基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理
第31卷第7期 岩 土 力 学 V ol.31 No.7 2010年7月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2010
收稿日期：2009-03-19
基金项目：国家自然科学基金（No. 40674008）；三峡库区地质灾害防治重点实验室开放基金（No. 2006KDZ02）。
第一作者简介：徐进军，男，1966年生，博士，教授，主要从事精密工程测量与灾害分析预报研究。E-mail: jjxu@https://www.wendangku.net/doc/d514937024.html,
文章编号：1000－7598 (2010) 07－2188－05
基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理
徐进军1, 2，王海城2, 3，罗喻真2，王尚庆1，严学清1
（1.三峡大学 三峡库区地质灾害重点实验室，湖北 宜昌 443200；2.武汉大学 测绘学院，武汉 430079；
3.河北水利水电勘测设计研究院，天津 300250）
摘 要：地面三维激光扫描技术可以高精度、高密度、高速度地测量物体表面三维空间坐标，从而详细描述表面细部状况。它已经在静态形状测量中获得了成功的应用。目前，滑坡地表变形分析主要是采用GPS 或全站仪测量的少量特征点来进行，缺乏整体变形资料。但滑坡变形体的诸多细节变化对正确的变形分析有着重要的作用，将该技术引入到滑坡变形监测与分析中，可充分利用滑坡体上的大量点自然地物作为监测点，来完整监测和分析其变形。作为一项新的研究内容，文章对此进行了相应的理论分析与实际测量，获得了初步满意的结果。 关 键 词：三维激光扫描；滑坡监测；变形计算；变形分析 中图分类号：TU 457 文献标识码：A
Deformation monitoring and data processing
of landslide based on 3D laser scanning
XU Jin-jun 1, 2, WANG Hai-cheng 2, 3, LUO Yu-zhen 2, WANG Shang-qing 1, YAN Xue-qing 1
(1. China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China; 2. Wuhan University, Wuhan 430079, China; 3. Hebei Research Institute of Investigation & Design of Water Conservancy & Hydropower, Tianjin 300250, China)
Abstract: 3D laser scanning technology has been successfully applied to static surface measurement because it can measure 3D coordinate with high speed, high precision and high density to describe the surface detail. At present, the deformation analysis of the landslide surface is carried out mainly with some observed characteristic points by GPS or total station, but because of few data, this analysis is not complete. The detailed deformation of landslide has an important role for the correct deformation analysis. To introduce this technology to the landslide monitoring is significant for detailed deformation analysis, if a lot of natural rocks are used as monitoring points. In this paper, the theoretical analysis and the practical tests have been carried out; and the preliminary result has been obtained.
Key words: 3D laser scanning; landslide monitoring; deformation computation; deformation analysis
1 引 言
我国是世界上地质灾害分布广泛、发生频率、危害严重的国家之一，每年因崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害造成的经济损失近200亿元，死亡数百人。长江三峡库区更是地质灾害的多发区和重灾区，也是滑坡监测预警的重点[1]
。
目前，国内外滑坡灾害监测主要内容有地表变形监测、深部位移监测、力学参数监测以及环境影响因素（地表水、地下水、降雨量等）监测和宏观地质现象监测。而地表形变监测是滑坡监测预警的重要内容和有效手段。目前，应用最为广泛的手段
是GPS 和全站仪。但这种手段都是一种单点式监测，也就是说只对滑坡上重要部位建立的观测墩进行监测。这种方法的缺点是监测点数少，难以发现无监测点区域的变形情况，而且一旦被破坏会严重影响资料的连续性。从地面三维激光扫描的测量原理与测量过程[2
－4]
可知，三维激光扫描以格网扫描
方式，高精度、高密度、高速度和免棱镜地测量地表点，具有高时间分辨率、高空间分辨率和测量精度均匀等特点，能详细了解滑坡体细节变形和整体变化，但将三维激光扫描技术引入到滑坡变形监测领域无疑是非常有意义的[5
－6]
。其缺点是两次扫描
第7期徐进军等：基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理
一些形状规则的变形体监测通过曲面拟合方式展开了一些研究[7－8]，但对于在滑坡监测中的应用可行性及其可能的结果还需要研究。
2 三维激光扫描的数据采集
将扫描测量用于滑坡变形监测，顾及扫描仪特点，可在比较安全、通视良好和基本稳定的地方建造具有强制对中设备的几个观测墩，用于架设扫描仪、GPS接收机、全站仪以及瞄准标志等必要的仪器设备。
考虑到变形计算与分析必须在一个统一的坐标系中进行，应根据观测墩周围的稳定性状态，在一个统一的坐标系内定期或不定期采用GPS或者全站仪测量观测墩的三维坐标。
选择观测墩安置定向标志和扫描仪，整平并设置相关参数（扫描范围、扫描密度等），即可对定向标志和变形区域进行扫描测量，从而获得一期的滑坡扫描数据。
3 数据处理方法
扫描得到的数据也称为点云数据。它是密集的单个扫描点的集合。每个扫描点都含有三维坐标、反射强度和颜色等信息。因此，可根据颜色和强度信息从计算机上显示的点云数据中，很容易分辨不同的测量物体。
3.1 点云数据的处理过程
对基于三维激光扫描的形状测量而言。一般需要用专用软件对点云数据进行如下操作：
（1）编辑：主要消除粗差或裁剪掉与形状建模无关的点云；
（2）配准和拼接：寻找并求得不同测站上的公共点坐标，然后根据公共点坐标将不同测站测量的点云转换到统一坐标系中，形成一个整体；也可以根据测站坐标和定向点坐标将不同站的点云数据转换到统一的直角坐标系中。
（3）建模：根据点云数据和物体形状建立与物体相应的实体模型。
而在滑坡变形测量中，不需要测量滑坡形状，
对点云的处理，也就是说，GPS或全站仪测量的已知测站坐标和定向坐标，将每期和每站的点云数据转换到统一的坐标系中。
3.2 变形监测块的识别
采用全站仪或者GPS测量，每次都有明确而且相同的变形监测点，由它们直接计算变形。但扫描的点云数据中寻找同名点并计算其坐标。然而，扫描测量与处理不是以单点为处理单位，而是以“点群”为单位进行处理。因此，为了获得变形监测点，必须首先从含有强度信息和颜色信息的点云数据来分辨出各个“变形监测块”，然后再处理变形监测块上的点云。变形监测块有两种方式：
（1）在实际很多的滑坡体上，都有大量散落分布在滑坡表面的岩石块，这些自然地物的反射性相对较强，很容易将它们从其周围环境中分辨出来，可以作为“变形监测块”使用；
（2）如果在滑坡体上土体较多，且没有或者只有很少的反射性较强的自然地物，则可以在滑坡体合适的部位人工布设简单的、廉价的、能与其周围相区别的块体标志作为“变形监测块”。
3.3 变形点坐标的计算
