基本原理,特點,精度,應用

1、基本原理,特點,精度,應用第一頁，共37頁。1. 變形監(jiān)測概述內容：按其研究范圍可分為三類：全球性的、區(qū)域性的和局部性的。全球性的變形監(jiān)測主要是研究地極移動，地球旋轉速度的變化以及地殼板塊運動；區(qū)域性的變形監(jiān)測，用以研究地殼板塊范圍內的變形狀態(tài)和板塊交界處地殼的相對運動，前者一般由定期復測國家控制網(wǎng)的資料獲得，后者要建立專用監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測板塊相對運動在其交界處造成的地殼變形；局部性的變形監(jiān)測主要是研究工程建筑物的沉陷、水平移動、扭曲和傾斜，滑坡體的滑動以及采礦、采油和抽地下水等人為因素造成的局部地殼變形。意義：實用上的意義主要是檢查各種工程建筑物和地質構造的穩(wěn)定性，及時發(fā)現(xiàn)問題，以便采取措施?？?/p>

2、學上的意義包括更好地理解變形的機理，嚴重有關工程設計的理論和地殼運動假說，以及建立正確的預報變形的理論和方法。第二頁，共37頁。變形監(jiān)測方法傳統(tǒng)的方法：常規(guī)大地測量方法（測角、測邊、水準）優(yōu)點：（1）通過組成網(wǎng)的形式可以進行測量結果的校核 和精度的評定 （2）靈活性大，能夠適應于不同的精度要求、不 同形式的變形體和不同的外界條件缺點：耗費大量的人力、物力新技術： GPS一機多天線技術 激光掃描技術合成孔徑雷達干涉測量技術三維光學掃描技術（工業(yè)領域）第三頁，共37頁。重大工程的變形監(jiān)測案例 機器人滑坡監(jiān)測中央電視臺新臺址 CCTV主樓施工 變形監(jiān)測第四頁，共37頁。 GPS一機多天線技術在變形監(jiān)

3、測中的應用小彎電站高邊坡變形監(jiān)測（同時接收）東海大橋變形監(jiān)測方案（間隔接收）第五頁，共37頁。北斗一號導航衛(wèi)星在滑坡自動化監(jiān)測中的應用第六頁，共37頁。2 激光三維掃描技術在變形監(jiān)測中的應用 2.1三維激光掃描技術的基本原理 地面三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、掃描儀旋轉平臺、軟件控制平臺，數(shù)據(jù)處理平臺及電源和其它附件設備共同構成，是一種集成了多種高新技術的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段。地面三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理如圖所示，首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號，經(jīng)過旋轉棱鏡，射向目標，然后通過探測器，接收反射回來的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，最后轉換成能夠直接識別處理的數(shù)據(jù)信息，

4、經(jīng)過軟件處理實現(xiàn)實體建模輸出。第七頁，共37頁。2.2 三維激光掃描測量的精度 三維激光掃描儀的單點定位精度，一般可以達到亞厘米級，其模型精度還要遠高于這個精度。 我院購置的Trimble GX200激光掃描儀的主要技術參數(shù)：指標數(shù)值掃描距離最遠350m距離測量精度7mm100m單點定位精度6mm50m，12mm100m激光波長脈沖532 nm掃描范圍360 x 60 連續(xù)掃描第八頁，共37頁。2.3三維激光掃描技術的特點 三維激光掃描技術可以大范圍，快速全面，高精度，高分辨率的獲取被測物體的平面和高程坐標，并可以方便的建立可以量測的三維模型。綜合起來，激光測量具有以下特點： 快速性； 實時、

5、動態(tài)、主動性； 激光的穿透性； 非接觸性； 高密度、高精度特性； 數(shù)字化、自動化； 地面三維激光掃描系統(tǒng)對目標環(huán)境及工作環(huán)境的依賴性很小，其防輻射、防震動、防潮濕的特性，有利于進行各種場景或野外環(huán)境的操作。第九頁，共37頁。2.4 三維激光掃描技術應用的實例高速公路路面變形國家體育館屋頂鋼結構安裝與滑移監(jiān)測第十頁，共37頁。煤礦地表變形監(jiān)測 運用激光三維掃描儀監(jiān)測煤炭井工開采的地表沉陷示意圖如上圖，技術路線為：當工作面推進到位置1時，用三維激光掃描儀觀測一次地表，獲得當時的數(shù)字高程模型DEM(1)。當工作面推進到位置2時，再用三維激光掃描儀對同一位置地表進行第二次掃描，獲得數(shù)值高程模型DEM(

