電子水準儀在建筑變形監(jiān)測中的應用研究

1、.畢業(yè)論文畢業(yè)論文題目 電子水準儀在建筑變形監(jiān)測中的應用研究學院專業(yè)班級 學生姓名 性別 指導教師 職稱 2012年6月15日精品.摘要建筑變形監(jiān)測是按照一定的周期對變形體進行重復觀測以確定其形狀在空間位置隨時間的變化量，并利用觀測結果總結出變形規(guī)律從而監(jiān)測變形體的運動。如果變形超過了限差，就會影響建筑物的正常使用，嚴重的會使建筑物傾斜甚至倒塌。因此，在建筑物施工過程和運營期間，都需要對它們進行變形觀測，確保工程建筑物的穩(wěn)定性，為安全運行診斷提供必要的信息，以便及時發(fā)現問題并采取措施。本論文主要介紹了電子水準儀的結構、測量原理；電子水準儀的種類和特點，目前發(fā)展的現狀，今后發(fā)展的趨勢。電子水準儀

2、的誤差來源，以及其常規(guī)的檢驗與校正方法。利用電子水準儀獲得工程的沉降數據后，通過數據處理繪制出沉降-荷載曲線圖和沉降等值線圖等；依據電子水準儀的基本原理及其在建筑沉降監(jiān)測中的應用進行研究和分析,從而得出對普及電子水準儀的應用和發(fā)展有益的結論。關鍵詞：電子水準儀；變形監(jiān)測；沉降觀測精品.abstractbuilding deformation monitoring is repeated observing the deformation objects with a certain period to determine the shape of the spatial position wi

3、th the change of time, and using the observed results to sum up the law of deformation and to monitor the movement of the deformation objects. if the deformation exceeds the limit, it will affect the normal use of the building, and will seriously make the building tilting or even collapse. therefore

4、, in the period of building construction and operation ,observing the building deformation to ensure buildings stability is very necessary .and then it can provide the necessary information for safe operation. it can also find problem and take measures to solve the problem timely. this paper introdu

5、ces the structure , types , characteristics and measurement principle of the digital level instrument. this paper also probe into the development situation at present and the development trend in the future of the digital level instrument. importantly, this paper make a research of large number of e

6、ngineering applications, especially in the settlement monitoring ,of the digital level instruments.electronic leveling instrument error source, and its routine inspection and correction method. use of electronic level to obtain engineering settlement data, through the data processing to map out the

7、settlement - load curve and settlement isoline map. to research and analysis on the basis principle of electronic level and its application in building settlement monitoring, the useful conclusions in popularization and development of electronic leveling instrument application is obtained.key words:

8、electronic level; deformation monitoring; settlement observatio精品.目錄第一章電子水準儀的基本原理11.1引言11.2電子水準儀的結構及測量原理11.3 電子水準儀的種類和特點11.3.1 電子水準儀的種類11.3.2 電子水準儀的特點71.4 電子水準儀的發(fā)展現狀及發(fā)展趨勢8第二章建筑變形觀測122.1建筑變形觀測122.1.1 建筑變形觀測概述122.1.2 建筑變形觀測的分類122.1.3 建筑變形觀測的特點132.1.4 建筑變形觀測的基本方法142.2 變形觀測的重要意義14第三章電子水準儀的觀測方法163.1 dini

9、 12電子水準儀的簡介163.2 電子水準儀的觀測方法17第四章電子水準儀的檢驗與校正194.1 電子水準儀的誤差194.2 電子水準儀的檢驗與校正214.2.1電子水準儀常規(guī)檢驗與校正214.2.2電子水準儀i角的檢驗與校正22第五章電子水準儀在變形觀測中的應用實例255.1 工程概況255.2 沉降觀測高程控制網方案設計255.2.1 觀測儀器及依據255.2.2水準基點的布設26精品.5.2.3工作基點的布設265.2.4 沉降觀測點的布設265.2.5觀測方法275.2.6 觀測成果275.3數據處理與分析285.3.1 觀測點的觀測成果285.3.2 累積沉降值305.3.3 沉降等

10、值線圖315.3.4 沉降-荷載-時間曲線圖315.3.5各觀測點隨時間累積沉降速度曲線圖34第六章總結與展望366.1經濟技術分析366.2 結論366.3 展望36參考文獻37致謝38附錄一中文譯文附錄二 外文翻譯原文精品.電子水準儀在建筑變形監(jiān)測中的應用研究第一章 電子水準儀的基本原理1.1引言隨著城市建設的迅猛發(fā)展, 高大建筑物越來越普遍, 建筑物的安全也越來越受到社會各界的關注, 為保證建筑物的順利施工和施工后的安全運營,就必須對建筑物進行系統(tǒng)的變形監(jiān)測，其中一項重要工作就是沉降觀測。因此對建筑物進行精確的沉降觀測就顯得尤為重要，因為它關系到整個工程的施工安全和使用安全。隨著測繪儀器

11、制造技術的飛速發(fā)展,沉降觀測手段也從傳統(tǒng)的光學水準儀發(fā)展到現在的電子水準儀。電子水準儀以其時尚的外觀設計、操作方便、高精度等諸多優(yōu)點,得到了廣大測繪工作者的青睞，在各種工程的變形監(jiān)測中得到了非常廣泛的應用。為了監(jiān)測驗證電子水準儀的精度，本文以天寶dini-12電子水準儀為例，通過實際的工程沉降監(jiān)測數據來驗證電子水準儀的精度完全符合沉降監(jiān)測的精度。1.2電子水準儀的結構及測量原理電子數字水準儀是在精密自動安平水準儀的基礎上發(fā)展起來的。電子水準儀是通過感光器分析標尺影像對一維數字影像處理的應用(一維數字影像處理原理：影像-數字化-譯碼數據處理-結果)，利用二極管檢測陣列來代替測量人員的眼睛，相當于

