（大地测量学与测量工程专业论文）高精度变形测量技术与数据处理方法.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展和科技的进步，大型工程的建设规模和速度都呈井喷式增 长，随之而来的各种工程事故也层出不穷，变形测量工作就显得愈加重要。本 文从变形测量技术以及数据处理方法的角度出发，重点对变形测量基本理论、 工业检测曲面拟合、实时动态变形测量及数据处理、变形数据预测以及基于变 形测量的岩土力学参数反演几个方面进行了一定的探讨，主要研究内容集中在 如下的几个方面： ( 1 ) 变形测量基本理论的研究 阐述了论文研究的背景以及意义，辨析了变形测量的含义以及研究的内容 和范围，重点是变形监测和变形检测的联系和区别，介绍了当今变形测量技术 的研究进展，主要是当前发展迅速、应用前景广泛的几种新兴测量技术，并且 总结了变形测量数据处理方法的国t 杉 1 - 研究现状和进展。 ( 2 ) 基于改进遗传算法的工业检测曲面拟合 针对有明确表达式的工业曲面，从参数辨识的角度提出将平移、旋转参数 以及标准曲面表达参数作为需辨识的量，采用遗传算法通过种群进化的方式求 得这些参数。由于传统的遗传算法存在一定的缺陷，从选择算子、交叉算子、 变异算子等几个方面对其进行了改进。在两个工程实例中应用了该方法，表明 了该方法的有效性，并且通过比较发现，对遗传算法的改进起到了一定的效果， 改进方法的收敛速度有了较大提高，同实测值比较的均方误差更小，并且能够 有效避免陷入局部极小。 ( 3 ) 实时动态变形测量及数据处理 介绍了实时动态变形测量技术的定义、特点以及三种实时动态变形测量系 统模式；提出了一种r t k g p s 精度测试的方法，即模拟几种常见的运动方式， 分别是直线运动、正弦运动以及旋转运动，并且进行了这三种模拟运动状态下 r t k g p s 的精度测试；探讨了小波分析在动态变形测量数据处理中的应用，主 要是在消噪以及特征提取中的应用；分析了建筑物振动多频率成分分析的必要 性，提出了两种分析方法，分别简称为频谱分析法以及g a 分析法，并且通过一 个模拟算例以及一个工程实例将两种方法进行了比较，认为频谱辨识法是一种 摘要 应用较简便的近似方法，g a 辨识法能够取得更加准确的频率、振幅等振动参数； 提出将动态测量技术用于桥梁撞击问题研究的探讨，并且用实验说明了该方法 的可行性。 ( 4 ) 变形数据预测 总结了变形数据预测的研究进展；提出了能够顾及多点之间的关联信息的 灰色关联预测模型；进行了将小波神经网络应用于变形数据预测的尝试，相对 于一般的前馈神经网络增加了平移和缩放两个自由度；改进了b p 神经网络预测 模型，提高了b p 神经网络的泛化能力并且加快了收敛速度；提出采用并且改进 了g m d h 丰o 经网络预测模型，使网络的泛化能力和收敛速度有了较大的改善； 提出采用最优加权组合预测模型以及基于预测有效度的组合预测模型，能够综 合利用不同预测模型所提供的信息，改进预测效果。每种方法的提出以及改进 均用工程实例证明了其有效性，表明了本文所提出或改进的方法具有一定的实 用价值。 ( 5 ) 基于变形测量的岩土力学参数反演 分析了岩土力学参数反演的特点，总结了基于变形测量的参数反演研究进 展，提出了一种基于有限元和神经网络、遗传算法两种人工智能算法的变形测 量参数反演方法，在一个连拱隧道的工程实例中进行了应用，并且与基于有限 元和神经网络的参数反演结果进行了比较，比较的结果表明本文提出的岩土力 学参数反演方法相对而言更具优势。 最后，对本文所做的工作进行了总结，并且对进一步研究的方向进行了简 要的探讨。 关键词：变形测量，数据处理，曲面拟合，遗传算法，实时动态变形测量，多 频率成分分析，数据预测，参数反演 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g 、析mt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dp r o g r e s si ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , b u i l d i n gs c a l ea n dp a c eo fl a r g e s c a l eb u i l d i n g sg r o w sr a p i d l y , f o l l o w e db yav a r i e t y o fe n g i n e e r i n ga c c i d e n t s d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ti s b e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t h i sd i s s e r t a t i o nd o e ss o m er e s e a r c ho nt e c h n i q u e sa n dd a t ap r o c e s s i n g m e t h o d so fd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t , e m p h a s i z i n go nb a s i ct h e o r yo fd