（大地测量学与测量工程专业论文）特殊异型大跨结构体变形监测应用技术研究.pdf

合肥工业大学 m1iiflf1 1 1 1 1 1 i i i tm 1 1 l | l l i i 18 8 6 0 01 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 翰弧 uv 。 羽弛i 友 彩 面 绷炙 杰1 l7 ， 教授饭喜z 锏听国叫李恩中心、 发瓠每旦大芬 爱之蛐恕美。越麟审? n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究- t 作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金巴些塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：杨丸慝垦签字日期：b 俨细7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒a 巴工些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 杨九熙 导师签名： 签字日期：b 1 1 年讪净 学位论文作者毕业后去向： 上作单位：a 东日q 嘉勘窿汹l 缆有限岔习 通讯地址： 签字日期：沙f f 年钥牟 电话：ls 1 丛1 弓锄1 l l ，一 j 邮编： 特殊异型大跨结构体变形监测应用技术研究 摘要 近年来，我国工程建设中大跨结构的应用越来越普遍，结构形式趋向多样 化、复杂化。变形监测作为保证建筑物顺利施工、正常运行及人民生命财产安 全的重要手段，在工程建设实践中占有重要位置。本文的研究内容来源于“合 肥新桥国际机场航站楼钢结构变形监测”科研项目。传统的变形监测主要有近 景摄影测量或者g p s + 全站仪两种方法，这两种方法都是通过在建筑物上设置 有限个监测点来获取变形信息，不足以体现整个变形体的完整变形情况，而采 用激光扫描技术可以方便地获取高密度高精度的点云数据，监测范围可以覆盖 整个监测对象。本次变形监测除了利用智能型全站仪，还利用三维激光扫描技 术对大跨结构体进行变形监测，在对获取的点云数据进行模型重构，最后提取 特征棱线进行查询分析，获取变形信息。 本文主要包括以下几个方面的内容： 1 总结了目前普遍使用的现代新兴变形监测技术，及其在大跨结构变形监 测中的应用现状，总结了变形分析与预报的几种理论模型方法。 2 在传统监测方式的基础上探索性地采用三维激光扫描技术进行监测。变 形监测过程中同时采用三维激光扫描技术与智能型全站仪进行综合监测，以便 后期监测结果的相互检验。 3 具体研究了点云数据处理的流程，由点云数据创建监测对象的曲面模型， 然后提取特征线进行数据的查询分析。 4 从监测对象产生变形的原因出发，对大跨结构体进行有限元分析。在 a n s y s 平台下建立监测对象的有限元模型，施加重力荷载并求解，得出结构体 变形情况。 5 最后将三维激光扫描技术、智能型全站仪与有限元仿真分析三种途径获 得的变形信息进行对比分析。经分析得出三维激光扫描技术可以很好地监测出 大跨结构体的变形情况。 关键词：大跨结构体，三维激光扫描技术，点云处理，有限元分析 a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n go f l a r g e - s p a ns t r u c t u r e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fl a r g e s p a ns t r u c t u r ei nc o n s t r u c t i o np r o j e c t s i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m m o n a n dt h es h a p eo fs t r u c t u r et r e n dt od i v e r s i f y a n dc o m p l i c a t e d e f c i r m a t i o nm o n i t o r i n g a st h ei m p o r t a n tm e a n so fe n s u r i n gt h e s m o o t hc o n s t r u c t i o