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

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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