基本原理,特点,精度,应用汇编

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1、中国矿业大学 变形监测的方法及其应变形监测的方法及其应 用用 中国矿业大学 1. 变形监测概述 内容：按其研究范围可分为三类：全球性的、区域性的和局部性的。 u全球性的变形监测主要是研究地极移动，地球旋转速度的变化以及地壳 板块运动； u区域性的变形监测，用以研究地壳板块范围内的变形状态和板块交界处 地壳的相对运动，前者一般由定期复测国家控制网的资料获得，后者要建 立专用监测网，监测板块相对运动在其交界处造成的地壳变形； u局部性的变形监测主要是研究工程建筑物的沉陷、水平移动、扭曲和倾 斜，滑坡体的滑动以及采矿、采油和抽地下水等人为因素造成的局部地壳 变形。 意义：实用上的意义主要是检查各种工

2、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好地理解变形的机 理，严重有关工程设计的理论和地壳运动假说，以及建立正确的预报变形 的理论和方法。 中国矿业大学 变形监测方法 u传统的方法：常规大地测量方法（测角、测边、水准） 优点：（1）通过组成网的形式可以进行测量结果的校核 和精度的评定 （2）灵活性大，能够适应于不同的精度要求、不 同形式的变形体和不同的外界条件 缺点：耗费大量的人力、物力 u新技术： GPS一机多天线技术 激光扫描技术 合成孔径雷达干涉测量技术 三维光学扫描技术（工业领域） 中国矿业大学 重大工程的变形监测案例 u 机器人滑坡监测 u中央电视

3、台新台址 CCTV主楼施工 变形监测 中国矿业大学 u GPS一机多天线技术在变形监测中的应用 小弯电站高边坡变形监测（同时接收） 东海大桥变形监测方案（间隔接收） 中国矿业大学 u北斗一号导航卫星在滑坡自动化监测中的应用 中国矿业大学 2 激光三维扫描技术在变形监测中的应用 2.1三维激光扫描技术的基本原理 地面三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋 转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其它附件设备共同构 成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。地面 三维激光扫描系统的工作原理如图所示，首先由激光脉冲二极管发射 出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后

4、通过探测器，接收 反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识 别处理的数据信息，经过软件处理实现实体建模输出。 中国矿业大学 2.2 三维激光扫描测量的精度 三维激光扫描仪的单点定位精度，一般可以达到亚厘米级，其 模型精度还要远高于这个精度。 我院购置的Trimble GX200激光扫描仪的主要技术参数： 指标数值 扫描距离最远350m 距离测量精度7mm100m 单点定位精度6mm50m，12mm100m 激光波长脉冲532 nm 扫描范围360 x 60 连续扫描 中国矿业大学 2.3三维激光扫描技术的特点 三维激光扫描技术可以大范围，快速全面，高精度，高分辨率的 获取被

5、测物体的平面和高程坐标，并可以方便的建立可以量测的三维 模型。综合起来，激光测量具有以下特点： l 快速性； l 实时、动态、主动性； l 激光的穿透性； l 非接触性； l 高密度、高精度特性； l 数字化、自动化； l 地面三维激光扫描系统对目标环境及工作环境的依赖性很小，其防 辐射、防震动、防潮湿的特性，有利于进行各种场景或野外环境的操 作。 中国矿业大学 2.4 三维激光扫描技术应用的实例 u高速公路路面变形 u国家体育馆屋顶钢结构安装与滑移监测 中国矿业大学 u煤矿地表变形监测 运用激光三维扫描仪监测煤炭井工开采的地表沉陷示意图如上图 ，技术路线为：当工作面推进到位置1时，用三维激光

6、扫描仪观测一 次地表，获得当时的数字高程模型DEM(1)。当工作面推进到位置2时 ，再用三维激光扫描仪对同一位置地表进行第二次扫描，获得数值高 程模型DEM(2)。用DEM(1)减去DEM(2),可以得到监测区域的地表下 沉值，再结合井下开采情况，便可以反演出地表移动变形预测参数。 中国矿业大学 鲍店矿扫描处理数据 实测值下沉剖面图 中国矿业大学 u 大型建筑物变形监测及成果分析 处理流程： 变形监测点布置及数据采集 坐标匹配 去噪处理 点云数据 特征线提取 两次特征线比较 最终变形数据 中国矿业大学 实例：焦炉和烟囱变形监测的扫描数据 1号焦炉点云数据 2号焦炉点云数据 点云数据截面截取 截