no ft h eb u i l d i n g n o r m a lo p e r a t i o na n dt h es a f e t yo fp e o p l e s l i v e sa n dp r o p e r t y i sa ni m p o r t a n tp a r to ft h eb u i l d i n gp r o j e c t t h i sa r t i c l ei sf r o m t h er e s e a r c hp r o j e c t “d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n go fh e f e ix i n q i a oi n t e r n a t i o n a l a i r p o r tt e r m i n a ls t e e ls t r u c t u r e ”t h et r a d i t i o n a ld e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gm a i n l y h a st w om e t h o d so ft h ec l o s e r a n g ep h o t o g r a m m e t r yo rg p s + t o t a ls t a t i o n t h e y b o t hm o n i t o rt h eb u 订d i n gb yan u m b e ro fm o n i t o r i n gs i t e st oo b t a i nd e f o r m e d i n f o r m a t i o n n o te n o u g ht or e f l e c tt h ew h o l ed e f o r m a t i o no fd e f o r m e db o d y b u t l a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yc a ne a s i l ya c c e s sh i g h d e n s i t yp o i n tc l o u dd a t ao fh i g h p r e c i s i o n ，a n dm o n i t o r i n gr a n g ec a nc o v e rt h ew h o l em o n i t o r i n go b j e c t s t h i sp a 口e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t so fc o n t e n t ： 1 s u m m a r i z et h ec u r r e n tm o d e r nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , a n d a p p l i c a t i o ns t a t u so fd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nl a r g e s p a ns t r u c t u r e s s u m m a r i z et h es e v e r a lm o d e l so fd e f o r m a t i o na n a l y s i sa n dp r e d i c t i o n 2 d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gb yt w om e a n so f3 dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g ya n d s u r v e yr o b o ta tt h es a m et i m e 0 nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gm a n n e r 3d l a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yi se x p l o r a t o r yu s e df o rm o n i