形变监测论文

2024-09-01|版权声明|我要投稿

形变监测论文(精选6篇)

形变监测论文 篇1

在实际工作中, 通过形变监测可以掌握变形体的实际情况, 为判断其安全提供必要地信息。变形监测的一个重要目的在于保障安全, 即通过重复观测及时发现变形体的不正常变形, 以便及时分析和采取措施, 防止事故发生;变形监测的另一个目的是为重要工程的决策和设计积累资料, 用于检验设计是否合理, 为以后修改设计方案、指定设计规范提供依据;变形监测还可以为科学实验和理论研究服务, 如地壳板块位移的监测;工程建筑物的变形、扭转和摆动等等。形变监测网优化设计的实际意义在于, 采用最佳的测量方法, 选择最优的测绘仪器, 通过优化设计, 更好的把握监测点的形变情况, 从而更好的服务于施工工作、工程决策、科学实验及科学研究等。

形变监测网, 采用大地测量方法建立平面与高程监测网。形变监测网优化设计是形变监测研究工作中迄今尚未能很好解决的一个基本问题。本文结合具体的工程实例, 对形变监测网优化设计进行分析具有重要的研究意义。

形变监测网优化设计分析

控制网的优化设计问题分为零类优化设计、一类优化设计、二类优化设计和三类优化设计。

记设计矩阵为A, 观测量的权阵为Pl, 其相应的协因数阵为Ql=Pl-1, 未知参数向量X的协因数矩阵为Qx, 它可由法方程的广义逆而得出

则上述设计分类可通过固定参数和自由参数来描述见表1。

在实际问题中, 优化设计问题并不能严格按照四种类型分开, 而通常是四类问题的综合。比如, 三类优化设计问题就可以看作是一类、二类的混合问题。一、二和三类优化设计问题的解又必须预先或同时解零类优化设计问题, 而二类优化设计不仅要求解最优权的分配问题, 还包括对观测计划的某种改善。近几年, 有人提议重新定义一种新的对变形监测网确定最优复测周期的一类优化设计问题, 显然这一设计问题不能从上述最小二乘平差方程导出, 这是性质不同的另一类设计问题。

按照衡量控制网优化设计的质量标准出发, 从精度指标、可靠性准则、灵敏度准则和费用准则, 对形变监测网进行基准分析和位移判定。按照单点位移显著性检验;整体形变检验 (平均间隙法) ;稳健迭代权估计进行比较和检验。

根据点位精度、误差椭圆、多余观测分量和灵敏度的计算公式:

我们通常用来评定待定点的点位精度, 但它不能评定待定点在任意方向的精度。要评定点位精度首先计算出误差椭圆, 定义E为长半轴, F为短半轴:

其中λ1、λ2为特征值:

误差椭圆的长轴与X轴间的夹角 (极大值方向) 为:

在待定点上, 任意方向上的方差值为:

根据起算数据和观测数据需要计算多余观测分量, 由于其与观测值本身的大小无关, 与图形结构A和观测值权阵P有关, 而, 在网形平差前可以计算出多余观测分量H:

H称为观测值的帽子矩阵, 则定义ri为第i个观测值的多余观测分量:

0≤ri≤1

并定义:

, 为网的平均多余观测数。

变形监测网的灵敏度一般用在给定误差概率下 (显著水平α0, 检验功效1 -β0) , 通过统计检验所能发现的变形向量的下界值来表示。

实例分析

1 原有网形

图1 为原有的控制网形状, A, B, C, D四个点为控制点, 控制点的坐标和方位角已知, P1, P2为待求点。L1, L2, , L6为等精度观测角, 测角中误差为 ±1.9", S1, S2, S3, S4为四个观测边, 原网形数据见表2、表3。

经过科学的计算, 方案3 的可行性可表示成精度、可靠性和灵敏度。其中精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=2.41mm, E1=2.05mm, F1=1.27mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=2.18mm, E2=1.91mm, F2=1.05mm;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.77, 0.77, 0.85, 0.39, 0.34, 0.63, 0.89, 0.63, 0.50, 0.22) , 所以rmax=0.89, rmin=0.22, r=0.60;灵敏度为α01=1.55cm, α0.2=3.42cm。

2增加观测边优化网形

将原有控制网形怎加两条观测边且增加四个观测数据L8, L8, S11和S12, 优化网形见图2。通过平差计算后设计结果为, 精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=1.72mm, E1=1.27mm, F1=1.18mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=1.68mm, E2=1.43mm, F2=0.88;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.91, 0.81, 0.88, 0.43, 0.41, 0.72, 0.92, 0.83, 0.67, 0.55, 0.55, 0.70, 0.72, 0.91) , 所以rmax=0.91, rmin=0.41, r=0.72;灵敏度为α01=1.67cm, α02=2.39cm。

