变形监测论文

变形监测论文——变形监测理论与技术发展的研究现状姓名：***学号：********论文题目：变形数据理论与技术发展的研究现状论文摘要：论述变形监测在工程建设、管理中的意义，以及变形监测的内涵变迁；变形监测的监测技术与数据处理技术的发展进程；总结变形监测与技术发展的现状以及其趋势。

关键词：变形监测，数据处理，监测技术，发展现状与趋势，研究理论。

正文：1.变形监测概论人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模，造型，难度提出了更高的要求。

与此同时，变形监测工作的意义更为重要。

在工程项目建设中，由于受到多种主观或者客观的因素影响，会产生变形，变形如果超过了规定限度就会影响建筑物的正常使用，严重者还可能造成损失，而变形监测的首要目的就是要掌握变形体的实际性状，从而为判断其安全提供必要的信息。

变形监测队工程的施工和运营管理极为重要，变形监测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机等诸多学科的知识，因此它是一项跨科学的研究。

变形监测主要涉及研究三方面的内容：变形信息的获取、变形信息的的分析与解释以及变形预报，它主要是掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，验证一些形变的运动以及设计有效的变形模型。

2.变形监测的一些技术介绍和分析2.1.地面观测监测技术在地面上设站，测量变形体的变化，通称地面观测监测技术。

主要以经纬仪、全站仪、引张线、激光扫描仪、摄影测量等技术为主。

目前地面观测技术的主要发展为、测量机器人和激光三维扫描技术。

2.1.1 自动全站仪监测技术自动全站仪俗称测量机器人（Robotic T otal Station System），里面除了一般电子全站仪的电子电路、光学系统、软件系统以外，还有两个最重要的装置，自动目标照准传感装置和提供动力的两个步进马达。

目标照准传感装置，一般采用内置在全站仪中的CCD阵列传感器，该传感器可以识别被反射棱镜返回的红外光，CCD判别接受后，马达就驱动全站仪自动转向棱镜，并实现自动精确照准。

CCD识别的是不可见红外光，它能够在夜间、雾天甚至雨天（保证镜面无雨水）进行测量。

基于上述特点利用测量机器人可实现常规监测网测量的自动化。

2.1.2 自动全站仪监测系统的构成方式针对不同的监测对象和要求，自动全站仪可组成以下的监测方式。

移动式监测方式，利用短通讯电缆（1～2米）将便携计算机与全站仪连接，由便携机自动控制全站仪进行测量；或者直接将控制软件安装在自动全站仪内部，控制全站仪测量。

2.1.3 自动全站仪监测技术的不足由于目标自动识别的限制，使用范围有限；由于采样频率的限制，1台用于多点的高频率的振动测量比较困难，当然可以采用每台跟踪1个点的方式，这样成本较高。

2.2地面三维激光扫描测量技术激光雷达LIDAR (Light Detection and Ranging)是通过发射红外激光直接测量雷达中心到地面点的一项技术，它通过角度和距离信息，同时获取地面点的三维数据。

激光雷达最大特点是不需要任何测量专用标志，直接对地面测量，能够快速获取地形高密度的三维数据，所以又称三维激光扫描技术。

根据承载平台不同，激光扫描技术又分机载三维激光扫描、车载三维激光扫描、站载三维激光扫描，其中的车载型和站载型属于地面三维激光扫描。

2.2.1三维激光扫描技术的特点三维激光扫描仪的主要特点体现在数据采集的高密度、高速度和无何作目标测量上。

高密度体现在用户可以设置测点间隔0.1m-2.0m，高速度体现在每秒可测量几十点到几千个点，具有很强的数字空间模型信息的获取能力。

地面三维激光扫描仪在测量范围上，根据仪器种类不同，从几米到4公里以上。

10m以内测程为超短程，10m-100m为短程，100m-300m 为中程，300m以上为远程三维激光扫描系统。

影响三维激光扫描仪测量精度的因素较多，主要包括：步进器的测角精度、仪器的测时精度、激光信号的信噪比、激光信号的反射率、回波信号的强度、背景辐射噪声的强度、激光脉冲接受器的灵敏度、仪器与被测点问的距离、仪器与被测目标面所形成的角度等等[18]。

一般中远程三维激光扫描仪的单点测量精度在几毫米到数厘米之间，模型的精度要远高于单点精度，可达2－3mm。

2.2.2三维激光扫描技术应用在工程变形监测中的优势及问题三维激光扫描系统的速度快，不需接触目标，精度高，信息丰富（不仅获取空间信息，还获取灰度信息和真彩色纹理）、自动化程度高、3mm 的面型测量精度等特点，能快速准确地生成监测对象的三维数据模型，这些技术优势决定了三维激光扫描技术在变形监测领域将有着广阔的应用前景。

已开始在桥梁、文物、滑坡体、泥石流、火山等领域快速面监测中进行应用。

例如，美国弗罗里达州运输部利用ILRIS-3D对弗罗里达州I10出口的30号桥梁进行桥梁加载变形监测的试验[18]，以分析该桥梁结构承受能力，通过与传统监测手段在外界所需条件、测量精度、测量需要时间、需要人员、测量总点数、成果输出等方面的比较，认为三维激光扫描技术在变形监测方面是可行的。

但由于激光扫描系统得到是海量数据，一个目标多幅距离影像，以及点云的散乱性、没有实体特征参数等，直接利用三维激光扫描数据比较困难。

针对三维激光扫描技术的整体变形监测概念，研究与三维激光扫描仪相适应的变形监测理论及数据处理方法，主要考虑以下问题[19]：（1）现有的基于变形监测点的变形监测模式不适用于基于三维激光扫描仪的变形监测，必须摒弃变形监测点，探讨无变形监测点的监测对象测量方法。