t o r i n g 3 s t u d yt h ep r o c e s s i n go fp o i n tc l o u dd a t a c r e a t et h es u r f a c em o d e lo ft h e m o n i t o r e do b ie c tb yp o i n tc l o u dd a t a a n dt h e ne x t r a c tt h ef e a t u r el i n e sf r o mt h e m o d e lf o rq u e r y i n gd a t aa n da n a l y s i s 4 a c c o r d i n gt ot h ed e f o i r m a t i o nc a u s e so ft h em o n i t o r i n go b j e c t 。a n a l y z e l a r g e s p a ns t r u c t u r ew i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d e s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h em o n i t o r e do b j e c tb yt h ea n s y ss o f t w a r e a n da p p l yt h eg r a v i t yl o a da n d s o l v ei no r d e rt oo b t a i nt h es t r u c t u r ed e f o r m a t i o n 5 f i n a l l y m a k ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sr e s u l to ft h ed e f o r m a t i o no b t a i n e db y t h r e ew a y so ft h et h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s r o b o t i ct o t a ls t a t i o n a n di ti sc o n c l u d e dt h a tt h et h r e e d i m e n s i o n a ll a s e r s c a n n i n gt e c h n o l o g y c a nm o n i t o r a c c u r a t e l y t h ed e f o r m a t i o no f l a r g e s p a n s t r u c t u r e k e yw o r d s ：l a r g e - s p a ns t r u c t u r e ，3 dl a s e rs c a n n i n gt e c h n i q u e ，p o i n tc l o u d p r o c e s s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 致谢 本文是在我的导师高飞教授、李晓莉副教授的悉心指导和严格要求下完成的，首 先向两位恩师表达我诚挚的感激之情! 三年来，两位导师给予我思想、学业以及生活等方方面面无微不至的关怀和指导， 使我能够顺利完成读研期间的各项任务，在学业和科研的水平上更上一层，在立身处 世的修养上更进一步。高老师深厚的学术造诣、高尚的道德品格、朴素的生活作风都 深刻的影响了我，将是我一生的财富，使我终生受益。李老师严谨的治学态度、活跃 的学术思维和一丝不苟的工作精神，值得我永远学习，是我今后努力的方向和目标! 感i 身 合肥工业大学王侬教授，王老师学识渊博，德高望重，他严谨的治学态度、 孜孜不倦的精神使我受益良多。王老师对晚辈后生不遗余力的提携和帮助，更让我辈 心怀感念! 感谢合肥市国土资源局信息中心主任胡小华老师在学业和生活上的指导和帮助， 胡老师的才华横溢和出众的人格魅力都深深地感染了我，也将一直激励我前进! 感谢合肥工业大学测量工程系的吴兆福老师、张志慧老师、黄世秀老师、陶庭叶 老师、余敏老师及虞姬强老师在学业及生活上的指导、关心和帮助，与他们交流让我 开阔来视野，丰富了知识。 