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1、 本 科 毕 业 设 计（论文） 题目 桥梁变形监测及数据处理理论与方法 院（系部）测绘与国土信息工程学院专业名称 测绘工程 年级班级 *级*班学生姓名 * *指导教师 * * * 年 月 日摘 要随着经济的进步和科技的发展，测量仪器的不断改进，测绘技术的不断演化，变形监测的方法也发生了很大的改变。当前大型桥梁的建设越来越多，规模越来越大，旧的桥梁仍在使用，但是越来越老化，新的桥梁又在建设，这也使得大型桥梁的变形监测工作更为繁重，意义也更为重要。而以往传统的大桥变形监测工作采用的仪器与监测方案，已经跟不上当前形势的发展需要。本文认真研究了当前最新仪器的长处及不足，针对桥梁变形监测的特点，提出新
2、的变形监测方法。由于当前变形监测的变形预测还基本空白，本文还对桥梁的变形预测方法进行了研究。总的说来，包括以下几个部分：(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内外研究现状和进展。(2)桥梁沉降的变形数据预测说明了当前桥梁变形监测的变形预测缺失的情况，对当前流行的预测方法进行了分别的介绍，并且对它们进行了分析与比较，提出采用灰色模型来对当前的沉降变形进行预测。灰色模型特别适用于数
3、据序列不长的变形数据预测。通过桥梁的主塔实测数据，检验了模型的有效性和适用性。证明了用灰色模型来进行桥梁变形预测是确实可行的。关键词：变形测量，数据预测，数据处理，灰色模型ABSTRACTWith the economic progress and technological development，the continuous improvement of measuring instruments，surveying methods of deformation monitoring has had change muchNowadays，more and more large bridg
4、es are building，the scale of the bridges are larger and largerIn the same time，the built bridges are still in use，but everaging All of which make large-scale bridge deformation monitoring more importantThe traditional method of the bridge deformation monitoring and the equipment used in the monitori
5、ng program has been behind the development needs of the current situationThe author learned the advantage and disadvantage of the latest equipmentIn view of the characteristics of the bridge deformation monitoring，the introduction of new methods of deformation monitoring was showed in the paper， a r
6、ealtime monitoring system was developedBecause the current deformation monitoring deformation prediction is almost blank，the paper also study on bridge deformation predictionOverall，the paper includes the following sections：(1)Research on basic theory of deformation measurementBackground and signifi
7、cance of the research is expatiated in this chapter Definition of deformation measurement and its research content and scope is analyzed，focusing on links and differences between deformation monitoring and detectionThe research progresses in deformation measurement ale introduced， mainly are several