从每期滑坡扫描点云中可以辨认出大量监测块体，而每一个变形监测块上都含有很多单个扫描点。为了将一个变形监测块中的点云变成变形监测点，采用拟合法和重心法。
（1）拟合法主要适合于处理球体类或者圆形面的变形监测块上的点云。这类监测块由人工布设，通过拟合球体的球心或者圆形面圆心作为变形监测点。
（2）重心法主要处理不规则监测块体上的点云。这类监测块可以是人工布设，也可以是自然块体。特别地，很多自然块体都有一个平面，可以充分利用平面法向量一致性的特性选择有效扫描点。本文中讨论和处理的就是至少具有一个平面的监测块体。步骤如下：
①计算机显示点云图，通过软件的缩放、旋转、平移等功能，选取监测块的一个平面。
②合理确定该面的边界，再根据法向方向的一致性选取边界范围内的扫描点。
③求出这些扫描点的平均坐标作为对应于该监测块的变形监测点。
重心法的处理流程见图1。
如果一个监测块有多个这样的平面，就可以得到该块上的多个监测点。
由此可知，扫描测量的变形监测点不同于GPS、全站仪，它不是测出来的，而是算出来的。这样处理获得的变形精度总体而言不如GPS或全站仪，但却能够获得滑坡体上大批自然点的变形量，对于滑坡整体变形分析意义重大。
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岩土力学 2010年
(a)岩石的扫描点云(b) 选取范围(c) 计算重心G
图1 重心法处理的主要过程
Fig.1 Steps for calculating the geometric center
4 试验结果分析
为研究地面三维激光扫描在滑坡监测中应用的
可行性，特进行了2个相关的试验：一是测量实验
室滑坡模型，采用人工球体监测块；二是测量实际
滑坡现场，采用自然岩石面作为监测块。数据采集
仪器是美国Trimble公司的Mensi GS200地面三维
激光扫描仪。该仪器的最大测程为350 m，属于中
程三维激光扫描仪。其平均扫描速度为5 000点/秒，
点位精度在100 m内为3 mm。
4.1 室内滑坡监测试验与分析
室内滑坡模型（如图2）模拟了三峡库区的典
型堆积层滑坡，用于研究降雨对滑坡变形的影响。
图2
室内滑坡模型（照片）
Fig.2 Laboratory model of landslide
由于滑坡模型没有自然滑坡丰富的纹理，故在
滑坡体表面布设了6排共22个乒乓球作为人工标志
点，其分布见图2。将扫描仪安在滑坡对面5 m左
右处扫描。当降雨达到一定的时间和强度后，发现
滑坡下部开始变形。此时开始定时对滑坡体测量（约
15 min左右一次），在2 h内共测量10次。
图3显示的是其中的3次扫描数据叠加结果，
显然，密集的测量不仅能够再现滑坡变形的轨迹，
而且还可以直接量测各点大致的三维变形量。
图3 点云图显示的运动轨迹
Fig.3 Deformation track showed by point-cloud
根据如图2所示布设的监测点，从上往下看，
选取了第1行、第4行和第6行左右各2个点，依
次标定为1～6共6个标志点，选取了2个扫描时刻
的结果，采用球体拟合方式进行处理。计算结果见
表1。
表1中计算的变形值与在滑坡模型上安置的其
它位移计和摄影测量结果对比，都具有极好的一致
性。
4.2 实地滑坡监测试验
根据所使用的三维激光扫描仪的性能及技术指
标，选取了三峡库区某滑坡的其中一块进行试验（图
4）。
相间1 d对滑坡体扫描获得了两期数据，如图5
所示。采用滑坡体上的自然岩石作为监测块。作为
试验，选取了5块岩石的岩面（图5）并采用重心
法处理，表2列出了处理后的两期坐标值及其变形
量。
软件直接量
测的变形值
正面图
Z
X
Y 2190
第7期徐进军等：基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理
表1 拟合法处理结果
Table 1 Results by fit method
第1期/m 第2期/m 变形量/mm 球号
X Y Z X Y Z △X△Y△Z
1 4.686 10.751 1.776 4.685 10.75
2 1.776 -1 1 0
2 5.125 10.548 1.774 5.124 10.548 1.774 -1 0 0
3 3.886 9.07
4 1.166 3.886 9.072 1.16
5 0 -2 -1
4 4.372 8.936 1.656 4.369 8.933 1.652 -3 -3 -4
5 2.905 7.248 0.187 2.817 7.059 0.027 -88 -189 -160
6 3.449 7.024 0.181 3.356 6.832 0.018 -93 -192 -163
表2 重心法处理结果
Table 2 Results by geometric centre method
第1期/m 第2期/m 变形量/mm 块体
X Y Z X Y Z △X△Y△Z
1 30.554 230.081 50.388 30.558 230.083 50.383 +4 +
2 -5
2 24.266 246.571 61.181 24.256 246.575 61.187 -10 +4 +6
3 14.337 200.349 45.876 14.332 200.342 45.871 -5 -7 -5
4 -10.500
181.693
40.366
-10.507
181.690
40.340 -7 -3 +4
5 -41.980
198.842
54.108
-41.975
198.838
54.101 +5 -4 -7
图4 滑坡及测量区域
Fig.4 Landslide and the measurement area
图5 两期扫描的滑坡点云图
Fig.5 Point-cloud of two measurement periods
滑坡的实际变形应该为0。从表2的变形量可以得出，采用重心法处理方式可以得到理想的测量结果。5 结论
研究结果表明，与GPS、全站仪等数据相结合，利用地面三维激光扫描技术获取滑坡表面的变形是可行的，能达到很好的精度。特别是在滑坡急剧变形阶段，由于过大地变形会破坏各种监测设施。在这种情况下的精度测量不是第1位的。第1位的是测量点密度和速度，采用三维激光扫描测量来快速建立滑坡监测系统，可以满足临滑预报要求。
地面三维激光扫描技术应用到滑坡灾害监测预警体系中，无疑有着广阔的潜力。地面三维激光扫描技术的测量方式和数据结构完全不同于传统的测量手段，其数据处理也完全不同于已有的理论方法，具体应用到滑坡的变形监测与预测预报时尚存在许多理论问题和实际问题有待解决，需要继续研究。本文仅仅提供一种思路和参考。随着电子技术和通讯技术的发展，扫描仪硬件、软件日臻完善，激光扫描技术将会成为一种常规监测手段应用于滑坡监测与预警之中。
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测量区域
第一期点云
第二期点云
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岩土力学 2010年
泛的应用，其力学性质既不同于土又不同于水泥砂石胶结成的混凝土。
（2）温度是影响沥青混凝土材料力学性质的重要因素之一，在0 ℃时材料的应力软化现象明显，材料在小应变下出现脆性破坏，在其他温度下材料表现出弹塑性，材料的变形性能较好，但随着温度的升高，材料力学性能有明显的降低。因此，选择沥青混凝土作为施工材料时要考虑地区的气候变化特点。
（3）沥青混凝土的抗剪强度随温度的增加呈现出非线性减小，在0 ℃～10 ℃减小较快，而在10 ℃～20 ℃减小趋缓，因此，建议选用10 ℃～20 ℃温度段内的抗剪强度指标作为工程设计标准。
（4）温度对沥青混凝土蠕变会产生影响，不同温度段影响大小不同，温度在10 ℃以下时，温度变化对蠕变影响较小，在10 ℃以上时，温度变化对蠕变影响较大。
（5）在沥青混凝土试件本构关系的描述中提出引入温度参数，建立温度在5 ℃～20 ℃范围内统一的模型表达式。
（6）从不同沥青含量试件三轴试验分析可知，在相同温度下，决定沥青混凝土力学性质的主要因素是沥青的含量，因此，工程应用中需要综合考虑材料在运行阶段的工况，选择合理的沥青配比。
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三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用
三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用 徐晓雄刘松林李白 随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。
使用国产地面激光扫描仪扫描的输电线三维模型 三维激光扫描测量技术的特点 三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪产品。