e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n t ，s u r f a c ef i t t i n go fi n d u s t r i a ld e t e c t i o n ，r e a l - t i m ed y n a m i cd e f o r m m i o n m e a s u r e m e n t sa n di t sd a t ap r o c e s s i n g , d e f o r m a t i o nd a t a f o r e c a s t i n g a n dr o c k m e c h a n i c a lp a r a m e t e r si n v e r s i o nb a s e do nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t f o l l o w i n ga r e m a i na s p e c t st h er e s e a r c hf o c u s e so n ( 1 ) r e s e a r c ho nb a s i ct h e o r yo f d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hi se x p a t i a t e di nt h i sc h a p t e r d e f i n i t i o no fd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ta n di t sr e s e a r c hc o n t e n ta n ds c o p ei s a n a l y z e d ，f o c u s i n go nl i n k sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n d d e t e c t i o n t h er e s e a r c hp r o g r e s s e si nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ta l ei n t r o d u c e d ， m a i n l ya r es e v e r a ln e wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sw h i c ha r ed e v e l o p i n gr a p i d l ya n d m a ye n j o yaw i d er a n g e o fa p p l i c a t i o n r e s e a r c h p r o g r e s s i nd e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n td a t ap r o c e s s i n gi ss u m m a r i z e d ( 2 ) i n d u s t r i a ld e t e c t i o ns u r f a c ef i t t i n gb a s e do ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m f o ri n d u s t r i a ls u r f a c ew h i c hh a se x p l i c i te x p r e s s i o n , i t sp a r a m e t e r so ft r a n s l a t i o n a n dr o t a t i o na n de x p r e s s i o np a r a m e t e r so fs t a n d a r ds u r f a c ec a nb ec o n s i d e r e da s q u a n t i t i e sn e e d e dt ob ei d e n t i f i e df r o mt h ea n g l eo fp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n t h e s e p a r a m e t e r sc a nb es o l v e du s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt h r o u g ht h em e t h o do fp o p u l a t i o n e v o l u t i o n b e c a u s et r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h mh a ss o m ed e f e c t s ，i ti sb e t t e r e df r o m s e v e r a la s p e c t s ，s u c ha ss e l e c t i o no p e r a t o r , c r o s s o v e ro p e r a t o r , m u t a t i o no p e r