8、 new measurement techniques which are developing rapidly and may enjoy a wide range of applicationResearch progress in deformation measurement data processing is summarized（2）The prediction of bridge deformationThe paper introduces the situation of prediction for the deformation monitoring Then the
9、common methods of prediction were introducedAfter analysis of those methods，the gray model was selected to predict for the prediction of bridge deformationThe gray model was suit for the data sequence which was not too long Through the data of the main tower， the gray model was tasted to be efficien
10、cy and applicabilityKeywords：deformation measurement，data forecasting，data processing ，gray model 目 录1引 言11.1 概述11.2 国内外研究现状21.3 结构框架42桥梁变形监测基本理论52.1 桥梁类型及受力特点52.1.1 桥梁的基本结构52.1.2 桥梁分类及受力特点52.2 桥梁变形特点72.3 桥梁变形监测内容82.3.1 监测内容82.3.2 方法、仪器和监测精度的确定82.3.3 监测点布置的确定92.3.4 变形监测频率的确定92.3.5 变形监测网的确定102.4 桥梁变形
11、监测方法112.4.1 摄影测量技术112.4.2 GPS技术122.4.3 自动全站仪法132.4.4 三维激光扫描仪142.5 技术应用现状综述153桥梁变形观测数据处理183.1 变形观测网平差基本方法183.2 基准点稳定性分析213.3变形分析与预报233.3.1 多元线性回归分析233.3.2 趋势分析法243.3.3 时间序列分析253.3.4 模糊线性回归263.3.5 自适应滤波法273.3.6 灰色系统理论283.3.7 突变理论293.4 数据处理方法分析和比较304工程实例324.1 工程概况及监测内容324.2 变形系统的布置334.2.1 桥墩沉陷与桥面线形观测点的
12、布置334.2.2 塔柱摆动观测点布置344.2.3 水平位移观测点布置344.2.4 垂直位移观测基准网布置354.3 变形监测方法与成果精度354.3.1 GPS定位系统测量平面基准网354.3.2 精密水准测量建立高程基准网和沉陷观测364.3.3 全站仪坐标法观测横向水平位移374.3.4 智能全站仪（测量机器人）测定高塔柱的摆动384.4 成果整理分析404.5 感受405结论与展望42致谢44参考文献451 引 言1.1 概述桥梁是国民经济的基础结构，作为交通网络的重要联接，在经济建设中发挥着不可忽视的作用。由于正常的以及非正常的荷载导致了许多桥梁出现了不同程度的损坏，因此桥梁的健
13、康监测已经成为了桥梁运营及管理阶段的主要任务。随着国民经济的发展，为了满足日益增加的交通需求，需要建设越来越多的柔性大型桥梁(如斜拉桥，悬索桥)。因而桥梁的安全将会成为桥梁界面临的非常重要的问题。随着科学技术与工业化大生产的发展，桥梁理论、建筑材料、施工技术的高度发展以及交通运输的急速膨胀，许多大跨度桥梁应运而生。另外，随着理论的完善和技术的进步，工程师们力图使桥跨结构的预定功能以最经济的方法实现，即桥跨结构施工期和运营期富裕的抗力安全储备将在尽可能的范围削减。所以，成桥监测无疑是桥梁新型结构和计算理论发展中不可缺少的工作。近年来，世界各国桥梁事故频繁发生，每一次事故都造成重大的人员伤亡和财产
14、损失例如，1967年12月横跨美国俄亥俄河上的银桥突然倒塌，造成46人死亡；1994年10月韩国圣水大桥中央断塌，造成32人死亡，17人重伤；2000年8月27日，连接台湾省高雄与屏东的重要交通要道上的高屏大桥突然拦腰断裂，交通中断，22人受伤；2001年11月7日，被誉为“亚洲第一拱桥”的宜宾小南门大桥突然发生断裂，市区南北交通中断，已停止11年的轮渡重新启用这些损伤一方面由于桥梁建成通车后，受到雨水冲刷、空气氧化，以及在长期的静载和动载作用下其主要受力构件逐步老化，强度和刚度随时间减低所致；另一方面则是由于人为的原因，如货车的严重超载和各种车船的撞击事故。因此，在桥梁的竣工和运营阶段，通过