12、在水準儀里架設了具有穩(wěn)定視線的一部ccd照相機。水準條碼標尺上的不用條碼在通過望遠鏡成像到平面上的ccd光電傳感器上，ccd光電傳感器再將黑白相間的條碼圖像轉換成模擬視頻信號，經過儀器內部的數字圖像處理，即可獲得望遠鏡中絲條形碼標尺上的讀數。此數據一方面在屏幕上顯示，另一方面存儲在儀器內部的存儲器中，供計算、查核和保留之用。其工作原理如圖1-1所示。精品.1.3 電子水準儀的種類和特點1.3.1 電子水準儀的種類目前流行的幾種電子水準原理主要是相關法、幾何法、相位法、rab原理及葉氏原理。從這幾種原理的共同性的角度看，都使用了光學水準儀的光路原理，也都使用了條形碼標尺,條碼明暗相間，通過改變明

13、暗條碼的寬度實現編碼，且條碼不存在重復的碼段。但它們的編碼規(guī)則也有非常明顯的個性區(qū)別,從這些區(qū)別是可以看出它們的解碼原理的區(qū)別的。另外，除上述編碼環(huán)節(jié)存在共同性外，解碼環(huán)節(jié)也還是有共同性的?？梢詳喽ǎ械碾娮铀疁试淼慕獯a過程都存在粗測、精測和精粗銜接這些步驟過程。且這些過程和普通的光學模擬水準儀仍然有相似之處。如圖1-2所示：yn條形編碼標尺ccd光電傳感器數字圖像鎖定譯碼圖像處理計算結果數據液晶顯示數據查核、保留圖1-1 電子水準儀工作原理精品.圖1-3相關法的直接黑白編碼原理（1）相關法leica儀器使用相關法，其解碼原理就是對圖像信號與約定的編碼進行相關解算，尋找最大相關點的位置從而

14、完成圖象識別進而獲得所截獲的條碼片段的原碼(粗測值)和物象比(距離)，精測原理則由電子中絲和碼元的相位關系實現。其解碼突破口在于二維相關搜索運算。由于是直接進行相關搜索運算，所以標尺的編碼直接以偽隨機碼進行黑白二進制編碼。如圖1-3所示，碼元0和1分別與條碼的黑自相對應。圖1-2 常見的電子水準儀原理相關法的優(yōu)點是思想方法簡單，而缺點是由于粗測值和距離(物象比)兩個未知量同時進行二維相關運算搜索，而每個條紋中所包含的碼元數目具有很大的隨意性，最少是1個碼元，而最多可以是16個碼元，而且碼元寬度很窄(如2.025mm)遠距離是無法直接分辨碼元少的窄條紋的(精品.“淹沒”現象)，由于相關法是比較實

15、在的由所有像素參與的對可能結果的“窮舉式表決”，那些“淹沒”的條紋和條紋邊沿細節(jié)以及被遮擋損壞的少量條紋并不足以影響到整個“投票結果”，實現了可靠的解碼。但由此帶來的運算量非常巨大，于是導致了測量速度慢和對微處理器的速度要求高以及能耗大等缺陷。為解決測量速度慢的問題，早期的徠卡儀器在望遠鏡的調焦旋鈕上安裝傳感器以實現視距(物象比)的粗略測量以縮小相關算法的搜索范圍，也有儀器則采用面陣光電傳感器通過測量標尺條碼的橫向長度來實現視距(物象比)的粗略測量以縮小相關算法的搜索范圍。相關法的精測原理仍然利用電子中絲和所截獲的碼片段碼元的相位(位置)關系實現。對于這一點，目前還沒發(fā)現有文獻對其進行了分析和

16、披露。目前文獻所介紹的“粗相關”“精相關”概念實質都是介紹的粗測原理即條碼片段或其碼序的確立過程，對其真正的精測原理即電子中絲和條碼片段之間的位置關系的確立過程沒有涉及。（2）幾何法幾何法的解碼原理區(qū)別于相關法的地方是通過載碼的引人減少了標尺上黑白條紋寬度的種類，并使得圖像信號中可以恢復出載碼的周期波譜，從而實現了準確的碼元坐標定位繼而實現快速的“碼詞”(和相關法中的條碼片段概念類似)讀取，解決了相關法的測量速度慢的問題。其所謂的相似二角形空間變換幾何關系如圖1-4所示，這利用相似二角形空間幾何比例關系其實是所有電子水準原理所共同采用的(包括相關法、相位法、rab原理以及葉氏原理也實質都使用了

17、這種望遠鏡成像的光學比例關系)，所有電子水準原理的精測過程實質都是使用了精品.這種幾何關系。所以我們一直認為幾何法的叫法是不妥的。圖1-4 文獻對幾何法原理的描述示意先看幾何法的相位調制編碼原理。如圖1-5所示。圖1-5幾何法的相位調制編碼原理圖中反映了載碼遇0碼元則反相，遇1碼元則同相的編碼規(guī)則?？梢钥闯鲞@樣的條碼的寬度種類僅有二種寬度，大的條紋寬度就是碼元的寬度，小的條紋寬度就是半個碼元的寬度，比相關法中的16種寬度大大減少，條紋也粗得多，100m距離不可能出現整條紋完全“淹沒”(至少在理論上)，根據恢復出的周期波譜的波長和相位，碼元成像在ccd上的坐標分布定位就清清楚楚，簡單的一維相關就