边坡变形监测方案实施及数据处理分析
边坡变形监测方案实施及数据处理分析 【摘要】边坡工程施工过程中，由于填挖面大，引起周边环境变形的可能性就高，需要对边坡进行有效的变形监测，针对变化及时采取一些方法处理，以保证设施的安全。这种项目就需要正确地采用一个合理的监测方案，对数据处理、分析。本文结合已完成项目的实例，对边坡进行水平位移和沉降监测，采用监测方法为精密二等水准、极坐标法，并对其进行分析。 【关键词】变形监测；基准网；变形点；边角网；极坐标法；闭合水准路线 1 工程概况 某变电站东南侧边坡于2011年发生滑坡，后采用42根抗滑桩进行加固处理。根据施工单位的反映，抗滑桩施工2012年3月施工完毕后至2012年5月初，抗滑桩发生位移，附近水泥地面发现裂缝，呈放大趋势。为了准确了解抗滑桩变形情况，要求对桩顶水平及垂直位移进行变形监测。 2 监测方案的实施 2.1 基准控制点和监测点的布设 2.1.1 基准网的建立 选择通视良好、无扰动、稳固可靠、远离形变护坡高度3倍即45m外比较稳定的地方埋设四个工作基点，其中三个工作基点A1、A2、A3采用有强制归心装置的观测墩，照准标志采用强制对中装置的觇牌。A2、A3为观测墩，地面高度约1.2m，埋深至基岩位置，A4为主要检核点，埋设在加固坎上，地质较为稳定。 A3、D12、SZ1为沉降基准点，D12在是4×4m的高压电塔加固水泥墩上，建成已超过一年，SZ1在另一电塔水泥墩上，墩台3.5×3.5m，建成时间超过三年，非常稳固。 2.1.2 变形点的建立 变形点应布置在边坡变形较大并能严格控制变形的边坡边沿位置。在边坡顶上布置27个变形监测点，编号分别为东侧为1-27。用膨胀螺栓垂直植入护坡混凝土中，螺栓孔深不小于100mm，露出地面30-80mm，用红色油漆在螺栓上做标记，并将螺栓顶部磨半圆。 基准点与各点位埋设完毕等候5天后，水泥凝固稳定后方可开始进行观测。 2.2 监测精度及频率要求
三维激光扫描仪
利用三维激光扫描仪提取塌陷裂缝 张飞跃 （西安科技大学，陕西西安 710600） 摘要：三维激光扫描技术作为一种新兴的测量技术，是一种先进的、自动化的、非接触式、高精度三维激光技术，是继GPS之后测量技术的又一次革新。由于地面沉降引起的地裂缝是一种日趋普遍且显著的地质问题，对矿区地表作物及生态产生重大影响。利用三维激光扫描仪并结合数字图像技术提取塌陷裂缝是对三维激光技术应用的又一次扩展。论文对三维激光扫描仪进行了详细的介绍说明并通过对矿区实地数据的处理和分析，探索三维激光扫描仪在地表变形监测领域的应用理论和方法。 关键词：三维激光扫描技术，点云数据处理，数字滤波，裂缝信息提取 Using three-dimensional laser scanner to extract Surface crack ZHANG Fei-Yue (xi’an university of science and technology) Abstract：As a new measurement technique,three-dimensional laser scanning technology is an advanced, automated, non-contact, high-precision three-dimensional laser technology, following another GPS measurement technology innovations. Due to cracks caused by ground subsidence is a common and increasingly significant geological problems, there has a significant impact on the mine surface crops and https://www.wendangku.net/doc/d514937024.html,ing three-dimensional laser scanner and digital image technology to extract collapse crack is another expansion of three-dimensional laser technology .This paper has been illustrated and described in detail by mine field data processing and analysis for three-dimensional laser scanner,to explore the three-dimensional laser scanner application theory and methods in the field of surface deformation monitoring. Key words: Three-dimensional laser scanning technology，Point cloud data processing，Digital Filter，Cracks information extraction 0 引言 三维激光扫描系统是一种集高新科技于一身的空间数据获取系统。利用地面三维激光扫描技术，可以进行复杂地形地貌的地区或是管线设施密集的工厂进行扫描作业，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分析，如测绘、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。 在矿山开采沉陷研究中，传统地表沉陷观测方法在地表变形盆地主断面上步设一定密度的监测点获取地表变形数据。监测点数量有限，并且在较长的观测周期中出现因监测点难以保护而造成点位丢失的现象，给之后的数据处理工作带来
变形监测及数据处理方案
目录 摘要.............................................................................................................................................. I Abtract.............................................................................................................................................. I I 1 工程概况 (1) 2 监测目的 (2) 3 编制依据 (3) 4 控制点和监测点的布设 (4) 4.1 变形监测基准网的建立 (4) 4.2 监测点的建立 (4) 4.3 监测级别及频率 (5) 5 监测方法及精度论证 (6) 5.1水平位移观测方法 (6) 5.2沉降观测方法 (8) 5.3基坑周围建筑物的倾斜观测 (9) 6 成果提交 (10) 7 人员安排及施工现场注意事项 (11) 8 报警制度 (13) 9 参考文献 (13) 附录1 基准点布设示意图 (15) 附录2 水准观测线路设示意图 (16) 附录3 水平位移和沉降观测监测报表 (17) 附录4 巡视监测报表样表 (18) 附录5 二等水准测量观测记录手薄 (19) 附录6 水平位移记录表 (20)
1 工程概况 黄金广场6#楼基坑支护工程位于合肥市金寨路和黄山路交口西南角，基坑开挖深度为12.4m~13.3m，为临时性工程,为一级基坑，重要性系数1.1，基坑使用期为六个月。 由于多栋建筑物与基坑侧壁距离较近，均在基坑影响范围内。按照国家现行有关规范强制性条文，“开挖深度大于或等于5m或开挖深度小于5m但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑工程以及其他需要监测的基坑工程应实施基坑工程监测。”为了及时和准确地掌握基坑在使用期间的变形情况以及基坑相邻建筑物主体结构的沉降变化，需对基坑进行水平位移(或沉降)变形监测，并对相邻建筑物进行沉降监测。为此，编制以下检测方案。
三维激光扫描技术