感谢已毕业的师兄师姐在生活和学习上的帮助和关心，祝他们在新的工作岗位上 事业有成! 感谢我的同学马泉、王海侠、吴飞宇、郝长春、王杉杉、郑攀攀、孙 丽等，和他们在一起生活、学习的点点滴滴将是一生中美好的回忆，认识他们是我一 生的幸福! 最后，感谢我的父母和亲人，他们给了我无私的关爱，我深知他们默默为我求学 所付出巨大的牺牲和努力。在此，向他们表示由衷的感激之情! 作者：杨元熙 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 变形监测在工程建设实践中的地位1 1 2 变形体与监测2 1 2 1 变形监测对象及其分类2 1 2 2 变形监测手段及其分类2 1 2 3 变形监测的内容2 1 2 4 变形监测的特点3 1 3 大跨空间结构变形测量技术的发展分析4 1 3 1 常规的地面变形监测技术4 1 3 2 现代新兴变形监测技术5 1 4 变形测量数据处理方法研究进展7 1 5 本章小结1 0 第二章三维激光扫描技术与点云处理1 2 2 1 三维激光扫描技术1 2 2 1 1 三维激光扫描技术的发展现状一1 2 2 1 2 三维激光扫描技术的应用前景1 3 2 2 三维激光扫描系统的原理和组成。1 3 2 2 1 三维激光扫描系统的原理1 3 2 2 2 三维激光扫描系统的组成1 4 2 3 点云处理15 2 3 1 数据格式转换一1 6 2 3 2 杂点数据的删除一1 6 2 3 3 数据修补16 2 3 4 数据平滑滤波。17 2 3 5 数据精简技术1 8 2 3 6 点云数据特征提取1 9 2 3 7 点云数据的分割1 9 2 3 8 曲面重构建与分析2 1 2 4 点云处理软件i m a g e w a r e 简介2 2 2 4 1i m a g e w a r e 软件功能模块2 2 2 4 2i m a g e w a r e 软件的优点2 3 2 5 本章小结2 3 第三章基于三维激光扫描技术的变形监测实例2 4 3 1 工程背景2 4 3 1 1 工程概况2 4 3 1 2 钢结构概况2 5 3 1 3 钢架梁吊装施工过程2 6 3 2 点云数据采集2 7 3 3i m a g e w a r e 软件环境下的点云处理一2 9 3 3 1 点云预处理2 9 3 3 2 曲面重构3 2 3 4 变形量的查询及分析3 2 3 5 结构体的智能连续监测3 4 3 6 本章小结3 6 第四章基于a n s y s 的大跨结构有限元建模仿真分析3 7 4 1 有限元法的发展概况与特点3 7 4 1 1 有限元法的发展概况3 7 4 1 2 有限元法的特点3 7 4 2 有限元法的基本原理3 8 4 2 1 最小位能原理3 8 4 2 2 有限元问题的求解过程3 9 4 3a n s y s 有限元分析软件简介3 9 4 3 1a n s y s 软件的功能模块3 9 4 3 2a n s y s 软件的分析步骤4 0 4 4 结构体的有限元建模4 l 4 4 1 模型方案设计4 1 4 4 2 几何模型建立方法4 1 4 4 3 有限元网格划分4 2 4 5 结构体变形分析4 3 4 5 1 加载与求解4 3 4 5 2 查看结果4 4 4 6 实例应用4 4 4 6 1 前处理4 4 4 。6 2j j 之解4 6 4 6 3 后处理4 7 4 7 对比分析4 8 4 8 本章小结4 9 第五章总结与展望5 0 5 1 总结5 0 5 2 展望5 0 参考文献51 攻读硕士学位期间发表的论文5 3 插图清单 图1 1 挠度示意图3 图1 2 裂缝示意图3 图2 1 三维激光扫描技术对高架桥的变形监测1 3 图2 2 脉冲测距法采样点p 点坐标1 4 图2 3 点云数据处理流程15 图2 4 数据滤波效果示意图1 8 图2 5i m a g e w a r e l 2 1 软件界面2 2 图3 1 新桥机场航站楼效果图一2 4 图3 2 航站楼分区示意图2 5 图3 3 航站楼主钢结构示意图一2 5 图3 4 五区钢结构示意图2 5 图3 5 五区钢结构效果图2 5 图3 - 6 五区箱型钢架梁分段及临时支撑架示意图2 6 图3 7 钢架梁南侧弯弧段拼装示意图2 7 图3 8 钢架梁吊装次序一2 7 图3 - 9 支撑架顶端示意图2 8 图3 1 0 三维激光扫描仪安置示意图2 8 图3 1 1 徕卡h d s 6 0 0 0 现场扫描一2 8 图3 1 2 原始点云数据2 9 图3 1 3 去除多余点后钢架梁的点云图2 