加权变权优化网形

网形加权变权即改变中误差的大小, 对于此控制网形有测角中误差和边长中误差, 若要提高两中误差的大小, 可以利用高精度测量仪器即可完成。精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=2.32mm, E1=2.06mm, F1=1.07mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=1.72mm, E2=1.47mm, F2=0.89mm;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.64, 0.74, 0.80, 0.38, 0.33, 0.61, 0.89, 0.63, 0.70, 0.34) , 所以rmax=0.89, rmin=0.33, r=0.6;灵敏度为α01=1.08cm, α02=2.03cm。

更改控制点数目优化设计

将原有网形中A、B、C、D四个控制点增加控制点E见图3, 数据见表4、5。

经过科学的计算, 方案4 的可行性可表示成精度、可靠性和灵敏度。其中精度:P1点的点位精度和误差椭圆m1=2.04mm, E1=1.46mm, F1=1.43mm, P2点的点位精度和误差椭圆m2=1.82mm, E2=1.34mm, F2=1.23mm;可靠性:多余观测分量ri=diag (0.79, 0.88, 0.42, 0.47, 0.74, 1.6, 0.58, 0.48, 0.16, 0.82, 0.82, 0.81, 0.88, 0.92) , 所以rmax=1.6, rmin=0.16, r=0.74;灵敏度为α01=1.57cm, α02=1.96cm。

结语

综上所述, 通过对以上4 种方案的对比分析, 可以看出通过改变观测值的权这种方案, 不仅其精度最高, 同时可靠性和灵敏度也显著提高。只要测绘仪器精度满足, 使用加权变权方法优化网形能够很好的满足工程需求。第四种方案通过增加控制点的数量, 进一步改善了优化结果的精度、灵敏度和可靠性, 网形设计也相对合理, 因此方案四也比较合理。

摘要:变形监测是利用测量仪器及其他专用仪器和方法, 对变形体的变形现象进行有效地监视和观测, 确定在各种载荷作用下其形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。为了获得良好优质的监测成果, 需要对形变监测网进行优化设计, 考虑到精度、可靠性、灵敏度和经济等各种质量准则, 对形变监测网的基准和位移变化进行判定, 分析了监测网各个阶段的优化设计, 从而对形变监测网优化设计有了更加深刻的理解。

形变监测论文 篇2

船体动态形变数据建模与形变测量仿真?

分析了航天测量船实测形变数据并对其建立了时间序列模型.采用基于此模型的卡尔曼滤波器处理待测点激光陀螺组合的输出信息,并给出待测点间的相对静态和动态形变.仿真显示,该方法对航天测量船的.实际形变的测量误差优于10″,能有效的测量出舰船船体形变.

作 者:李金石 秦石乔 王省书 Li Jinshi Qin Shiqiao Wang Xingshu 作者单位:国防科学技术大学光电科学与工程学院,长沙,410073刊 名:电子测量与仪器学报 ISTIC英文刊名:JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT年,卷(期):200822(z2)分类号:V556.8关键词:航天测量船 船体形变 形变测量 时间序列 卡尔曼滤波

谈谈物体的形变 篇3

对于弹簧、海绵、橡皮筋等相对柔软的物体的形变,大家深信不疑.那么玻璃、桌面、水泥地面等坚硬的物体能否发生形变呢?

同学们不妨找一个材质是玻璃的墨水瓶,先在墨水瓶中装满红水,用插有细管的橡皮塞塞紧瓶口,瓶内的水就上升到管中.当同学们试着从墨水瓶截面的不同方向压瓶子时,就会发现,如果沿截面短轴方向挤压瓶身,细管内的水柱长度变短,而沿截面长轴方向挤压瓶身使水柱长度变长,松手后细管的水柱又都回到了原来的位置.细心的同学还会发现,在用力压瓶子的过程中用的力越大,水柱的长度变化越明显.也就是说,当沿瓶子截面的长轴用力挤压瓶身时,瓶子的容积变大,而沿瓶子截面的短轴用力挤压瓶身时,瓶子的容积变小.可见,玻璃瓶在力的作用下也会发生形变,而且形变的大小随作用力的增大而增大.只是玻璃瓶的形变量微小,不易观察.在这个实验中,我们应用了转换法和放大法,将墨水瓶的微小形变转换为玻璃管中水柱长度的变化,并且加以放大,与用小纸屑显示鼓面振动幅度的方法完全相同.

如果天气晴朗,有兴趣的同学还可试着用平面镜来显示桌面或水泥地面的形变.将一块小平面镜用胶布固定在桌面或水泥地面上,通过窗户将太阳光引入室内,并使之经小平面镜反射后照到墙壁上,用力在水泥地面跳动或敲击桌面,可以看到墙上的光斑不断地晃动,用力越大,墙上的光斑晃动的幅度就越大,墙上光斑的晃动是由于地面或桌面的形变引起的.通过上述实验可知,一切物体在外力的作用下都会发生形变,外力越大,形变量就越大.