三维激光扫描技术 三维激光扫描技术 三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，作为20 世纪90 年代中期开始出现的一项高新技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命，通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取物体表面各个点的(x.y.z)坐标、反射率、(R.G.B)颜色等信息，由这些大量、密集的点信息可快速复建出1:1的真彩色三维点云模型，为后续的业处理、数据分析等工作提供准确依据。具有快速性，效益高、不接触性、穿透性、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化、实时性强等特点，很好的解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型，主要通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，大量的空间点位信息。是快速建立物体的三维影像模型的一种全新的技术手段。三维激光扫描技术使工程大数据的应用在众多行业成为可能。如工业测量的逆向工程、对比检测；建筑工程中的竣工验收、改扩建设计；测量工程中的位移监测、地形测绘；考古项目中的数据存档与修复工程等等。 三维激光扫描原理 三维激光扫描仪利用激光测距的原理，通过高速测量记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。 三维激光扫描技术引入建筑工程的意义 随着三维扫描技术的发展与成熟，它很快成为空间数据获取的一种重要技术手段，并在很多行业引起技术性变革的热潮。目前，国建筑行业处于变革的阶段，BIM在我们从事的行业中引爆，但是都处于一种建模，碰撞分析，检测等方面，但都没有深入衔接现实，忽略施工工地数据流与建筑信息模型间的流通转化，何谈运维，所以bim模型去哪了？并没有贯穿到bim 的全生命周期中去。三维激光扫描技术在BIM中的应用是最基础的一个重要环节，对现场实际数据的采
地面三维激光扫描测量技术及其应用分析
地面三维激光扫描测量技术及其应用分析 宋宏1，2 (1.武汉大学测绘学院 武汉 430079；2.中煤航测遥感局 西安 710054) 摘 要：三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。目前许多发达国家已将这一先进技术用于空对地观测及工业测量系统，快速获取特定目标的主体模型，我国在863计划中也重点支持了这一研究方向。本文论述地面三维激光扫描技术的原理分类和应用现状，比较了相关技术方法之异同，评价了地面扫描仪优缺点，指出该技术面临的诸多挑战。 关键词：三维激光扫描技术 LIDAR激光雷达 地面激光扫描仪 近景摄影测量 三维建模 1 引言 激光扫描系统平台分为机载和地面两大类型。地面三维激光扫描系统，与激光测距技术点对点的距离测量不同，激光扫描技术的发展为人们在空间信息获取方面提供了全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动获取批量数据，提高了量测的精度与速度。 2 地面三维激光扫描技术的基本原理，仪器技术指标和分类 2.1 三维激光扫描仪测量原理 径向三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何图形的三维数据。仪器要包括激光测距系统、扫描系统和支架系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。典型的径向三维激光扫描仪有很多，如Optech ILRIS-36D、Leica HDS 3000、Mensi GX RD 200+等。 目前三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法(Time of Flight)，是一种高速激光测时测距技术，采用脉冲测距法的三维激光点坐标计算方法，如式（1）所示。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。由此可得三维光脚点P 坐标(X s，Ys，Zs)的计算公式： 图1三维激光扫描系统工作原理 图2 采用脉冲测距法的三维激光点坐标 2.2 地面扫描仪技术指标 1) 典型的地面三维激光扫描仪毫米级精度仪器见表1。 表1：中远距离的毫米级仪器装备主要技术指标 生产厂家 Optech Leica Mensi 产品 ILRIS-36D HDS3000 GX RD200+ 激光安全性 Class 1 1500nm Class 3 Class 3 532nm 距离精度 7mm@100m 单点4mm@50 单点7mm@100m 定位精度 8mm@100m 6mm@50 单点12mm@100m
变形监测数据处理课程教案第一章
《变形监测数据处理》课程教案 班级 测绘工程 0841-08420-1021 科目变形监测课程类型专业课学时数 4 教学内容第一章绪论 教学目的通过本章的学习，要求学生掌握变形监测的内容、目的与意义，熟悉变形监测技术及其发展，变形分析的的内涵及其研究进展。 重点变形监测的主要内容及其目的 难点本章无难点 教学方法课堂讲授 教学进程 第一讲变形监测的内容、目的与意义（2学时） 第二讲变形监测技术及其发展；变形分析的的内涵及其研究进展（2学时） 课后总结各种工程建筑物、构筑物变形监测的主要内容 变形监测三个方面的目的及三个方面的意义。 熟悉常见的几种变形监测技术，了解变形监测分析的内涵。 作业无 第一章变形监测数据处理 主要参考书: 1.陈永奇,吴子安,吴中如.变形监测分析与预报.北京:测绘出版社,1998 2.吴子安.工程建筑物变形观测数据处理.北京:测绘出版社,1989 3.陈永奇.变形观测数据处理.北京:测绘出版社,1988 4.吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.北京:高等教育出版社,2003 5.吴中如,顾冲时.大坝原型反分析及其应用.南京:江苏科学技术出版社,2000 6.夏才初,潘国荣.土木工程监测技术.北京:中国建筑工业出版社,2001 7.王尚庆.长江三峡滑坡监测预报.北京:地质出版社,1999
8.李珍照.大坝安全监测.北京:中国电力出版社,1997 9.岳建平等.变形监测技术与应用. 国防工业出版社 2007 10.何秀凤.变形监测新方法及其应用.科学出版社 2007 11.伊晓东等.变形监测技术及应用.黄河水利出版社，2007 12.白迪谋.工程建筑物变形观测和变形分析.西南交通大学出版社，2002 13.朱建军等.变形测量的理论与方法.中南大学出版社，2004 14.唐孟雄等.深基坑工程变形控制.中国建筑工业出版社，2006 15.黄声享等.小浪底水利枢纽外部变形规律研究. 测绘出版社,2008.12 规范: 1.中华人民共和国行业标准.建筑变形测量规范（JGJ8-2007）. 北京:中国建筑工业 出版社,2008 2.中华人民共和国水利行业标准. 混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T 5178-2003）. 北京：中国水利水电出版社, 2004 1.1 变形监测的内容、目的与意义 本节要求了解并掌握三方面的内容：变形监测的基本概念；变形监测的内容；变形监 测的目的和意义。 1.1.1 变形监测的基本概念 变形的概念：变形是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象时刻都在我们周边发生着，如地震、滑坡、岩崩、 地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。 变形监测的概念：所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象 进行监视观测的工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段。 变形体的范畴：变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑物的块体， 它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为这样 三类： ?全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等； ?区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等； ?工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等。
浅谈三维激光扫描技术原理及应用