9 图3 1 4 空白区域修补前后对比3 0 图3 15 计算曲率提取棱线31 图3 1 6 点云分块3 l 图3 1 7 钢架梁的曲面模型3 2 图3 1 8 特征线上采样监测点的立面图3 3 图3 1 9 监测点3 0 处的放大详图3 3 图3 2 0 监测点沉降变化柱状图3 4 图3 2 1 监测点沉降变化曲线图3 4 图3 2 2 监测点布置立面图3 5 图3 2 3 监测点布置平面图3 5 图3 2 4 监测点竖向下挠曲线3 6 图4 1 钢架梁的剖面图4 5 图4 2 钢架梁箱型截面尺寸4 5 图4 3 钢架梁的线形模型一4 5 图4 4 钢架梁的有限元网格模型4 6 图4 5 钢架梁的位移约束4 6 图4 6 定义重力加速度4 7 图4 7 列表显示节点位移值4 7 图4 8 钢架梁变形位移云图4 7 图4 9 钢架梁变形应力云图4 8 图4 1 0 横跨段节点下沉曲线图4 8 图4 1 1 变形监测下挠曲线对比分析4 9 表格清单 表3 1 监测点的沉降值( 单位：m m ) 3 3 表3 - 2 钢架梁监测点偏移量( 单位：m m ) 3 6 表4 1 关键点坐标4 5 表4 - 2 钢架梁横跨段五处监测点的下挠值( 单位：m m ) 4 8 第一章绪论 近年来，各种类型的具有大跨径空间结构的建( 构) 筑物在发达国家发展很 快，结构形式丰富多样。我国大跨径空间结构的研究应用较晚，但近十年来， 社会发展的需要促进了此类空间结构多样化发展，像桥梁、航站楼、体育馆、 展览馆、机库等大跨空间结构的应用十分强势，空间结构的类型和形式趋向多 样化、复杂化，对相应理论研究和设计技术的要求也越来越高。目前，我国正 处在经济快速发展时期，这给我国大跨空间结构的发展提供了巨大机遇。同时 与机遇并存的还有风险，主要表现在大跨空间结构无论是在施工还是在运营阶 段都出现过重大的安全事故，如2 0 0 4 年法国戴高乐机场航站楼屋盖坍塌，2 0 0 4 年阿联酋迪拜机场航站楼屋盖坍塌，l9 9 4 韩国汉城的圣水大桥断塌，19 9 9 年我 国四川綦江彩虹大桥事件、宁波大桥事件，2 0 0 0 年台湾高屏大桥坍塌事故，2 0 0 5 年福建三明市一座正在施工的大跨拱桥坍塌。这些都给生命财产安全带来了巨 大的损失。如何保证建筑物施工、运营安全是变形监测工作面临的挑战性任务。 1 1 变形监测在工程建设实践中的地位 不论是工程实践还是科学研究活动，变形监测都占有重要的地位。变形监 测在实用和科学两方面都具有重大意义，实用上的意义主要是检查各种工程建 筑物和地质构造的稳定性，及时发现问题，以便采取措施。科学上的意义包括 更合理地解释变形机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，以及建 立正确预报变形的理论模型和方法【lj 。 建筑物在施工和运营过程中，由于地质条件的不同、地下水位和大气温度 的变化、建筑物荷载和外力作用的影响，导致建筑物发生的垂直升降、水平位 移、挠曲、倾斜、裂缝等统称为变形。如果变形在一定的限度内，则认为是正 常现象，但若超过了规定的限度，则会影响正常使用，甚至会危及人身安全。 变形监测就是指利用测量仪器定期测量建筑物的变形，并对其变形态势进行分 析，掌握变化趋势及规律，以确保施工安全，同时也为更合理的设计提供资料。 变形监测在工程建设的实践占有重要位置，变形监测是保证建( 构) 筑物正 常运行、人民生命财产安全、建设成果可靠使用的重要手段。变形监测在保证 工程安全方面的作用主要有： 第一、实时监控建筑物的工作状态，判定其安全性。在施工期间把监测信 息反馈到施工部门，检验施工方案，如果遇到异常情况及时采取措施。 第二、根据实测资料检验现有设计水平。由于在前期设计时，前提条件含 有假定、不确定因素及简化情况，使得计算结果与实际情况有所偏差，借助实 测信息可以发现这方面的问题，从而改善设计方案、计算方法，提高工程建设 的质量和安全性1 2 j 。 第三、根据监测信息通过一定的理论方法可以预测出近期运行状态，并作 出安全评价，对危险情况提前作出预警，并在危险发生前采取一定的预防措施。 1 2 变形体与监测 1 2 1 变形监测对象及其分类 变形体的范畴非常广泛，大到整个地球，小到一个工程建筑物的某个构件， 根据人工参与情况可分为两类：自然变形体和人工变形体【3 1 。 ( 1 ) 自然变形体包括山体、边坡、地表等，产生变形的原因主要是地质条件 的变化、大气温度的改变、雨水冲刷、地下采掘等。 ( 2 ) 人工变形体包括各类建( 构) 筑物如大坝、桥梁、隧道、高层建筑、古建 筑。产生变形原因主要是自身荷载的大小、结构类型、高度及动荷载等。另外， 在建筑物施工和运营期间一些工作不合理，例如高大建筑物的周围进行基坑开 挖，也会造成变形【4 1 。 变形体的变形总体上可分为两种类型：一是变形体的自身形变，包括伸缩、 错动、弯曲、扭转四种；二是刚体变形，包括整体平移、整体升降、整体转动、 整体倾斜四种l 川。 1 2 2 变形监测手段及其分类 按变形的状态变形可分为静态变形和动态变形【6 】。静态变形是时间的函数， 观测结果只表示在某一期间内的变形，静态变形监测就是周期性地对建筑物进 行变形观测；而动态变形是指在外力作用下产生的变形，它是以外力为函数来 表示的动态系统对于时间的变化，其观测结果是表示建筑物在某个时刻的瞬时 变形。动态变形需通过持续监测得到。连续性变形监测指采用固定监测仪器进 行长时问的数据采集，获得变形数据序列。在动态监测方面，过去一般采用加 速计、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动特性，现在，g p s 作为一种 新方法己在大型结构物动态变形监测方面表现出了独特的优越性f 7 1 。 1 2 3 变形监测的内容 变形监测具体讲就是对产生变形的物体进行测量，以分析和判断确定其空 间位置随时间的变化特征。变形体在平面位置、高程位置、垂直度、弯曲度等 方面发生的变形，按照其变形性质归纳为以下内容： 1 位移：变形体平面位置随时间发生的移动称为水平位移，简称位移。 2 沉降：变形体在高程方向上的变形，常称之为沉降或沉陷。 3 倾斜：变形体在垂直度方面的变形。倾斜一般是由于不同侧变形量的大 小不一样造成的，如基础的不均匀沉降等。 4 挠度：变形体不同位置偏离其理论位置的变形，如图1 1 所示。 5 裂缝：变形体自身材料在拉、压应力的作用下产生的缝隙，是由变形体 各部分变形不均匀引起的，对变形体的安全危害极大。如图1 2 所示。 f q f t f !f l l l ：l 3 ，媾a 茅二a f a _ = 礁 ， ，jj # 吣 ， ：孕= 鼍= 二二习_ 邓 图1 1 挠度示意图图1 2 裂缝示意图 6 日照变形：变形体由于向阳面与背阳面温差引起的偏移量及其变化规律。 7 风振观测：高层、超高层建筑或高耸构筑物上部结构在风的作用下产生 的位移或偏移。 8 动态变形：变形体在可变荷载作用下的变形，其特点是具有一定的周期 性。 另外，监测内容还包括与变形有关的物理量的监测如应力、应变监测、温 度、气压、水位、渗流、渗压、场压力等的监测。 在实际进行变形监测时，监测内容应根据变形体的性质和地基情况决定。 监测内容既要有重点又要考虑全面，以便正确反映出变形体的变化情况，达到 监视变形体的安全、了解其变化规律的目的。例如： ( 1 ) 工业与民用建筑：监测内容主要包括基础的沉降、建筑物本身的变形i 7 1 。 基础沉降观测可分为建筑物的均匀沉降和不均匀沉降。对建筑物本身而言，主 要观测倾斜和裂缝。对于高层建筑，还应观测动态变形，如振动的幅度、频率 和扭转等。 ( 2 ) 水工建筑物：对于大坝，观测内容主要包括水平位移、垂直位移、渗透 以及裂缝，对于混凝土大坝，除了上述内容，还要观测混凝土应力、钢筋应力、 温度等。 ( 3 ) 地面沉降：城市地区由于地下水的开采，影响地下土层的结构，造成的 地面沉降，采矿区由于大量的采掘造成地表沉降。这些地区如遇暴雨带来的积 水容易引起地表沉降，因此这些地区必须定期对地表进行观测，掌握其沉降与 回升规律，以便采取防护措施。 1 2 4 变形监测的特点 变形监测作为安全监测的一种手段，通常具有以下特点： 1 周期性或连续监测 建筑物的静态变形有个时间过程，变形监测的任务是周期性地重复观测， 计算出同一观测点在周期间的坐标高程变化量；而对于动态变形则需要持续观 测进行长时间的数据采集，以获得变形数据序列。 2 测量精度要求高 由于变形监测结果的微小偏差都会影响到判定建筑物安全稳定的准确性， 从而影响到变形原因和变形规律的j 下确把握，因此，与其他测量工作相比，变 形监测具有很高的精度。监测精度的制定取决于变形的大小、速率、仪器和测 量方法，以及监测的目的等。 3 综合采用不同的监测方法 为充分、全面地反映出变形体的变形情况，在制定监测方案时，一般应综 合考虑各种方法的应用，取长补短，互相校核。除了利用常规地面测量手段采 集几何变形量外，有时还采用专门的测量手段如应力监测。 