变形观测方法.ppt
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1、第二章 变形监测方法,(1)常规大地测量方法(2)基准线法(3)专用测量法(4)GPS测量法(5)摄影测量法,2.1 水平位移监测方法,2.1.1 常规大地测量方法,地面监测方法主要是指用常规测量仪器(经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪)测量角度、边长和高程的变化来测定变形量,它们是目前变形监测的主要手段。极坐标法、交会法监测变形体的二维(X、Y方向)水平位移;精密导线法。,为减少方位角的传算误差,提高测角效率,可采用隔点设站的办法,减少导线点数。,1、精密导线测量,精密导线法是监测曲线形建筑物(如拱坝等)水平位移的重要方法。由于导线的两个端点之间不通视,无法进行方位角连测,故一般需设计倒垂线控制
2、和校核端点的位移。,2.1.1 常规大地测量方法,精密导线的转折角测量是通过高精度经纬仪观测。边长大多采用特制铟钢尺进行丈量,也可利用高精度的光电测距仪进行测距。观测前,应按规范的有关规定检查仪器,在洞室和廊道中观测时,应封闭通风口以保持空气平稳,观测的照明设备应采用冷光照明,以减少折光误差。观测时,需分别观测导线点标志的左右侧角各一个测回,并独立进行两次观测,取两次读数中值为该方向观测值。边角导线的边长一般不宜大于320m,边数不宜多于20条,同时要求相邻两导线边的长度不宜相差过大。,2.1.1 常规大地测量方法,精密导线测量,2.1.1 常规大地测量方法,交会法是利用2个或3个已知坐标的工
3、作基点,测定位移标点的坐标变化。该方法具有观测方便、测量费用低、不需要特殊仪器等优点,特别适用于人难以到达的变形体的监测工作,如:滑坡体、悬崖、坝坡、塔顶、烟囱等。该方法的主要缺点是测量的精度和可靠性较低,高精度的变形监测一般不采用此方法。该方法分为前方交会和后方交会。其中都包括测角交会、测边交会和边角交会三种方法。,2、交会法测定建筑物的水平位移,2.1.1 常规大地测量方法,计算公式:,精度估算公式:,(1)测角前方交会法,2.1.1 常规大地测量方法,测角交会误差椭圆:,1.采用这种方法时,交会角宜在60至120之间,以保证交会精度。2.一般来说,当图形较好(交会角接近90)、交会边长1
4、00m左右时,用DJ1型仪器观测6个测回,则位移值测定中误差将不超过1mm。3.目前前方交会法中,除了上述的角度交会外,尚有应用光电测边交会的,其交会角的要求同角度交会,但影响边长精度的因素较多,其稳定性较差。,测角前方交会法注意事项:,2.1.1 常规大地测量方法,(2)测边前方交会法,,,设方位角,为已知,那么:,在使用该法时应注意下列几点:角通常应保持在60至120之间;测距要仔细,以减小测边中误差ma和mb;交会边长度a和b应力求相等,且一般不宜大于600m,2.1.1 常规大地测量方法,测边交会特点:,1.测边交会精度的变化较小,即受图形结构的影响较小,而测角交会精度受图形影响较大,
5、所以测边交会在实际工作中使用价值更好些;2.测边精度相对于测角交会来讲更高些;3.此外,对某些特殊变形观测点,仅靠测角交会或者测边交会不能满足其精度要求时,可采用边角交会法(同时测量角度和距离),这样可以有效提高对这些特殊观测点的测量精度。总之,对于测角交会、侧边交会、边角交会三者之间的关系为:,2.1.1 常规大地测量方法,(3)后方交会,计算公式:,精度估算公式:,注意:后方交会时不要使P点位于危险圆上,2.1.1 常规大地测量方法,(4)自由设站法监测建筑物的水平位移,2.1.1 常规大地测量方法,自由设站法=后方交会+极坐标法,自由设站法常用于工作基点不便于埋设的地方,如基坑监测。,工
6、作基点到位移监测点的边长不能相差太大,应大致相等,且与监测点大致同高,以免视线倾角过大,影响测量的精度。仪器视线应离开建筑物一定距离;交会边的视线应离地面或障碍物在1.2m以上。各期变形观测应采用相同的测量方法、固定测量仪器、固定观测人员;应对目标觇牌图案进行精心设计;采用角度前方交会法时,应注意交会角要大于30,小于150;为提高测量精度,有条件最好采用边角交会法。,交会法测量注意事项:,2.1.1 常规大地测量方法,如图所示,A、B为基准点,其坐标已知,p为变形点,则:,点位中误差的估算公式为:,3、全站仪三维变形监测,2.1.1 常规大地测量方法,全站仪三维定点的精度分析,设,因采用无仪
7、高作业法故,根据误差传播定律,得:,对于全站仪,采用盘左盘右坐标取平均,且m。=2“,ms=3+2ppmD代入上式计算,,2.1.1 常规大地测量方法,2.1.1 常规大地测量方法,视准线法激光准直法引张线法倒垂线法,测小角法 活动觇牌法,基准线法,2.1.2 基准线法,(一)视准线法,1.测小角法,2.1.2 基准线法,测小角法(测微器法)是利用精密经纬仪精确地测出基准线与置镜点到观测点视线之间所夹的微小角度,并按下式计算偏离值:,活动觇牌法同测小角法一样,只是不测角,而是直接量出偏离值。活动觇牌读数尺上最小分划为1mm,用游标可以读到0.1mm。,2.活动觇牌法,2.1.2 基准线法,3.
