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毕业论文

毕业论文题目 电子水准仪在建筑变形监测中的应用研究
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学生姓名 性别
指导教师 职称

6月15日
摘要
建筑变形监测是按照一定的周期对变形体进行重复观测以确定其形状在空间位置随时间的变化量, 并利用观测结果总结出变形规律从而监测变形体的运动。如果变形超过了限差, 就会影响建筑物的正常使用, 严重的会使建筑物倾斜甚至倒塌。因此, 在建筑物施工过程和运营期间, 都需要对它们进行变形观测, 确保工程建筑物的稳定性, 为安全运行诊断提供必要的信息, 以便及时发现问题并采取措施。
本论文主要介绍了电子水准仪的结构、 测量原理; 电子水准仪的种类和特点, 当前发展的现状, 今后发展的趋势。电子水准仪的误差来源, 以及其常规的检验与校正方法。利用电子水准仪获得工程的沉降数据后, 经过数据处理绘制出沉降-荷载曲线图和沉降等值线图等; 依据电子水准仪的基本原理及其在建筑沉降监测中的应用进行研究和分析,从而得出对普及电子水准仪的应用和发展有益的结论。

关键词: 电子水准仪; 变形监测; 沉降观测

Abstract
Building deformation monitoring is repeated observing the deformation objects with a certain period to determine the shape of the spatial position with the change of time, and using the observed results to sum up the law of deformation and to monitor the movement of the deformation objects. If the deformation exceeds the limit, it will affect the normal use of the building, and will seriously make the building tilting or even collapse. Therefore, in the period of building construction and operation ,observing the building deformation to ensure building’s stability is very necessary .And then it can provide the necessary information for safe operation. It can also find problem and take measures to solve the problem timely. This paper introduces the structure , types , characteristics and measurement principle of the digital level instrument. This paper also probe into the development situation at present and the development trend in the future of the digital level instrument.
Importantly, this paper make a research of large number of engineering applications, especially in the settlement monitoring ,of the digital level instruments.Electronic leveling instrument error source, and its routine inspection and correction method. Use of electronic level to obtain engineering settlement data, through the data processing to map out the settlement - load curve and settlement isoline map. To research and analysis on the basis principle of electronic level and its application in building settlement monitoring, the useful conclusions in popularization and development of electronic leveling instrument application is obtained.

Key words:Electronic level; Deformation monitoring; Settlement observatio
目录
第一章 电子水准仪的基本原理 1
1.1引言 1
1.2电子水准仪的结构及测量原理 1
1.3 电子水准仪的种类和特点 1
1.3.1 电子水准仪的种类 1
1.3.2 电子水准仪的特点 7
1.4 电子水准仪的发展现状及发展趋势 8
第二章建筑变形观测 12
2.1建筑变形观测 12
2.1.1 建筑变形观测概述 12
2.1.2 建筑变形观测的分类 12
2.1.3 建筑变形观测的特点 13
2.1.4 建筑变形观测的基本方法 14
2.2 变形观测的重要意义 14
第三章电子水准仪的观测方法 16
3.1 DiNi 12电子水准仪的简介 16
3.2 电子水准仪的观测方法 17
第四章电子水准仪的检验与校正 19
4.1 电子水准仪的误差 19
4.2 电子水准仪的检验与校正 21
4.2.1电子水准仪常规检验与校正 21
4.2.2电子水准仪i角的检验与校正 22
第五章电子水准仪在变形观测中的应用实例 25
5.1 工程概况 25
5.2 沉降观测高程控制网方案设计 25
5.2.1 观测仪器及依据 25
5.2.2水准基点的布设 26
5.2.3工作基点的布设 26
5.2.4 沉降观测点的布设 26
5.2.5观测方法 27
5.2.6 观测成果 27
5.3数据处理与分析 28
5.3.1 观测点的观测成果 28
5.3.2 累积沉降值 30
5.3.3 沉降等值线图 31
5.3.4 沉降-荷载-时间曲线图 31
5.3.5各观测点随时间累积沉降速度曲线图 34
第六章总结与展望 36
6.1经济技术分析 36
6.2 结论 36
6.3 展望 36
参考文献 37
致谢 38
附录一中文译文
附录二 外文翻译原文

