現(xiàn)代化變形監(jiān)測技術(shù)的研究

劉 振

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

變形是普遍存在于生活中的一種現(xiàn)象，指的是物體在各種力的作用下，其形狀、體積、位置隨著時(shí)間的變化發(fā)生的改變。物體發(fā)生變形程度如果在一定范圍內(nèi)是不會(huì)產(chǎn)生不良后果的，但如果物體的形變超出了允許值，那就可能會(huì)引發(fā)滑坡、潰壩、橋梁或者建筑物倒塌等危害。

1 變形監(jiān)測簡述

變形監(jiān)測簡單的說就是利用相關(guān)技術(shù)手段對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行不斷的測量，然后獲取該物體的形態(tài)及空間位置隨著時(shí)間變化發(fā)生的數(shù)據(jù)特征[1]。所以變形監(jiān)測又可以叫做變形測量，是被歸納為工程測量學(xué)范疇，隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，高層及超高層建筑密度也越來越大，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變形監(jiān)測作業(yè)的實(shí)踐機(jī)會(huì)也更多，從建筑物施工開始到建筑物完工交付使用，一直都處在技術(shù)監(jiān)測中，這樣可以及時(shí)有效的獲取建筑物的變化情況，如果建筑的形變超過正常數(shù)值范圍就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，保障建筑物的建設(shè)安全以及后期使用中的人民財(cái)產(chǎn)安全。除此之外，變形監(jiān)測還可以幫助對(duì)地表形態(tài)變化進(jìn)行分析，對(duì)地面建筑物的建設(shè)提供科學(xué)合理的建議，提高人們的生活質(zhì)量；在建設(shè)方面如在工業(yè)建設(shè)、交通運(yùn)輸、礦藏開采等開展過程中發(fā)揮安全保障作用；在對(duì)地質(zhì)方面的監(jiān)測可以對(duì)地震、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害作出預(yù)見性的作用。本文從變形監(jiān)測技術(shù)在建筑物中的特點(diǎn)及應(yīng)用為切入點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

2 變形監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀

變形監(jiān)測是工程測量作業(yè)中的一個(gè)常規(guī)職能，主要是利用測量技術(shù)觀察物體在各種力的作用下其形狀、大小等基本特征發(fā)生的變化。為了保證建筑物的建設(shè)安全與使用安全，并為后面的施工提供可靠的數(shù)據(jù)支持，變形監(jiān)測的重要性越來越明顯。

3 變形監(jiān)測的內(nèi)容及特點(diǎn)

3.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容

變形監(jiān)測主要分為幾何量監(jiān)測與物理量監(jiān)測兩種，其中幾何量監(jiān)測的內(nèi)容是觀測對(duì)象的水平位移、垂直位移、傾斜、彎曲、扭轉(zhuǎn)、震動(dòng)、裂縫等。水平位移指的就是在水平面上發(fā)生坐標(biāo)的變化，垂直位移就是監(jiān)測對(duì)象在高程測量中發(fā)生變化。物理量的變形監(jiān)測主要內(nèi)容是應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、氣壓、水位、滲流、滲壓等測量。

3.2 變形監(jiān)測的特點(diǎn)

1)觀測周期短。對(duì)形變對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測要經(jīng)過多次重復(fù)測量，每次監(jiān)測的實(shí)施方案要保持一致，這是變形監(jiān)測最明顯的特點(diǎn)。2)觀測數(shù)據(jù)精密度要求高。根據(jù)變形監(jiān)測等級(jí)，在變形觀測中的誤差值要保持在允許值的10%以內(nèi)。3)多種測量技術(shù)綜合使用?，F(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使得測量技術(shù)選擇更多，但每種技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)與不足，這就要求在變形測量過程中，要根據(jù)建筑物的特點(diǎn)以及監(jiān)測作業(yè)要求選擇一種或多種合適的測量技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，以保證變形監(jiān)測的觀測精度和可靠性。4)數(shù)據(jù)處理要要求嚴(yán)密。在變形監(jiān)測過程中要求對(duì)觀測的數(shù)據(jù)要綜合利用多種學(xué)科知識(shí)進(jìn)行嚴(yán)密的處理分析，才能對(duì)建筑物的變形進(jìn)行科學(xué)的解釋。

4 變形監(jiān)測的主要技術(shù)

4.1 大地測量法

在現(xiàn)代橋梁工程建設(shè)中，大地測量法是橋梁變形監(jiān)測最常用的測量技術(shù)，該技術(shù)的主要特點(diǎn)就是適用范圍廣。在實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用過程中，主要就是通過在橋梁上設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，然后通過測量基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離與角度，換算出基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，對(duì)橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測就是測量監(jiān)測點(diǎn)在水平與垂直方向上的位移數(shù)據(jù)，最后對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理(如圖1所示)，來確定橋梁變形情況是否在正常范圍內(nèi)[2]。如果發(fā)現(xiàn)變形超出了規(guī)定的要求范圍，就需要相關(guān)部門針對(duì)變形的具體情況及時(shí)采取措施處理。從大地測量法在實(shí)際作業(yè)中的應(yīng)用可以看出，該項(xiàng)技術(shù)使用適應(yīng)性強(qiáng)、成本較低，數(shù)據(jù)采集需要用到的測量儀器操作也相對(duì)簡單。

雖然大地測量法的優(yōu)點(diǎn)比較突出，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于基準(zhǔn)點(diǎn)是人為設(shè)置的，其數(shù)據(jù)測量特別容易受到人為因素的干擾，在監(jiān)測作業(yè)中具有一定的局限性，該技術(shù)在項(xiàng)目整體變形監(jiān)測中應(yīng)用的可靠性相對(duì)于局部變形監(jiān)測更有優(yōu)勢(shì)。

