1、第三章變形監(jiān)測(cè)技術(shù) 在測(cè)量工程的實(shí)踐科學(xué)研究中，變形觀測(cè)占有十分重要的地位。工程建筑物的興建，從施工開(kāi)始到竣工，以及建成后整個(gè)運(yùn)營(yíng)期間都要不斷地或周期性地監(jiān)測(cè)這些建筑物的變形情況，一般來(lái)說(shuō)，由于各種因素的影響，工程建筑物及其設(shè)備在其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生變形。在一定的限度之內(nèi)，這種變形可以認(rèn)為是正常的現(xiàn)象，但如果這種變形超過(guò)了規(guī)定的限度，就會(huì)影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及建筑物的安全，造成人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。 對(duì)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(chēng)為變形體。對(duì)變形體在運(yùn)動(dòng)中的空間和時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行周期性的重復(fù)觀測(cè)，就稱(chēng)為變形觀測(cè)，如地殼運(yùn)動(dòng)中由于地應(yīng)力的長(zhǎng)期累積而可能導(dǎo)

2、致產(chǎn)生地震所進(jìn)行的地殼形變監(jiān)測(cè);山體不穩(wěn)可能導(dǎo)致滑坡所進(jìn)行的坡體變形監(jiān)測(cè);采礦、采油和抽取地下水而導(dǎo)致地面沉陷監(jiān)測(cè)以及攔河大壩的安全穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等都是變形觀測(cè)的具體實(shí)例。3. 1變形監(jiān)測(cè)技術(shù) 目前，變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)和方法正在由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測(cè)模式向點(diǎn)、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(cè)點(diǎn)，在變形區(qū)影響范圍之外的穩(wěn)定地點(diǎn)設(shè)置固定觀測(cè)站，用高精度測(cè)量?jī)x器定期監(jiān)測(cè)變形區(qū)內(nèi)網(wǎng)點(diǎn)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(cè)方法。這些方法主要泛指高精度地面監(jiān)測(cè)技術(shù)、攝影測(cè)量方法及GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等手段。3.1.1地面監(jiān)測(cè)方法與測(cè)量機(jī)器人 地面監(jiān)測(cè)方法主要是指用高精度測(cè)

3、量?jī)x器(如經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀、全站儀等)測(cè)量角度、邊長(zhǎng)和高程的變化來(lái)測(cè)定變形，它們是目前變形監(jiān)測(cè)的主要手段。常用的地面監(jiān)測(cè)方法主要有兩方向(或三方向)前方交會(huì)法、雙邊距離交會(huì)法、極坐標(biāo)法、自由設(shè)站法、視準(zhǔn)線法、小角法、測(cè)距法及幾何水準(zhǔn)測(cè)量法，以及精密三角高程測(cè)量法等。常用前方交會(huì)法、距離交會(huì)法監(jiān)測(cè)變形體的二維(X,Y方向)水平位移;用視準(zhǔn)線法、小角法、測(cè)距法觀測(cè)變形體的水平單向位移;用幾何水準(zhǔn)測(cè)量法、精密三角高程測(cè)量法觀測(cè)變形體的垂直(Z方向)位移。地面監(jiān)測(cè)方法具有如下的優(yōu)點(diǎn): 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(cè)確定變形體的變形范圍和絕對(duì)位移量; 2)觀測(cè)量通過(guò)組成網(wǎng)

4、的形式可以進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的校核和精度評(píng)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(zhǔn)儀 下面重點(diǎn)介紹當(dāng)前變形監(jiān)測(cè)的最新技術(shù)變形監(jiān)測(cè)機(jī)器人的應(yīng)用。 測(cè)量機(jī)器人(Measurement Robot，或稱(chēng)測(cè)地機(jī)器人，Georobot)是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)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(jìn)馬達(dá)、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(cè)量機(jī)器人通過(guò)CCD影像傳感器和其他傳感器對(duì)現(xiàn)實(shí)測(cè)量世界中的“目標(biāo)”進(jìn)行識(shí)別，迅速作出分析、判斷與推理，實(shí)現(xiàn)自我控制，并自動(dòng)完成