物体的“形变”可以分为两类,即“弹性形变”和“范性(塑性)形变”.当用较小的力拉伸弹簧时,弹簧发生了形变.当撤去外力后,弹簧能完全恢复原状.撤去外力后物体能恢复原状的形变叫做“弹性形变”.当用力弯曲细钢丝时,钢丝发生了形变.当撤去外力后,钢丝不能恢复原状.撤去外力后,物体不能恢复原状的形变叫做“范性(塑性)形变”.用较小的力拉伸弹簧,撤去外力后,弹簧能恢复原状,说明弹簧产生弹性形变;当用较大的力拉伸弹簧,撤去外力后,弹簧不能恢复原状,产生的是范性形变.由此可见,弹性体的形变不一定是弹性形变,发生弹性形变是有一定限度的.只有当弹性体受到的作用力在某一限度内,发生的形变才是弹性形变;当弹性体形变超过某一值时,即使撤去外力,物体也不能再恢复原状,这个值叫做弹性限度.研究发现,在弹性限度内,物体的形变量与受到的外力成正比.弹簧测力计和健身用的拉力器就是根据这一原理制成的.

用“子弹”勾住弹弓的橡皮筋,用力向后拉“子弹”,使橡皮筋伸长到一定长度后,释放“子弹”,“子弹”就向前弹射出去.把子弹弹出的力的施力物体是橡皮筋,受力物体是“子弹”,橡皮筋之所以对子弹产生力,就是因为“子弹”使橡皮筋发生了弹性形变.发生弹性形变的物体对使之发生形变的另一个物体产生的力叫弹力.跳水运动员与跳板接触的过程中,使得跳板向下发生了弹性形变,因而跳板对运动员施加了向上的弹力.弹力的施力物体是发生弹性形变的物体,受力物体是与发生弹性形变的物体相接触的另一物体.由此可见,产生弹力要具备两个条件:一是受力物体与施力物体必须直接接触,二是施力物体必须发生弹性形变.通过分析,我们还会发现物体产生弹力的方向与其形变的方向相反,以最常见的弹力为例,压力的方向垂直指向支持面,支持力的方向垂直指向支持面上方的物体,拉力的方向沿着绳子或细线收缩的方向,提力的方向沿着手臂收缩的方向,推力的方向沿着手臂舒展的方向.

我们的生活离不开形变.跳水运动员能利用压弯的跳板把自己弹得很高,撑竿跳运动员利用弯曲的撑杆越过高高的横杆,玩具手枪利用压缩的弹簧把子弹射出,机械手表利用旋紧的发条来带动指针转动,杂技演员利用橡皮绳的伸缩进行惊险的蹦极表演,等等.形变的应用已经渗透到生活的每一个角落.形变的物体为什么具有这么神奇的力量呢?

原来,这些物体发生弹性形变时具有一种能量,这种能量叫弹性势能.随着形变量的减少,形变物体的弹性势能逐渐转化为我们所需要的能.在精彩的蹦床运动中,当运动员刚开始接触蹦床时,由于蹦床的形变量较小,蹦床对运动员向上的弹力小于重力,因而运动员加速向下,运动员的动能和蹦床的弹性势能增大,将重力势能转化为运动员的动能和蹦床的弹性势能;当蹦床的形变量达到某一值时,弹力与重力相平衡,运动员的速度达到最大;当运动员继续向下运动时,随着形变量的增加,向上的弹力大于重力,运动员减速向下,运动员的动能和重力势能转化为蹦床的弹性势能,直到最低点时动能为零,弹性势能最大;然后在向上的弹力作用下运动员又开始向上运动,最终离开蹦床向上弹起,蹦床反弹过程中的能量转化,同学们可尝试着自己进行分析.

形变监测论文 篇4

1.1 地面水平位移监测方法

利用常规精密大地测量方法进行水平位移监测时, 首先在待监测区域外建立一平面控制网, 然后再使用精密测距仪、电子经纬仪或电子全站仪进行观测, 以获取滑坡平面位移监测的参考基准。

1.2 沉降监测方法

进行沉降监测时一般是须设置基岩标时, 通常用精密水准测量方法对滑坡进行垂直位移监测, 又称沉降观测, 该方法属于一维变形测量。在软土地基上修建高速公路, 路堤处于边修边沉的状态, 一般解决的方法有, 将路堤填筑到超过设计标高一定高度, 以消除沉降的影响。作为地面沉降观测的基准点, 再在沉降地域布设沉降观测点, 以一定周期重复进行水准测量, 经过多期水准测量和地面沉降观测资料的分析研究, 计算出各沉降观测点的各期沉降量、累计沉降量、沉降速率等数据, 从而为沉降区域的治理提供科学依据。