a t o r , e t c t h em e t h o di sa p p l i e di nt w oe n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，i no r d e rt os h o wi t se f f e c t i v e n e s s i tc a nb ef o u n dt h a tt h eb e t t e r m e n t sd o n et og e n e t i ca l g o r i t h mh a sc e r t a i ne f f e c t s t h e i n d e xo fc o n v e r g e n c er a t ea n dr o o tm e a ne r r o rc o m p a r e dw i t hm e a s u r e dd a t ao ft h e ! i i a b s t r a c t i m p r o v e da l g o r i t h mi sb e t t e r , a n d i tc a l la v o i dp r e m a t u r el o c a lc o n v e r g e n c e e f f e c t i v e l y ( 3 ) r e a l - t i m ed y n a m i cm e a s u r e m e n ta n dd a t ap r o c e s s i n g t h ed e f i n i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fr e a lt i m ed y n a m i cm e a s u r e m e n ta r e i n t r o d u c e d ap r e c i s i o nt e s tm e t h o do fr t k - g p si sp r o p o s e d ，t h a ti si m i t a t i o no f s e v e r a lo r d i n a r ym o t i o nm o d e s ，n a m e l yl i n e a rm o t i o n ，s i n u s o i d a lm o t i o na n dc i r c u l a r m o t i o n t h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e ta n a l y s i si nd y n a m i cd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t d a t ap r o c e s s i n gi s d i s c u s s e d ，m a i n l yi nd e - n o i s i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o n t h e n e c e s s i t yo fm u l t i f r e q u e n c yc o m p o n e n ta n a l y s i so fb u i l d i n go s c i l l a t i o ni sa n a l y z e d a n dt w oa n a l y s i sm e t h o d sa r e p r o p o s e d ，n a m e l ys p e c t r a la n a l y s i s a n dg a i d e n t i f i c a t i o nm e t h o df o rs h o r t b o t hm e t h o d sa r ea p p l i e da n dc o m p a r e di na s i m u l a t e de x a m p l ea n da ne n g i n e e r i n ge x a m p l e i tc a nb ec o n s i d e r e dt h a ts p e c t r a l i d e n t i f i c a t i o nm e t h o di sa na p p r o x i m a t eo n ee a s yt ou s e ，w h i l eg ai d e n t i f i c a t i o n m e t h o dc a l lg e tm o r ea c c u r a t ev i b r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sf r e q u e n c ya n da m p l i t u d e ， e t c t h e a p p l i c a t i o no fd y n a m i c m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei nb r i d g ec o m p a c ti s d i s c u s s e d a ne x p e r i m e n ti su s e dt os h o wi t sf