电子水准仪在建筑变形监测中的应用研究
第一章 电子水准仪的基本原理
1.1引言
随着城市建设的迅猛发展, 高大建筑物越来越普遍, 建筑物的安全也越来越受到社会各界的关注, 为保证建筑物的顺利施工和施工后的安全运营,就必须对建筑物进行系统的变形监测, 其中一项重要工作就是沉降观测。因此对建筑物进行精确的沉降观测就显得尤为重要, 因为它关系到整个工程的施工安全和使用安全。
随着测绘仪器制造技术的飞速发展,沉降观测手段也从传统的光学水准仪发展到现在的电子水准仪。电子水准仪以其时尚的外观设计、 操作方便、 高精度等诸多优点,得到了广大测绘工作者的青睐, 在各种工程的变形监测中得到了非常广泛的应用。
为了监测验证电子水准仪的精度, 本文以天宝DiNi-12电子水准仪为例, 经过实际的工程沉降监测数据来验证电子水准仪的精度完全符合沉降监测的精度。
1.2电子水准仪的结构及测量原理
电子数字水准仪是在精密自动安平水准仪的基础上发展起来的。电子水准仪是经过感光器分析标尺影像对一维数字影像处理的应用(一维数字影像处理原理: 影像-数字化-译码数据处理-结果), 利用二极管检测阵列来代替测量人员的眼睛, 相当于在水准仪里架设了具有稳定视线的一部CCD照相机。
水准条码标尺上的不用条码在经过望远镜成像到平面上的CCD光电传感器上, CCD光电传感器再将黑白相间的条码图像转换成模拟视频信号, 经过仪器内部的数字图像处理, 即可获得望远镜中丝条形码标尺上的读数。此数据一方面在屏幕上显示, 另一方面存储在仪器内部的存储器中, 供计算、 查核和保留之用。其工作原理如图1-1所示。
1.3 电子水准仪的种类和特点
1.3.1 电子水准仪的种类
当前流行的几种电子水准原理主要是相关法、 几何法、 相位法、 RAB原理及叶氏原理。从这几种原理的共同性的角度看, 都使用了光学水准仪的光路原理, 也都使用了条形码标尺,条码明暗相间, 经过改变明暗条码的宽度实现编码, 且条码不存在重复的码段。但它们的编码规则也有非常明显的个性区别,从这些区别是能够看出它们的解码原理的区别的。另外, 除上述编码环节存在共同性外, 解码环节也还是有共同性的。能够断定, 所有的电子水准原理的解码过程都存在粗测、 精测和精粗衔接这些步骤过程。且这些过程和普通的光学模拟水准仪依然有相似之处。如图1-2所示:
Y
N
条形编码标尺
CCD光电传感器
数字图像
锁定译码
图像处理
计算
结果
数据液晶显示
数据查核、 保留

图1-1 电子水准仪工作原理

图1-3相关法的直接黑白编码原理

( 1) 相关法
Leica仪器使用相关法, 其解码原理就是对图像信号与约定的编码进行相关解算, 寻找最大相关点的位置从而完成图象识别进而获得所截获的条码片段的原码(粗测值)和物象比(距离), 精测原理则由电子中丝和码元的相位关系实现。其解码突破口在于二维相关搜索运算。
由于是直接进行相关搜索运算, 因此标尺的编码直接以伪随机码进行黑白二进制编码。如图1-3所示, 码元0和1分别与条码的黑自相对应。
图1-2 常见的电子水准仪原理