1.3 地面三维变形监测方法

1.3.1 全站仪三维变形监测

全站仪因其特有的优势可以替代水准测量, 在对滑坡监测时可以采用全站仪进行三维变形监测。自动全站仪是全站仪的一种, 是目前最常使用的一种, 因其自动化、智能化程序能对合作目标进行自动识别、锁定跟踪、自动观测和记录, 因此也有着“测量机器人”的美誉。自动全站仪测量精度很高, 测角精度可以达到士0.5″, 测距精度可达到士 (1mm+1ppm) , 因此因其变形测量的效率和精度极高, 广泛应用于滑坡监测、大坝变形监测等多个领域。

1.3.2 三维激光扫描仪变形监测

三维激光扫描仪在地面三维变形监测中也是一种重要的方法, 因其采用激光扫描, 所以测量速度快、采集信息量大、效率高。通过旋转式镜头的中心发射激光, 当激光接触到物体立刻被反射回扫描仪, 这样扫描仪记录了仪器与物体之间距离, 同时通过计算旋转镜头在竖直方向的旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度得到测量点的三维坐标, 通过三维坐标可以形成滑坡体的点云图, 点云图精确成CAD模型就可以对变形监测进行清楚分析。三维激光扫描仪的最大优点是监测效率高、操作简便、成像直观形象, 在户外监测中应用广泛。

1.3.3 摄影测量监测方法

摄影测量方法包括近景摄影测量和地面立体摄影测量方法。比如, 利用普通相机或数码相机照相, 然后输入计算机中先进行像点量测, 再通过程序计算获取三维坐标, 根据坐标判断形变;或者用专用量测相机对滑坡监测范围进行拍摄, 并构成立体像对, 结合坐标量测仪量测出观测点的像坐标, 然后通过坐标法测定地面变形。摄影测量与遥感学科隶属于地球空间信息科学的范畴, 它是利用非接触成像和其他传感器对地球表面及环境、其他目标或过程获取可靠的信息, 并进行记录、量测、分析和表达的科学与技术。

2 GPS公路滑坡三维变形监测研究

2.1 GPS测量原理与方法

全球定位系统简称GPS, 是由美国建立的一个卫星导航定位系统, 因其具有全天候、连续、实时的特点, 同时具有全球覆盖、同步测量等优点, 广泛应用于各行各业, 对地质灾害的监测、提高对灾害的预报和预防, 保证人民生命财产安全具有重要的实际意义。

2.2 伪距定位法

伪距法定位是GPS定位系统进行导航的最基本的方法, 其基本工作原理是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置, 通过计算距离交会的距离得到接收机天线所在点的三维坐标, 进而进行测量。因为卫星钟和接收机钟之间机器存在误差, 所以实际测出的距离ρ′与卫星到接收机的几何距离ρ有一定的差值。虽然伪距定位法存在误差, 定位精度不高, 但是误差很小, 而且是一次定位存在误差, 所以当其高速的定位速度和其没有多值性的特点, 在GPS定位导航系统中占有重要的地位。

2.3 GPS相对定位

GPS相对定位是在基线的两端分别安置一台接收机, 两台通过同步观测相同的GPS卫星计算出基线端点的相对位置或基线向量。这种方法的优点是计算方便, 如果知道一个端点坐标, 通过用基线向量计算出另一待定点的坐标, 也是GPS测量的重要方法之一。

3 GPS在公路滑坡监测中的实施

3.1 基准点的选择与坐标测定

因为变形测量需要进行多次重复测量, 这样如果采用不同的基准, 这样每次测量得到的相应的变形位移量就会不同, 因此要使测量准确, 必须建立一个统一的基准, 一般选择固定基准测量。由于大型滑坡体监测不方便实施, 这样可以布设一定数量的首级控制网——基准网, 然后利用GPS定位技术进行测定, 优先选择离滑坡较远且地质条件良好地域有利于测量的实施。

3.2 GPS滑坡监测网的技术设计

建立GPS控制网进行滑坡变形监测, 是对GPS控制网以一定的周期进行重复观测, 然后各期单独平差, 求出各期间的坐标差 (高程差) 及精度信息。根据坐标差 (高程差) 信息估计变形参数, 建立变形监测点的运动变化数学模型, 用于对滑坡体的变形状况进行评估和预报。

3.3 GPS滑坡监测数据的采集

变形监测是其中重要内容, 也是判断滑坡的重要依据, 为了得到可靠的GPS滑坡监测信息, 在GPS观测前应做好GPS接收机的检定、GPS卫星的可见性预报、GPS观测调度计划等准备工作, 以保证获取高质量的GPS外业观测数据。GPS观测前应编制观测计划表, 观测时统一调度、按计划进行。可靠的监测基准是进行滑坡形变情况分析、趋势预测的重要基础之一。

4 结语

公路滑坡地质灾害分布范围广、发生频繁, 降低公路滑坡地质灾害对人民生命财产安全造成的损失, 必须建立安全、可靠、有效地公路滑坡三维变形监测方法。GPS作为一种新兴的大地测量手段, 它具有全天候、高精度、自动化程度高等特点, 为公路滑坡等地质灾害的监测与预报提供了更先进、更有效的技术手段。

参考文献

[1]刘万林, 王利, 赵超英.GPS水准的有限元法与多面函数法的加权综合模型[J].地球科学与环境学报, 2004 (3) .