8、视准线法观测的精度要求,由:,中误差式:,相对于测小角,来说,测量具有足够精度的边长,比较容易,故假定:,于是得出:,写成相对误差:,2.1.2 基准线法,偏离值的精度影响因素,测角,测边,照准误差,旁折光,分段基线法观测,当采用测回法时,一测回所测小角的误差为:,一般认为:,可以忽略,当 时,边长的相对误差也仅要求1/1000,通常以1/2000的精度丈量边长就可以完全满足其精度要求,所以在测小角中,边长只需丈量一次,在以后的各周期观测中,此值可以认为不变。,如果要求,且设偏离值,则有,,2.1.2 基准线法,当基准线(超过500m)很长时,采用分段基线法观测。一方面为了减少旁折光的影响,对
9、观测时间的选择和气象条件要求更加严格;另一方面为了在基准线很长时能获得较高的观测精度,可以采用分段进行观测。,分段基线观测法,2.1.2 基准线法,解:将已知数值代入上述公式,可求得:,【例1】设某观测点到端点(置镜点)距离为100m,若要求测定偏离值的精度为,试问用测小角度法观测时,测量小角度的精度,应为多少?,。,2.1.2 基准线法,【例2】续例1,若设,倍数为40倍的DJ1型精密经纬仪观测时,小角度至少应观测几个测回?,所以要使小角度达到,的测量精度,则小角度观测的测回数n应满足下式:,由上式求得,,即小角度应至少观测6个测回。,,则当采用望远镜放大,解:先计算得小角度观测一测回的中误
10、差为:,2.1.2 基准线法,(二)引张线法,2.1.2 基准线法,在坝体廊道内,利用一根拉紧的不锈钢丝所建立的基准面来测定观测点的偏离值的引张线法,可以不受旁折光的影响。,引张线观测点,引张线的端点,2.1.2 基准线法,引张线法的特点两个端点应基本等高,中间各变形点与端点基本等高,在上面与引张线垂直的方向上水平安置刻划尺;以读出引张线在刻划尺上的读数。通常观测是从靠近端点的一个观测点开始读数(读一次),一次观测到测线的另一端观测点为一测回,每期观测三测回,各测回互差的限值为2mm,三测回平均值的中误差约为 0.03mm。该方法需要不少的装置,费用较高,但精度亦高。,2.1.2 基准线法,(
11、三)激光准直法,激光准直法根据其测定偏离值的方法不同,可分为“激光经纬仪准直法”与“波带板激光准直法”。在大气条件下,激光准直的精度一般为10-5-10-6。在真空条件下,激光准直的精度可达10-7-10-8。,激光经纬仪,2.1.2 基准线法,光电探测器,激光经纬仪准直法,波带板激光准直系统,主要由激光器点光源、波带板和接收靶三部分组成。,2.1.2 基准线法,波带板,(a)圆形波带板,(b)方形波带板,波带板的形式有圆形和方形两种,其作用是把从激光器发出的一束单色相干光会聚成一个亮点(圆形波带板)或十字亮线(方形波带板),它相当于一个光学透镜。,激光准直测量,2.1.2 基准线法,常规地面
12、监测方法具有以下优点,1.能够提供变形体的变形状态,监控面积大,可以有效地确定变形范围和绝对位移量;2.观测量组成网的形式可以进行测量结果的处理和精度评定;3.灵活性大,能适用于不同结构形式的变形体、不同的外界条件和不同的精度要求。而缺点是外业工作量大,作业时间长,难于实现连续监测及测量过程的自动化。,Leica全站仪,测量机器人(Measurement Robot,或称测地机器人,Georobt)是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标记忆影像等信息的智能型电子全站仪。它是在全站仪的基础上集成步进马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统,并配置智能化的控