相关法的优点是思想方法简单, 而缺点是由于粗测值和距离(物象比)两个未知量同时进行二维相关运算搜索, 而每个条纹中所包含的码元数目具有很大的随意性, 最少是1个码元, 而最多能够是16个码元, 而且码元宽度很窄(如2.025mm)远距离是无法直接分辨码元少的窄条纹的(”淹没”现象), 由于相关法是比较实在的由所有像素参与的对可能结果的”穷举式表决”, 那些”淹没”的条纹和条纹边沿细节以及被遮挡损坏的少量条纹并不足以影响到整个”投票结果”, 实现了可靠的解码。但由此带来的运算量非常巨大, 于是导致了测量速度慢和对微处理器的速度要求高以及能耗大等缺陷。
为解决测量速度慢的问题, 早期的徕卡仪器在望远镜的调焦旋钮上安装传感器以实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围, 也有仪器则采用面阵光电传感器经过测量标尺条码的横向长度来实现视距(物象比)的粗略测量以缩小相关算法的搜索范围。
相关法的精测原理依然利用电子中丝和所截获的码片段码元的相位(位置)关系实现。对于这一点, 当前还没发现有文献对其进行了分析和披露。当前文献所介绍的”粗相关””精相关”概念实质都是介绍的粗测原理—即条码片段或其码序的确立过程, 对其真正的精测原理即电子中丝和条码片段之间的位置关系的确立过程没有涉及。
( 2) 几何法
几何法的解码原理区别于相关法的地方是经过载码的引人减少了标尺上黑白条纹宽度的种类, 并使得图像信号中能够恢复出载码的周期波谱, 从而实现了准确的码元坐标定位继而实现快速的”码词”(和相关法中的条码片段概念类似)读取, 解决了相关法的测量速度慢的问题。其所谓的相似二角形空间变换几何关系如图1-4所示, 这利用相似二角形空间几何比例关系其实是所有电子水准原理所共同采用的(包括相关法、 相位法、 RAB原理以及叶氏原理也实质都使用了这种望远镜成像的光学比例关系), 所有电子水准原理的精测过程实质都是使用了这种几何关系。因此我们一直认为几何法的叫法是不妥的。
图1-4 文献对几何法原理的描述示意
先看几何法的相位调制编码原理。如图1-5所示。

图1-5几何法的相位调制编码原理
图中反映了载码遇0码元则反相, 遇1码元则同相的编码规则。能够看出这样的条码的宽度种类仅有二种宽度, 大的条纹宽度就是码元的宽度, 小的条纹宽度就是半个码元的宽度, 比相关法中的16种宽度大大减少, 条纹也粗得多, 100m距离不可能出现整条纹完全”淹没”(至少在理论上), 根据恢复出的周期波谱的波长和相位, 码元成像在CCD上的坐标分布定位就清清楚楚, 简单的一维相关就能够完成粗测, 物象比由周期值直接求解。但由此带来的问题是:信息密度稀疏了, 很难同时顾及远近距离的测量要求。因为近距离时望远镜成像很大, 在光电传感器上成像的码元个数大大减少, 少到一定限度就保证不了解码的唯一性。但若减少码元宽度顾及近距离又对远距离的图像分辨不利。为解决短视距的测量问题, 几何法采用双相位码编码—在单相位码的基础上加人约定的1mm明暗窄条码, 这种码只有在近距离时光电传感器才能够分辨并参与解码, 在远距离时其在光电传感器上无法分辨(淹没), 不参与解码。这是几何法原理的远近兼容测量原理。
当前文献所介绍的几何法原理其实只是着重强调了其精测原理和精粗衔接过程, 其望远镜成像几何比例关系就是说明电子中丝和码元之间的相位位置关系而对于其粗测原理—”码词”, 的获取这一电子水准仪的最实质的图象识别技术问题则没有涉及。
能够看出, 相关法和几何法的命名角度本身是不一致的, 前者是粗测特征, 后者是精测特征。这样的命名与分类当然是不严谨的。
实际上, 相关法也利用了望远镜成像几何位置(相位)关系实现精测, 几何法也能够使用相关算法(但不是二维相关)实现粗测(获得”码词”)。而其区别仅在于是否利用载码调制来实现解码运算量的减少。
( 3) 相位法
相位法原理的基本特征是利用标尺条码图像信号中的几个不同周期码的波谱的相位差来实现粗测, 算法是快速傅里叶变换, 其运算量也不小。精测原理利用R周期码的相位信息实现。
其测量原理和光电测距仪的组合频率测距法是类似的如图1-6所示。主要分如下6个步骤进行:
①分别测量出电子中丝在标尺成像中的A码、 B码和R码二种周期信号中的相位值如、 、 ;
②用、 求解出电子中丝在隐含频率Fc =-中的相位=-;
③根据隐含频率Fc的波长五:Lc= /(-)和相位求得第一高度粗测值;
④根据A码(或者B码)信号的波长(或者)和相位(或者)求得第二高度粗测值(或者);
⑤再根据R信号的周期和相位求得高度精测值;
⑥最后依次将,(或者)和逐次精粗衔接就能够获得精确的高度测量结果H了。
之因此要使用第二粗测值, 是因为第一粗测值的精度很容易超出精测R码的波长, 将第一粗测值和精测值直接衔接将容易出现整周期的R码粗差。