4 数据处理要求严密 建筑物的变形量一般较小，有时难以与观测误差区分开来，同时重复观测 获得的原始数据量较大，要从大量数据中得出精确的变形信息，必须采用严密 的数据处理方法。 5 需要不同学科知识支撑 由于变形体变形的不确定性和错综复杂性，变形观测工作者必须熟悉所要 研究的变形体，包括变形体的形状特征、结构类型、构造特点、所用材料、受 力状况，以及所处的外部环境条件等，这就要求变形观测工作者应具备地质学、 工程力学、岩土力学、材料科学和土木工程等方面的相关知识，以便制定合理 的变形观测的精度指标和技术指标，科学地处理变形观测资料和分析变形观测 成果，特别是对变形做出科学合理的物理解释。 1 3 大跨空间结构变形测量技术的发展分析 对于大跨度结构，不论是工程建设的实践活动还是科学研究，监测监控都 是一项必不可少的工作内容，从开始施工到最后竣工，以及后期运营阶段，都 需要定期监测主要结构的变形情况，受外界多种因素的影响，如荷载、温度， 以及结构材料性能的变化，空间结构从施工到运营都会产生形变，如果实际变 形在预期范围内则视为正常现象，但如果超过规定限度，则将影响到工程的安 全施工和正常使用，甚至严重时还会造成生命财产损失。 1 3 1 常规的地面变形监测技术 地面变形监测技术出现于2 0 世纪8 0 年代，经过几十年的发展，常规地面 监测技术已成为当前变形测量普遍采用的测量手段。 地面变形监测方法主要是指利用高精度测量仪器( 经纬仪、测距仪、水准仪、 全站仪) 测出两点之间的角度、相对水平距离、高程的变化量来监测对象的变形。 目前，它们是变形监测的主要常规手段，对于水平位移的变化量主要采用前 方交会法、距离交会法：对于单一方向的水平位移变化量采用小角法、直接测 距法、视准线法；对于垂直位移变化量采用几何水准测量法、液体静力水准测 量法。通过高精度测量仪器根据工况需要或定期监测布置在变形体上的观测点， 是获取变形体外部变形的有效方法【8 】。 地面常规监测方法的优点： 1 测量精度高，数据可靠； 2 能够获得变形体的变形状态，监控面积大，可以有效地测出变形体的绝 对位移量； 一3 通过组网的形式可对结果进行校核和精度评定； 4 可以提供绝对变形信息； 5 适用于不同精度、不同形式的变形体，灵活性较大。 但地面常规监测方法也存在以下缺点： 1 监测点的布置受地形条件影响较大； 2 自动化程度不高，外业工作量大； 3 事后数据处理，难以做到实时处理； 4 难以对动态目标实施连续监测，无法在瞬间完成多目标测量的任务。 1 3 2 现代新兴变形监测技术 随着现代科技的高速发展及其在测绘领域的应用，以及对变形测量要求的 不断提高，变形测量技术也在飞速发展。经过数十年的发展历程，在工程变形 监测方面，变形监测技术由传统的常规测量技术逐渐发展为了现代新兴技术， 如数字化近景摄影测量技术、g p s 自动变形监测系统、测量机器人自动监测系 统、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、激光雷达、关节式坐标测量机等。变形监 测技术由传统的单一监测模式逐步向立体交叉的空间模式发展1 9 j 。 1 数字化近景摄影测量技术 摄影测量技术分为近景摄影测量技术和航空摄影测量技术，近景摄影测量 又可分为工业摄影测量、建筑摄影测量、生物医学摄影测量等。近景摄影测量 在建筑工程、滑坡监测、工业设备检测、机械制造、古建筑与古文化研究、采 矿、考古、生物医学等方面得到了广泛应用，监测精度可达m m 级【l 0 。 近景摄影测量与其他变形测量技术相比有其独特的优点： ( 1 ) 能够在瞬间记录下物体的影像信息及点位关系； ( 2 ) 能够用于对不规则、不可接触物体的变形监测； ( 3 ) 影像信息丰富且能够长期保存，有利于后期变形的对比分析。 随着数字化影像采集设备的不断完善，尤其是数码相机的分辨率和成像质 量的不断提高，数字化近景摄影测量成为了近景摄影测量的最新科研成果，它 使摄影测量的内外业工作量大为减少，能够节省很大一部分摄影测量成本，而 且操作简单，应用领域广泛。近景摄影测量技术与传统的测角测边方法相比， 不仅外业测量速度快，数据采集全面，而且在不适于常规测量的环境中，如塌 陷区，悬空监测体等，也能进行测量。内业处理时，将影像量测、三维坐标计 算、结果绘图输出集成一体化，最后通过位移分析软件，可以方便地从多期测 量结果中得到变形值。 由于目前大跨度空间结构的建设越来越普遍，数字化近景摄影测量技术已 应用于大跨空间结构监测中，相应的监测工作也越来越受到关注。 