15、实时监测桥梁结构的实际状态和环境状况，对结构性能进行实时的监测和诊断，及时地发现结构的损伤，获得桥梁结构实际状态与理想状态之间的差异(误差)，运用现代控制理论，对误差进行识别、调整、预计，对可能出现的灾害进行预测，评估桥梁安全性已经成为未来工程建设的必然要求。因此桥梁变形监测的数据可以被用来检测桥梁潜在的损伤以及帮助今后桥梁的设计。采集大量的、实时的以及精确的桥梁运营状态数据(如桥梁几何形状的变形，桥梁在变化的载荷下实时的或者接近实时的动态响应等)对于桥梁相关机构来说是相当有意义的。1.2 国内外研究现状桥梁在设计时需要考虑对外力具有一定的抵制能力，如风力、交通、温度、潮汐以及一些不可预知的载
16、荷，如地震、洪水及台风。这些外力因素是桥梁在设计阶段和运营阶段需要考虑的主要因素。不像桥梁基础沉降很容易利用常规测量仪器测量，桥梁的动态变形特性或者说是挠度变形用一般的仪器难以达到很好的测量效果，这是桥梁监测的主要监测内容。典型的大型柔性桥梁的动态形变有由于风力引起的横向振动，以及由于交通或者环境温度变化引起的竖直方向运动等。近年来许多大型桥梁由于使用过度而导致了损坏。很明显，桥梁的运营时问和近几十年来日益增加的交通量是主要的原因。在美国大约有600，000座的公路梁在1940年以前建成的(NCH1冲1987)，其中大多数的桥梁的最大设计通车量、车辆大小、通车速度等没有现在实际运营的大，据美国
17、联邦公路总署(FHWA)统计其中有将近一半的桥梁为结构性损伤或功能性荒废。据NCHRP估计，维修或者重建这部分损坏的桥梁的费用要超过500亿美元以上(1987)，然而实际上每年只有20到30亿美元的费用可以获得，这显然不能完全满足维修或者重建所有损坏桥梁，所以这一笔有限的资金必需用在位于整个交通运输网络中至关重要的桥梁上。同样的情况也发生在其他国家的交通运输部分。比如在英国的苏格兰，维修和重建资金被用在关键的损坏设施上，而像伦敦千年桥(LondonMillenniumBridge)由于不正常的横向摆动已经在2000年6月12日关闭了。自从1988年以来，用于英国主干路网上的桥梁的维护费用超过了
18、8亿英镑。另外，由于桥梁技术的进步、建设材料的革新以及飞速增加的交通量，促使了很多新型桥梁的诞生，这些新型桥梁运营状态需要详细的监测数据来显示，这就需要对这些桥梁运用合适的监测技术。下面表格给出了目前世界上最长的10座悬索桥和斜拉桥和各自的所属国家与开放的年份。表1-1 世界上最长的10座悬索桥序号桥名主跨（米）所在国家建成年限1多多罗大桥890日本19992诺曼底大桥856法国19953南京长江二桥628中国20014武汉白沙长江大桥618中国20005福州市青州闽江大桥605中国20006上海杨浦大桥602中国19937上海徐州大桥590中国19978明港中央大桥590日本19989Roi
19、n-Antirion3*560希腊200410森卡鲁特桥530挪威1991表1-2世界上最长的10座斜拉桥序号桥名主跨（米）所在国家建成年限1明石海峡大桥1991日本19982大带桥1624丹麦19983润扬长江大桥1490中国20054亨柏桥1410英国19815江阴长江大桥1385中国19996香港青马大桥1377中国19977费雷则诺大桥1298.5美国19648金门大桥1280美国19379海依靠斯特桥1210瑞典199810梅克金海峡大桥1158美国1957目前世界上在运营的最长悬索桥在日本，另外在日本和其他国家已经有计划建造主跨更长的桥梁。日本官方宣布他们要建造主跨为2，400米悬
20、索桥，这毫无疑问是悬索桥史上的对于设计、建设以及运营的一个大挑战。同样的，这对于桥梁监测机构而言也是一个挑战，因为这需要提供新的监测系统和方法来保证桥梁的安全运营。总的来说，影响桥梁的外部环境是非常恶劣的，它们使得维护桥梁的安全也成为了非常复杂的工作.影响桥梁的环境因素包括：(1)高速的潮汐以及风力(2)行驶船只的撞击(3)空气的湿度和含盐度引起的桥梁腐蚀(4)靠近地震区边缘(5)高密度的交通载荷(6)随着时间推移引起的材料疲劳和结构损坏由于高密度的交通量，桥梁设计、建设及维护的高投资和它们在运输网络中所处的重要地位，任何结构上的损坏和坍塌不但会造成生命财产的损失，甚至会影响到整个国民经济的发
21、展。因此，桥梁的健康监测是非常重要的，对于整个国民经济的发展也具有战略意义。1.3 结构框架第一章介绍了桥梁变形监测的目的与意义，本文的研究概况以及应用中外的桥梁变形监测现状。第二章介绍了桥梁变形监测的基本理论，论述了桥梁受力及变形特点、变形监测内容、方法等。重点阐述了现代桥梁变形测量技术。第三章介绍了变形监测数据处理的理论方法与技术，并对常用的方法进行了详细的论述，最后将各种方法进行了对比分析，得出各种方法适用的客观条件。第四章以武汉长江二桥为例，介绍了在桥梁变形监测过程中，多种监测方法的综合运用，尤其是现代变形监测技术的运用GPS和测量机器人等，打破了传统的监测技术，具有时代意义。第五章对