浅谈三维激光扫描技术原理及应用 摘要：三维激光扫描技术是—种新型的测绘技术，被称为“实景复制技术”。本文介绍了三维激光扫描仪的系统分类、基本原理、技术特点，探讨了三维激光扫描技术的应用。 关键词：三维激光扫描技术工作原理技术特点应用 1、引言 近年来，随着工程测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，被广泛的应用于各个领域。 2、三维激光扫描技术 随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这项国际上近期发展的高新技术已经引起了广大科研人员的关注。这种技术采用非接触式高速激光测量方式，来获取地形或复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理分析，转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或者建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，既省时又省力,同时点云还可输出多种不同的数据格式，做为空间数据库的数据源和满足不同应用的需要。 2.1 三维激光扫描系统组成 整个系统通常由以下四部分组成：1)三维激光扫描仪；2）数码相机；3）后处理软件；4)电源以及附属设备。如图1： 图1 地面激光扫描仪系统组成与坐标系 2.2 三维激光扫描仪的分类 三维激光扫描仪按照扫描平台可以分为：机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。 三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具，按照其有效扫描距离可进行如下分类： (1)短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为
变形监测与数据处理期末试题
1监测网的平差基准包括（固定基准，重心基准，拟稳基准） 2根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为（全球性，区域性，工程和局部性）3变形分析的研究内容通常可分为（几何分析，物理解释） 4变形监测的概念，意义，什么是变形监测的几何分析，物理解释 5变形监测方案的内容 6变形监测网设计的质量准则 7平均间隙法的基本思想 8.变形的频率取决于p45 9.P25平稳随机过程的定义 10对于监测网平差的参考系问题，经典平差采用固定基准，自由网平差采用重心基准，拟稳平差采用拟稳基准 11要搞清变形的规律，必须分析引起变形的因素，对于大坝而言，引起变形的原因主要包括静水压力，坝体的温度变化，时效变化 12测量机器人P31 13常用的变形监测数学模型有：回归分析法，灰色系统模型，时间序列模型，神经网络模型 14变形监测所研究的理论和方法主要涉及到变形信息的获取、变形信息的分析与解释、变形预报 15 GPS用于变形监测的作业模式可分为周期性和连续性两种 16 简述变形监测技术中，地面监测方法的优点 17控制网优化设计问题的分类及解法：零类设计（基准设计）、一类设计（结构图形设计）、二类设计（观测值权的分配）、三类设计（网的改造或加密方案设计）。 18若监测资料分析的结果存在大的偏差, 则有两种可能现象: 误差引起(大误差或粗差)；真实变形(突变)。 19变形监测网可分为两类:有固定基准的绝对网（参考网）；没有绝对固定基准的相对网(自由网)。 20什么是变形监测的相对网、绝对网，他们之间有什么区别？ 绝对网中，固定基准位于变形体之外，在各观测周期中认为是不变的，以作为测定变形点绝对位移的参考点，这种监测网平差采用经典平差方法便可实现。 相对网中，由于全部网点均位于变形体上，没有必要的起算基准，是一种自由网，平差时存在参考系秩亏，为了分析变形，需要寻找一个恰当的变形参考系。 21下表为某坝2个坝段半年的水平位移观测资料，为了分析它们之间相互检核的可能性试利用相关系数检验他们之间的相关程度。（取置信水平α=0.01）
三维激光扫描测量技术探究及应用
三维激光扫描测量技术探究及应用 如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是许多学者深入研究的课题。随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，尤其在当今以计算机技术为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标 如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是许多学者深入研究的课题。随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，尤其在当今以计算机技术为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。 三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。激光测量技术出现于上世纪80年代，由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，将其引入测量装置中，在精度、速度、易操作性等方面均表现出巨大的优势，它的出现引发了现代测量技术的一场革命，引起相关行业学者的广泛关注，许多高技术公司、研究机构将研究方向和重点放在激光测量装置的研究中。随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展和应用需求的推动，激光测量技术也逐步由点对点的激光测距装置发展到采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量技术。随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格方面的逐步下降，20世纪90年代，其在测绘领域成为研究的热点，扫描对象不断扩大，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一，许多公司都推出了不同类型的三维激光扫描测量系统。上世纪90年代中后期，三维激光扫描仪已形成了颇具规模的产业。 三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、
变形监测数据处理
变形监测数据处理 第一章引论 变形是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。 变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。 变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑物的块体，它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为这样三类： 1.全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等； 2.区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等； 3.工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等。 变形监测的内容，应根据变形体的性质与地基情况来定。 1）工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就其基础而言，主要观测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉陷。对于建筑物本身来说，则主要是观测倾斜与裂缝。对于高层和高耸建筑物，还应对其动态变形（主要为振动的幅值、频率和扭转）进行观测。对于工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要观测内容是水平位移和垂直位移。 2）水工建筑物：对于土坝，其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测。对于混凝土坝，以混凝土重力坝为例，由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作用，其主要观测项目主要为垂直位移（从而可以求得基础与坝体的转动）、水平位移（从而可以求得坝体的扭曲）以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为外部变形观测。此外，为了了解混凝土坝结构内部的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容通常称为内部观测。 3）地面沉降：对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于工业用水需要大量地吸取地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。对于地下采矿地区，由于在地下大量的采掘，也会使地表发生沉降现象。这种沉降现象严重的城市地区，暴雨以后将发生大面积的积水，影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。因此，必须定期地进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观测。 变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个方面：变形信息的获取；变形信息的分析与解释；以及变形预报。 对于工程建筑物，变形监测的意义重点表现在：确保安全、验证设计、灾害防治。