通常情况下，位移量测只是在一些关键的节点、断面上布置观测点。所测 内容只是少量观测点沿某一方向的移动，所测结果并不能代表整个变形体的真 正变形，并且外业工作强度较大。但从数字化近景摄影测量数据采集的方式可 以看出，摄影测量能够比较全面地测算出空间结构的整体位移情况。再通过与 有限元计算分析的云图结果进行对比，参照相应健康监测规范，就可以科学、 准确地掌握结构的变形状况。 数字化近景摄影测量的误差主要包括系统误差、偶然误差和失误误差，从 监测点的点位中误差得出，监测精度可以达到变形监测二级【l1 1 。 2 测量机器人自动监测技术 高精度测量机器人技术代表一种监测技术的方向，随着该技术的成熟将会 在变形监测领域占有越来越重要的位置。 测量机器人出现于2 0 世纪8 0 年代，到9 0 年代进入实用阶段。测量机器人 能够连续对多个合作目标进行自动跟踪测量，自动化程度较高，适用于滑坡体、 大坝的变形监测，尤其是在动态目标的变形监测方面具有较高的优越性，如大 型构件的悬空与吊装，大跨度构件的挠度监测等。 利用测量机器人对变形体进行自动化变形测量时，根据实际情况可采用不 同的模式：一种是固定式全自动持续测量模式；另一种是移动周期性测量模式。 ( 1 ) 固定式全自动持续测量模式i l z j 该模式是通过固定的全站仪对合作目标进行观测，其实质是自动采用极坐 标测量法，能够实现全天候无人值守监测。 该模式具有全自动、实时、高效的特点，但也存在不足：缺少多余观测， 精度随距离的增加而显著降低，不易发现粗差；设备因长期固定而需要特殊 保护，测量成本较高，一台仪器只能在一个项目中专用。 ( 2 ) 移动周期性测量模式【i j j 该模式与传统观测方法相似，首先在观测墩上安置整平仪器，进行必要的 测站设置、后视定向后，仪器会按照预置的观测点顺序，自动搜寻目标，精确 照准，观测记录，计算限差，若超限则重测或提示干预。完成一个测点的观测 后，将仪器搬至下一测点，重复上述工作，直至全部外业完成，该方式相对于 传统的人工观测方式大大减轻了劳动强度，相对于固定式全自动测量方式设备 投入较少。 由于大跨度空间结构的外形特殊且复杂，采用常规监测技术难度较大，因 此，测量机器人所具有的测量精度高、全天候作业、自动化程度高、时效性强、 全方位预报等诸多优点，很好地满足了大跨度空间结构监测的需求。 目前，测量机器人已经成功地应用于一些结构特殊的大型桥梁的变形监测。 3 g p s 变形监测技术 随着g p s 接收机硬件和解算软件的不断发展，在基线长度大于10 k m 时， 其相对定位精度可达1 0 一1 0 。量级，而且与传统大地测量相比具有明显的优 点：测站间无需通视，直接获取三维绝对坐标，实时计算并显示三维坐标，能 全天候进行观测，自动化程度高，减少了工作人员的劳动强度。 目前，g p s 技术己成为变形监测方面的一个重要手段，是测量技术方面一 项革命性突破，g p s 技术已在大坝变形、大跨度桥梁的长期监测方面得到了广 泛的推广和应用。 g p s 技术在小尺度形变的实时监测中，存在着精度不足的缺陷，并且g p s 监测系统造价较高。 4 三维激光扫描技术 相对于已应用了几十年的激光测距技术，三维激光扫描技术只是在近些年 才得以应用，在测绘领域，三维激光扫描技术是继g p s 技术后出现的又一高新 技术l l4 1 ，三维激光扫描技术的应用领域正在随着研究的不断深入而快速拓展。 三维激光扫描技术能够快速地获取实体表面采样点的三维坐标，以点云的 数据形式进行存储，据此建立目标的三维模型并提取线、面、体等特征数据， 实现“实景复制”。这一技术改变了传统的单点数据采集方式，传统变形监测方 法采样点数目相对较少，难以反映变形的全部特征，而且作业时间长，工作强 度大，而三维激光扫描技术能够弥补传统方法的不足。 与传统测量方式相比，三维激光扫描技术无需合作目标，能够自动、连续、 快速地采集数据，具有明显的优势：数据采集速度快，实时性强；数据量丰富， 精度较高；主动性强，可以全天候作业；全数字特征，信息传输、处理方便。 三维激光扫描技术除了作为获取地表资源、环境信息的重要手段，还适用于古 建筑保护、工业设备检测、逆向工程、医学等领域，与其他技术手段集成使用， 具有无可替代的优越性。 目前，三维激光扫描技术应用于变形测量领域还处于起步阶段，模型优化、 精度分析等方面还需更深入的研究。 1 4 变形测量数据处理方法研究进展 变形测量的数据处理主要