22、本论文进行了总结，以及未来桥梁变形监测技术的展望。2 桥梁变形监测基本理论目前，我国已修建多座跨河、跨海特大型桥梁以及公路桥，在长期的运营过程中，由于受到不同荷载的作用以及材料的老化、管理使用不到等因素的影响，可能会出现结构的破坏，从而带来灾难性后果。因此，为了桥梁在设计年限内的安全运营，要对桥梁定期进行变形监测，并根据长期的检测结果作出合理的分析和安全预报。本文将系统的介绍了桥梁桥梁受力变形特点、监测内容、方法等基本理论，为桥梁安全使用、养护管理决策提供科学依据。2.1 桥梁类型及受力特点2.1.1 桥梁的基本结构桥梁是供铁路、公路、渠道、管道等跨越河流山谷或其他障碍并且具有承载能力的架空建
23、筑物。桥梁得主要组成结构为桥跨、桥墩、桥台、及桥头锥体等。桥跨是用来跨越障碍的跨越结构，桥墩和桥台是支撑桥跨的结构，使全部荷载传至地基的底部奠基部分是墩台的基础。桥台又是桥梁与路堤衔接的结构物，并且保证桥头的稳定。其中桥跨为桥梁的上部结构，桥墩和桥台及其基础为桥梁的下部结构。2.1.2 桥梁分类及受力特点桥梁的类型很多，根据其结构特点可以分：梁式桥、拱式桥、索桥和组合桥体系等。他们受到荷载可以归纳为三类：永久荷载、可变荷载、偶然荷载(1)永久荷载，久荷载也称恒载，在桥梁建成后其值固定不变，或者其变化与平均值相比可以忽略不计。永久荷载包括结构自重桥上附加恒载（桥面、人行道及附属设备等）作用于结构
24、上的土重以及土侧压力基础变位影响力水浮力混凝土收缩和徐变影响力。预应力结构，在正常使用极限状态下也属于永久荷载。(2)可变荷载，可变荷载指在设计试用期内，其值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。基本可变荷载包括车辆活载、车辆活载引起的动力效应（冲击力）、离心力、车辆行进中的摇摆力以及人群荷载等。其他可变荷载还包括活载制动力或牵引力、风力、温度力、流水压力、水压力和施工荷载等。(3)偶然荷载，偶然荷载指船只或漂流物撞击力和地震荷载等。桥梁在竖向荷载作用下，只产生竖向反力。图2-1（a）所示即为桥梁，其力学简图如图2-1（b）所示 （a） （b）图2-1桥梁及其受力图拱桥在竖向荷载作用下
25、会产生竖向反力和水平推力（水平反力），无铰拱还有支承弯矩，拱桥桥跨简称主拱，以受压为主，同时也受弯矩和剪力。图2-2为拱桥及其受力图示：（a） （b）图2-2拱桥及其受力图悬索桥通过缆索跨过塔顶锚固在河岸上，是桥的承重结构。在缆索上悬挂吊杆。吊着桥面系，缆索承受拉力。悬索桥图示如图2-3：图2-3悬索桥图示另外，桥梁按桥跨结构用料不同可以分混凝土桥、钢筋混凝土桥、预应力钢筋混凝土桥、钢桥等；按用途分为公路桥、铁路桥、公铁两用桥等。2.2 桥梁变形特点变形观测分为静态变形和动态变形。静态变形通常是指变形观测的结果只表示在某一期间内的变形值，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
26、生的变形，它是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的函数，其观测结果是表示桥梁在某个时刻的瞬间变形。桥梁变形根据桥梁的具体型式考虑实施变形监测的种类。在桥梁变形观测过程中，了解其产生的原因才能预先设计出正确的观测方案，监测到可能发生的变形。桥梁变形主要是由三方面的原因引起的。一是自然条件及其变化，即桥墩台地基的工程地质、水文地质、土壤岩石的物理性质等。例如桥墩台基础的地质条件不同，会引起桥墩台的不均匀沉降，使其产生倾斜或使墩台本身产生裂缝；各桥墩台基础的地质条件不同，有的稳定，有的不稳定，会引起个桥墩台之间不均匀沉降，是桥跨结构倾斜；有余土基的塑性变形将引起均匀沉降等。二是与桥梁本身相联系的原
27、因，如桥梁的结构、形式以及受力特点、三是由于勘测、设计、施工以及运营管理工作的不科学，导致桥梁产生额外的变形。下面分类分析不同桥梁的变形特点及变形观测的内容：(1)梁桥梁桥在竖向荷载作用下，将产生竖直方向的变化，要进行桥墩台的沉降变形和倾斜变形观测；水平方向主要是沿水流方向，由于水流作用和其他的作用产生水平位移，要进行横向水平位移观测；另外，墩台结构在受力作用下的挠度变形观测。(2)拱桥除了会产生梁桥的上述变形外，由于其产生对两岸的巨大的水平推力，会产生两岸推力基础水平位移，所以要进行推力基础的横向水平位移观测。对上述两种桥梁来说，由于其主要是混凝土、钢筋等刚性结构，其所受到的动力作用对其不会
28、产生较大的振动，对其只进行常规静态变形监测即可。(3)悬索桥、斜拉桥对于此类大跨径悬吊结构桥梁，由于其结构得柔性，在风力等动荷载作用下会产生三维振动。对其要考虑静力和动力的综合作用，还要进行桥梁三维实时位移振动和大桥的扭转振动的监测。2.3 桥梁变形监测内容2.3.1 监测内容应根据变形体的性质与地基情况来定。要求有明确的针对性，既要有重点，又要做全面考虑，以便能正确地反映出变形体的变化情况，达到监视变形体的安全、了解其变化规律的目的。根据我国最新颁布的“公路技术养路规范”中的有关规定和要求，以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨段为柔性梁的特点，变形观测的主要内容包括动态和静态变形观测。与之相应