18、可以完成粗測，物象比由周期值直接求解。但由此帶來的問題是:信息密度稀疏了，很難同時顧及遠近距離的測量要求。因為近距離時望遠鏡成像很大，在光電傳感器上成像的碼元個數大大減少，少到一定限度就保證不了解碼的唯一性。但若減少碼元寬度顧及近距離又對遠距離的圖像分辨不利。為解決短視距的測量問題，幾何法采用雙相位碼編碼在單相位碼的基礎上加人約定的1mm明暗窄條碼，這種碼只有在近距離時光電傳感器才可以分辨并參與解碼，在遠距離時其在光電傳感器上無法分辨(淹沒)，不參與解碼。這是幾何法原理的遠近兼容測量原理。精品.目前文獻所介紹的幾何法原理其實只是著重強調了其精測原理和精粗銜接過程，其望遠鏡成像幾何比例關系就是說

19、明電子中絲和碼元之間的相位位置關系而對于其粗測原理“碼詞”，的獲取這一電子水準儀的最實質的圖象識別技術問題則沒有涉及?？梢钥闯?，相關法和幾何法的命名角度本身是不一致的，前者是粗測特征，后者是精測特征。這樣的命名與分類當然是不嚴謹的。實際上，相關法也利用了望遠鏡成像幾何位置(相位)關系實現精測，幾何法也可以使用相關算法(但不是二維相關)實現粗測(獲得“碼詞”)。而其區(qū)別僅在于是否利用載碼調制來實現解碼運算量的減少。（3）相位法相位法原理的基本特征是利用標尺條碼圖像信號中的幾個不同周期碼的波譜的相位差來實現粗測，算法是快速傅里葉變換，其運算量也不小。精測原理利用r周期碼的相位信息實現。其測量原理和

20、光電測距儀的組合頻率測距法是類似的如圖1-6所示。主要分如下6個步驟進行:分別測量出電子中絲在標尺成像中的a碼、b碼和r碼二種周期信號中的相位值如、；用、求解出電子中絲在隱含頻率fc =-中的相位=-；根據隱含頻率fc的波長五:lc= /(-)和相位求得第一高度粗測值；根據a碼(或者b碼)信號的波長(或者)和相位(或者)求得第二高度粗測值(或者)；再根據r信號的周期和相位求得高度精測值；精品.最后依次將,(或者)和逐次精粗銜接就可以獲得精確的高度測量結果h了。之所以要使用第二粗測值，是因為第一粗測值的精度很容易超出精測r碼的波長，將第一粗測值和精測值直接銜接將容易出現整周期的r碼粗差。圖1-6

21、相位法的編碼解碼原理示意（4）rab原理rab原理編碼規(guī)則是載碼碼寬數字電子，其解碼的突破口是利用相鄰碼元中心等距離特征即圖像信號中包含有周期波譜，從而通過周期波譜的測量實現了準確的碼元坐標定位繼而實現物象比解算、快速粗測的相關運算等，精測原理和其他方法仍然類似。如圖1-7所示：rab原理為解決遠近視距兼容使用了6種寬度的編碼，且6種碼分為兩組，每組2種寬度的碼元，同組中的2種碼元的寬度差別不大，這種不大的差別在近距離是容易區(qū)別的，在遠距離時由于截獲了較大視場的條碼片段，同組中的2種寬度差別不大的碼元按一種碼處理。rab碼的顯著特點是相鄰暗條紋(或者相鄰明條紋)中心離等于定值。精品.圖1-7

22、rab原理的碼寬調制編碼原理（5）葉氏原理葉氏原理是武漢大學發(fā)明并實現的數字電子原理，已經應用于博飛dal系列和蘇光el系列電子水準儀中。其核心思維是以比例碼為載碼，測量碼調制寄生在比例碼之中。解碼時首先通過條碼圖像信號中的比例載碼周期波譜的測量實現了準確的碼元坐標定位繼而實現物象比解算、快速粗測、精測。如圖1-8所示圖1-8 葉氏原理的比例調制編碼原理本原理中條碼區(qū)別于其他原理的顯著特點是相鄰明暗條紋的邊界(或者明暗條紋的邊界)之間的距離等于定值。比較這5種原理可以看出，除前邊提到的粗測、精測、精粗銜接這些大體過程存在相同以外，所有電子水準原理的精測原理其實也是基本相同的，都要涉及電子中絲和

23、所截獲條碼圖像中的某種信息的相位(位置)關系，都要涉及望遠鏡成像的三角形幾何比例關系的應用。而不同之處在于粗測的實現過程(圖象識別)以及精測、粗測都要涉及到的物象比的確立過程。除相關法外，相位法、幾何法、rab原理和葉氏原理都使用和利用了載碼調制編碼解碼，通過載碼波譜的使用以實現快速圖象識別，也由于相位法的波譜相對復雜，必須以傅里葉變換來解碼，而后3種原理則只需相對簡單的算法就可以獲得載碼成像的周期波譜信息。而實踐應用也證實了后二種原理的實際測量速度效果也的確比相位法和相關法明顯快捷。精品.就三種使用載碼調制的原理而言，幾何法必須增加細條紋碼克服近距離時信息密度過低的缺陷，rab原理和葉氏原理