e a s i b i l i t y ( 4 ) d e f o r m a t i o nd a t af o r e c a s t i n g r e s e a r c hd e v e l o p m e n to fd e f o r m a t i o nd a t af o r e c a s t i n gi ss u m m a r i z e d ag r e y r e l a t i o n a lf o r e c a s t i n gm o d e lw h i c hc a nt a k er e l a t i o n a li n f o r m a t i o nb e t w e e np o i n t s i n t oa c c o u n ti sp r o p o s e d t h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e tn e u r a ln e t w o r ki nd e f o r m a t i o n d a t af o r e c a s t i n gi sd i s c u s s e d c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yf e e d f o r w a r dn e u r a ln e t w o r k ， w a v e l e tn e u r a ln e t w o r kh a dt w om o r ed e g r e e so ff r e e d o m ，n a m e l yt r a n s l a t i o na n d s c a l e b pn e u r a ln e t w o r ki si m p r o v e d ，e n h a n c i n gi t sg e n e r a l i z a t i o na b i l i t ya n d c o n v e r g e n c er a t e g m d hn e u r a l n e t w o r ki s p r o p o s e d a n di m p r o v e d ，w h o s e g e n e r a l i z a t i o na b i l i t ya n dc o n v e r g e n c er a t ei sb e a e r e d o p t i m a lc o m b i n e df o r e c a s t i n g m o d e la n dac o m b i n e df o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do nf o r e c a s t i n ge f f e c t i v e n e s si s p r o p o s e d ，w h i c hc a nm a k eu s eo fi n f o r m a t i o ns u p p l i e db yd i f f e r e n tf o r e c a s t i n g m o d e l s ，a n dc a ni m p r o v ef o r e c a s t i n ge f f e c t t h ee f f i c i e n c yo fe a c hm e t h o dp r o p o s e d o ri m p r o v e di sv e r i f i e du s i n ge n g i n e e r i n ge x a m p l e ( 5 ) g e o t e c h n i c a lp a r a m e t e ri n v e r s i o nb a s e do nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t c h a r a c t e r i s t i c so fg e o t e c h n i c a lp a r a m e t e ri n v e r s i o na r ea n a l y z e d r e s e a r c h i v a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fg e o t e c h n i c a lp a r a m e t e ri n v e r s i o nb a s e do nd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e m i ss u m m a r i z e d ag e o t e c l l i l i c a lp a r a m e t e ri n v e r s i o nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n t a n dt w ok i n d so fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea l g o r i t h mn a m e dn e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i