7、取后的点云数据和特征 线数据 中国矿业大学 3 岩体内部观测系统 岩层内部观测站测点一般布设在岩层内部的钻孔中，用于研究 岩层内部的移动和变形规律。 3.1 岩体内部下沉测量（钻孔伸长仪） 安装好的下沉测量系统如图所示。 1基准架；2读数装置、卷缆轮；3水泥浆； 4充填砂浆；5用粘结剂和胶带密封的感应环； 6感应环；7倾斜仪套管接头；8倾斜仪套管； 9注浆阀门；10重锤；11探头； 12用粘结 剂和胶带密封的软管接头；13用尼龙丝或胶带夹 固定的软管接头； 14固定在刚性管上的软管末端。 中国矿业大学 测量原理 探头内的感应电路在探头接近感应环时，将引起蜂鸣器报警 ，并使指示器上指针偏转。当指

8、针达到蜂值，即探头中心正好对 准感应环时，利用电缆和标尺上的刻度，便可测得探头中心所在 的深度。根据一定时间间隔内前后两次的测量结果，可计算出不 同深度（感应环所在位置）岩层的垂直位移以及每一段内岩层的 竖向伸长或压缩量。为获得绝对的位移值，至少应有一个感应环 （如孔底附近）埋在稳定岩石中，或者有一个感应环（如孔口附 近）用其它方法测得绝对位移值。 仪器精度 对于一个熟练的操作员，测深精度可达到1.5mm。 中国矿业大学 3.2 岩体内部水平移动测量（钻孔测斜仪） 岩体内部水平移动测量系统的安装及原理示意图。 1-电缆；2-传感器；3-钻孔；4-接头；5-套管；6-充填料；7 -总位移； 8-

9、位移；9-初始位置；10-导向槽；11-导向轮； 12-读数间距；13-读数设备； 测量原理 将传感器通过电缆和读数设备连接在一起，由孔口用电缆将传 感器下放到测管内，依次用电缆上的刻度将传感器标定到每一个 指定的深度处，测出偏斜增量。整个钻孔测完后，计算出钻孔内 每一指定深度相对于基准点（孔口或孔底处）的偏斜值。在一定 时间间隔内，前后两次测量所得的各深度处钻孔偏斜值之差，即 为各深度处的水平移动值。 仪器精度 在安装良好、钻孔偏离竖直方向的偏角不超过3度的情况下，一 个30米深的钻孔中，测量的总位移的误差不超过4mm。 中国矿业大学 3.3 岩体内部观测系统的实际应用 在实际应用中，通常将

10、伸长仪和测斜仪结合起来组成一个三 维的岩体内部的测量系统。这一系统可应用于矿山中的许多方面。 l露天矿边坡及山区滑坡的监测 利用这一观测系统对不稳定边坡进行监测，不仅可以及早掌握潜 在滑面和弱面的产状及活动情况，同时也能推断出活动边坡破坏所 涉及的形状和力学上的情况。对于山区滑坡，可以用于监测岩体内 部的薄弱面。 l煤矿井筒变形监测 许多矿区由于煤层的开采引起断层的活化或引起含水层失水，导 致井筒产生变形破坏。为正确掌握破坏的原因和移动变形的规律， 建立一个三维的岩体内部的监测系统，进行长期的监测是十分必要 的。目前，淮南矿务局谢二煤矿、孔集煤矿和兖州矿业（集团）有 限责任公司鲍店煤矿均建立了

11、钻孔监测系统。 中国矿业大学 l堤坝稳定性监测 堤坝（特别是受采动影响的区域）可用钻孔监测系统监测坝体 的移动及其坝体与基础间的相对移动。淮南矿务局在淮堤下采煤 中采用了这一监测系统，已经获得了大量的丰富的观测资料。 l开采引起的岩体内部移动变形监测 为掌握开采引起的岩体内部的动态移动和变形规律，可以应用 这一系统监测。兖州矿业（集团）有限责任公司南屯煤矿在综采 放顶煤开采的工作面上方建立一个监测钻孔，也已经取得了非常 有用的观测资料。 钻孔伸长仪 测孔布置示意图 中国矿业大学 4 工业领域变形监测系统 4.1 XJTUOM 三维光学面扫描系统 光学白光三维面扫描仪的原理 向被测工件投射白光编