[2]杨建图, 姜衍祥, 周俊, 等.GPS测量地面沉降的可靠性及精度分析[J].大地测量与地球动力学, 2006 (1) .

[3]王利, 张勤, 赵超英.GPS一机多天线技术在公路边坡灾害监测中的应用研究[J].公路交通科技, 2005, 22 (6) :163~166.

形变监测论文 篇5

传统的大地形变测量一般采用水准测量的方法测量高程的变化,用三角网、导线法、视准线法配备经纬仪测定平面位置变化。实践证明,这种方法的测量精度、工作效率受地形条件影响很大,且监测范围较小,仅能提供变形体上离散点的变形状态。GPS作为现代大地测量的一种技术手段,可以实现三维大地测量和连续监测,实现了测量过程的自动化,且作业简单方便,具有高效、精确、劳动强度低等

优点[1]。目前,GPS技术已在滑坡、地面沉降、地震、地裂缝等地质灾害监测方面得到了广泛应用[2]。经多方研究表明,GPS静态定位精度完全满足煤矿垂直形变的精度要求。为进一步研究GPS静态定位技术测量煤矿垂直形变的精度,笔者在山西太原西山煤田古交矿区(地理坐标为东经112°21′53″~112°31′31″,北纬37°44′40″~37°55′00″)布设了GPS监测网,并与二等水准作业进行同步观测,对两种方法的测量结果进行了对比分析。

1基于GPS技术的煤矿垂直形变监测

1.1 观测准备

观测仪器采用上海华测导航技术有限公司生产的X90型号GPS接收机,数据处理软件采用华测Compass后处理软件。作业技术依据为《全球定位系统(GPS)测量规范》。

观测计划:首先根据古交地区的经纬度及大地高,编制卫星可见性预报表及卫星几何图形强度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)预报表(见图1),然后根据预报结果制定观测计划表。

观测要求:架设的GPS接收机要严格对中整平;精确量取天线高,在相隔120°的3个方向上各量取一次,取平均值记录在手簿上;开始观测时、观测过程中及观测结束后各量取一次,取平均值作为仪器高观测值。

具体作业参数:星高度截止角为15°,数据采样方式为压缩,数据采样间隔为15 s,PDOP≤8,作业模式为静态。

1.2 GPS监测网布设与观测

GPS监测网的连接方式采用边连式,如图2所示。外业作业从2011-11-21开始,作业时间为每天的8:00~17:30,每隔11 d观测1次,严格按计划执行。本项目研究组分为6个小组,每组2人负责1台接收机,每次观测分为5个观测时段,每个观测时段时间为1.5 h。

1.3 数据处理

Compass软件处理GPS数据的步骤主要有新建任务、导入数据、处理基线、平差前的设置、进行网平差、成果输出等。古交矿区GPS静态数据的基线处理与网平差结果如图3所示,成果输出如图4所示。

1.4 GPS监测结果

通过采集古交矿区GPS监测网中的GPS静态测量数据,并进行内业数据处理,得到了该矿区的五期大地高。为了形象地表示12个监测点在观测时段内的沉降情况,将所得数据绘制成沉降值曲线,部分曲线如图5所示。18207-1和18207-2表示工作面18207上的1号监测点和2号监测点。

从图5可以看出,各监测点的高程出现了不同程度的减小,说明它们所在的矿区工作面出现了沉降。其中工作面22620上的3个监测点沉降较大,沉降速度快,说明在观测时间内该工作面正在采煤,并已经开采到监测点下方。而工作面18307和18308只是出现了微小的沉降,沉降速度缓慢,说明这两个工作面还没有开始开采,沉降主要是自然下沉和人为误差造成的。另外,工作面18207上的1号监测点下沉值明显大于2号监测点下沉值,说明该工作面已经开始采煤,并且快要开采至1号监测点,但离2号监测点还比较远。根据煤矿提供的开采资料,GPS监测结果与实际情况完全吻合。

2基于二等水准测量的煤矿垂直形变监测

水准作业采取二等水准测量,技术要求按照GB12897—1991《国家一、二等水准测量规范》执行。仪器采用自动安平水准仪(DSZ1)和铟瓦水准尺。水准点的高程基准采用正常高系统,按照1985国家高程基准起算。