c a l g o r i t h mi sp r o p o s e da n da p p l i e di n am u l t i p l ea r c ht u n n e l c o m p a r e d 谢t h p a r a m e t e ri n v e r s i o nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n dn e u r a ln e t w o r k ，t h em e t h o d p r o p o s e di nt h i st h e s i sc a ng e tb e t t e rr e s u l t s f i n a l l y , t h ew o r kd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e d ，a n dt h ef u r t h e r m s e a r c hd i r e c t i o ni sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t , d a t ap r o c e s s i n g , s u r f a c ef i t t i n g ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，r e a lt i m ed y n a m i cd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t , d a t af o r e c a s t i n g ， p a r a m e t e ri n v e r s i o n v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 1 1 年f 月幢日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 靴敝储雠：少 年lr | 芎b 第1 章引言 1 1 研究背景与意义 第1 章引言 变形是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、 大小及位置在时间域和空间域的变化。就地学和工程领域来讲，当变形量不超 过一定范围时不会造成危害；如果超过变形体所能承受的允许值，则可能引发 严重的灾难。自然界的变形危害很普遍，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，都是典型的变形破坏现射。 保证工程建筑物的安全是一个十分重要和现实的问题，国内外出现的一些 重大工程事故无不印证了这一点。例如：1 9 5 9 年1 2 月2 日法国m a l p a s s e t 拱坝( 高 6 7 m ) 溃决；1 9 6 3 年1 0 月9 日意大利v a j o n t 拱坝近坝岸库岩体大滑坡( 2 5 亿m 3 ) ； 1 9 6 7 年1 2 月1 5 日横跨美国俄亥俄河上的银桥( 长约5 4 0 m ) 突然倒塌；1 9 7 6 年6 月5 日美国t e t o n 土坝( 高9 3 m ，当时世界上最高的土坝) 溃决；1 9 9 4 年l o 月2 1 韩 国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥( 桥长1 0 0 0 m 以上，宽1 9 9 m ) ，中央断场5 0 m ， 其中1 5 m 掉入江中；1 9 7 5 年8 月“7 5 8 ”大水灾难中我国板桥和石漫滩两座土坝 洪水漫坝失事；2 0 0 0 年4 月9 日，西藏易贡藏布河扎木弄沟发生约3 亿。大滑坡； 2 0 0 8 年9 月8 日山西省襄汾县发生了“9 8 ”特别重大尾矿库溃坝事故，造成约2 7 0 人死亡的重大损失和惨痛教训。近年来，国内许多城市都在进行大规模的工程 建设，各种高楼、轨道交通、市政地下工程纷纷开工建设。然而，随之而来的 各种工程事故也层出不穷。例如，2 0 0 3 年7 月1 日上海地铁四号线( 浦东南路一 南浦大桥) 区间隧道联络信道工程发生渗水事故，大量流沙涌入隧道，引起部 分地面沉降，造成地面一栋8 层楼房倾斜，裙房坍塌；2 0 0 4 年1 0 月2 5 日，上海中 环线北虹路地道工程基坑发生坍塌事故，坍塌范围长近4 0 米，深约1 0 米；2 0 0 5 年7 月2 1 日，广东省广州市海珠城广场发生基坑坍塌事故，导致邻近2 幢建筑物 损毁。2 0 0 5 年1 1 月3 0 同，北京市地铁十号线2 2 标段发生坍塌事故，造成至少4 0 0 平方米范围内的基坑塌陷1 0 余米；2 0 0 7 年3 月2 8 r 北京市地铁1 0 号线2 标段苏州 街车站发生“3 2 8 重大塌方事故。最近的，2 0 0 8 年1 1 月1 5 日杭州风情大道地铁 施工工地发生大面积地面塌陷事故，造成重大人员伤亡，成为中国地铁修建史 上最大事故。诸如此类的重大事故和惨痛教训，时有发生，不胜枚举，令人极 第l 苹引言 其痛心。这些重大事故的发生，一方面是人民群众生命和国家财产的重大损失， 同时也从反面以一种很沉重的方式体现了变形测量工作的重要性。