图1-6相位法的编码解码原理示意

( 4) RAB原理
RAB原理编码规则是载码码宽数字电子, 其解码的突破口是利用相邻码元中心等距离特征—即图像信号中包含有周期波谱, 从而经过周期波谱的测量实现了准确的码元坐标定位继而实现物象比解算、 快速粗测的相关运算等, 精测原理和其它方法依然类似。如图1-7所示:
RAB原理为解决远近视距兼容使用了6种宽度的编码, 且6种码分为两组, 每组2种宽度的码元, 同组中的2种码元的宽度差别不大, 这种不大的差别在近距离是容易区别的, 在远距离时由于截获了较大视场的条码片段, 同组中的2种宽度差别不大的码元按一种码处理。
RAB码的显著特点是相邻暗条纹(或者相邻明条纹)中心离等于定值。

图1-7 RAB原理的码宽调制编码原理
( 5) 叶氏原理
叶氏原理是武汉大学创造并实现的数字电子原理, 已经应用于博飞DAL系列和苏光EL系列电子水准仪中。其核心思维是以比例码为载码, 测量码调制寄生在比例码之中。解码时首先经过条码图像信号中的比例载码周期波谱的测量实现了准确的码元坐标定位继而实现物象比解算、 快速粗测、 精测。如图1-8所示

图1-8 叶氏原理的比例调制编码原理
本原理中条码区别于其它原理的显著特点是相邻明暗条纹的边界(或者明暗条纹的边界)之间的距离等于定值。
比较这5种原理能够看出, 除前边提到的粗测、 精测、 精粗衔接这些大致过程存在相同以外, 所有电子水准原理的精测原理其实也是基本相同的, 都要涉及电子中丝和所截获条码图像中的某种信息的相位(位置)关系, 都要涉及望远镜成像的三角形几何比例关系的应用。
而不同之处在于粗测的实现过程(图象识别)以及精测、 粗测都要涉及到的物象比的确立过程。
除相关法外, 相位法、 几何法、 RAB原理和叶氏原理都使用和利用了载码调制编码解码, 经过载码波谱的使用以实现快速图象识别, 也由于相位法的波谱相对复杂, 必须以傅里叶变换来解码, 而后3种原理则只需相对简单的算法就能够获得载码成像的周期波谱信息。而实践应用也证实了后二种原理的实际测量速度效果也的确比相位法和相关法明显快捷。
就三种使用载码调制的原理而言, 几何法必须增加细条纹码克服近距离时信息密度过低的缺陷, RAB原理和叶氏原理只需增加调制级数就能够轻易解决近距离时信息密度低的问题。
1.3.2 电子水准仪的特点
电子水准仪是以自动安平水准仪为基础, 在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD),并采用条码标尺和图象处理电子系统二构成的光机电测一体化的高科技产品。采用普通标尺时, 又可像一般自动安平水准仪一样使用。 它与传统仪器相比有以下共同特点:
( 1) 读数客观: 不存在误差、 误记问题, 没有人为读数误差。
( 2) 精度高: 视线高和视距读数都采用大量条码分划图像经处理后取平均得出来的, 因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能, 能够削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。
( 3) 速度快: 由于省去了报数、 听记、 现场计算的时间以及人为出错的重测数量, 测量时间与传统仪器相比能够节省1/3左右。
( 4) 效率高: 只需调焦和按键就能够自动读数, 减轻了劳动强度。视距还能自动记录, 检核, 处理并能输入电子计算机进行后处理, 可实线内外业一体化。
1.4 电子水准仪的发展现状及发展趋势
( 1) 数字水准仪和传统水准仪的异同:
①相同点: 数字水准仪具有与传统水准仪相同的光学、 机械和补偿器结构; 光学系统也是沿用光学水准仪的; 既能够用于数字水准测量, 也能够用于传统水准测量。
②不同点: 传统水准仪用人眼观测, 数字水准仪用光电传感器( CCD线针) 代替人眼; 数字水准仪与其相应条码水准标尺配用。仪器内装有图像识别器; 采用数字图像处理技术, 这些都是传统水准仪所没有的; 同一根编码标尺上的条码宽度不用, 各型数字水准仪的条码尺有自己的编码规律, 但均还有黑白两种条块, 这与传统水准标尺不同。另外, 对精密水准仪而言, 传统的利用测微器读数, 而数字水准仪没有测微器。
( 2) 当今世界上已有电子水准仪型号和技术指标:
自从徕卡公司在1990年推出第一台电子水准仪NA 以来, 电子水准仪己经发展到了第二代, 天宝、 拓普康、 索佳和尼康等都先后推出了自己的产品。当前市场上的电子水准仪分为不同精度的两个等级(与采用的标尺也有关系), 常见的高精度电子水准仪及其指标见表1-1所示。
表1-1常见高精度电子水准仪及主要技术指标