二等水准测量采用单路线往返观测,在每一区段内,先连续进行所有测段的往测,随后再连续进行该区段的返测;同一测段的往测与返测应分别在上午与下午进行,且应在日间气温变化不大的阴天和观测条件较好时进行;若区段较长,也可将区段分成20~30 km的几个分段,在分段内连续进行所有测段的往返观测。位于变形量较大地区的结点,应由几个观测组协同作业,尽量缩短连测时间。检测时,须单程检测一已测测段;若单程检测超限,则应检测该测段另一单程;若高差中数仍超限,则继续往前检测,以确保采用稳固、可靠的已测点作为连接点。由于水准测量的工作量比较大,每隔22 d测量1次。

3GPS和二等水准监测结果对比分析

为进一步研究GPS静态定位技术监测煤矿垂直形变的精度,将采用GPS和二等水准监测所得各点的沉降量进行比较,表1汇总了2011-11-21—2012-01-04这44 d内的GPS静态观测与水准测量数据。

从表1可见,2011-11-21—2012-12-13第一监测时间段内,12个监测点中GPS和二等水准监测结果差值小于3 mm 的有6个点,大于3 mm 的也是6个点。2011-12-13—2012-01-04第二监测时间段内,12个监测点中GPS和二等水准监测结果差值小于3 mm 的有8个点,大于3 mm 的有4个点。综合两期的观测数据分析,22620-2号监测点和28102-2号监测点差值稍微偏大,可能是由于观测误差或观测条件的影响;22620-1号监测点差值过大,反映出测量中可能存在粗差或者其它因素的影响。

根据表1数据计算可知,第一期监测时间段内12个监测点的平均差值为-1.09 mm,第二监测时间段内12个监测点的平均差值为-0.19 mm,说明GPS观测和二等精密水准监测结果的平均差值不大于2 mm,两种方法反映的矿区垂直形变量的情况基本一致。

4结语

为了监测某煤矿地表变形,配合地面沉降的二等精密水准测量,布设了一个GPS监测网。从2011-11-21开始,每隔11 d进行一次静态GPS测量,每隔22 d进行一次二等水准测量。结合数据对比分析,得出用GPS测得的沉降量与用精密水准测量得到的结果基本一致, GPS技术可用于监测煤矿垂直形变的结论。

参考文献

[1]曾旭平.GPS滑坡高程监测的数据处理问题[J].武汉大学学报:信息科学版,2004(3):201-204.

[2]胡友健,梁新美,许成功.论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J].测绘科学,2006(5):155-157.

[3]王利,刘万林.应用GPS定位技术监测滑坡体垂直形变研究[J].西安工程学院学报,2002(3):61-65.

[4]黄立人,匡绍君,杨贵业.GPS观测得到的天津地区的现今变形[J].大地测量与地球动力学,2002(4):17-20.

形变监测论文 篇6

古建筑三维形变是一种常见的文物病害,它是指古建筑在长期保存过程中由于环境变化、营力侵蚀(风化、流水、冰冻)等因素导致的整体或局部在三维空间发生的位移、变形、脱落等一系列不利于文物安全或有损文物外貌的变化。

传统形变监测多为单点式监测,如安装应力应变传感器、用测绘仪器(全站仪、水准仪、GPS)等,由于采样点少,难以发现细微变化,很难反映变形的全部特征,这必将延误对古建筑进行有效保护,导致形变进一步扩大;再者,常规形变监测劳动强度大,且文物工作人员无法到达或者人员的接触易造成文物的损害,如虎丘塔这种高层古建筑,造成无法进行全面监测;最后,单点式形变监测不能对以后的修复工作提供有意义的帮助[1]。因此,在进行修复时,文保人员更多地依赖于经验和主观的判断,这不可避免地导致了修复工作的不科学性。

三维激光点云数据记录了被扫描物体某一时刻的静止状态,按时间采集的三维点云可以记录被扫描物体一段时间内的变化,称这种时序三维点云为多时相点云数据。多时相点云是分析被扫描物体时空形态变化的重要数据源[2]。国内外对该技术应用于古建形变监测领域已进行了一定的研究,李树坤[3]利用多时相点云数据分析了贴金石质文物表面病害情况。周伟等[4]通过采集点云数据,利用激光扫描技术对颐和园内佛香阁通天柱进行了精密监测。日内瓦大学Alessandro等人[5]通过对圣苏菲亚大教堂进行三维扫描研究,对大型复杂的古建筑进行了形变监测与分析。Allen等[6]利用地面三维激光扫描仪对圣皮埃尔大教堂进行全面的三维重建与形变监测。

