变形监测

仪器精度
对于一个熟练的操作员，测深精度可达到1.5mm。
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3.2 岩体内部水平移动测量（钻孔测斜仪）
岩体内部水平移动测量系统的安装及原理示意图。
测量原理 将传感器通过电缆和读数设备连接在一起，由孔口用电缆将传 感器下放到测管内，依次用电缆上的刻度将传感器标定到每一个 指定的深度处，测出偏斜增量。整个钻孔测完后，计算出钻孔内 每一指定深度相对于基准点（孔口或孔底处）的偏斜值。在一定 时间间隔内，前后两次测量所得的各深度处钻孔偏斜值之差，即 为各深度处的水平移动值。 仪器精度 在安装良好、钻孔偏离竖直方向的偏角不超过3度的情况下， 1-电缆；2-传感器；3-钻孔；4-接头；5-套管；6-充填料； 一个30米深的钻孔中，测量的总位移的误差不超过4mm。
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坐标解算软件
高精度测量标尺 编码参考点
专业数码相机
标定尺 工业近景摄影测量系统硬件组成
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三维点云区 工程区
信息区
图片区
数据区
工业近景摄影测量系统软件界面
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4.3 用于变形测量的分析系统
XJTUSD静态变形测量分析系统
采用高分辨率单反数码相机，通过拍摄变形前后物体的多幅图像， 计算出物体关键点的三维坐标，获得物体变形数据，是在工业数字近景 三维摄影测量研究基础上发展的变形测量技术。可广泛应用于：机械载 荷试验、热负载试验、环境试验、风洞光照模拟。
测量精度
单次测量幅面128mm×96mm～2200mm×2000mm，单次 测量点云数量为100万～600万，单次扫描时间为5秒。相当于在5 秒时间测量一个工件100万～600万个点的三维坐标，每个点的间 隔为0.08mm～1mm。通过多次拼接可以测量10毫米～30米的工 件，测量精度根据单次幅面大小和相机像素不同为0.01～1mm， 一般为0.03mm。
GPS一机多天线技术 激光扫描技术 合成孔径雷达干涉测量技术 三维光学扫描技术（工业领域）
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重大工程的变形监测案例
机器人滑坡监测
中央电视台新台址 CCTV主楼施工 变形监测
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GPS一机多天线技术在变形监测中的应用
小弯电站高边坡变形监测（同时接收） 东海大桥变形监测方案（间隔接收）
指标
扫描距离 距离测量精度 单点定位精度
数值
最远350m 7mm@100m 6mm@50m，12mm@100m
激光波长
扫描范围
脉冲532 nm
360° x 60° 连续扫描
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2.3三维激光扫描技术的特点
三维激光扫描技术可以大范围，快速全面，高精度，高分辨率的 获取被测物体的平面和高程坐标，并可以方便的建立可以量测的三维 模型。综合起来，激光测量具有以下特点： 快速性； 实时、动态、主动性； 激光的穿透性； 非接触性； 高密度、高精度特性； 数字化、自动化； 地面三维激光扫描系统对目标环境及工作环境的依赖性很小，其防 辐射、防震动、防潮湿的特性，有利于进行各种场景或野外环境的操 作。
激光 极管 微机 计算 时间测量 单元 电光二极 管接收器 接受器透镜 发射器 按钮
数据显示 数据传输
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2.2 三维激光扫描测量的精度
三维激光扫描仪的单点定位精度，一般可以达到亚厘米级，其 模型精度还要远高于这个精度。 我院购置的Trimble GX200激光扫描仪的主要技术参数：
车门的变形测量 中 国 矿 业 大 学
XJTUDA动态变形测量分析系统
通过2个高速数字相机，实时拍摄物体运动图像，实时计算物体表面 关键点的三维坐标，利用高分辨率的高速相机构成的立体相机, 实现高速测 量、静态和动态试验测量。应用领域：热负载试验、机械载荷试验、分析 动态过程、高速测量、风洞测量等。
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三维光学面扫描测量头 三维光学面扫描系统软件界面
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4.2 XJTUDP三维光学点测量系统