特性指标
徕卡DNAO3
天宝DINI12
拓扑康
DL101C
索佳SDL30M
尼康AP-7
高程测量精度(1公里往返测中误差)
电子读数
0.3mm/Km
光学读数
1.Omm/Km
电子读数
0.3mm/Km
光学读数
1.Omm/Km
电子读数
0.3mm/Km
光学读数
1.Omm/Km
电子读数
0.4mm/Km
光学读数
1.Omm/Km
电子读数
0.8mm/Km
测程范围
铟瓦尺1.8 - 60m
玻璃钢尺
1.8 - 110m
铟瓦尺
1.5 - 100m
折叠条码尺
1.5 - 100m
铟瓦尺
2 - 60m
玻璃钢尺
2 - 100m
铟瓦尺
6 - 100m
玻璃钢尺
6 - 100m
玻璃钢尺
0.75 - 100m
最小显示
0.0lmm
0.0lmm
0.0lmm
0.lmm
0.lmm
测量时间
3秒
3秒
4秒
3秒
4秒
放大倍率
24X
32X
32X
32X
28X
补偿范围
±10'
±10'
±10'
±10'
±10'
补偿精度
±0.3"
±0.2"
±0.5"
±0.5"
±0.5"

( 3) 不同电子水准仪的不同点:
由于各厂家的标尺编码规则不同, 电子读数的原理也不同, 导致不同厂家的产品在技术指标和性能上也有一些差别。下面对徕卡、 天宝和拓普康三个厂家的精密电子水准仪加以比较。
①测量原理与编码标尺规则不同:徕卡仪器采用相关法读数, 天宝采用几何法读数, 拓扑康采用相位法读数。
②技术指标的差别:各厂家的电子水准仪由于设计思路不同, 采用的原理不同, 导致在技术指标上存在一些差别, 如测量时间不同, 对标尺条码截取的范围不同, 计算方法不同等。
③性能的差别:由于不同厂家产品的电子读数原理不同, 从而反映在它们的性能上也存在差别。
a)折光差:由于空气中折射率的梯度的存在, 对视线高的影响。当视线靠近地面时, 由于受折光的影响, 标尺影像将产生形变, 导致光电传感器图形处理的困难, 从而对电子读数产生影响, 造成折光差。但由于三种仪器的读数原理不同, 受折光差的影响大小也不同, 天宝仪器受折光差的影响要小于其它两种仪器。这主要是因为天宝电子水准仪在读数时, 仅用到中丝上下各15cm的标尺截距, 并没有用的到全视场的条码, 因此当视线靠近地面时, 受折光差的影响小, 而其它两种仪器利用视场中的所有条码, 靠近地面的条码也参加读数, 而最后的判读结果是所有这些条码的平均值, 因此受折光差的影响大。
b)红外光线的影响不同
徕卡NA系列电子水准仪具有”谱灵敏度”, 即电子水准仪的探测器是利用光线的红外部分接收和检测条码影像的。因此, 在人工光线下进行测量时, 如果红外光成分较弱时, 会造成测量误差, 甚至无法读数。另外, 对标尺像的背景色也有一定的要求, 当标尺背景为红色(如红色墙等)或接近探测器的工作色谱时, 则电子读数将遇到困难, 作业时应加以注意。而天宝和拓普康的电子水准仪是利用可见光来接收和检测条码影像的, 因此不受此影响, 它们只要求标尺要有足够的照明。
c)调焦对测量结果的影响不同