24、只需增加調制級數就可以輕易解決近距離時信息密度低的問題。1.3.2 電子水準儀的特點電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(ccd),并采用條碼標尺和圖象處理電子系統(tǒng)二構成的光機電測一體化的高科技產品。采用普通標尺時，又可像一般自動安平水準儀一樣使用。 它與傳統(tǒng)儀器相比有以下共同特點：（1）讀數客觀：不存在誤差、誤記問題，沒有人為讀數誤差。（2）精度高：視線高和視距讀數都采用大量條碼分劃圖像經處理后取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數儀器都有進行多次讀數取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進行高精度測量。（3）速度快：由于省去

25、了報數、聽記、現場計算的時間以及人為出錯的重測數量，測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。（4）效率高：只需調焦和按鍵就可以自動讀數，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機進行后處理，可實線內外業(yè)一體化。1.4 電子水準儀的發(fā)展現狀及發(fā)展趨勢（1）數字水準儀和傳統(tǒng)水準儀的異同：相同點：數字水準儀具有與傳統(tǒng)水準儀相同的光學、機械和補償器結構；光學系統(tǒng)也是沿用光學水準儀的；既可以用于數字水準測量，也可以用于傳統(tǒng)水準測量。精品.不同點：傳統(tǒng)水準儀用人眼觀測，數字水準儀用光電傳感器（ccd線針）代替人眼；數字水準儀與其相應條碼水準標尺配用。儀器內裝有圖像識別器；采用數字圖像

26、處理技術，這些都是傳統(tǒng)水準儀所沒有的；同一根編碼標尺上的條碼寬度不用，各型數字水準儀的條碼尺有自己的編碼規(guī)律，但均還有黑白兩種條塊，這與傳統(tǒng)水準標尺不同。另外，對精密水準儀而言，傳統(tǒng)的利用測微器讀數，而數字水準儀沒有測微器。（2）當今世界上已有電子水準儀型號和技術指標：自從徠卡公司在1990年推出第一臺電子水準儀na2000以來，電子水準儀己經發(fā)展到了第二代，天寶、拓普康、索佳和尼康等都先后推出了自己的產品。目前市場上的電子水準儀分為不同精度的兩個等級(與采用的標尺也有關系)，常用的高精度電子水準儀及其指標見表1-1所示。表1-1常用高精度電子水準儀及主要技術指標特性指標徠卡dnao3天寶di

27、ni12拓撲康dl101c索佳sdl30m尼康ap-7高程測量精度(1公里往返測中誤差)電子讀數0.3mm/km光學讀數1.omm/km電子讀數0.3mm/km光學讀數1.omm/km電子讀數0.3mm/km光學讀數1.omm/km電子讀數0.4mm/km光學讀數1.omm/km電子讀數0.8mm/km測程范圍銦瓦尺1.8 - 60m玻璃鋼尺1.8 - 110m銦瓦尺1.5 - 100m折疊條碼尺1.5 - 100m銦瓦尺2 - 60m玻璃鋼尺2 - 100m銦瓦尺6 - 100m玻璃鋼尺6 - 100m玻璃鋼尺0.75 - 100m最小顯示0.0lmm0.0lmm0.0lmm0.lmm0.l

28、mm測量時間3秒3秒4秒3秒4秒放大倍率24x32x32x32x28x補償范圍1010101010補償精度0.30.20.50.50.5精品.（3）不同電子水準儀的不同點：由于各廠家的標尺編碼規(guī)則不同，電子讀數的原理也不同，導致不同廠家的產品在技術指標和性能上也有一些差別。下面對徠卡、天寶和拓普康三個廠家的精密電子水準儀加以比較。測量原理與編碼標尺規(guī)則不同:徠卡儀器采用相關法讀數，天寶采用幾何法讀數，拓撲康采用相位法讀數。技術指標的差別:各廠家的電子水準儀由于設計思路不同，采用的原理不同，導致在技術指標上存在一些差別，如測量時間不同，對標尺條碼截取的范圍不同，計算方法不同等。性能的差別:由于不

29、同廠家產品的電子讀數原理不同，從而反映在它們的性能上也存在差別。a)折光差:由于空氣中折射率的梯度的存在，對視線高的影響。當視線靠近地面時，由于受折光的影響，標尺影像將產生形變，導致光電傳感器圖形處理的困難，從而對電子讀數產生影響，造成折光差。但由于三種儀器的讀數原理不同，受折光差的影響大小也不同，天寶儀器受折光差的影響要小于其它兩種儀器。這主要是因為天寶電子水準儀在讀數時，僅用到中絲上下各15cm的標尺截距，并沒有用的到全視場的條碼，所以當視線靠近地面時，受折光差的影響小，而其它兩種儀器利用視場中的所有條碼，靠近地面的條碼也參加讀數，而最后的判讀結果是所有這些條碼的平均值，所以受折光差的影響

30、大。b)紅外光線的影響不同徠卡na系列電子水準儀具有“譜靈敏度”，即電子水準儀的探測器是利用光線的紅外部分接收和檢測條碼影像的。因此，在人工光線下進行測量時，如果紅外光成分較弱時，會造成測量誤差，甚至無法讀數。另外，對標尺像的背景色也有一定的要求，當標尺背景為紅色(如紅色墻等)或接近探精品.測器的工作色譜時，則電子讀數將遇到困難，作業(yè)時應加以注意。而天寶和拓普康的電子水準儀是利用可見光來接收和檢測條碼影像的，所以不受此影響，它們只要求標尺要有足夠的照明。c)調焦對測量結果的影響不同天寶電子水準儀的標尺每2cm劃分為一個測量間距，其中的條碼構成一個碼詞，每個測量間距的邊界由黑白過渡線構成，其下邊