1 技术路线

虎丘塔又称云岩寺塔,如图1所示,现存塔身建成于公元961年(北宋建隆二年),七层八面,高47.7m,重6000多吨,是以砖结构为主的仿木构楼阁式砖塔,斜而不倒,是10世纪长江流域砖塔的代表作。也是苏州市现存建筑中的“第一寿星”、苏州古城的地标之一,1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位,2014年成为世界文化遗产景点。

自宋代以来虎丘塔历经灾难,受损严重。建国后分别在1957年与1986年完成两次抢救性维修,对塔基进行了整体加固,使之成为一体。二十多年来苏州市测绘院对古塔的监测和分析表明,古塔未出现明显的不均匀沉降,塔体仅有微小的倾斜,目前仍属渐变过程[7]。但近年来由于暴露在外的塔体受到雨水(酸雨)、冰雪等侵蚀,风化严重,出现了如图2所示的隐木腐蚀导致斗拱掉落与砖块掉落等情况(每年超十块),如何利用现代测绘技术对塔身形变实施监测,是摆在文保与测绘工作者面前的重要课题,而将三维激光扫描技术用于虎丘塔形变监测将是这方面一个重要的尝试。

基于单点监测方法仅仅依靠少量监测点是不能获取充足的塔身形变病害信息,对古塔安全评估容易出现差错。三维扫描技术可以快速准确采集古塔完整点云数据,通过处理与分析能够精细准确获取各部分不同时期三维数据,实现虎丘塔三维空间形变监测和分析。虎丘塔形变监测分为3个部分,包括数据采集、数据处理、数据分析。数据采集包括塔身点云数据采集、固定标靶数据采集。数据处理主要进行整体点云数据拼接、去噪与滤波。数据分析主要包括不同时相点云数据的偏差分析与所反映的塔身形变分析。

2 激光点云数据采集

选用Faro公司Focus3D三维激光扫描仪对虎丘塔进行点云数据采集,Faro Focus3D参数如表1所示。

利用该扫描仪对虎丘塔外部进行了两期(维修前、维修后)数据采集,借助脚手架平台以分层扫描方式确保整体塔身数据的完整性。垂直方向共架设14层(如图3所示),水平方向在每层的塔角处分设8个测站(如图4所示)。

同时在塔身壸门内布设12个固定标靶球(标靶与塔身固定),以便于完成不同测站与不同时相的点云拼接,在布设时标靶球不能在同一条直线上或同一个平面内。图5为现场扫描与标靶布设示意图。第一期与第二期同样采集了112站数据。

3 激光点云数据处理

激光点云数据处理主要包括点云的拼接、去噪、滤波等,本文主要介绍对形变监测影响较大的点云拼接。

3.1 点云拼接

不同测站与不同时相的点云数据高精度配准是形变监测的基本前提,是降低伪监测风险、提高监测可靠性的关键技术。常用的配准方法有:①基于标靶的配准;②基于同名点的配准;③基于标靶和同名点的混合配准。配准精度主要取决于标靶或同名点的识别精度。通常情况下,方法①的配准精度最高,方法②的配准精度与扫描点的密度成正相关,即点云密度大,配准精度则高,反之亦然[8]。点云配准实质上是不同测站的坐标系进行统一的过程,通过两个不同测站Q1和Q2数据中3个或3个以上的同名点,利用空间坐标转化模型将一个测站的数据转换到另一个测站的基准坐标系中。转化模型公式为:

即:

式(2)中:R为两坐标系之间的旋转矩阵,T为平移矩阵,表示坐标原点的平移量。虎丘塔扫描工作中采用基于球形标靶的拼接方式,在多个测站扫描同一组标靶,通过合理设站及布设标靶,使各相邻测站均能扫描到3个以上的同名标靶。还尽量布设多余标靶以增加多余观测,使拼接过程中即便跨1~2个站点依然有公共标靶可进行拼接,这样保证了多于3组的控制点数目,可获得最小二乘意义上的变换参数,从而完成对各站数据的精确拼接。图6为虎丘塔整体拼接的结果。两期点云数据的整体配准同样使用该12个标靶球完成。

3.2 点云数据精度检核

为检验点云成果整体精度,确保形变监测结果的正确性,项目实施中利用布设的标靶球进行了点云质量整体评定。如图7所示,在水平方向上瞄准球标靶的左右边缘,测出方位角A1、A2并取平均;同样,在垂直方向上瞄准球体的上下边缘,测出天顶距Z1、Z2,并取平均[9];依据两个方向的平均值可以确定球的表面中心,此时可以测出测站到表面中心的距离S',根据上下边缘的天顶距Z1、Z2和至球表而的斜距S',可以求出球的半径r:

根据极坐标测定空间点位的公式可得球心的三维坐标为:

项目利用虎丘塔四周布设的长期变形监测墩对标靶球进行了观测(见图8),全站仪在监测墩处共架设4站,每测站至少测量3个球心坐标,标靶球按1~12号分别命名。本次所采用靶标球半径为0.0725m,通过比较全站仪实测半径与真实球半径,检核全站仪测量靶标球球心精度。经分析可知,两者较差均在±1mm以内,球半径较差中误差为±0.623mm。

在配准后的整体点云中提取出标靶球点云数据,利用MATLAB编程实现了基于总体最小二乘(Least Squares,LS)的球心拟合算法[10],并计算出12个球心坐标。由于全站仪坐标系与点云坐标系未进行统一,因此本文通过比较球心距的方法来进行精度检核。共检测球心距29个,其中最大偏差为1号与11号标靶,偏差值为23.9mm,计算得出的球心距偏差中误差为±7.5mm。由此可得塔身整体配准精度较高,满足古建筑形变监测的要求。

4 塔身形变分析

为了确保标靶球的稳定及后期拼接质量,同样利用虎丘塔四周布设的长期变形监测墩对其进行了定期监测。通过在监测墩上架设高精度全站仪,对标靶球进行球心坐标采集,分别于施工前、施工中、施工后监测3期数据,监测数据如表2所示。同时由表3监测数据变化量与表4监测数据点位精度分析可知,与第一期监测数据相比,第二期、第三期最大点位误差分别为0.0014m与0.0013m,点位中误差分别为0.0009m与0.0011m,且点位中误差在X、Y、Z分量上均小于0.001m,监测结果显示标靶球在作业期间位置稳定,未发生明显位移,满足数据配准拼接要求。

为了对塔身形变进行分析,以维修前第一期扫描数据为参考对象,将维修中第二期扫描数据与其进行偏差分析比较。使用塔身均匀布设的12个球形标靶将第二期数据全部配准到第一期数据上去。由于两期数据量较大,直接进行整塔偏差分析对计算机性能要求较高。因此采用分层分面裁剪的方法进行分块计算分析,共将虎丘塔(7层8面)分成56块分析区域。以六层南侧为例,使用Geomagic软件的3D比较功能将第一期与第二期数据进行偏差计算,通过计算可识别出塔身形变区域,并以高亮的圆形标定,如图9所示,计算机自动识别出六层墙裙顶部斗拱发生了形变事件(斗拱脱落,如图2所示)。

同时可计算出六层南侧两期数据的形变监测数据:根据两期数据偏差分析结果图(见图10)得出平均偏差值为-0.0840m~0.0002m,标准偏差为0.0048m,最大偏差为0.2m。其中平均误差指从测试对象到参考对象上任一点的平均偏差距离,标准偏差指测试与参考对象比较后的所有随机误差按正态分布规律时的均方根误差(即标准偏差),最大距离指从测试对象到参考对象上任一点的最大偏差距离。分析结果表明,六层南侧发生斗拱脱落情况,脱落斗拱最大尺寸约为20cm。表5为两期数据偏差分布表,分析可得出99.8322%的点位误差小于1cm,说明除斗拱脱落以外,该区域塔身整体情况较为稳定,无明显形变事件发生。

5 总结与展望

以上分析和实验结果表明,三维激光扫描系统数据采集全面,改变了传统单点量测方式,可以较为准确地表达监测对象真实复杂的状况。监测结果对普通文保工作者来说简单易懂。因此非常适合使用在古建筑形变监测项目当中。另外,三维激光扫描技术具有测量速度快、点云密度高、可以全天候监测等特点,可以为准确监测塔身形变的发生位置及形变情况提供第一手的连续可靠的数据及其相关信息资料,不失为古建筑形变监测的新途径。

本文从整体偏差的角度考虑了形变事件,然而形变情况是三维方向的,本文仅仅给出了整体的变化量,所以今后可以通过特征提取算法计算特征的变化来反映古建筑的形变情况。同时关于扫描仪形变监测的精度评定以及误差分析,目前没有系统的说明,需要进一步分析误差,改正误差,提高监测精度。总之,将三维激光扫描技术应用于大型古建筑变形监测具有重要的研究意义。

摘要:地面三维激光扫描系统可以快速、全面地获取被监测对象的海量三维点云数据,在古建筑三维形变监测领域该技术开始得到应用。通过介绍虎丘塔三维激光点云数据的采集、处理与精度检核方法,以及通过多时相点云数据偏差分析结果对比塔身变化情况,研究了三维激光扫描技术在古建筑形变监测方面的可行性。

关键词:三维激光扫描,多时相点云数据,虎丘塔,形变监测

参考文献

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[9]程效军,贾东峰,程小龙.海量点云数据处理理论与技术[M].上海:同济大学出版社,2014:108~110.Cheng Xiaojun,Jia Dongfeng,Cheng Xiaolong.The theory and technology of mass point cloud data processing[M].Shanghai:Tongji University Press,2014:108~110.(in Chinese)

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