天宝电子水准仪的标尺每2cm划分为一个测量间距, 其中的条码构成一个码词, 每个测量间距的边界由黑白过渡线构成, 其下边界到标尺底部的高度, 能够由该测量间距中的码词判读出来, 望远镜中丝照准的那个码词, 被判读出来后就可得到视线高读数。这种读数原理对条码分划边沿的成像质量要求高, 要求调焦要清晰, 否则对读数将产生较大影响。而徕卡和拓普康的电子水准仪是利用视场中的每个条码的中心线读数, 因此条码成像质量对读数没有多大影响, 可是条码成像模糊时, 仪器会经过延长图像处理时间来获得读数。可是也应该注意, 虽然一般调焦波动, 对测量结果只产生微不足道的影响, 但若是大量测量都是这样, 就会影响最后的测量精度。因此要获得最佳的测量精度, 每站的仪器调焦质量也很重要。
d)对标尺遮挡的容许幅度不同
在水准测量中, 标尺不同部位常遭树枝、 杂草等障碍物遮挡, 在山地或公路旁作业时更是如此。各厂家的电子水准仪在设计时也考虑到了这一点, 因此在仪器出厂时都给出了此项性能指标。由于电子水准仪的读数并不是采用编码标尺上的某一处条码刻划, 而是对视场中标尺截距编码的平均值, 因此允许标尺部分遮挡。只是不同厂家的仪器由于读数原理和采用的条码范围不同, 对标尺遮挡的容许幅度也不同。
天宝的电子水准仪是利用对称于视准轴上下各15cm的标尺编码来读数, 即使视场中有多余的标尺编码, 也不参与读数, 这部分标尺被遮挡不影响测量值, 若视距位于最小视距和几米之间时(视场角是一定的), 落在视场里的编码尺段只要有10cm就能观测。同时, 天宝的电子水准仪具有标尺非对称截距测量功能。可是, 这类仪器的中丝附近条码不允许遮挡。
对于徕卡和拓普康的仪器, 是利用视场中的所有条码来进行读数。当视距大于5m时, 徕卡电子水准仪对遮挡的容许幅度一般为20%-30%, 当视距小于5m时, 标尺稍有遮挡可能就无法读数, 而对中丝是否遮挡没有特殊要求。
( 4) 电子水准仪有广阔的应用前景,主要有:
①高精度水准测量: NA3003被美国联邦大地控制协会指定用作一等水准测量, 其它如DL-101、 DiNi-10均可用于一、 二等水准测量, 可提高作业效率30%-50%。
②变形观测: 建筑物沉降观测( 将马达驱动器附在电子水准仪上, 为建筑物的沉降、 隆起和垂直位移的自动监测开辟了新的途径) ; 大坝垂直变形观测。
③工业测量: 机器、 地基轴倾、 转台精密测量。
④连续精密测量: 与计算机相联, 实时、 自动连续测量。
⑤地形测量: 图根导线点、 碎步点测量。
⑥线路测量: 公路、 铁路、 河道、 隧道等纵、 横断面测量。
⑦建筑施工: 放样、 抄平。
( 5) 电子水准仪今后的发展方向:
电子水准仪是一种功能很强的测量系统, 操作简单, 测量速度比光学水准仪提高50%-60%, 易于实现内外业一体化, 因此肯定是几何水准测量继续发展的方向。今后电子水准仪将从以下几个方面进行完善: 改进补偿器的结构与安平精度; 数字水准仪之因此能成功, 主要是依赖于CCD技术和数字图像处理技术, 因为今后电子水准仪将随着CCD技术和数字图像技术的发展而发展; 改进测量程序与数据存储软件; 增强仪器适应环境的能力; 使机内系统逻辑增加对其它一些干扰, 如亮度变化、 补偿器应力释放、 传感器时性改变等的改正。