29、的观测项目为：(1)桥梁墩台沉陷观测：与一般桥梁墩台沉陷观测要求相似，其目的是测定桥墩以及他们之间的沉陷；(2)桥面线形与沉陷观测：大跨度桥梁斜拉段的桥面线形与索力大小和桥面荷载分布有关，通过索力调整可以改变桥面的线形；对于非斜拉段，通过桥面沉陷观测了解砼连续梁或砼连续刚构粱的挠度；(3)主梁横向水平位移观测：由于大跨度桥梁的斜拉段在索力作用下处于空间悬浮状态，为了了解在各种荷载作用下主粱的摆动情况，有必要进行主梁的水平位移观测；(4)高塔柱摆动观测：高塔柱通过斜拉索支承了主粱上的全部荷载，包括静荷载和各种动荷载，测定高塔柱摆动的目的主要在于了解桥面动荷载分布不均匀时，塔柱的变化规律、摆动幅度
30、；(5)水平位移与沉陷基准观测：为进行上述14的各项观测，必须在两岸建立相应的观测基准，即水平位移基准网和高程基准网。为统一两岸的高程基准，还必须进行过扛水准测量。上述各观测项目应根据是否允许中断交通的要求确定具体的静态或动态观测方式。2.3.2 方法、仪器和监测精度的确定变形监测方法和仪器的选择主要取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件，根据检测内容的不同可以选择不同的方法和仪器。比如对于桥梁外观变形监测，高精度水准测量，高精度三角、三边、边角以及测量机器人监测系统是桥梁外部监测的良好手段和方法。准直仪、应力计则非常适合于内部的变形观测。在变形监测的精度方面，和其他测量精度工作相比，变形观
31、测要求的精度高，典型精度是1mm或相对精度1/1000000。确定合理得测量精度是很重要的，过高的精度要求使测量工作复杂，增加费用和时间；而精度定的太低又会增加变形分析的困难，使所估计的变形参数误差大，甚至会得不出正确结论。制定变形观测的精度取决于变形的大小、速率、仪器、方法所能达到的实际精度，以及观测的目的等。一般来说，如果变形观测是为了变形值不超过某一允许的数值，以确保建筑物的安全，则其观测的误差应小于允许变形值得1/101/20；如果是为了研究变形的过程，则误差应比上面这个数值小得多，甚至应采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度。2.3.3 监测点布置的确定用测量仪器进行进行变形监测，
32、一般要在变形体的特征部位埋设变形监测标志，在变形影响范围之外埋设测量基准点，定期观测监测标志的位置变化量。因此，确定监测部位和进行测点的布置将反映能否监测了解到变形体的变化随时间变化的趋势和发展。依据变形监测的总体技术思想，针对监测内容及监测区的监测环境和条件，要求监测方法简单易行，点位布置必须安全、可靠、布局合理、突出重点，并能满足检测设计及精度要求，便于长期监测。2.3.4 变形监测频率的确定变形监测的频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。变形监测频率的大小能反映出变形体的变形规律，并可随单位时间内变形量的大小而定。变形量较大时，应增大监测频率；变形量减小或建筑物趋于稳定时，则可减小监
33、测频率。桥梁变形测量应按照确定的观测周期与总次数进行观测。变形观测周期的确定应以能系统地反应所测建筑物变形的变化过程、且不遗漏其变化时刻为原则，并综合考虑单位时间内变形量的大小、变形特征、观测精度要求及外界因素影响情况。桥梁变形测量的首次（即零周期）观测应连续进行两次独立观测，并去观测结果的中数作为变形测量初始值。一个周期的观测应在短时间内完成。不同周期观测时，宜采用相同的观测网形、观测路线和观测方法，并使用同一测量仪器和设备。对于特级和一级变形观测，宜固定观测人员、选择最佳观测时段、在相同的环境和条件下观测。如表2-1表2-1 变形观测及时间序号观测项目桥梁运营以后频率频率时间频率时间1桥墩
34、基础沉降观测半年一次2月、8月两年一次2月、8月2桥面水平位移观测半年一次2月、8月半年一次2月、8月3钢桁架中挠度观测半年一次2月、8月半年一次2月、8月当变形观测过程中发生下列情况之一时，必须立即报告委托方，同时应及时增加观测次数或调整变形测量方案：(1)变形量或变形速率出现异常变化；(2)变形量达到或超出预警值；(3)周边或开挖面出现塌陷、滑坡；(4)建筑本身、周边建筑及地表出现异常；(5)由于地震、暴雨、冻融等自然灾害引起的其他变化异常情况。2.3.5 变形监测网的确定变形网(变形监测网的简称，下同)布网的目的是为了测定网点的变形，而网点之间的相对精度则不是主要的。由于布网的目的不同，
35、对工程控制网精度影响很大的系统误差对变形网的影响却不是主要的，只要观测仪器、观测条件及观测人员等条件相同，在计算变形的过程中则能相互抵消，使确定的变形不受这些误差的影响。变形网的布网原则完全是根据变形监测的需要来布设网点，例如如果变形网网点是作为变形监测各观测点的工作基点，则应尽量在地质条件好、不受力的变化干扰的地方布设点，或根据工作点的位置确定工作基点的位置，再选择一局部稳定点。而对网点的视野，网点之间的相互关系没有要求。变形网图形复杂，多余观测多。由于图形复杂，变形网一般采用间接平差法进行平差。变形网也可以没有已知数据，而按自由网平差。变形网边短，精度高，并且很多情况下采用强制归心。变形网