6、2)。用DEM(1)減去DEM(2),可以得到監(jiān)測區(qū)域的地表下沉值，再結合井下開采情況，便可以反演出地表移動變形預測參數(shù)。第十一頁，共37頁。鮑店礦掃描處理數(shù)據(jù)實測值下沉剖面圖第十二頁，共37頁。 大型建筑物變形監(jiān)測及成果分析處理流程： 變形監(jiān)測點布置及數(shù)據(jù)采集 坐標匹配 去噪處理 點云數(shù)據(jù) 特征線提取 兩次特征線比較 最終變形數(shù)據(jù)第十三頁，共37頁。實例：焦爐和煙囪變形監(jiān)測的掃描數(shù)據(jù)1號焦爐點云數(shù)據(jù)2號焦爐點云數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)截面截取截取后的點云數(shù)據(jù)和特征線數(shù)據(jù)第十四頁，共37頁。3 巖體內部觀測系統(tǒng) 巖層內部觀測站測點一般布設在巖層內部的鉆孔中，用于研究巖層內部的移動和變形規(guī)律。3.1 巖體內

7、部下沉測量（鉆孔伸長儀）安裝好的下沉測量系統(tǒng)如圖所示。 1基準架；2讀數(shù)裝置、卷纜輪；3水泥漿； 4充填砂漿；5用粘結劑和膠帶密封的感應環(huán)； 6感應環(huán)；7傾斜儀套管接頭；8傾斜儀套管； 9注漿閥門；10重錘；11探頭； 12用粘結劑和膠帶密封的軟管接頭；13用尼龍絲或膠帶夾固定的軟管接頭； 14固定在剛性管上的軟管末端。第十五頁，共37頁。測量原理 探頭內的感應電路在探頭接近感應環(huán)時，將引起蜂鳴器報警，并使指示器上指針偏轉。當指針達到蜂值，即探頭中心正好對準感應環(huán)時，利用電纜和標尺上的刻度，便可測得探頭中心所在的深度。根據(jù)一定時間間隔內前后兩次的測量結果，可計算出不同深度（感應環(huán)所在位置）巖層

8、的垂直位移以及每一段內巖層的豎向伸長或壓縮量。為獲得絕對的位移值，至少應有一個感應環(huán)（如孔底附近）埋在穩(wěn)定巖石中，或者有一個感應環(huán)（如孔口附近）用其它方法測得絕對位移值。儀器精度 對于一個熟練的操作員，測深精度可達到1.5mm。第十六頁，共37頁。3.2 巖體內部水平移動測量（鉆孔測斜儀）巖體內部水平移動測量系統(tǒng)的安裝及原理示意圖。1-電纜；2-傳感器；3-鉆孔；4-接頭；5-套管；6-充填料；7-總位移； 8-位移；9-初始位置；10-導向槽；11-導向輪；12-讀數(shù)間距；13-讀數(shù)設備；測量原理 將傳感器通過電纜和讀數(shù)設備連接在一起，由孔口用電纜將傳感器下放到測管內，依次用電纜上的刻度將傳

9、感器標定到每一個指定的深度處，測出偏斜增量。整個鉆孔測完后，計算出鉆孔內每一指定深度相對于基準點（孔口或孔底處）的偏斜值。在一定時間間隔內，前后兩次測量所得的各深度處鉆孔偏斜值之差，即為各深度處的水平移動值。儀器精度 在安裝良好、鉆孔偏離豎直方向的偏角不超過3度的情況下，一個30米深的鉆孔中，測量的總位移的誤差不超過4mm。第十七頁，共37頁。3.3 巖體內部觀測系統(tǒng)的實際應用 在實際應用中，通常將伸長儀和測斜儀結合起來組成一個三 維的巖體內部的測量系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可應用于礦山中的許多方面。露天礦邊坡及山區(qū)滑坡的監(jiān)測 利用這一觀測系統(tǒng)對不穩(wěn)定邊坡進行監(jiān)測，不僅可以及早掌握潛在滑面和弱面的產(chǎn)狀及活