第二章 建筑变形观测
2.1建筑变形观测
2.1.1 建筑变形观测概述
建筑物在工程建设和使用过程中, 由于基础的地质结构不均匀, 土壤的物理性质不同, 土基的塑性变形, 地下水位的变化, 大气温度的变化, 建筑物本身的荷重( 如风力, 震动等) 的作用, 会导致工程建筑物随时间的推移发生沉降, 位移, 扰曲, 倾斜及裂缝等现象, 这些现象统称为变形。
工程建筑物的变形, 按其类型能够分为: 静态变形和动态变形。静态变形一般是指变形观测的结果只表示在某一时期内的变形值, 也就是说, 它只是时间的函数; 动态变形是指在外力影响下而产生的变形, 故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一时刻的瞬时变形。变形按时间长短可分为: 长周期变形( 建筑物自重引起的沉降和变形) , 短周期变形( 温度变化引起的变形) 。按研究的范围能够分为: 全局性变形, 区域性变形, 局域性变形。按成因能够分为: 人工干预变形, 自然原因变形, 综合原因变形。
所谓变形观测, 是用测量仪器或者专用仪器测定建筑物及地基建筑物在荷载和外力作用下随时间变形的工作。经过变形观测, 能够检查、 各种工程建筑物和地质构造的稳定性, 及时发现问题, 确保质量和使用安全; 更好的了解变形的机理, 验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说, 建立正确的预报变形的理论和方法。
2.1.2 建筑变形观测的分类
变形观测属于安全监测。变形观测有内部观测和外部观测两方面。内部观测内容由建筑物的内部应力, 温度变化的测量, 动力特征及其速度的测定等, 一般不由测量工作者完成。内部观测与外部观测之间有着密切的联系, 应同时进行, 以便互相验证和补充。外部观测的内容主要有沉降观测、 位移观测、 倾斜观测、 裂缝观测和扰度观测等。
( 1) 沉降观测
它是指建筑物及其基础在垂直方向上的变形(也称垂直位移)。沉降观测就是测定建筑物上所设观测点(沉降点)与基准点(水准点)之间随时间的变化的高差变化量。一般采用精密水准测量或液体静力水准测量的方法进行。
( 2) 水平位移观测
它是指建筑物在水平面内的变形,其表现形式为在不同时期平面坐标或距离的变化。建筑物水平位移观测是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量。 测定水平位移的方法很多,有常规的地面控制测量方法, 如导线, 前方交会法等; 也有各专用方法, 如基准线法, 正、 倒垂线法等。
( 3) 倾斜位移观测
它是指建筑物因为地基的不均匀沉降或其它原因造成的。建筑物倾斜位移分为两类: 一类表现为以不均匀的水平位移为主; 另一类则表现为以不均匀的沉降为主。倾斜观测是用经纬仪, 水准仪或其它专用仪器测量建筑物的倾斜随时间变化的工作。对于上述两种倾斜一般采用不同的观测方法, 前者可采用先测出水平位移然后计算倾斜的方法, 即所谓的”直接法”; 后者可经过测量建筑物基础相对沉降的方法进行测定, 即先测出沉降后计算倾斜的方法, 也就是所谓的”间接法”。
( 4) 裂缝观测
它是指建筑物基础的不均匀沉降, 温度的变化和外界各种荷载的作用, 使得建筑物内部的应力大大超过了允许的限度, 使得建筑物的结构产生裂缝。测定建筑物裂缝发展情况的观测工作即为裂缝观测。
( 5) 扰度观测
在建筑物垂直面上, 各个不同高程点相对于底点不同的水平位移, 称为扰度。所进行的观测称为扰度观测。
2.1.3 建筑变形观测的特点
与一般的测量工作相比, 变形观测具有以下几个特点:
( 1) 观测的精度要求高
由于变形观测的结果直接关系到建筑物的安全, 影响对变形原因的分析和变形规律的正确分析, 和其它测量工作相比较, 变形观测必须具有很高的精度。典型的变形观测精度要求是1mm或者相对精度1×10-6。因此, 根据变形观测的目的不同, 确定合理的观测精度和观测方法, 优化观测方案, 选择测量仪器是实施变形观测的前提。
( 2) 需要重复观测
建筑物由于各种原因产生的变形都有时间效应, 计算其变形最简单, 最基本的方法是计算建筑物上同一点在不同时间的坐标差和高程差。这就要求变形观测必须依一定的时间周期重复观测, 时间跨度较大。重复观测的周期取决于变形观测的目的, 预计的变形量的大小和速度。
( 3) 要求采用严密的数据处理方法
建筑物的变形一般都比较小, 有时甚至与观测精度处在同一个数量级; 同时, 大量重复观测使原始数据增多。要求从不同时期的大量数据中, 精确确定变形信息, 必须采用严密的数据处理方法。
2.1.4 建筑变形观测的基本方法
第一类:常规大地测量方法,包括几何水准测量,三角高程测量,三角(边)测量,导线测量,交会法等。这类方法的测量精度高,应用灵活,适用于不同变形体和不同的工作环境,但野外工作量大,不易实现自动和连续监测。
第二类:摄影测量方法:包括近景摄影测量.它能够同时测量许多点子,作大面积的复测,特别适用于动态式的变形观测,外业简单且精度较底。
第三类:专门测量方法,或称物理仪器法,包括各种准直测量(激光准直系统具有代表性),倾斜仪观测,流体静力水准测量系统及应变计测量。用专门测量手段的最大特点是容易实现连续自动监测及遥测,且相对精度高,但测量范围不大,提供的是局部变形的信息。
第四类:空间测量技术:包括甚长基线干涉测量(VLBI),卫星激光测距,全球定位系统(GPS)等。空间测量技术先进,能够提供大范围的变形信息,是研究地壳变形及地表下沉等全球性变形的主要手段。
工程建筑物变形观测的基本方法,要根据建筑物的变形性质,使用情况,观测精度,周围的环境以及对观测的要求来选定。在实际变形观测方案时应综合考虑各种测量方法的应用,互相取长补短。
2.2 变形观测的重要意义
大型水工建筑物、 工业与交通建筑物、 高大建筑物群体和许多精密机械的安装、 导轨以及尖端科学技术试验设备由于自然条件的影响与变化, 例如, 建筑物地基的工程地质、 水文地质、 土壤的物理性质、 大气温度的影响与变化, 会引起建筑物的变形。另一种是建筑物本身的荷重。及建筑物的结构、 型式、 风力、 地震等动荷载的作用, 虽然在设计、 施工及运营中采取了措施, 但不可能尽善尽美, 因此, 还会引起建筑物的变形。如果这些变形在一定限度之内, 认为是正常的现象; 如果超过了限差, 就会影响建筑物的正常使用, 严重的会使建筑物倾斜甚至倒塌。因此, 在建筑物施工过程和运营期间, 都需要对它们进行变形观测, 确保工程建筑物的稳定性, 为安全运行诊断提供必要的信息, 以便及时发现问题并采取措施。在科学上, 变形观测能够帮助我们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。