31、界到標尺底部的高度，可以由該測量間距中的碼詞判讀出來，望遠鏡中絲照準的那個碼詞，被判讀出來后就可得到視線高讀數。這種讀數原理對條碼分劃邊沿的成像質量要求高，要求調焦要清晰，否則對讀數將產生較大影響。而徠卡和拓普康的電子水準儀是利用視場中的每個條碼的中心線讀數，因此條碼成像質量對讀數沒有多大影響，但是條碼成像模糊時，儀器會通過延長圖像處理時間來獲得讀數。但是也應該注意，雖然通常調焦波動，對測量結果只產生微不足道的影響，但若是大量測量都是這樣，就會影響最后的測量精度。因此要獲得最佳的測量精度，每站的儀器調焦質量也很重要。d)對標尺遮擋的容許幅度不同在水準測量中，標尺不同部位常遭樹枝、雜草等障礙物遮

32、擋，在山地或公路旁作業(yè)時更是如此。各廠家的電子水準儀在設計時也考慮到了這一點，因此在儀器出廠時都給出了此項性能指標。由于電子水準儀的讀數并不是采用編碼標尺上的某一處條碼刻劃，而是對視場中標尺截距編碼的平均值，因此允許標尺部分遮擋。只是不同廠家的儀器由于讀數原理和采用的條碼范圍不同，對標尺遮擋的容許幅度也不同。天寶的電子水準儀是利用對稱于視準軸上下各15cm的標尺編碼來讀數，即使視場中有多余的標尺編碼，也不參與讀數，這部分標尺被遮擋不影響測量值，若視距位于最小視距和幾米之間時(視場角是一定的)，落在視場里的編碼尺段只要有10cm精品.就能觀測。同時，天寶的電子水準儀具有標尺非對稱截距測量功能。但

33、是，這類儀器的中絲附近條碼不允許遮擋。對于徠卡和拓普康的儀器，是利用視場中的所有條碼來進行讀數。當視距大于5m時，徠卡電子水準儀對遮擋的容許幅度一般為20%-30%，當視距小于5m時，標尺稍有遮擋可能就無法讀數，而對中絲是否遮擋沒有特殊要求。（4）電子水準儀有廣闊的應用前景,主要有：高精度水準測量：na3003被美國聯邦大地控制協(xié)會指定用作一等水準測量，其他如dl-101、dini-10均可用于一、二等水準測量，可提高作業(yè)效率30%-50%。變形觀測：建筑物沉降觀測（將馬達驅動器附在電子水準儀上，為建筑物的沉降、隆起和垂直位移的自動監(jiān)測開辟了新的途徑）；大壩垂直變形觀測。工業(yè)測量：機器、地基軸

34、傾、轉臺精密測量。連續(xù)精密測量：與計算機相聯，實時、自動連續(xù)測量。地形測量：圖根導線點、碎步點測量。線路測量：公路、鐵路、河道、隧道等縱、橫斷面測量。建筑施工：放樣、抄平。（5）電子水準儀今后的發(fā)展方向：電子水準儀是一種功能很強的測量系統(tǒng)，操作簡單，測量速度比光學水準儀提高50%-60%，易于實現內外業(yè)一體化，所以肯定是幾何水準測量繼續(xù)發(fā)展的方向。今后電子水準儀將從以下幾個方面進行完善：改善補償器的結構與安平精度；數字水準儀之所以能成功，主要是依賴于ccd技術和數字圖像處理技術，因為今后電子水準儀將隨著ccd技術和數字圖像技術的發(fā)展而發(fā)展；改進測量程序與數據存儲軟件；增強儀器適應環(huán)境的能力；使

35、機內系統(tǒng)邏輯增加對其他一些干擾，如亮度變化、補償器應力釋放、傳感器時性改變等的改正。精品.第二章 建筑變形觀測2.1建筑變形觀測2.1.1 建筑變形觀測概述建筑物在工程建設和使用過程中，由于基礎的地質結構不均勻，土壤的物理性質不同，土基的塑性變形，地下水位的變化，大氣溫度的變化，建筑物本身的荷重（如風力，震動等）的作用，會導致工程建筑物隨時間的推移發(fā)生沉降，位移，擾曲，傾斜及裂縫等現象，這些現象統(tǒng)稱為變形。工程建筑物的變形，按其類型可以分為：靜態(tài)變形和動態(tài)變形。靜態(tài)變形通常是指變形觀測的結果只表示在某一時期內的變形值，也就是說，它只是時間的函數；動態(tài)變形是指在外力影響下而產生的變形，故它是以外

36、力為函數來表示的動態(tài)系統(tǒng)對于時間的變化，其觀測結果是表示建筑物在某一時刻的瞬時變形。變形按時間長短可分為：長周期變形（建筑物自重引起的沉降和變形），短周期變形（溫度變化引起的變形）。按研究的范圍可以分為：全局性變形，區(qū)域性變形，局域性變形。按成因可以分為：人工干預變形，自然原因變形，綜合原因變形。精品.所謂變形觀測，是用測量儀器或者專用儀器測定建筑物及地基建筑物在荷載和外力作用下隨時間變形的工作。通過變形觀測，可以檢查、各種工程建筑物和地質構造的穩(wěn)定性，及時發(fā)現問題，確保質量和使用安全；更好的了解變形的機理，驗證有關工程設計的理論和地殼運動的假說，建立正確的預報變形的理論和方法。2.1.2 建