三维激光扫描介绍
我们来了解下什么是三维激光扫描。 三维激光扫描技术是测绘界的一项技术革新，既然有三维，激光这些词，那么就说明了这项技术是基于三维和激光的概念。稍微了解测量的人都知道，过去早期我们是使用经纬仪，全站仪来测量物体之间的位置关系，经纬仪是测量水平和竖直角度的仪器，目前在实际工作中已经用得相对较少，已经逐渐被全站仪所替代。全站仪是集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。简单的说是通过发射的激光，碰到目标物体后，通过反射信号解算出相应距离，角度值。全站仪只能每次测量到某个点，或某些点的信息，而不能把空间中的三维信息全部记录下来。 三维激光扫描通过连续的发射激光，将空间信息以点云（PointCloud）形式记录，采集范围更可达360°*270°以上，扫描距离可以到达1米-6000米，通过拼接等技术手段，可实现更大的扫描范围。真正实现所见及所得的效果。还可以通过三维激光扫描设备自身携带的影像设备，获取物体的影像信息。 通过获取到点云，影像数据，我们通过后期技术处理，可快速建立二维图纸，结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型，生成正射影像等等。这种超强的三维建模和虚拟重现能力，让三维激光扫描目前成为研究的热点。目前三维激光扫描设备搭载的平台也开始多种多样，主要有：定点激光扫描器，车载激光扫描器，机载激光扫描器，船载激光扫描器，手持激光扫描器等等。 可以说三维激光扫描的应用也开始多种多样，目前主要应用 （1）数字城市领域：大规模城市还原，城市模型重建，城市道路测量，管线规划，设计规划，城市设计变更，数字城管，公安监控，市政管理。 （2）测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量、公路测绘，铁路测绘，河道测绘，桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。 （3）结构测量方面：桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量；管道、线路测量、各类机械制造安装。 （4）建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真、古迹（古建筑、雕像等）的保护测量、文物修复，古建筑测量、资料保存等古迹保护，遗址测绘，赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录。 （5）紧急服务业：反恐怖主义，陆地侦察和攻击测绘，监视，移动侦察，灾害估计，交通事故正射图，犯罪现场正射图，森林火灾监控，滑坡泥石流预警，灾害预警和现场监测，核泄露监测。 （6）娱乐业：用于电影产品的设计，为电影演员和场景进行的设计，3D游戏的开发，虚拟博物馆，虚拟旅游指导，人工成像，场景虚拟，现场虚拟。
三维激光扫描技术
激光扫描仪是借着扫描技术来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器，激光扫瞄仪必须采用一个稳定度及精度良好的旋转马达，当光束打 ( 射) 到由马达所带动的多面棱规反射而形成扫瞄光束。由于多面棱规位于扫瞄透镜的前焦面上，并均匀旋转使激光束对反射镜而言，其入射角相对地连续性改变，因而反射角也作连续性改变，经由扫瞄透镜的作用，形成一平行且连续由上而下的扫瞄线。 由于扫瞄法系以时间为计算基准，故又称为时间法。它是一种十分准确、快速且操作简单的仪器，且可装置于生产在线，形成边生产边检验的仪器。激光扫瞄仪的基本结构包含有激光光源及扫瞄器、受光感 ( 检) 测器、控制单元等部分。激光光源为密闭式，较不易受环境的影响，且容易形成光束，目前常采用低功率的可见光激光，如氦氖激光、半导体激光等，而扫瞄器为旋转多面棱规或双面镜，当光束射入扫瞄器后，即快速转动使激光光反射成一个扫瞄光束。光束扫瞄全程中，若有工件即挡住光线，因此可以测知直径大小。测量前，必须先用两支已知尺寸的量规作校正，然后所有测量尺寸若介于此两量规间，可以经电子信号处理后，即可得到待测尺寸。因此，又称为激光测规。 激光扫瞄仪在工业生产在线检测产品时，利用这种非接触式而不需停机，甚至设有自动警报及回馈控制等功能。测量范围从0.25 mm~457 mm之间，精度可达。 激光扫描的原理是什么？ 原理比较简单，事实上和全息照片有着相同的原理，首先，需要将激光分成两束，一束光照射物件，一束直接照到底片上，使感光原件感光。从这是利用了从物体后部反射的激光束与物体前部反射的激光束所走过的距离不同，因此与直接照射的参考光束所形成的干涉条纹不同，而三维型激光扫描仪则记录了全部的条纹，也就记下了物体的立体形象，只要再用激光去照射全息图片，就可以显出物体的真面目。观看这样的图片时，只要改变观察的角度，就可以看到被前面物体挡住的部分，而且从这机关报照片中任意剪下一小块，都可从它看到物体的全貌，只是观察的窗口较窄，就好比从钥匙口看室内的情况一样。 三维激光扫描仪测控技术及回波信号处理方法的研究 近些年来，随着数字化技术的迅速发展，各种不同领域对于获取原始数据信息的需求也日益增多。其它相关技术如计算机、机械制造等的进步和发展，使人们获取信息的方法和技术变得多种多样。三维激光扫描技术是其中一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术，它适用于中近距离的宽场景、大物体的快速高精度扫描，为建立场景的三维模型提供了必要而且准确的工具。通过与计算机的连接，三维激光扫描的后处理技术可以使扫描结果得到更为广泛的应用。本文对三维激光扫描仪的测控系统技术及通过对回波信号进行处理来提高测距精度的方法进行了深入的研究。首先介绍了三维激光扫描的特点以及国内外有关发展趋势、技术特点及难点等，根据系统要求对测控系统步进电机的细分驱
变形监测数据处理课程教案
《变形监测数据处理》课程教案 第一章变形监测数据处理 主要参考书: 1.陈永奇,吴子安,吴中如.变形监测分析与预报.北京:测绘出版社,1998 2.吴子安.工程建筑物变形观测数据处理.北京:测绘出版社,1989 3.陈永奇.变形观测数据处理.北京:测绘出版社,1988 4.吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.北京:高等教育出版社,2003 5.吴中如,顾冲时.大坝原型反分析及其应用.南京:江苏科学技术出版社,2000 6.夏才初,潘国荣.土木工程监测技术.北京:中国建筑工业出版社,2001 7.王尚庆.长江三峡滑坡监测预报.北京:地质出版社,1999
8.李珍照.大坝安全监测.北京:中国电力出版社,1997 9.岳建平等.变形监测技术与应用. 国防工业出版社 2007 10.何秀凤.变形监测新方法及其应用.科学出版社 2007 11.伊晓东等.变形监测技术及应用.黄河水利出版社，2007 12.白迪谋.工程建筑物变形观测和变形分析.西南交通大学出版社，2002 13.朱建军等.变形测量的理论与方法.中南大学出版社，2004 14.唐孟雄等.深基坑工程变形控制.中国建筑工业出版社，2006 15.黄声享等.小浪底水利枢纽外部变形规律研究. 测绘出版社,2008.12 规范: 1.中华人民共和国行业标准.建筑变形测量规范（JGJ8-2007）. 北京:中国建筑工业 出版社,2008 2.中华人民共和国水利行业标准. 混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T 5178-2003）. 北京：中国水利水电出版社, 2004 1.1 变形监测的内容、目的与意义 本节要求了解并掌握三方面的内容：变形监测的基本概念；变形监测的内容；变形监测的目的和意义。 1.1.1 变形监测的基本概念 变形的概念：变形是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象时刻都在我们周边发生着，如地震、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。 变形监测的概念：所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段。 变形体的范畴：变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑物的块体，它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为这样三类： ?全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等； ?区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等； ?工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等。