13、制及应用软件发展而成的。图为TCA2003,测角精度0.5秒,测距精度为1+1ppm。,2.1.3 测量机器人,全站仪观测,2.1.3 测量机器人,测量机器人进行自动化变形监测一般可采用两种方式,(1)固定式全自动持续监测,全站仪观测,2.1.3 测量机器人,(2)移动式半自动变形监测,自动极坐标差分处理的基本原理是:每一个测量周期均按极坐标的方法测量工作基点和变形测点的斜距、水平角和垂直角,将监测站点至具有气象条件代表性参照的工作基点测量值与其初始值相比,求得差值。由于变形观测采用同样的仪器和作业方法,并且工作基点均埋设在基岩上,可以认为工作基点是稳定的,故将这一差值看作是受大气压力、温度及
14、仪器等各种因素影响的结果。,自动极坐标差分数据处理,全站仪观测,2.1.3 测量机器人,距离的差分改正高差的差分改正角度的差分改正,由于监测站和工作基点建立在基岩上,可以认为它们之间的距离是稳定不变的。两者间的差异可以认为是因气象条件变化引起的,按下式可求出气象改正比例系数:,经气象差分改正后的真实斜距为:,为了保证距离气象改正比例系数的可靠性和准确性,实际测量工作中,应取2个以上基准点测定的距离气象改正比例系数的中数,用于变形点距离测量的差分气象改正。,距离的差分改正,全站仪观测,基准距离,实测距离,测量机器人具有以下优点,1)能够同时全方位地观测工程建筑物的三维位移,克服了以往平面位移监测
15、和垂直位移监测分别进行的缺陷。2)可以自动进行气象改正,克服气象代表性误差。由于测量都是在预定的测站和地段进行,可以较为可靠地求得大气改正的数学模型,从而有效地提高测量精度。3)建立高精度的参考站,采用差分测量方式,可以消除和减弱各种误差(外部的和仪器内部的)对测量结果的影响,大幅度地提高测量的精度。4)可以实现连续24小时自动监测,实时数据处理、分析、输出,提供图形,多点、多项目、全自动和可视化,达到亚毫米以内的精度。5)可求得被测点的三维坐标,因此根据设计方案的要求,可作全方位的预报,包括位移、沉降、挠度、倾斜等变形监测内容。6)是一套相对投资省(包括设备投资和运行中的投资)、自动化程度高
16、、可靠性强、汇报率大的现代化的监测方法。,缺点是:没有多余的观测量,测量的精度随着距离的增长而显著地降低,且不易发现粗差;各测点不同步;大变形比较难以测量;实时性较差;在恶劣的天气,如大雾、暴风雨中不能进行工作等。,测量机器人具有以下缺点,2.1.4 地面摄影测量方法,用地面摄影测量方法测定工程建筑物、构筑物、滑坡体等的变形,就是在变形体周围选择稳定的点,在这些点上安置摄像机,并对变形体进行摄影,然后通过内业量测和数据处理得到监测点的二维或三维坐标,比较不同时刻监测点的坐标得到它们的位移。,摄影测量方法的优点,外业时间短,劳动强度小。视作业的目的不同,作业方法有较大的灵活性;像片信息丰富,显示
17、能力客观,能提供完全和瞬时的三维空间信息;在具有同步装置的条件下可对动态目标进行测量;可以不需要接触被测物体;对控制点的布设及精度要求较高,但与传统的大地测量相比,可大大减少外业工作量;像片可长期保存,有利于检查,分析及对比。,2.1.4 地面摄影测量方法,观测精度低,有时不能满足要求;各监测点不同步;精度与变形体的形状、大小有关;受自然地理条件限制。,摄影测量方法的缺点,2.1.4 地面摄影测量方法,2.1.5 全球定位系统(GPS)测量技术,GPS静态观测精度与观测时间成正比,如观测12h,其水平精度优于1mm,垂直精度优于1.5mm,观测6h,其水平精度优于0.5mm,垂直精度优于1mm
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