37、筑變形觀測的分類變形觀測屬于安全監(jiān)測。變形觀測有內部觀測和外部觀測兩方面。內部觀測內容由建筑物的內部應力，溫度變化的測量，動力特征及其速度的測定等，一般不由測量工作者完成。內部觀測與外部觀測之間有著密切的聯系，應同時進行，以便互相驗證和補充。外部觀測的內容主要有沉降觀測、位移觀測、傾斜觀測、裂縫觀測和擾度觀測等。（1）沉降觀測它是指建筑物及其基礎在垂直方向上的變形(也稱垂直位移)。沉降觀測就是測定建筑物上所設觀測點(沉降點)與基準點(水準點)之間隨時間的變化的高差變化量。通常采用精密水準測量或液體靜力水準測量的方法進行。（2）水平位移觀測它是指建筑物在水平面內的變形,其表現形式為在不同時期平面

38、坐標或距離的變化。建筑物水平位移觀測是測定建筑物在平面位置上隨時間變化的移動量。 測定水平位移的方法很多,有常規(guī)的地面控制測量方法，如導線，前方交會法等；也有各專用方法，如基準線法，正、倒垂線法等。（3）傾斜位移觀測它是指建筑物因為地基的不均勻沉降或其他原因造成的。建筑物傾斜位移分為兩類：一類表現為以不均勻的水平位移為主；另一類則表現為以不均勻的沉降為主。傾斜觀測是用經緯儀，水準儀或其他專用儀器測量建筑物的傾斜隨時間變化的工作。對于上述兩種傾斜一般采用不同的觀測方法，前者可采用先測出水平位移然后計算傾斜的方法，即所謂的“直接法”；后者可通過測量建筑物基礎相對沉降的方法進行測定，即先測出沉降后計

39、算傾斜的方法，也就是所謂的“間接法”。精品.（4）裂縫觀測它是指建筑物基礎的不均勻沉降，溫度的變化和外界各種荷載的作用，使得建筑物內部的應力大大超過了允許的限度，使得建筑物的結構產生裂縫。測定建筑物裂縫發(fā)展情況的觀測工作即為裂縫觀測。（5）擾度觀測在建筑物垂直面上，各個不同高程點相對于底點不同的水平位移，稱為擾度。所進行的觀測稱為擾度觀測。2.1.3 建筑變形觀測的特點與一般的測量工作相比，變形觀測具有以下幾個特點：（1）觀測的精度要求高由于變形觀測的結果直接關系到建筑物的安全，影響對變形原因的分析和變形規(guī)律的正確分析，和其他測量工作相比較，變形觀測必須具有很高的精度。典型的變形觀測精度要求是

40、1mm或者相對精度110-6。因此，根據變形觀測的目的不同，確定合理的觀測精度和觀測方法，優(yōu)化觀測方案，選擇測量儀器是實施變形觀測的前提。（2）需要重復觀測建筑物由于各種原因產生的變形都有時間效應，計算其變形最簡單，最基本的方法是計算建筑物上同一點在不同時間的坐標差和高程差。這就要求變形觀測必須依一定的時間周期重復觀測，時間跨度較大。重復觀測的周期取決于變形觀測的目的，預計的變形量的大小和速度。（3）要求采用嚴密的數據處理方法建筑物的變形一般都比較小，有時甚至與觀測精度處在同一個數量級；同時，大量重復觀測使原始數據增多。要求從不同時期的大量數據中，精確確定變形信息，必須采用嚴密的數據處理方法。

41、2.1.4 建筑變形觀測的基本方法第一類:常規(guī)大地測量方法,包括幾何水準測量,三角高程測量,三角(邊)測量,導線測量,交會法等。這類方法的測量精度高,應用靈活,適用于不同變形體和不同的工作環(huán)境,但野外工作量大,不易實現自動和連續(xù)監(jiān)測精品.。第二類:攝影測量方法:包括近景攝影測量.它可以同時測量許多點子,作大面積的復測,尤其適用于動態(tài)式的變形觀測,外業(yè)簡單且精度較底。第三類:專門測量方法,或稱物理儀器法,包括各種準直測量(激光準直系統(tǒng)具有代表性),傾斜儀觀測,流體靜力水準測量系統(tǒng)及應變計測量。用專門測量手段的最大特點是容易實現連續(xù)自動監(jiān)測及遙測,且相對精度高,但測量范圍不大,提供的是局部變形的信

42、息。第四類:空間測量技術:包括甚長基線干涉測量(vlbi),衛(wèi)星激光測距,全球定位系統(tǒng)(gps)等。空間測量技術先進,可以提供大范圍的變形信息,是研究地殼變形及地表下沉等全球性變形的主要手段。工程建筑物變形觀測的基本方法,要根據建筑物的變形性質,使用情況,觀測精度,周圍的環(huán)境以及對觀測的要求來選定。在實際變形觀測方案時應綜合考慮各種測量方法的應用,互相取長補短。2.2 變形觀測的重要意義大型水工建筑物、工業(yè)與交通建筑物、高大建筑物群體和許多精密機械的安裝、導軌以及尖端科學技術試驗設備由于自然條件的影響與變化，例如，建筑物地基的工程地質、水文地質、土壤的物理性質、大氣溫度的影響與變化，會引起建筑

43、物的變形。另一種是建筑物本身的荷重。及建筑物的結構、型式、風力、地震等動荷載的作用，雖然在設計、施工及運營中采取了措施，但不可能盡善盡美，因此，還會引起建筑物的變形。如果這些變形在一定限度之內，認為是正常的現象；如果超過了限差，就會影響建筑物的正常使用，嚴重的會使建筑物傾斜甚至倒塌。因此，在建筑物施工過程和運營期間，都需要對它們進行變形觀測，確保工程建筑物的穩(wěn)定性，為安全運行診斷提供必要的信息，以便及時發(fā)現問題并采取措施。在科學上，變形觀測可以幫助我們更好地理解變形的機理，驗證有關設計的理論和地殼運動的假說，進行反饋設計以及建立有效的預報模型。精品.第三章 電子水準儀的觀測方法3.1 dini