变形监测考试参考
变形监测定义 是指对被监测的对象或物体进行测量以确定其空间位置几内部形态随时间的变化特征。 变形监测的目的 1）分析和评价建筑物的安全状态2）验证设计参数3）反馈设计施工4）研究正常的变形监测规律和预报变形的方法 变形监测的意义 对于机械技术设备，则保证设备安全、可靠、高效地运行，为改善产品质量和新产品的设计提供技术数据；对于滑坡，通过监测其随时间的变化过程，可进一步研究引起滑坡的成因，预报大的滑坡灾害；通过对矿山由于矿藏开挖所引起的实际变形观测，可以采用控制开挖量和加固等方法，避免危险性变形的发生，同时可以改变变形预报模型；在地壳构造运动监测方面，主要是大地测量学的任务，但对于近期地壳垂直和水平运动以及断裂带的应力积聚等地球动力学现象、大型特种精密工程以及铁路工程也具有重要的意义。 变形监测的特点 1）周期性重复观测2）精度要求高3)多种观测技术的综合应用4）监测网着重于研究电位的变化 变形监测的主要内容 现场巡视；环境监测；位移监测；渗流监测；应力、应变监测；周边监测 变形监测的精度和周期如何确定，有何依据 精度：1917年国际测量工作者联合会（FIG）第十三届会议上工程测量组提出：如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的1/10～1/20；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个数小的多。 周期：变形监测的周期应以能系统反映所测变形的变化过程且不遗漏其变化时刻为原则，根据单位时间内变形量的大小及外界影响因素确定。 变形监测系统设计的原则 1）针对性2）完整性3）先进性4）可靠性5）经济性 变形监测系统设计主要内容 1）技术设计书2）有关建筑物自然条件和工艺生产过程的概述3）观测的原则方案4）控制点及监测点的布置方案5）测量的必要精度论证6）测量的方法及仪器7）成果的整理方法及其它要求或建议8）观测进度计划表9）观测人员的编制及预算 变形监测点的分类及每类要求 1）基准点：埋设再稳固的基岩上或变形区外，尽可能长期保存。每个工程一般应建立3个基准点，以便相互校核，确保坐标系统的一致。当确认基准点稳定可靠时，也可以少于3个，应进行定期观测。2）工作点：埋设再被研究对象附近，要求在观测期间保持点位的稳定，其点位由基准点定期监测。3）变形观测点：埋设再建筑物内部，0 变形呢监测点标石埋设后，应在其稳定后方可开始观测。稳定期一般不宜少于15天。变行监测技术在哪几方面取得了 较好的发展？ ①自动化监测技术②光纤传感检 测技术③CT（计算机层析成像）技 术的应用④GPS在变形监中的应 用⑤激光技术的应用⑥测量机器 人技术⑦渗流热监测技术⑧安全 监控专家系统 什么是垂直位移和沉降？建筑物 沉降与哪些因素有关？ 从词面来说，垂直位移能同时表示 建筑物的下沉或上升，而沉降只能 表示建筑物的下沉，对大多数建筑 物来说特别是施工阶段，由于垂直 方向上的变形特征和变形过程主 要表现为沉降变化，因此实际应用 中通常采用沉降一词。 影响建筑物沉降的因素有：（1）建 筑物基础的设计（2）建筑的上部 结构（3）施工中地下水的升降 监测方法与技术要求有哪些 视线长度、前后视距差和视线高 度；水准测量主要限差；沉降监测 点的精度要求。 精密水准测量的误差来源有哪 些？如何减弱i角误差对沉降观 测结果的影响？ 误差来源:1）仪器误差：水准仪i 角误差；水准尺长与名义尺长不符 2）外界环境引起的误差：高压输 电线和变电站等强磁场的影响；温 度和大气折光影响3）人为引起的 误差 方法：减小i角误差的影响，必 须严格控制前后视距差和前后视 距累计差，又由于i角误差会受温 度等影响，减弱其影响的有效方法 是减少仪器受辐射热的影响；若i 角误差与时间成比例地均匀变化， 则可以采用改变观测程序（奇数站 —后前前后；偶数站—前后后前） 的方法减小i角误差影响。 精密水准测量监测方法与技术要 求有哪些 方法：采用精密水准测量方法进行 沉降监测时，从工作基点开始经过 若干监测点，形成一个或多个闭合 或附合路线，其中以闭合路线为 佳，特别困难的监测点可以采用支 水准路线往返测量。 要求：视线长度、前后视距差和视 线高度；水准测量主要限差；沉降 监测点的精度要求。 测点布设原则与方法 建筑物水平位移监测的测点宜按 两个层次布设，即由控制点组成控 制网，由观测点及所联测的控制点 组成扩展网；对单个建筑物上部或 构件的位移监测，可将控制点连同 观测点按单一层次布设。 水平位移监测常用的观测方法有 1）大地测量法2）基准线法3）专 用测量法4）GPS测量法 交会观测方法有几种及什么情况 用哪种方法 1）测角交会法：采用测角交会法 时，交会角最好接近90°若条件 限制，也可设计在60°~120°， 工作基点到测点的距离不宜大于 300m。2）侧边交会法：r角通常 应保持60°~120°，测距仔细， 交会边长度a和b应力求相等，一 般不大于600m；3）后方交会法 精密导线测量方法 1）边角导线法 2）弦矢导线法 数据处理和分析主要内容 1）粗差检查及处理2）点温度条 件检查3）数据可靠性检查。 挠度及挠度观测及方法 定义：测定建筑物受力后挠曲程 度的工作称为挠度观测。建筑物在 应力的作用下产生弯曲和扭曲，弯 曲变形时横截面形心沿与轴线垂 直方向的线位移称为挠度。 方法：1）高层建筑—前方交会法 2）内部有竖直通道的建筑物—垂 直观测法3）电子传感设备 对于以产生的裂缝应进行哪些内 容的监测工作？ 对建筑物的裂缝应进行位置、长 度、宽度、深度和错距等的定期观 测。对建筑物表面及内部可能产生 裂缝的部位应预埋设备，进行定期 观测或临时采用适宜方法进行探 测。 裂缝监测的方法 1）测微器法2）测缝针3）超声波 检测 变形监测数学模型指什么？有哪 些？ 表示建筑物的变形与产生变形的 各因素之间的关系的函数，称为变 形监测数学模型。 统计分析模型、确定性模型、混合 模型、灰色系统分析模型、时间序 列分析模型、神经网络模型 变形监测数学模型的分类。 第一类是基于数学统计的数学模 型，有回归、时间序列、灰色系统； 第二类是基于力学理论的数学模 型，有数值数学模型；第三类是人 工智能数学模型，有神经网络模 型。 现代GPS监测技术有哪些（论述 题） 1）GPS实时监测技术；基本思想： 在基准站上安置一台GPS接收机， 对所有可见GPS卫星进行连续观 测，并将其观测数据通过无线电传 输设备发送给流动站，流动站接收 基准站传输的观测数据，然后根据 相对定位原理，实时地计算并显示 用户站的三维坐标及其精度。2） GPS一机多天线监测技术；系统设 计原则：先进性、可靠性、自动化、 易维护、经济性；基本思想：在不 改变己有GPS接收机结构的基础 上，通过一个附加的GPS差分信号 分时器连接开关将多个天线阵列 与同一台接收机连接，通过GPS 数据处理后可获得变形体的变形 规律。组成：控制中心，数据通信， GPS多天线控制系，野外供电系 统。 GPS在变形监测中的应用优势 1）各监测站之间无需通视，是相 互独立的观测值2）GPS可以实现 全天候定位，可以在暴风雨中进行 监测3）GPS测定位移自动化程度 高。所测三维坐标可直接存入监控 中心服务器，并进行安全性分析。 4）GPS定位速度快，精度高。 监测资料的编整的一般规定 监测资料整编包括平时资料整理 和定期资料编印。 平时资料整理包括：适时检查各 观测项目原始观测资料和巡视检 查记录的正确性、准确性和完整 性；及时进行各观测物理量的计 算，填写数据记录表格；随时点绘 观测物理量的过程线图考察和判 断侧枝的变化趋势；随时整理巡视 检查记录，补充和修正，确保资料 的衔接与连续性。 定期资料编印包括：汇集工程监 测的相关资料、报告、文件；对各 项观测物理量进行统计和校对；绘 制各观测物理量的分布特征图，有 关因素的相关图；分析各观测量的 变化，提出意见；对资料进行全面 复核，汇编并说明，刊印成册，建 档保存。 整编资料的审查包括完整性审查， 连续性审查，合理性审查，争辩说 明的审查。 监测资料的定期编印应包含哪些 内容？ ①汇集工程基本概况/监测系统布 置和各项考证资料/以及各次巡检 资料和有关报告、数据等 ②在平时资料整理的基础上，对整 编时段内的各项观测物理量按时 序进行列表统计和校对，此时如发 现可疑数据，一半不宣删改，应加 注说明提醒读者注意 ③绘制能表示各观测物理量在时 间上和空间上的分布特征网，以及 有关因素的相关关系图 ④分析与观测物理量及其对工程 安全的影响，并对影响工程安全的 问题提出运行和处理意见 ⑤对上述资料进行全面复核，汇 编，并附以整编说明后，刊印成册， 建档保存，采用计算机数据系统进 行资料存储和整编，整编软件应具 有数据导入，修改，查询，以及整 编图表的输出打印功能，还应复制 软盘备份 如何对检测资料分析（论述题） 常用的分析方法有作图分析，统计 分析，对比分析和建模分析 监测资料的分析一般分为定期分 析和不定期分析。1．定期分析： １）施工期资料分析２）运营初期 资料分析３）运行期资料分析 ２．不定期分析：有特殊需要时才 专门进行的分析，如遇洪水，地震 等。 监测数据的预处理内容及为什么 要进行预处理 内容：监测物理量的转换、监测 数据的粗差检查、以及系统误差的 检验等。 原因：1）监测数据可能不是我们 想要的格式，必须将其转换成我们 需要的数据格式2）对任何一个监 测系统，其观测数据中或多或少会 存在粗差，在变形分析的开始有必 要先对观测数据进行预处理，将粗 差剔除。 建筑物沉降监测的主要方法有那 些？监测项目的内容有哪些？步 骤有哪些？数据分析处理包括？ 方法：精密水准法、沉降仪量测 法、三角高程。 内容：1）基础沉降2）水平位移 3）滑坡监测4）裂缝监测5)内部 监测。 步骤：1）沉降监测方案研究与技 术设计2）沉降监测仪器检验3） 沉降监测点位布设4）沉降监测数 据采集5）沉降监测数据处理6） 沉降量计算与分析7）沉降量报表 8）沉降量过程曲线绘制9）沉降 监测报告编写。 数据分析处理：1）进准网数据处 理，当基准网独立监测时，基准为 可以独立平差计算2）各周期数据 处理，各周期监测后进行数据平差 计算。 建筑物内部监测包括的内容 ①位移监测②应力/应变监测③温 度监测④地下水位及渗流监测⑤ 挠度监测⑥裂缝监测等 建筑物基础沉降数据处理包括哪 些内容？ 1）基准网数据处理； 2）各周期数据处理。 建筑物沉降监测项目： 1）基础沉降2）水平位移3）滑坡 监测4）裂缝监测5)内部监测。方 法：1）沉降监测方案研究与技术 设计2）沉降监测仪器检验3）沉 降监测点位布设4）沉降监测数据 采集5）沉降监测数据处理6）沉 降量计算与分析7）沉降量报表8） 沉降量过程曲线绘制9）沉降监测 报告编写。 建筑物倾斜监测的方法有哪些？ 纵横距投影法：当测定偏距e的 精度要求不高时，可以采用纵横距 投影法； 角度前方交会法：当测定偏距e 的精度要求较高时，可以采用角度 交会法； 任意点置镜方向交会法：当建筑 物属于非刚体变形，建筑物在施工 阶段其楼体上变形点无法置镜时 采用； 激光垂准法：当需要计算建筑物 某轴线的倾斜度时采用。 工业与民用建筑物变形监测的监 测方案及技术设计有哪些。 精度设计：按《建筑物沉降监测规 范》规定，一般建筑物应反映1mm 的沉降量，这就要求监测精度要高 于±1mm，一般按二等水准测量技 术规定执行。对于研究性的监测， 应采用一等水准测量技术指标。在 实施监测时，某些技术要求要高于 相应等级。②仪器选择：根据规范 的要求，一般采用S1级精密水准 仪（光学或电子）。对于非常重要 建筑或沉降量较大地区的沉降监 测、高速公路等，也可采用三等水 准测量技术指标实施监测。 变形监测实例的内容、方法、数据 分析、处理要求。 工业与民用建筑物变形监测的主 要监测项目： 1.沉降监测 2.水平位移监测 3.倾斜监测 4.裂缝监测 5.振动频率监测。 桥梁变形监测的主要内容：桥梁 墩台变形观测；塔柱变形观测；桥 面挠度观测；桥面水平位移观测。 方法：1）垂直位移监测2）水平 位移监测3）挠度观测。 基坑工程监测内容及方法？ 内容：包括围护结构和周围环境 两大部分。围护结构包括维护撞 墙、水平支撑、围檀、和围梁、立 柱、坑底土层和坑内地下水等，周 围环境包括周围土层、地下管线、 周围建筑和坑外地下水等。 方法：水平位移监测：极坐标法、 前方交会法、视准线法等；沉降监 测：精密水准测量、精密三角高程 测量、液体静力水准测量。 基坑工程监测的项目有哪些？ 桩墙顶部水平位移和沉降；深沉水 平位移；基坑回弹；土体分层沉降； 结构内力；坑外地下水；周围环境。 基坑监测的数据处理有哪些？ 监测前应设计各种不同的外业记 录表格，表格中的数据不得随意更 改；外业监测数据应尽快计算处 理，并提交日报表或技术报告，必 要时还需要提交各种监测图；工程 结束应提交完整的监测技术总结 报告。 基坑施工监测周期和预警值一般 怎样确定？ 基坑监测贯穿基坑开挖和地下结 构施工的全过程，即从基坑开挖第 一批土到地下结构施工至标高，基 坑越大，施工时间越长，监测期限 就越长 确定预警值时应注意下列基本原 则：1满足现行相关规范和规程的 要求2满足工程设计的要求3考虑 与主管部门对所辖保护对象的要 求4考虑工程质量，施工进度，技 术措施和经济等因素 盾构隧道施工监测的项目？ 1）土体介质的监测：地表的沉降 监测，土地分层沉降和深层位移监 测，土体回弹测量，土体应力和孔 隙水压力测量（2）周围环境的监 测：相邻房屋和重要结构物的变形 监测，相邻地下管线的变形监测 （3）隧道变形的监测：隧道沉降 和水平位移监测，隧道断面收敛位 移监测，隧道应变和预制管片凹凸 接缝处法向应力测量 数据整理：1）校核各项原始记录， 检测各次变形监测值的计算是否 有误2）变形值计算3）绘制各种 变形过程线、建筑物变形分布图。 分析：1）成因分析2）统计分析3） 变形预报和安全判断。 水工建筑物变形监测 主要项目： ①水文：水位，降水，波浪，冲淤， 气温，水温； ②变形：地基，裂缝，接缝，边坡 ③渗流：坝体，坝基，绕渗，渗流 量，地下水，水质 ④应力：应力土壤，混凝土，钢筋， 钢板，接触面，温度 ⑤水流：压强，流压，掺气，消能 ⑥地震：振动 监测方法：1）水平位移监测，2） 垂直位移监测 边坡工程主要项目内容有哪些？ 外部变形监测周期和预警值一般 怎样确定？ 内容：1）地表位移裂缝2）地下 位移裂缝3）地声4）应变5）地 下水位，孔隙水压力，河库水位， 泉流量6）降雨量，地温，地震。 确定方法：施工阶段的边坡监测 贯穿边坡施工的全过程不同的边 坡工程：由于边坡的类型，规模， 所处阶段，以及边坡变形速率等不 同，其监测期限和频率不同，监测 周期根据边坡类型、规模、所处阶 段以及边坡变形速率影响。预警值 的确定要参照现行规范和规程的 规定值、设计预估值和经验类比 值，从变形总量和变形速率两方面 加以控制。 模型建立思想、过程、优势、依 据 统计分析模型思想：虽然建筑物 变形和各变形因素之间的关系复 杂，但从数理统计的理论出发，对 建筑物的变形量与各种作用因素 的关系，在进行了大量的试验和观 测后，仍有可能找出它们之间的一 定的规律性。这种方法称为回归分 析法，建立起来的数学模型称为统 计分析模型。 逐步回归过程步骤：1）首先根据 经验或对变形值与外界作用因子 间的初步分析，确定回归方程的初 选模型及各个因子2）经回归计算 建立回归方程，在此方程中找出系 数|ai|为最小者，并将其剔除回归 方程后，重新进行回归计算，建立 新的回归方程。3）计算第一次回 归方程的残差平方和Q2以及新的 回归方程之残差平方和Q’2。求 出△Q2=Q2-Q’2，组成统计检验量 并进行f检验。若检验表明该因子 作用不显著，则正式剔除回归方 程，否则应保留在方程内。然后再 对第二个系数|ai|较小的因子进 行显著性检验，一直到全部因子检 验结束为止。4）对最后所建立的 回归方程作回归效果显著性检验。 如不理想，加入一些备选因子并对 新加入的因子逐个进行显著检验。 直到各个因子作用都显著且回归 效果也很理想，就可以得到所需最 佳回归方程。 优势：可以描述随机变量与其他 变量之间的相关关系，是对随机变 量的静态描述。 灰色系统分析模型：优势：首先 是它把离散数据视为连续变量在 其变化过程中所取的离散值，从而 可利用微分方程式处理数据；而不 直接使用原始数据而是由它产生 累加生成数，对生成数列使用微分 方程模型。这样，可以抵消大部分 随机误差，显示出规律性。 灰色关联分析：1）构造灰色关联 因子集2）灰色关联度计算公式3） 灰色关联序 时间序列分析模型：基本思想： 对于平稳、正态、零均值的时间序 列{xt}，若xt的取值不仅与其前 N步的各个取值x（t-1），x （t-2），…x（t-n）有关，而且还 与前M步的各个干扰a（t-1），a （t-2），…a(t-m)有关，则按多元 线性回归的思想，可得到最一般的 ARMA模型。 建模步骤：1）数据获取与预处理 2）模型结构选择3）模型结构调 整4）模型参数估计5）模型适用 性检验6）适用模型 优势：是动态模型，是对随机过 程的动态描述。 统计模型的建立及三大类的不同 特点。（综合题） 根据数理统计，对建筑物的变形量 与各种作用因素的关系，在进行了 大量的试验和观测后，仍然有可能 寻找出它们之间的规律性，这种处 理方法称为回归分析法。建立起来 的数学模型称为统计分析模型。 统计分析模型包括：一元线性回归 模型、多元线性回归模型、逐步回 归分析模型。