4.2 測量機(jī)器人監(jiān)測技術(shù)

改革開放以來在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，我國的科學(xué)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，應(yīng)用于建筑物的變形監(jiān)測技術(shù)智能化程度也越來越高，機(jī)器人監(jiān)測技術(shù)就是科技智能化發(fā)展的成功之一。機(jī)器人變形監(jiān)測技術(shù)是一種地面監(jiān)測技術(shù)，是通過智能化機(jī)器人與專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化變形監(jiān)測。該技術(shù)自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無人作業(yè)，省時(shí)省力，在未來的建筑物監(jiān)測中扮演的角色會(huì)越來越重要。

4.3 三維激光掃描技術(shù)

作為另外一種地面的變形監(jiān)測技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)是通過發(fā)射紅外線的發(fā)射與接收對(duì)整個(gè)建筑物進(jìn)行三維立體掃描，獲取建筑物的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，然后與前期監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測任務(wù)。

4.4 GPS變形監(jiān)測技術(shù)

GPS變形監(jiān)測技術(shù)是技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，用具有全天候、連續(xù)性、定位精度高等特點(diǎn)，隨著該技術(shù)的成熟發(fā)展，在很多變形監(jiān)測任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。該技術(shù)在應(yīng)用中會(huì)根據(jù)檢測對(duì)象的特點(diǎn)，使用具體的檢測方法(GPS檢測技術(shù)有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)與快速靜態(tài)測量3種)，GPS的變形監(jiān)測從技術(shù)本身的原理出發(fā)，通過對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的靜態(tài)定位采集變形點(diǎn)的數(shù)據(jù)。與其他變形監(jiān)測技術(shù)相比，GPS監(jiān)測技術(shù)更精準(zhǔn)，操作靈敏，可以進(jìn)行高級(jí)別的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且監(jiān)測作業(yè)可以在室內(nèi)直接進(jìn)行，避免了外部因素的干擾。

4.5 D-InSAR技術(shù)

D-InSAR技術(shù)是一種新型的合成雷達(dá)孔徑差分干擾測量技術(shù)，能夠做到大范圍、全天候?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程采集地表變形信息，級(jí)別能夠達(dá)到毫米級(jí)，特別是對(duì)非線性的變形，可以利用永久散發(fā)體及小基線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，可以避免大氣的影響。同時(shí)，D-InSAR技術(shù)可以使用高分辨率SAR衛(wèi)星，對(duì)地面沉降進(jìn)行有效觀測。

4.6 數(shù)字?jǐn)z影測量變形監(jiān)測技術(shù)

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，與攝影測量技術(shù)結(jié)合開創(chuàng)了數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代，利用數(shù)字影像處理與匹配技術(shù)，計(jì)算出監(jiān)測對(duì)象的坐標(biāo)，整個(gè)測量處理都由計(jì)算機(jī)完成[3]。變形監(jiān)測通過攝影測量的方法實(shí)現(xiàn)，能夠完美的實(shí)現(xiàn)觀測的同時(shí)性、觀測點(diǎn)的連續(xù)性及動(dòng)態(tài)監(jiān)測等要求，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離變形體進(jìn)行監(jiān)測。

5 變形監(jiān)測的誤差分析

5.1 誤差對(duì)平差改正數(shù)的影響

誤差是影響變形監(jiān)測結(jié)果的最大因素，而且有時(shí)候誤差可將變形監(jiān)測引向錯(cuò)誤方向，使得對(duì)建筑的變形分析出現(xiàn)問題，因此，在變形監(jiān)測中，必須要對(duì)誤差進(jìn)行有效控制，保證處理分析的數(shù)據(jù)的可靠性，降低對(duì)平差結(jié)果的干擾。我們可以根據(jù)Baarda提出的公式對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算：

QIT1=P-1-AQXXAT。

V=-QITPL=-RL。

5.2 變形監(jiān)測的粗差檢驗(yàn)

當(dāng)無法做周密計(jì)算的情況下，可以以上面提到的公式為基礎(chǔ)對(duì)變形監(jiān)測進(jìn)行粗差檢驗(yàn)，將觀測數(shù)據(jù)代入粗差檢驗(yàn)函數(shù)，就可以得到大概的誤差值。

6 變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理與分析

6.1 利用建模的方法來分析變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

對(duì)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方法有很多，比如頻譜分析法、濾波分析法，但最常用的還是建模分析法，例如灰色理論與模糊數(shù)學(xué)原理結(jié)合，畫出回歸曲線，然后對(duì)曲線中顯示出來的數(shù)據(jù)與誤差進(jìn)行分析[4]。

6.2 變形物理解釋

對(duì)監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行周期性監(jiān)測是一種物理分析方法，主要是為了監(jiān)測形變對(duì)象的形變程度變化，防止形變超過允許值的范圍，在實(shí)際監(jiān)測分析中以數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法、函數(shù)分析法進(jìn)行混合模型的建設(shè)，采用這種方式不需要變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)，具有“先驗(yàn)”性質(zhì)。

7 結(jié)語

通過上文的敘述與分析可以知道，變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展迅速，在我國建筑行業(yè)已經(jīng)有了比較廣泛的應(yīng)用，在人們的生產(chǎn)生活中都發(fā)揮著非常重要的作用，不僅為建筑行業(yè)的安全施工及人民的財(cái)產(chǎn)安全保駕護(hù)航，還有力的保障了我國的文化遺產(chǎn)，促進(jìn)社會(huì)精神文明建設(shè)發(fā)展。雖然現(xiàn)代化的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)基本可以滿足需要，但是也要不斷深化變形監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，促進(jìn)變形監(jiān)測技術(shù)朝著精密程度高、智能化程度高的發(fā)展，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康穩(wěn)定發(fā)展。