44、 12電子水準儀的簡介（1）dini 12電子水準儀的基本圖示：精品.由于我們學校以及本論文中測量數據所采用的電子水準儀均為天寶dini-12型電子水準儀，故重點介紹dini12電子水準儀的結構及使用方法，其基本圖示如圖3-1所示：圖 3-1 dini 12型電子水準儀圖示（2）dini 12電子水準儀進行沉降觀測的使用方法:儀器參數設置：使用儀器前需對儀器參數進行設置，主要是如下幾項, 以下各值為按一級水準測量等級設定:a)height unit:測量的高程的單位和記錄到內存的單位,m;b) display resolution: 最小顯示單位,0.00001m;c) max dist:輸入

45、最大測量距離, 當測量的距離超過此距離時會警告用戶,30m;d) minsight:輸入最小視線高度0.30m;e) max dif:輸入在線路測量中的一測站最大偏差,0.00030m。建立新工程項目：按屏幕右側edit 鍵, 然后按prj, 選擇newproject, 輸入項目名稱。開始線路測量：按下在線路測量line屏幕下的箭頭所指的按鍵, 按下新建路線newline, 輸入路線號, 選擇測量模式(bffb) ,輸入后視點高程、點號、代碼,然后就可以開始測量。精品.中斷和結束測量：當前視觀測結束后, 就可以換站了, 可以把水準儀關閉后再換站, 當打開儀器后可以直接就進入剛才所在的地方, 并

46、且可以繼續(xù)進行水準路線測量。當觀測結束并且已經觀測了最后的閉合點,可以按下測段結束鍵lend結束測量, 同時輸入結束點高程、點號、代碼, 此時儀器將顯示出起始點和終點的高程之差,前后視距和等信息。(3)沉降觀測數據的下載與處理：dini 12電子水準儀有兩種數據下載方式, 從pcmcia卡中下載數據和從rs232串口下載數據。第一次從pcmcia卡中下載數據時需先安裝pcmcia卡的驅動程序, 然后就可以直接從pcmcia卡復制文件到計算機中。從rs232串口下載數據時需先進行通訊設置使儀器與計算機中通訊參數設置一致,下載數據可以使用一些商業(yè)軟件如恒華一點通hdlink軟件, tgo等, 還可

47、以使用windows自帶的超級終端來傳輸。對于數據平差一般用儀器本身平差程序即可,按menu鍵,選擇lineadjustment。平差之前要先把原始測量數據下載至計算機,平差之后原始測量數據將被平差后數據覆蓋。數據下載至計算機后可以直接導入到excel 電子表格中, 導入時選擇按固定寬度分隔, 然后按高程及點號排序, 這樣可以把所測沉降點高程放在一起, 復制到沉降觀測計錄表中, 計算本次沉降及累計沉降值并繪制沉降曲線圖、分析沉降情況。3.2 電子水準儀的觀測方法（1）限差設置:在測量前我們應該對儀器的限差進行設置，根據規(guī)范以及測量等級來定應對測站最大視距；標尺最大讀數；標尺最小讀數；最大限差（

48、一個測站）；最大距離限差（單站視距差及累積視距差）。（2）測量模式:后前前后、后后前前、后前。給定測量限差值，儀器可自動判斷測量限差，超限時提示重測，能自動計算線路閉合差等。精品.（3）測量方法:儀器及配套水準尺均應在有效檢定期內。水準儀與水準尺在使用前及使用過程中，經常規(guī)檢校合格，水準儀視準軸與水準管軸的夾角均不超過15。儀器各種設置正確，其中有限差要求的項目按規(guī)范要求在儀器中進行設置，并在數據采集時自動控制，不滿足要求的應根據儀器的提示進行重測。觀測時，一般按后-前-前-后的順序進行，對于有變換奇偶站功能的電子水準儀，按以下順序進行：a)往測：奇數站為后-前-前-后偶數站為前-后-后-前b

49、)返測：奇數站為前-后-后-前偶數站為后-前-前-后每一測段必須為偶數站結束。觀測前30min，將儀器置于露天陰影處，使儀器與外界氣溫趨于一致，并進行儀器預熱。測量中避免望遠鏡直接對著太陽；盡量避免視線被遮擋，要求遮擋不不超過標尺在望遠鏡中截長的20；觀測時用測傘遮蔽陽光，儀器需裝遮光罩。自動安平水準儀的圓水準器，嚴格置平。在連續(xù)各測站上安置水準儀時，使其中兩腳螺旋與水準路線方向平行，第三腳螺旋輪換置于路線方向的左側與右側。除路線拐彎處外，每一測站上儀器與前后視標尺的三個位置，一般為接近一條直線。觀測過程中為保證水準尺的穩(wěn)定性，選用的尺墊重2.5kg，水準觀測路線必須路面硬實，觀測過程中尺墊踩