12、码纹（散斑或正弦图案），由一个或 两个相机拍摄条纹图像（多次相移图像），根据三角原理，从而 解算出工件轮廓的三维点云。从原理上讲，三维光学面扫描设备 不是完全意义的工业近景摄影测量，它属于机器视觉学科中的立 体视觉测量。 测量精度 单次测量幅面128mm96mm2200mm2000mm，单次测 量点云数量为100万600万，单次扫描时间为5秒。相当于在5秒 时间测量一个工件100万600万个点的三维坐标，每个点的间隔 为0.08mm1mm。通过多次拼接可以测量10毫米30米的工件 ，测量精度根据单次幅面大小和相机像素不同为0.011mm，一 般为0.03mm。 中国矿业大学 三维光学面扫描测量

13、头 三维光学面扫描系统软件界面 中国矿业大学 4.2 XJTUDP三维光学点测量系统 XJTUDP 三维光学点测量系统,采用数字近景工业摄影测量技术 （digital close-range industrial Photogrammetry ），是便携式光学三 坐标系统，用于测量物体表面的标志点和特征的精确三维坐标。采用 普通高分辨率数码相机拍摄大型工件的多幅二维相片，采用工业摄影 测量计算工件关键点（人工粘贴圆形标志点、工件自身点线孔特征） 的精确三维坐标。 这是一种便携式光学三坐标系统。可以代替传统的激光跟踪仪、 关节臂、经纬仪等，而且没有繁琐的移站问题，可以全方位方便测量 大型工件。可

14、以测量10毫米30米的工件，精度达到1/70000 1/150000,相当于1米长度的工件测量精度为0.01mm。 中国矿业大学 坐标解算软件 编码参考点 标定尺 专业数码相机 高精度测量标尺 工业近景摄影测量系统硬件组成 中国矿业大学 工业近景摄影测量系统软件界面 工程区 信息区 图片区 三维点云区 数据区 中国矿业大学 4.3 用于变形测量的分析系统 XJTUSD静态变形测量分析系统 采用高分辨率单反数码相机，通过拍摄变形前后物体的多幅图像， 计算出物体关键点的三维坐标，获得物体变形数据，是在工业数字近景 三维摄影测量研究基础上发展的变形测量技术。可广泛应用于：机械载 荷试验、热负载试验、

15、环境试验、风洞光照模拟。 车门的变形测量 中国矿业大学 XJTUDA动态变形测量分析系统 通过2个高速数字相机，实时拍摄物体运动图像，实时计算物体表面 关键点的三维坐标，利用高分辨率的高速相机构成的立体相机, 实现高速测 量、静态和动态试验测量。应用领域：热负载试验、机械载荷试验、分析 动态过程、高速测量、风洞测量等。 XJTUSM板金变形测量分析系统 测量钣金的表面三维坐标、表面应变分 布、材料减薄，产生成型极限图。 XJTUWA焊接变形测量分析系统 三维动态测量 板金冲压成形分析 中国矿业大学 4.4 工业测量系统在相似材料模型中的应用 采用“XJTUDP三维光学点测量（数字近景工业摄影测

16、 量)系统”，快速测量模型观测点坐标，通过同一观测 点不同时期观测到的的坐标的差值获取移动变形量。 基本流程： 1.在工件表面粘贴标志点； 2.放置系统标尺和编码点； 3.采用XJTUDP摄影测量系统进行布设标志点的拍照计算； 4. 坐标转换； 5.将多次计算结果进行对比分析。 中国矿业大学 固定编码点 拼接编码点 非编码测点 高精度标尺 模型编码与非编码标志点布设 中国矿业大学 模型标志点解算 3-2-1坐标转换 标志点坐标转换 中国矿业大学 通过XJTUDP三维光学点测量系统观测计算所得 到点的坐标分别为编码点坐标和非编码点坐标。其中 编码点是全局控制解算点，而非编码点是根据观测需 要所布设的目标点。由于每次观测所得到的非编码点 的点号是系统随机给定的，而本次实验研究所要用到 的数据是相同点在不同时刻的坐标值，所以必须进行 点号匹配处理。每次测量所得到的坐标系也是随机的 ，必须将所有的坐标都转换到统一的坐标系下，才能 进行位移解算。 中国矿业大学