考虑采用监测对象自身的特征点或人工投射的特征信息来替代变形监测点的作用，并采集相应的数据。

（2）要研究监测对象三维模型的建立和模型的匹配。

三维激光扫描仪的采样数据包括监测对象的三维点云和同步采集的纹理信息，利用点云信息能够很快构建监测对象的三维数据模型，再加上纹理信息，就能建立研究对象的仿真模型。

而变形量的获取可以通过不同时期的两个模型间整体对比(即模型求差)来获取，这里就必然涉及到对模型进行匹配的问题。

（3）基于三维监测对象模型的变形分析理论及方法研究。

变形监测的最终结果是要进行相应的应力及应变分析，这里的分析是基于整体监测对象模型的，和传统的基于变形点的以点代面的分析方式存在较大差异，所以，有必要对基于三维监测对象模型的变形分析理论及方法进行相应研究。

（4）监测数据的精度评价体系的建立和模型的精度评定研究。

要建立一个完整的理论及技术体系，除了应具备一套完善的理论及方法外，还应建立相关的成果评价体系，具备相关精度指标和置信度的成果才是完整的，这也是相应信息被正确使用的前提条件。

3.对地观测监测技术对地观测监测技术，是利用卫星或飞机上的测量传感器实现对地面进行沉降或位移监测的技术。

目前主要包括GPS全球定位系统、D-InSAR （Differential－Interferometric Synthetic Aperture Radar）差分干涉雷达测量和机载激光三维扫描等技术。

3.1 GPS监测技术3.1.1 GPS观测技术的特点与监测应用领域GPS测量技术以其测站点之间无需通视、全天候观测、提供三维信息、测量范围大等特点，已成为现代测量的主要技术手段。

GPS可以提供点位基于全球坐标系统的变化，不受局部变形的影响，可以监测全球范围或区域范围内的地球板块的运动，为地震监测提供必要的数据。

目前，我国利用GPS已建立中国地壳运动观测网络。

由于GPS不需要各种点（基准点、监测点）之间通视，测量范围也不受限制，同时具有高速数据采样率，使其在工程变形监测方面，具有独特测量优势。

比如对于滑坡体较大通视条件差或大的露天矿边坡，很难找到通视的基准点，采用GPS监测时，基准点就可以选在远离变形区，而不是否通视。

对于海上勘探平台沉陷监测、城市地面沉陷监测，采用传统的水准测量方法无法实现或作业强度很大，采用GPS可以降低劳动强度，而且可以直接利用大地高计算沉陷量，使观测结果的精度不受损失。

利用GPS 数据的高采样率，可用于高耸建筑物的风振监测、桥梁的振动监测，尤其是5公里以上特长桥梁。

3.1.2 GPS变形监测模式GPS用于变形监测的作业方式可分为周期性和连续性两种模式[1][6]。

当变形体的变形速率相当缓慢，在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时，可利用GPS进行周期性变形监测，监测频率视具体情况可为数月、一年或甚至更长时间。

连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集,获得变形数据系列,此时监测数据是连续的,具有较高的时间分辨率。

周期性模式采用GPS静态相对定位的测量方法。

该测量模式成本低，一般监测采用该模式。

比如目前三峡库区滑坡[2]、李家峡水电站滑坡[3]，龙羊峡水库近岸滑坡[4]等监测工程中均采用该模式。

连续性监测模式，对自动化要求高，数据采集周期短的监测项目采用。

对于卫星观测条件好的监测工程，比如桥梁、高层建筑物等的动态监测中，GPS正逐渐取代加速度计、激光干涉仪等动态监测设备。

在香港青马大桥、虎门大桥[5]、深圳帝王大厦、隔河岩大坝[6]外观变形监测均采用该模式。

该模式可实现24小时的连续观测，使监测工作实现完全自动化，使监测、监控、决策实现远距离控制，建立无人值守的监测系统。

由于该模式要求GPS接受设备必须永久固定在变形点成本较高。

另外，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，一般要求变形响应的实时性。

为解决限制连续性监测模式应用的高成本，香港理工大学、河海大学的专家开始提出和研究基于一机多天线的自动化监测技术[7]。

利用若干GPS天线和具有若干通道的微波开关，相应的微波开关控制电路及1台GPS接收机组成一机多天线系统。

最新系统将控制电路板、GPS接收机（OEM）板集成在工业控制计算机中。

目前，一机多天线已应用在东江大坝监测、小湾电站边坡监测[8]等工程中。

3.1.3 GPS在变形监测中的测量方法根据监测对象及要求不同，GPS在变形监测中可采用的测量方法分为静态测量法、快速静态测量法和动态测量法三种。

静态测量法是把多于3台GPS接收机同时安置在各观测点上同步观测一定时段，一般为1小时～2小时不等，构网用后处理软件解算基线，平差计算求观测点的三维坐标。

静态测量法精度高，一般水平精度优于3mm，垂直精度优于5mm。

比如，隔河岩大坝应用广播星历1～2小时观测资料解算监测点相对于基准点的水平精度优于1.5mm，垂直精度优于1.5mm；6小时资料解算水平精度优于1mm，垂直精度优于1mm[6]。

GPS基准网，一般应采用静态测量方法，当基准网的边长超过10km，要考虑基准网的起算点与国际IGS站联测，基线向量解算时采用精密星历，以提高基线解算的精度。