由于灾害的 发生与变形有着极为密切的关系，因而，变形测量研究在国内外受到了广泛的 高度重视。 变形测量可以在预防自然和工程灾害、减少经济损失方面发挥重大作用， 已有很多成功的范例。以我国为例，1 9 9 3 年利用地球物理大地测量反演理论准 确预报了1 9 9 6 年云南丽江大地震；1 9 8 5 年长江新滩大滑坡的成功预报：1 9 9 8 年长江流域抗洪错峰中，隔河岩大坝外观变形g p s 自动化监测系统发挥了巨大 作用，确保了安全度汛【l j 。 人类社会的进步和国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代 工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求，与此同时，变形测量的意 义更加突出。变形测量的意义重点表现在两个方面：首先是实用上的意义，主 要是掌握各种工程建筑物和地质构造的稳定性，为安全诊断提供必要的信息， 以便及时发现问题并且采取措施；其次是科学上的意义，包括更好的理解变形 的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立 有效的变形预报模型【l j 。 1 2 变形测量的含义及研究范围 变形测量，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测量 的工作，任务是确定在各种荷载以及外力的作用下，变形体的形状、大小及位 置变化的空间状态和时间特征，其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。变形测量是人类通过变形现象获 得科学认识、检验理论和假设的必要手段i 。 一般意义上而言的变形测量即为通常所讲的变形监测，一般用于地学领域 以及工程领域。然而，测量包括但不限于监测，变形测量也同样包括但不限于 变形监测，还应包括常用于工程和工业测量领域的变形检测。 变形检测主要是应用在工程和工业领域中，采集检测对象的形状、大小、 位置等在三维空间中的实际数据，同设计值或理论值进行比较，发现检测对象 在形状、大小、位置等方面的变化以及不一致，与变形监测有一定的类似之处， 但也有所区别。 2 第1 章引言 变形监测和变形检测联系和区别比较如表1 1 所示。 表1 1 变形监测和变形检测比较 名称变形监测变形检测 测量次数一般为多次一般为1 次或少数多次 根据等级和内容要求而不同，一 根据等级和内容要求不同而不同，工程领域一 测量精度般平面为哪级。高程为衄级或般为衄级，工业领域一般为衄级、亚咖级甚至 亚r n m 级 g r n 级 一般涉及的范围较广，大至全球 涉及范围般涉及范围较小，仅是一个独立检测对象 范围小至一个工程建筑物 比较依据 同首期数据或前期数据比较同理论值或设计值比较 应用领域一般应用于地学以及工程领域一般应用于工业以及工程领域 此处研究的变形测量内容既包括常规意义上的变形监测也包括变形检测， 是一个范围较广的概念。 1 3 变形测量技术的研究进展 在2 0 世纪8 0 年代以前，变形测量主要是采用常规地面测量技术以及某些 特殊测量手段。常规地面测量，是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常 规测量设备测定点位的变形值。其优点是能够提供变形体整体的变形状态；适 用于不同的变形测量精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；可以提 供绝对变形信息。其缺点是外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自 动化测量。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过 程简单、可测量变形体内部的变形、容易实现自动化测量等优点，但通常只提 供局部的和相对的变形信息1 2 j 。 随着科学技术的进步以及对变形测量要求的不断提高，变形测量技术也在 不断的发展。更先进的数据采集设备的出现，计算机、无线电、空间技术以及 地球科学等的迅猛发展，推动变形测量技术的不断发展。不断涌现的变形测量 数据采集新技术以及他们自身的不断发展完善是推动变形测量技术进步的巨大 动力，如数字近景摄影测量、g p s 、自动全站仪、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、 激光雷达、关节式坐标测量机、i n d o o rg p s 等。此外，在大地测量领域还有甚 长基线射电干涉测量( v l b i ) 、卫星激光测距( s l r ) 、激光测月技术( l l r ) 、 卫星重力探测技术( 卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量) 、合成孔径 至! 垩! l 童 干涉雷达( i n s a r ) 等技术手段i ”。f 面的篇幅着重介绍几种先进性较强且应用 前景比较f 泛的变形测量数据采集设备和技术。 131 数宇近景摄影测量技术 摄影测量技术包括近景( 地面) 摄影测量技术和航空摄影测量技术。近景 摄影测量按其应用领域又可划分为建筑摄影测量、工业摄影测量和生物医学摄 影测量等。近1 0 年柬，近景摄影测量在建筑丁程、滑坡、机械制造、工业设备 检测、古建筑保护、采矿、冶金、地质、地理、考古、海洋、生物学、医学、 体育等方面得到了广泛应用，其监测精度可达到帆绂。