XJTUDP 三维光学点测量系统,采用数字近景工业摄影测量技术 （digital close-range industrial Photogrammetry ），是便携式光学三 坐标系统，用于测量物体表面的标志点和特征的精确三维坐标。采用 普通高分辨率数码相机拍摄大型工件的多幅二维相片，采用工业摄影 测量计算工件关键点（人工粘贴圆形标志点、工件自身点线孔特征） 的精确三维坐标。 这是一种便携式光学三坐标系统。可以代替传统的激光跟踪仪、 关节臂、经纬仪等，而且没有繁琐的移站问题，可以全方位方便测量 大 型 工 件 。 可 以 测 量 10 毫 米 ～ 30 米 的 工 件 ， 精 度 达 到 1/70000 ～ 1/150000,相当于1米长度的工件测量精度为0.01mm。
钻孔伸长仪 中 国 矿 业 大 学
测孔布置示意图
4 工业领域变形监测系统
4.1 XJTUOM 三维光学面扫描系统
光学白光三维面扫描仪的原理
向被测工件投射白光编码纹（散斑或正弦图案），由一个或 两个相机拍摄条纹图像（多次相移图像），根据三角原理，从而 解算出工件轮廓的三维点云。从原理上讲，三维光学面扫描设备 不是完全意义的工业近景摄影测量，它属于机器视觉学科中的立 体视觉测量。
变形监测的方法及其应 用
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1. 变形监测概述
内容：按其研究范围可分为三类：全球性的、区域性的和局部性的。
全球性的变形监测主要是研究地极移动，地球旋转速度的变化以及地壳板
块运动； 区域性的变形监测，用以研究地壳板块范围内的变形状态和板块交界处地 壳的相对运动，前者一般由定期复测国家控制网的资料获得，后者要建立 专用监测网，监测板块相对运动在其交界处造成的地壳变形； 局部性的变形监测主要是研究工程建筑物的沉陷、水平移动、扭曲和倾斜 ，滑坡体的滑动以及采矿、采油和抽地下水等人为因素造成的局部地壳变 形。
XJTUSM板金变形测量分析系统
测量钣金的表面三维坐标、表面应变分 布、材料减薄，产生成型极限图。
三维动态测量
板金冲压成形分析
XJTUWA焊接变形测量分析系统
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4.4 工业测量系统在相似材料模型中的应用
采用“XJTUDP三维光学点测量（数字近景工业摄影测
量)系统”，快速测量模型观测点坐标，通过同一观测 点不同时期观测到的的坐标的差值获取移动变形量。 基本流程：
模型标志点解算 标志点坐标转换
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通过XJTUDP三维光学点测量系统观测计算所得 到点的坐标分别为编码点坐标和非编码点坐标。其中 编码点是全局控制解算点，而非编码点是根据观测需 要所布设的目标点。由于每次观测所得到的非编码点 的点号是系统随机给定的，而本次实验研究所要用到 的数据是相同点在不同时刻的坐标值，所以必须进行 点号匹配处理。每次测量所得到的坐标系也是随机的 ，必须将所有的坐标都转换到统一的坐标系下，才能 进行位移解算。
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堤坝稳定性监测
堤坝（特别是受采动影响的区域）可用钻孔监测系统监测坝体 的移动及其坝体与基础间的相对移动。淮南矿务局在淮堤下采煤 中采用了这一监测系统，已经获得了大量的丰富的观测资料。 开采引起的岩体内部移动变形监测 为掌握开采引起的岩体内部的动态移动和变形规律，可以应用 这一系统监测。兖州矿业（集团）有限责任公司南屯煤矿在综采 放顶煤开采的工作面上方建立一个监测钻孔，也已经取得了非常 有用的观测资料。
点云数据
特征线提取 两次特征线比较
最终变形数据
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实例：焦炉和烟囱变形监测的扫描数据
1号焦炉点云数据 2号焦炉点云数据
点云数据截面截取 中 国 矿 业 大 学
截取后的点云数据和特征 线数据
3 岩体内部观测系统
岩层内部观测站测点一般布设在岩层内部的钻孔中，用于研究 岩层内部的移动和变形规律。
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2.4 三维激光扫描技术应用的实例
高速公路路面变形
国家体育馆屋顶钢结构安装与滑移监测
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煤矿地表变形监测
三维激光扫描仪
地表 工作面
1
1
2
运用激光三维扫描仪监测煤炭井工开采的地表沉陷示意图如上 图，技术路线为：当工作面推进到位置1时，用三维激光扫描仪观测 一次地表，获得当时的数字高程模型DEM(1)。当工作面推进到位置2 时，再用三维激光扫描仪对同一位置地表进行第二次扫描，获得数值 高程模型DEM(2)。用DEM(1)减去DEM(2),可以得到监测区域的地表 下沉值，再结合井下开采情况，便可以反演出地表移动变形预测参数。
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鲍店矿扫描处Fra Baidu bibliotek数据
A