10、動情況，同時也能推斷出活動邊坡破壞所涉及的形狀和力學上的情況。對于山區(qū)滑坡，可以用于監(jiān)測巖體內部的薄弱面。煤礦井筒變形監(jiān)測 許多礦區(qū)由于煤層的開采引起斷層的活化或引起含水層失水，導致井筒產(chǎn)生變形破壞。為正確掌握破壞的原因和移動變形的規(guī)律，建立一個三維的巖體內部的監(jiān)測系統(tǒng)，進行長期的監(jiān)測是十分必要的。目前，淮南礦務局謝二煤礦、孔集煤礦和兗州礦業(yè)（集團）有限責任公司鮑店煤礦均建立了鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)。第十八頁，共37頁。堤壩穩(wěn)定性監(jiān)測 堤壩（特別是受采動影響的區(qū)域）可用鉆孔監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測壩體的移動及其壩體與基礎間的相對移動?；茨系V務局在淮堤下采煤中采用了這一監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)獲得了大量的豐富的觀測資料。開采引

11、起的巖體內部移動變形監(jiān)測 為掌握開采引起的巖體內部的動態(tài)移動和變形規(guī)律，可以應用這一系統(tǒng)監(jiān)測。兗州礦業(yè)（集團）有限責任公司南屯煤礦在綜采放頂煤開采的工作面上方建立一個監(jiān)測鉆孔，也已經(jīng)取得了非常有用的觀測資料。鉆孔伸長儀測孔布置示意圖第十九頁，共37頁。 4 工業(yè)領域變形監(jiān)測系統(tǒng) 4.1 XJTUOM 三維光學面掃描系統(tǒng)光學白光三維面掃描儀的原理 向被測工件投射白光編碼紋（散斑或正弦圖案），由一個或兩個相機拍攝條紋圖像（多次相移圖像），根據(jù)三角原理，從而解算出工件輪廓的三維點云。從原理上講，三維光學面掃描設備不是完全意義的工業(yè)近景攝影測量，它屬于機器視覺學科中的立體視覺測量。 測量精度 單次測量

12、幅面128mm96mm2200mm2000mm，單次測量點云數(shù)量為100萬600萬，單次掃描時間為5秒。相當于在5秒時間測量一個工件100萬600萬個點的三維坐標，每個點的間隔為0.08mm1mm。通過多次拼接可以測量10毫米30米的工件，測量精度根據(jù)單次幅面大小和相機像素不同為0.011mm，一般為0.03mm。 第二十頁，共37頁。三維光學面掃描測量頭三維光學面掃描系統(tǒng)軟件界面第二十一頁，共37頁。4.2 XJTUDP三維光學點測量系統(tǒng) XJTUDP 三維光學點測量系統(tǒng),采用數(shù)字近景工業(yè)攝影測量技術（digital close-range industrial Photogrammetry

13、 ），是便攜式光學三坐標系統(tǒng)，用于測量物體表面的標志點和特征的精確三維坐標。采用普通高分辨率數(shù)碼相機拍攝大型工件的多幅二維相片，采用工業(yè)攝影測量計算工件關鍵點（人工粘貼圓形標志點、工件自身點線孔特征）的精確三維坐標。 這是一種便攜式光學三坐標系統(tǒng)?？梢源?zhèn)鹘y(tǒng)的激光跟蹤儀、關節(jié)臂、經(jīng)緯儀等，而且沒有繁瑣的移站問題，可以全方位方便測量大型工件?？梢詼y量10毫米30米的工件，精度達到1/700001/150000,相當于1米長度的工件測量精度為0.01mm。第二十二頁，共37頁。坐標解算軟件編碼參考點標定尺專業(yè)數(shù)碼相機高精度測量標尺工業(yè)近景攝影測量系統(tǒng)硬件組成第二十三頁，共37頁。工業(yè)近景攝影測量