5、照準(zhǔn)、讀數(shù)等操作，以完全代替人的手工操作。測(cè)量機(jī)器人再與能夠制定測(cè)量計(jì)劃、控制測(cè)量過(guò)程、進(jìn)行測(cè)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(cè)量任務(wù)。 在工程建筑物的變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方面，測(cè)量機(jī)器人正漸漸成為首選的自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)設(shè)備。利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行工程建筑物的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)，一般可根據(jù)實(shí)際情況采用兩種方式:固定式全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測(cè);移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。 1.固定式全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)瀏固定式全自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測(cè)方式是基于一合測(cè)量機(jī)器人的有合作目標(biāo)(照準(zhǔn)棱鏡)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全天候的無(wú)人守值監(jiān)測(cè)，其實(shí)質(zhì)為自動(dòng)極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與組成方式如圖3一2。圖3-2測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成 1)基

6、站?；緸闃O坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)，用來(lái)架設(shè)測(cè)量機(jī)器人，要求有良好的通視條件和牢固穩(wěn)定。 2)參考點(diǎn)。參考點(diǎn)(三維坐標(biāo)已知)應(yīng)位于變形區(qū)域之外的穩(wěn)固不動(dòng)處，參考點(diǎn)上采用強(qiáng)制對(duì)中裝置放置棱鏡一般應(yīng)有34個(gè)，要求覆蓋整個(gè)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(zhǔn)。 3)目標(biāo)點(diǎn)。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(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)軟件構(gòu)成，通過(guò)通信電纜控制測(cè)量機(jī)器人作全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，可直接放置在基站上，若要進(jìn)行長(zhǎng)期的無(wú)人守值監(jiān)測(cè)，應(yīng)建專(zhuān)用機(jī)房。 2.移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)瀏 固定式全自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全天候地?zé)o人守值監(jiān)測(cè)，并有高效、全自動(dòng)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。但也

7、有缺點(diǎn):沒(méi)有多余的觀測(cè)量，測(cè)量的精度隨著距離的增長(zhǎng)而顯著地降低，且不易檢查發(fā)現(xiàn)粗差;系統(tǒng)所需的測(cè)量機(jī)器人、棱鏡、計(jì)算機(jī)等設(shè)備因長(zhǎng)期固定而需采取特殊的措施保護(hù)起來(lái);這種方式需要有雄厚的資金作保證，測(cè)量機(jī)器人等昂貴的儀器設(shè)備只能在一個(gè)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中專(zhuān)用。 移動(dòng)式半自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作業(yè)與傳統(tǒng)的觀測(cè)方法一樣，在各觀測(cè)墩上安置整平儀器，輸人測(cè)站點(diǎn)號(hào)，進(jìn)行必要的測(cè)站設(shè)置，后視之后測(cè)量機(jī)器人會(huì)按照預(yù)置在機(jī)內(nèi)的觀測(cè)點(diǎn)順序、測(cè)回?cái)?shù)，全自動(dòng)地尋找目標(biāo)，精確照準(zhǔn)目標(biāo)、記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各種限差，作超限重測(cè)或等待人工干預(yù)等。完成一個(gè)測(cè)點(diǎn)的工作之后，人工將儀器搬到下一個(gè)施測(cè)的點(diǎn)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(dòng)式網(wǎng)觀測(cè)模式可大大減輕觀測(cè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，所獲得的成果精度更好。 3.工程應(yīng)用 基于測(cè)量機(jī)器人的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已在不同類(lèi)型的變形監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用。對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)，選定三峽工程庫(kù)區(qū)巴東滑坡進(jìn)行了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，滑坡體面積約1 km2，經(jīng)實(shí)地勘察，在滑坡體對(duì)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(gè)參考站，在滑坡體上均勻設(shè)置5個(gè)目標(biāo)丟按，監(jiān)測(cè)視線穿過(guò)長(zhǎng)江，其長(zhǎng)度在8001300M之間實(shí)驗(yàn)時(shí)恰逢下雨，因此只進(jìn)行了5個(gè)周期的觀測(cè)，每期盤(pán)左盤(pán)右觀測(cè)一個(gè)測(cè)回。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在雨中TCA1800自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別情況良好，且基本達(dá)到儀器的標(biāo)稱(chēng)精度o時(shí)，長(zhǎng)半軸e的方向在第一、三象限;