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 下沉 （ ）
A'
B
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 下沉 （ ）
B'
实测下沉曲线
计算下沉曲线
实测值下沉剖面图
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大型建筑物变形监测及成果分析
处理流程：
变形监测点布置及数据采集 坐标匹配 去噪处理
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测量原理
探头内的感应电路在探头接近感应环时，将引起蜂鸣器报警 ，并使指示器上指针偏转。当指针达到蜂值，即探头中心正好对 准感应环时，利用电缆和标尺上的刻度，便可测得探头中心所在 的深度。根据一定时间间隔内前后两次的测量结果，可计算出不 同深度（感应环所在位置）岩层的垂直位移以及每一段内岩层的 竖向伸长或压缩量。为获得绝对的位移值，至少应有一个感应环 （如孔底附近）埋在稳定岩石中，或者有一个感应环（如孔口附 近）用其它方法测得绝对位移值。
意义：实用上的意义主要是检查各种工程建筑物和地质构造的稳定性
，及时发现问题，以便采取措施。科学上的意义包括更好地理解变形的机 理，严重有关工程设计的理论和地壳运动假说，以及建立正确的预报变形 的理论和方法。
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变形监测方法
传统的方法：常规大地测量方法（测角、测边、水准） 优点：（1）通过组成网的形式可以进行测量结果的校核 和精度的评定 （2）灵活性大，能够适应于不同的精度要求、不 同形式的变形体和不同的外界条件 缺点：耗费大量的人力、物力 新技术：
3.1 岩体内部下沉测量（钻孔伸长仪）
安装好的下沉测量系统如图所示。
1－基准架；2－读数装置、卷缆轮；3－水泥浆；
4－充填砂浆；5－用粘结剂和胶带密封的感应环； 6－感应环；7－倾斜仪套管接头；8－倾斜仪套管； 9－注浆阀门；10－重锤；11－探头； 12－用粘结 剂和胶带密封的软管接头；13－用尼龙丝或胶带夹 固定的软管接头； 14－固定在刚性管上的软管末端。
7-总位移； 8-位移；9-初始位置；10-导向槽；11-导向轮； 12-读数间距；13-读数设备；
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3.3 岩体内部观测系统的实际应用
在实际应用中，通常将伸长仪和测斜仪结合起来组成一个三 维的岩体内部的测量系统。这一系统可应用于矿山中的许多方面。 露天矿边坡及山区滑坡的监测 利用这一观测系统对不稳定边坡进行监测，不仅可以及早掌握潜 在滑面和弱面的产状及活动情况，同时也能推断出活动边坡破坏所 涉及的形状和力学上的情况。对于山区滑坡，可以用于监测岩体内 部的薄弱面。 煤矿井筒变形监测 许多矿区由于煤层的开采引起断层的活化或引起含水层失水，导 致井筒产生变形破坏。为正确掌握破坏的原因和移动变形的规律， 建立一个三维的岩体内部的监测系统，进行长期的监测是十分必要 的。目前，淮南矿务局谢二煤矿、孔集煤矿和兖州矿业（集团）有 限责任公司鲍店煤矿均建立了钻孔监测系统。
1. 2. 3. 4. 5.
在工件表面粘贴标志点； 放置系统标尺和编码点； 采用XJTUDP摄影测量系统进行布设标志点的拍照计算； 坐标转换； 将多次计算结果进行对比分析。
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高精度标尺 固定编码点
拼接编码点
非编码测点
模型编码与非编码标志点布设
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3-2-1坐标转换
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北斗一号导航卫星在滑坡自动化监测中的应用
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2 激光三维扫描技术在变形监测中的应用
2.1三维激光扫描技术的基本原理
地面三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋 转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其它附件设备共同构 成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。地面 三维激光扫描系统的工作原理如图所示，首先由激光脉冲二极管发射 出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后通过探测器，接收 反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识 别处理的数据信息，经过软件处理实现实体建模输出。