50、實以避免尺墊下沉。同時觀測過程中避免儀器安置震動的地方，如果臨時有震動，確認震動源造成的震動消失后，再激發(fā)測量鍵。水準尺均借助尺撐整平扶直，使標尺上的氣泡居中，確保水準尺垂直。數據處理時，閉合差、中誤差等均滿足要求后進行平差計算，水準路線可以用手工平差（簡易平差）以及軟件平差（嚴密平差）。精品.第四章 電子水準儀的檢驗與校正4.1 電子水準儀的誤差電子水準儀依據圖像識別的原理，將編碼尺的圖像信息與己存貯的參考信息進行比較，從而獲得高程信息。它的測量速度快，操作簡單，易于實現內外業(yè)一體化，代表了水準儀的發(fā)展方向。電子水準儀基于自動安平水準儀，因此，在傳統(tǒng)的自動安平水準儀上存在的誤差，在電子水準儀

51、上仍然存在。電子水準儀獲取的是編碼尺多條編碼的信息，其結果取平均效應，其檢驗方法與光學水準儀有所差別。在一般情況下，光學水準儀的檢驗是將儀器和標尺分開進行的，電子水準儀則應當與其配套的水準標尺一起進行檢驗。電子水準儀的誤差主要有一下三個方面：（1）與主機有關的誤差：圓水準器位置不正確圓水準器位置不正確可引起水準儀豎軸傾斜，形成“水平面傾斜”誤差。各廠商的產品，只在儀器上配置了圓水準器和電子水準器(沒有長水準器)，同時增加了補償器的補償范圍(10-15)，只要圓水準器居中，補償器就可以工作，而無需用電子水準器來精密調平儀器，這樣旨在提高測量速度。目前各廠家電子水準儀上安裝有靈敏度為8/2mm(索

52、佳、蔡司、徠卡)或10/2mm(拓普康)的圓水準器，長時間的使用、運輸或溫度變化，都會使氣泡偏離其正確位置而產生漂移，致使儀器豎軸傾斜，無法建立正確的水平視線。偏移量較大時，還會導致補償器無法工作。精品.補償器誤差 電子水準儀的補償器與光學自動安平水準儀的補償器，都屬于交叉吊帶重力擺補償器，其表現特性也基本一致，基本能夠滿足精密水準測量的要求。但是，經過運輸、溫度變化和長時間的使用使其內應力變化，其補償性能差異也較大。補償器誤差分為補償器安置誤差和補償器滯后誤差。前者反映補償器建立水平視線的重復精度，通常作為儀器出廠的重要技術指標。后者指補償器的平衡位置和靜止位置之差。視準軸誤差(i角誤差)在

53、電子水準儀上，i角誤差分為光學i角誤差和電了i角誤差。由于環(huán)境溫度、機械振動(如儀器搬站等)、望遠鏡調焦和磁場(包括地球磁場和外部電磁場)會引起i角變化。因此i角誤差通常指環(huán)鏡溫度為20oc，在日標無窮遠時儀器視準軸與水平面間的夾角。電子水準儀在電子讀數時，是以ccd器件上認定的中點附近的這個像素為參考基準的，改正電i角，或說電子視準軸。各廠家的儀器中內置的i角自檢程序，就是用軟件改變認定的這個參考像素的位置，通過儀器內置軟件計算出電i角的值，該值已存儲到儀器中，并自動對測量結果進行改正。但是，還存在電子i角的殘余誤差，影響電子水準儀測量結果的，正是這部分誤差。補償誤差由于補償器性能不完善導致

54、的儀器視準軸傾斜，會對前后觀測帶來“水平面傾斜”誤差。高程誤差其它原因導致的“水平面傾斜”誤差望遠鏡調焦誤差精品.當觀測前后視距不等時，望遠鏡在旋進或旋出的過程中，引起視準軸的位置發(fā)生變化，從而給觀測值帶來影響。它是反映電子水準儀望遠鏡性能好壞的一項指標。（2）與條碼尺有關的誤差：尺底面缺陷尺底面缺陷包括零點誤差、尺底面不平和尺底面與尺的軸線不垂直等。水準尺缺陷水準尺缺陷主要有水準尺上的圓水準器不正確、銦瓦鋼帶的拉力不正確、水準尺的比例誤差(包括比例誤差和比例誤差的變化)、溫度膨脹和尺彎曲和扭曲等。其中圓水準器不正確將引起水準尺的傾斜，導致較大系統(tǒng)誤差。水準尺分劃誤差包括標尺條碼線的編碼分劃誤

55、差和有缺陷的條碼線引起的分劃誤差。電子水準儀不同于光學水準儀，觀測中測量的不是標尺上的單個分劃，標尺分劃誤差對觀測讀數的影響是成像在ccd探測器上的所有分劃線的分劃誤差的平均值，加上當前先進的制造加工工藝和過程確保了標尺編碼分劃線的誤差很小，因此標尺分劃誤差對電子水準儀測量的影響遠比光學水準儀小的多。實際測量中，觀測視距不能過長(標尺上所有分劃誤差都帶入觀測值中)，另外視準線避免過高或過低。 其它包括普通水準尺的聯接誤差和因潮濕引起的膨脹。（3）與條碼尺光電讀數有關的誤差:最小讀數及其進位誤差讀數誤差讀數誤差由測量信號遮擋、測尺照度不均勻、視線位于頂部或底部、調焦位置不正確、震動等外界因素和周期誤差(包括周期誤差隨視距變化)等內在因素引起。國外對電子水準儀的研究結果表明，有些儀器讀數存在周期誤差，如wild na2000在視距15 m處存在峰值為0.7 mm,波長為2 mm的周期誤差。精品.內符合精度通常情況下，儀器的內符合精度與視距、震動、光強、對比度、調焦和氣象條件等因素直接相關。從上述分析可以看出，電子水準儀的誤差構成較為復雜。對普通用戶而言，只需檢定