9、當(dāng)Q0時(shí)，e的方向在第二、四象限。當(dāng)Q=0時(shí)，誤差橢圓成為一個(gè)圓，即誤差圓。 2.可靠性標(biāo)準(zhǔn) 可靠性概念是荷蘭3arrda教授(1968年)針對(duì)觀測(cè)值數(shù)據(jù)中的粗差提出來(lái)的。測(cè)量控制網(wǎng)的可靠性是指控制網(wǎng)探測(cè)觀測(cè)值粗差和抵抗殘存粗差對(duì)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(cè)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(yàn)功效。在顯著水平為的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)?這時(shí)觀測(cè)值l上可發(fā)現(xiàn)粗差的下界值為:=式中，為觀測(cè)值l的中誤差; 為非中心參數(shù); 為觀測(cè)值的多余觀測(cè)分量。為了直接進(jìn)行不同類(lèi)觀測(cè)值的可靠性比較， 令= (3一10)作為度量觀測(cè)值內(nèi)部

10、可靠性的指標(biāo)。 2)外部可靠性外部可靠性是指無(wú)法探測(cè)出(小于)，而保留在觀測(cè)數(shù)據(jù)中的殘存粗差對(duì)平差結(jié)果的影響。這時(shí)，最大殘存粗差對(duì)平差參數(shù)的影響為:由于式(3-11)與基準(zhǔn)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(zhǔn)無(wú)關(guān)。由此可以得到即為描述不同觀測(cè)值的外部可靠性指標(biāo)。3)多余觀測(cè)分量由于內(nèi)、外可靠性均與、有關(guān)，當(dāng)顯著水平和檢驗(yàn)功效。一定時(shí)，它們完全隨的變化而變化。因此，可以作為評(píng)價(jià)內(nèi)、外部可靠性的公共指標(biāo)。= (3一13)即為矩陣主對(duì)角線上的元素，稱(chēng)為控制網(wǎng)的多余觀測(cè)分量。多余觀測(cè)分量與多余觀測(cè)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(cè)

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(cè)分量不僅代表了該觀測(cè)值在總的多余觀測(cè)數(shù)中所占地位，而且也可以作為可靠性評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要量度局部可靠性。同時(shí)，多余觀測(cè)數(shù)r愈大，表明對(duì)發(fā)現(xiàn)粗差愈有利。因此，我們也可以用多余觀測(cè)的平均值作為另一可靠性度量整體可靠性指標(biāo)。 (3一15)在控制網(wǎng)設(shè)計(jì)階段、根據(jù)網(wǎng)的類(lèi)型，能夠?qū)τ^測(cè)值起良好控制的網(wǎng)其多余觀測(cè)分量應(yīng)該滿(mǎn)足 n 3.變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的特殊準(zhǔn)則靈敏度準(zhǔn)則 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)以靈敏度準(zhǔn)則作為其特殊的質(zhì)量準(zhǔn)則，是由變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)不同于一般控制網(wǎng)的性質(zhì)、特點(diǎn)和用途所決定的。我們知道，變形監(jiān)測(cè)的目的就是要證明監(jiān)測(cè)對(duì)象是否存在顯著變形，和一般控制網(wǎng)相比，監(jiān)