第三章 电子水准仪的观测方法
3.1 DiNi 12电子水准仪的简介
( 1) DiNi 12电子水准仪的基本图示:
由于我们学校以及本论文中测量数据所采用的电子水准仪均为天宝DINI-12型电子水准仪, 故重点介绍DINI12电子水准仪的结构及使用方法, 其基本图示如图3-1所示:
图 3-1 DiNi 12型电子水准仪图示

( 2) DiNi 12电子水准仪进行沉降观测的使用方法:
①仪器参数设置: 使用仪器前需对仪器参数进行设置, 主要是如下几项, 以下各值为按一级水准测量等级设定:
a)Height Unit:测量的高程的单位和记录到内存的单位,m;
b) Display resolution: 最小显示单位,0.00001m;
c) Max dist:输入最大测量距离, 当测量的距离超过此距离时会警告用户,30m;
d) Minsight:输入最小视线高度0.30m;
e) Max dif:输入在线路测量中的一测站最大偏差,0.00030m。
②建立新工程项目: 按屏幕右侧EDIT 键, 然后按PRJ, 选择NEWPROJECT, 输入项目名称。
③开始线路测量: 按下在线路测量Line屏幕下的箭头所指的按键, 按下新建路线NewLine, 输入路线号, 选择测量模式(BFFB) ,输入后视点高程、 点号、 代码,然后就能够开始测量。
④中断和结束测量: 当前视观测结束后, 就能够换站了, 能够把水准仪关闭后再换站, 当打开仪器后能够直接就进入刚才所在的地方, 而且能够继续进行水准路线测量。当观测结束而且已经观测了最后的闭合点,能够按下测段结束键Lend结束测量, 同时输入结束点高程、 点号、 代码, 此时仪器将显示出起始点和终点的高程之差,前后视距和等信息。
(3)沉降观测数据的下载与处理:
DiNi 12电子水准仪有两种数据下载方式, 从PCMCIA卡中下载数据和从RS232串口下载数据。