与其他变形测量技术相 比较，近景摄影测量的优点是：可在瞬间记录下被摄物体的信息及点位关系； 可用于规则、不规则或不町接触物体的变形监铡；像片上的信息丰富、客观而 又可长期保存，有利于进行变形的对比分析；测量工作简便、快速、安全。近 年来发展起来的数字摄影测量技术也在建筑物、滑坡等变形监测中得到了成 功的应用，并显示出良好的应用前景口j 。此外，空中摄影测量技术办在较大范围 的地面变形测量中得到了应用。但由于摄影距离不能过远，且大多数的测量部 门不具备摄影测量所需的仪器设备，摄影测量技术在变形测量中的应用尚不普 及。 图1l 所示为单台多台相机的数字近景工业测量系统。 幽11 单台，多台相机的数字近景业摄影测量系统 13 2g p s 技术 g p s 的应用给测量技术带米了一场深刻的革命。据介绍，国外从2 0 世纪8 0 第1 章引言 年代开始用g p s 进行变形测量。近年来，我国在利用g p s 进行滑坡、桥梁、高 层建筑、大坝变形、矿区地面沉陷和地壳形变监测方面，做了大量的工作。 g p s 变形测量具有如下优点：大范围内精度较高，在基线长度大于1 0h 时， 其相对精度可达到1 0 6 1 0 。，明显优于传统大地测量技术；测量不受天气条件限 制，可进行全天候观测；测量、记录、计算全自动完成，确保了测量成果的客 观性和可靠性，同时大大减小了测量人员的工作强度；测量点之间不需要通视， 选点不受地形的限制；测量点的三维坐标可以同时测定；其建网费用约为常规 大地测量技术建网费用的1 豇1 3 。 g p s 变形测量的方法主要有两种：周期性测量模式和连续性测量模式【3 j 。 ( 1 ) 周期性监测模式 当变形体的变形速率相当缓慢( 如地壳运动，处于缓慢变形阶段的滑坡体位 移等) ，在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时，可利用g p s 进行周期性 变形监测，监测频率视具体情况可为数日、数月、一年或甚至数年之久。此时 采用g p s 静态相对定位方法测量，将两台以上g p s 接收机安置在观测点上同步 观测一段时间，观测时段长度和时段个数依监测精度的要求而定。一般采用边 连接方式构成监测网，数据处理与分析在事后进行，用后处理软件进行基线解 算，经过平差计算求得观测点的三维坐标。这种方法尤其适用于长边监测网， 边长相对精度可高达1 0 母。 ( 2 ) 连续性监测模式 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 形数据系列，此时监测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的 不同特征，g p s 连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方 法进行观测，一般要求变形响应的实时性。 g p s 技术在精度、采样率、灵敏度、可靠性以及硬软件上的发展和完善，为 g p s 在变形测量领域广泛应用提供了可靠的保证。以l e i e ag p s l 2 3 0 为例，其r t k 技术动态水平精度10 t i n + 1 p p m ，垂直精度2 0 m m + i p p m ，静态水平精度5 r m + 0 5 p p m ， 垂直精度1 0 t i n + 0 5 p p m ；后处理动态水平精度1 0 r m + 1 p p m ，垂直精度2 0 r m + l p p m ， 静态水平精度5 t i n + 0 5 p p m ，垂直精度1 0 r a m + 0 5 p p m ，长时间观测的长基线静态更 可达水平精度3 t i n + 0 5 p p m ，垂直精度6 r a m + 0 5p p m 。 第l 章引言 1 3 3 自动全站仪 在工程建筑物的变形自动化测量方面，自动全站仪正渐渐成为首选的自动 化测量技术设备。 利用自动全站仪进行工程建筑物的自动化变形测量，一般可根据实际情况 采用两种方式：一种是固定全自动持续测量方式；一种是移动周期性网测量方 式1 4 j 。 ( 1 ) 固定式全自动持续测量方式 该方式是基于一台自动全站仪的有合作目标( 照准棱镜) 的变形测量系统， 可实现全天候的无人值守监测，其实质为自动极坐标测量系统，其结构与组成 方式如图1 2 所示。 t 蛄 1 _ 二二二一 l 哦 一一d 一 # 。卜一 j 。尹时： i 圈 i 、一- i ii 一- # 件：丘 图1 2 固定式全自动持续铡量系统 固定式全自动变形测量方式可实现全天候的无人值守测量，并有高效、全 自动、准确、实时性强等特点。但也有其缺点：其一，没有多余观测置，测量 的精度随着距离的增长而显著地降低，且不易检查发现粗差；其二，系统所需 的自动全站仪、棱镜、计算机等设备园长期固定而需采取特殊的措施保护起来； 其三，这种方式需要有雄厚的资金作保证，自动全站仪等昂贵的仪器设备只能 在一个变形监测项目中专用。 ( 2 ) 移动周期性同观测方式 移动式半自动变形监测系统的作业与传统的观测方法一样，在各观测墩上 安置整平仪器，输入测站点号，进行必要的测站设置，后视之后自动全站仪会 按照预置在机内的观测点顺序、测回数、全自动地寻找目标，精确照准目标、 第1 章引言 记录观测数据，计算各种限差，做超限重测或等待人工干预等。完成一个测点 的工作之后人工将仪器搬到下一个施测的点上，重复上述的工作，直至所有 外业工作完成。