14、系統(tǒng)軟件界面工程區(qū)信息區(qū)圖片區(qū)三維點云區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)第二十四頁，共37頁。4.3 用于變形測量的分析系統(tǒng)XJTUSD靜態(tài)變形測量分析系統(tǒng) 采用高分辨率單反數(shù)碼相機，通過拍攝變形前后物體的多幅圖像，計算出物體關鍵點的三維坐標，獲得物體變形數(shù)據(jù)，是在工業(yè)數(shù)字近景三維攝影測量研究基礎上發(fā)展的變形測量技術?？蓮V泛應用于：機械載荷試驗、熱負載試驗、環(huán)境試驗、風洞光照模擬。 車門的變形測量第二十五頁，共37頁。 XJTUDA動態(tài)變形測量分析系統(tǒng) 通過2個高速數(shù)字相機，實時拍攝物體運動圖像，實時計算物體表面關鍵點的三維坐標，利用高分辨率的高速相機構成的立體相機, 實現(xiàn)高速測量、靜態(tài)和動態(tài)試驗測量。應用領域：熱負載

15、試驗、機械載荷試驗、分析動態(tài)過程、高速測量、風洞測量等。XJTUSM板金變形測量分析系統(tǒng) 測量鈑金的表面三維坐標、表面應變分布、材料減薄，產(chǎn)生成型極限圖。XJTUWA焊接變形測量分析系統(tǒng)三維動態(tài)測量板金沖壓成形分析第二十六頁，共37頁。4.4 工業(yè)測量系統(tǒng)在相似材料模型中的應用 采用“XJTUDP三維光學點測量（數(shù)字近景工業(yè)攝影測量)系統(tǒng)”，快速測量模型觀測點坐標，通過同一觀測點不同時期觀測到的的坐標的差值獲取移動變形量?；玖鞒蹋涸诠ぜ砻嬲迟N標志點；放置系統(tǒng)標尺和編碼點；采用XJTUDP攝影測量系統(tǒng)進行布設標志點的拍照計算； 坐標轉換；將多次計算結果進行對比分析。第二十七頁，共37頁。固定

16、編碼點拼接編碼點非編碼測點高精度標尺模型編碼與非編碼標志點布設第二十八頁，共37頁。模型標志點解算3-2-1坐標轉換標志點坐標轉換第二十九頁，共37頁。 通過XJTUDP三維光學點測量系統(tǒng)觀測計算所得到點的坐標分別為編碼點坐標和非編碼點坐標。其中編碼點是全局控制解算點，而非編碼點是根據(jù)觀測需要所布設的目標點。由于每次觀測所得到的非編碼點的點號是系統(tǒng)隨機給定的，而本次實驗研究所要用到的數(shù)據(jù)是相同點在不同時刻的坐標值，所以必須進行點號匹配處理。每次測量所得到的坐標系也是隨機的，必須將所有的坐標都轉換到統(tǒng)一的坐標系下，才能進行位移解算。第三十頁，共37頁。提取相似材料模型試驗模型表面非連續(xù)破壞區(qū)域方

17、法：首先用點測量系統(tǒng)計算出編碼點和非編碼點的三維坐標，保證了整體精度。然后將關鍵點的三維坐標導入到三維光學面掃描，實現(xiàn)多幅面掃描的自動拼接，并消除三維光學面掃描的多幅累計誤差。具體流程：在工件表面粘貼標志點；放置系統(tǒng)標尺和編碼點；采用XJTUDP攝影測量系統(tǒng)進行全局標志點的拍照計算； 將全局標志點坐標導入面掃描軟件系統(tǒng)；采用XJTUOM三維點云測量系統(tǒng)進行模型分幅掃描對掃描數(shù)據(jù)進行處理分析。第三十一頁，共37頁。XJTUOM系統(tǒng)軟件掃描界面第三十二頁，共37頁。 由于模型較大（長4m，高1.39m），應分幅掃描，然后再將不同幅面拼接到一起。在掃描幅面拼接過程中，為保證點云數(shù)據(jù)的整體測量拼接精度，應先利用預處理軟件對點云數(shù)據(jù)實行拼接預處理；同時，由于掃描時不可避免的掃描到模型架及其附近物體，從而形成與模型表面無關的點云，造成點云粗差，為了便于數(shù)據(jù)管理和點云數(shù)據(jù)的后續(xù)分析，對點云進行預處理是必須的。第三十三頁，共37頁。XJTUOM掃描點云拼接預處理掃描參數(shù)設定區(qū)周圍物體上點獨立點第三十四頁，共37頁。 通過預處理之后的點云即實現(xiàn)了模型掃描點云的整體拼接和誤