12、測(cè)網(wǎng)最主要的特點(diǎn)就是具有周期性和方向性，即通過(guò)多期觀測(cè)來(lái)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(cè)網(wǎng)的靈敏度則正是用來(lái)描述監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)的主要質(zhì)量準(zhǔn)則。下面作具體討論。 1)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的總體靈敏度 設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)兩期觀測(cè)分別平差后，公共坐標(biāo)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(zhǔn)無(wú)關(guān)對(duì)所給變形模型作如下顯著性檢驗(yàn) 構(gòu)造如下統(tǒng)計(jì)計(jì)量: (3一20) (3一21)式中，自由度f(wàn)=rk()，非中心參數(shù)由下式計(jì)算;= (3一22)應(yīng)用式(3-20)、式(3-21)就可以對(duì)變形模型作整體檢驗(yàn)。但在監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)階段，更有意義的是相反的問(wèn)題:即給定顯著水平和檢驗(yàn)功效，問(wèn)非中心參數(shù)應(yīng)達(dá)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(duì)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(zhǎng)度，g為變形方向的單位向量，有=1。由給定的顯著水平檢驗(yàn)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(zhǎng)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(chēng)或?yàn)楸O(jiān)測(cè)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(gè)U維(U維未知坐標(biāo)向量)超球，當(dāng)=時(shí)，表示一個(gè)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(cè)網(wǎng)在.下無(wú)法檢測(cè)出。 2)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的局部靈敏度與單點(diǎn)靈敏度 當(dāng)網(wǎng)中點(diǎn)只有部分點(diǎn)或單點(diǎn)可能發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可只對(duì)動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)從而得出網(wǎng)的局部靈敏度與單點(diǎn)靈敏度。對(duì)于監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，常討論的是

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

16、.機(jī)助法優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理 機(jī)助法優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理是:對(duì)一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初始網(wǎng)，利用平差模型和網(wǎng)的分析模型，對(duì)各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。若質(zhì)量指標(biāo)未達(dá)到或高于設(shè)計(jì)要求，則根據(jù)分析結(jié)果，采用人機(jī)對(duì)話的形式適當(dāng)改變?cè)O(shè)計(jì)方案，再進(jìn)行分析評(píng)估。如此多次修改，直到各項(xiàng)指標(biāo)都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)者感到滿(mǎn)足為止。 按照機(jī)助設(shè)計(jì)的過(guò)程來(lái)看，一個(gè)機(jī)助設(shè)計(jì)系統(tǒng)大體上可以分為6個(gè)部分，即初始方案、數(shù)學(xué)模型、終端顯示、人機(jī)對(duì)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(shuō)明各個(gè)部分應(yīng)具備的基本功能。 (1)初始方案 機(jī)助設(shè)計(jì)首先必須確定一個(gè)初始方案，它是由網(wǎng)點(diǎn)的位置，點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，觀測(cè)值的

17、數(shù)目、類(lèi)型和精度，網(wǎng)的類(lèi)型和基準(zhǔn)等因素所確定的。初始方案通常是由設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)圖紙上(一般為地形圖)，根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)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(gè)具有不同功能的程序模塊所組成，它能對(duì)一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行各種加工處理，如各個(gè)量的秩序排列和編號(hào)、比較大小以及各種數(shù)值計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，求出各種反映該方案質(zhì)量好壞的性能指標(biāo)，以便設(shè)計(jì)者了解該方案是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、質(zhì)量是否過(guò)高或過(guò)低等。同時(shí)，還應(yīng)提供幫助設(shè)計(jì)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(qiáng)弱，直接反映了機(jī)助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能大小和設(shè)計(jì)的效果。所以，該部分是機(jī)助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心。 (3)終端顯示和人機(jī)對(duì)話 終端顯示和人機(jī)對(duì)話是兩個(gè)密切相關(guān)的部分，終端顯示的內(nèi)容和方式將受到人機(jī)對(duì)話部分的控制，并且所顯示的信息.又為人機(jī)對(duì)話服務(wù)。它們的基本功能是，借助于計(jì)算機(jī)的屏幕顯示功能，用字符、數(shù)字和圖形等方式，將所設(shè)計(jì)的方案的有關(guān)信息，在屏幕上直觀地顯示出來(lái)。如控制網(wǎng)的圖形和各種質(zhì)量分析圖，以