陣橢圓參數(shù)為:3. 3. 3變形監(jiān)測網(wǎng)機助法優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)機助法優(yōu)化設(shè)計由于具有簡單的數(shù)學(xué)模型，操作靈活方便，設(shè)計結(jié)果的合理性和可行性直觀明了，易于控制等特點，因而，受到測量工作者的重視和廣泛應(yīng)用。 1

16、.機助法優(yōu)化設(shè)計的基本原理 機助法優(yōu)化設(shè)計的基本原理是:對一個根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計的初始網(wǎng)，利用平差模型和網(wǎng)的分析模型，對各項質(zhì)量指標進行評估。若質(zhì)量指標未達到或高于設(shè)計要求，則根據(jù)分析結(jié)果，采用人機對話的形式適當改變原設(shè)計方案，再進行分析評估。如此多次修改，直到各項指標都滿足設(shè)計要求，設(shè)計者感到滿足為止。 按照機助設(shè)計的過程來看，一個機助設(shè)計系統(tǒng)大體上可以分為6個部分，即初始方案、數(shù)學(xué)模型、終端顯示、人機對話、調(diào)整方案和成果輸出。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可用圖3-16表示。下面分別說明各個部分應(yīng)具備的基本功能。 (1)初始方案 機助設(shè)計首先必須確定一個初始方案，它是由網(wǎng)點的位置，點與點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，觀測值的

17、數(shù)目、類型和精度，網(wǎng)的類型和基準等因素所確定的。初始方案通常是由設(shè)計人員在設(shè)計圖紙上(一般為地形圖)，根據(jù)自己的實踐經(jīng)驗和對控制網(wǎng)所提出的基本要求初步擬定的。 (2)數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型部分由許多個具有不同功能的程序模塊所組成，它能對一項設(shè)計方案進行各種加工處理，如各個量的秩序排列和編號、比較大小以及各種數(shù)值計算。根據(jù)設(shè)計要求，求出各種反映該方案質(zhì)量好壞的性能指標，以便設(shè)計者了解該方案是否滿足設(shè)計要求、質(zhì)量是否過高或過低等。同時，還應(yīng)提供幫助設(shè)計者制定修改方案的有關(guān)信息，使修改后的方案優(yōu)于修改前的方案。 數(shù)學(xué)模型部分的功能強弱，直接反映了機助設(shè)計系統(tǒng)的功能大小和設(shè)計的效果。所以，該部分是機助設(shè)計系統(tǒng)的核心。 (3)終端顯示和人機對話 終端顯示和人機對話是兩個密切相關(guān)的部分，終端顯示的內(nèi)容和方式將受到人機對話部分的控制，并且所顯示的信息.又為人機對話服務(wù)。它們的基本功能是，借助于計算機的屏幕顯示功能，用字符、數(shù)字和圖形等方式，將所設(shè)計的方案的有關(guān)信息，在屏幕上直觀地顯示出來。如控制網(wǎng)的圖形和各種質(zhì)量分析圖，以