这种移动周期性网观测模式相对于人工观测方式可大大减轻观 测者的劳动强度，所获得的成果精度更好；相对固定式全自动测量方式可节省 对设备的投入。 经试验和实际应用表明，固定式全自动变形监测系统具有高效、全自动、 准确、实时性强、结构简单、操作简便等特点，特别适用于小区域内的变形监 测，可实现全自动的无人值守的形变监测。而移动式半自动变形监测系统则因 其采用与传统的变形监测网完全一致的观测量，但比传统方式具有高得多的效 率。 自动全站仪测量系统特别适用于工程领域，其特点是范围不是特别大，精 度很高，可靠性好，以l e i c a t c a 2 0 0 3 为例，其测角精度可达05 ”，测距精度为 1 m “+ l p p m 。s o k k i a 公司推出的n e t 系列最高精度的全站仪更是号称突破了l 栅 + l p p l 测距精度，适用于工业检测以及工程领域。 图13 所示为当前几家著名测量仪器生产商推出的最新型号的自动全站仪， 分别是l e i c a t c a 2 0 0 3 ，t r i m b l es 8 ，s o k k i as r x ，t o p c o n g p t 9 0 0 0 a 。 巷剥囵 134 三维激光扫描仪 圈i3 几种箍新型号的自动全站仪 激光测距技术已经有了儿十年的应用，但是非接触式三维激光扫描设备只 是在近些年随着自动控制技术的发展爿得阻实现的激光测量技术，其具有均匀 等特点。在测绘行业，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， 在某些方面对传统的测绘技术和方法提出了挑战。三维激光扫描技术应用的领 第1 章引言 域和范围必将随着研究的深入而向深度和广度发展。 三维激光扫描仪可以快速地以i m n 级采样间隔获取实体表面点的三维坐标并 巳上“点云”数据形式存储到计算机中。它快速建立目标的三维模型并提取线、 面、体等制图数据，实现“实景复制”。传统的单点数据采集方式得以改变。 对露天矿、大坝和建筑物的传统变形监测方法，如：安装应力应变传感器、用 测绘仪器( 全站仪、g p s 等) 测量等，由于采样点少，很难反映变形的全部特征 且耗时费钱。而三维激光扫描仪可以弥补传统方法的不足。 同传统的测量手段相比，三位激光扫描技术不需要合作目标，可以自动、 连续、快速地采集数据，拥有许多自己独特的优势，例如，数据采集速度快、 实时性强：数据量大，精度较高：主动性强，能全天候工作；全数字特征，信 息传输、加工、表达容易pj 。三维激光扫描技术既可咀作为获取地表资源、环境 信息的一种重要手段，又可以同其他技术手段集成使用，在古建筑保护、医学、 工业设备检测、逆向j ：程等领域中相对于传统测量手段而言更显示出其独特的、 无法替代的优越性。 目前，三维激光扫描仪用于变形测量等领域还处于起步阶段，模型优化和 精度分析等很多工作还有待于随着三维扫描技术的进一步成熟而进行更深入的 研究。 图14 所示为当前几家著名三维激光扫描仪器生产商推出的最新型号的三维 激光扫描仪，分别是l e i c ah d s 6 0 0 0 f a r ol s 8 8 0h e 8 0 ，t r i m b l eg x3 d 。 0 喾圆 幽l4 儿种昂新型的三维檄光扫描仪 第1 章引言 1 3 5 激光跟踪仪 激光跟踪仪是近十年才发展起来的新型测量仪器，它集激光干涉测距技术、 光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等于一 体，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量运动目标的空间三维坐标，具有安 装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点，被誉为“便携 式c m m ( 三维坐标测量机，c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简称c m m ) 6 1 。使 用激光跟踪仪进行测量时，被测尺寸范围可从一米到几十米，跟踪头到被测目 标点的最大距离为3 5 m ，由于干涉法距离测量的精度高，测量速度快，因此激光 跟踪仪的整体测量性能和精度要优于全站仪，在测量范围内( 一般 ) 其它 、 式中，；。为s ( x ) 的最小值估计，可以是一个合适的输入值。 ( 3 ) 若目标函数为最小值问题，令： 励( m ) ) 2 鬲扔以咖+ m ) 。 ( 2 7 ) 若目标函数为最大值问题，令： r f ( m ) ) = 丽1 , c o , c - 饰) 。 ( 2 8 ) c 为目标函数界限的保守估计值。 研究的问题为一个求函数极小值的问题，同时为减小计算量，目标函数采 用极小值问题的目标函数。 第2 章基于遗传算法的工业检测数据曲面拟合 2 2 4 选择算子 选择( s e l e c t i o n ) 又称复制( r e p r o d u c t i o n ) ，是在群体中选择生命力强的个 体产生新的种群的过程。选择操作的策略与编码方式无关，表2 2 所示为选择操 作算子。 表2 2 遗传算法选择算子 序号名称特点 备注 l轮盘赌选择选择误差较大g a 成员 2随机竞争选择比轮盘赌选择较好 3 最佳保留策略保证迭代终止结果为历代最高适应度个体 降低选择误差。操作简易，复制数小于 4