测绘基础知识—变形观测

变形观测的概念：
变形是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域或空间域的变化。
变形监测又称为变形测量或变形观测，变形测量则是对设置在变形体上的观测点进行周期性地重复观测，求得观测点各周期相对于首期的点位或高程的变化量。
变形体用一定数量的有代表性的位于变形体上的离散点（称监测点或目标点）来代表，监测点的变形可以描述变形体的变形。

变形分类：
1）变形体自身的形变。变形体自身的形变包括：伸缩、错动、弯曲和扭转四种变形，
2）变形体的刚体位移。刚体位移则含整体平移、整体升降、整体转动和整体倾斜。
变形监测分类：
（1）静态变形监测，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，静态变形通过周期测量得到。
（2）动态变形监测，动态变形指在外力（如风、阳光）作用下产生的变形，它是以外力为函数表示的，动态变形需通过持续监测得到。

变形观测对象
1）研究全球性变形，如监测全球板块运动、地极运动、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；
3）工程和局部性变形研究，工程变形监测一般包括工程（构）建筑物及其设备以及其他与工程建设有关的自然或人工对象，这是本课程研究的主要内容。

工程变形的原因
一、自然条件及其变化；
二、与建筑物本身相联系的原因；
三、勘测设计、施工及运营管理工作做的不合理，也会引起建筑物额外的变形。

变形监测的内容
1）垂直位移（沉降）监测
2）水平位移监测
3）倾斜监测
4）裂缝监测
5）挠度监测
6）日照和风振监测等 

变形观测的意义
（1）首先是实用上的意义，主要是掌握各种工程建筑物的地质构造的稳定性，为安全诊断提供必要的信息，以便发现问题并采取措施；
（2）其次是科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的预报模型
   对于工程的安全来说：监测是基础，分析是手段，预报是目的。

工程变形监测技术
在工程和局部变形监测方面，地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专业的测量手段、以及以GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。
(1)常规大地测量方法
常规大地测量方法的完善与发展，其显著进步是全站型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪（RTS,Robotic Total Stati**），有时也叫测量机器人（Georobot）,为局部工程变形的自动监测或室内监测提高了一种良好的技术手段，它可以进行一定范围内无人值守、全天候、全方位的自动监测。实际工程试验表明，测量机器人监测精度可达亚mm级。最大的缺陷是受测程限制，测站点一般都在变形区域的范围之内。
（2）地面摄影测量
地面摄影测量技术在变形监测中的应用虽然起步较早，但是由于摄影距离不能过远，加上绝对精度较低，使得其应用受到局限，过去仅大量应用于高塔、烟筒、古建筑、船闸、边坡体等的变形监测。近几年发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景。
（3）特殊的测量手段
光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。例如，遥测垂线坐标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达0.01mm；采用光纤传感器测量系统将信号测量于信号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁干扰和抗恶劣环境的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。 
（4）GPS空间定位技术。
GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性（Episodic and Continuous Mode）两种模式。
（5）3D激光扫描技术
三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它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。可以快速、大量、高精度地获取空间点位及其变化信息。

2、动态（连续）监测与静态监测
连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据序列。在动态监测方面，过去一般采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动特性，GPS作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达20Hz）GPS接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独特的优越性。
静态监测是周期性的对建筑物进行变形观测。

3.监测技术的发展趋势（1）多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和GPS的应用，将走向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展；
（2）变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化为变形分析提供了极为丰富的数据信息；
（3）高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；
（4）实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是推动重大工程安全监控管理的必由之路。

变形分析的研究内容
1．变形数据处理与分析；
2．变形物理解释；
3．变形预报。

变形分析分类
通常可将其分为变形的几何分析和变形的物理解释两部分。
变形的几何分析是对变形体的形状和大小作几何描述，其任务是描述变形体变形的空间状态和时间特性。
变形物理解释的任务是确定变形体的变形和变形原因之间的关系，解释变形的原因。 

变形分析的内容
传统的变形几何分析主要包括参考点的稳定性分析、观测值的平差处理和质量评定以及变形模型参数估计等内容。

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