36、的边长一般在几百米，最多lkm没左右，即使是专用于地震监测的变形网边长也多数在lkm左右，但观测往往按国家一、二等精度要求进行，或采用最先进的仪器。桥梁变形监测网点尽量利用原有的施工控制网，进行合理的加密和剔除。2.4 桥梁变形监测方法为了完成桥梁变形观测的任务，需要根据桥梁类型、变形特点等因素来选择变形监测方法。合理地设计变形观测方案，确定变形观测的精度，考虑变形观测的实际实施难度，选择不同的观测方法是桥梁变形观测要考虑的重要问题。变形观测方法也随着测量观测手段的进步而不断前进。传统的变形监测方法主要有两大类：一是常规的测量方法(大地测量方法与摄影测量方法)，二是物理学传感器方法。常规的大地
37、测量方法具有测量精度高、资料可靠等优点，但又有观测工作量大、效率低，受气候影响大，不易实现连续监测和测量过程的自动化，并要求监测点与基点通视等缺点，这些缺点对变形监测有非常不利的影响。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、GPS、自动全站仪、三维激光扫描仪等。下面的篇幅着重介绍几种应用在桥梁监测的先进性较强且应用前景比较广泛的变形测量数据采集
38、设备和技术。2.4.1 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10年来，近景摄影测量在桥梁变形监测得到了广泛应用，其监测精度可达到mm级。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。但由于摄影距离不
39、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2-4所示为单台/多台相机的数字近景工业测量系统。图2-4单台/多台相机的数字近景工业测量系统2.4.2 GPS技术现代GPS测量技术具有高精度的三维定位能力，并且GPS可以连续观测，为监测桥梁动态和静态变形提供了有效的手段。GPS的应用给测量技术带米了一场深刻的革命。据介绍，国外从20世纪80年代开始用GPS进行变形测量。近年来，我国在利用GPS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。GPS变形测量具有如下优点：精度较高，在基线长度大于10h时，其相对
40、精度可达到；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1613。GPS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。(1)周期性监测模式当变形体的变形速度相当缓慢(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GPS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GPS静态相对定位方法测量，将两台以上
41、GPS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。(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，GPS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。GPS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GPS在变形测量
42、领域广泛应用提供了可靠的保证。以LeicaGPSl230为例，其RTK技术动态水平精度10mm+1ppm，垂直精度20mm+Ippm，静态水平精度5mm+0.5ppm，垂直精度10mm+0.5ppm；后处理动态水平精度10mm+1ppm，垂直精度20mm+lppm，静态水平精度5mm+0.5ppm，垂直精度10mm+0.5ppm，长时间观测的长基线静态更可达水平精度3mm+0.5ppm，垂直精度6mm+0.5ppm。2.4.3 自动全站仪法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
43、：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) 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。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
44、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、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
45、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LeicaTCA2003为例，其测角精度可达0.5”，测距精度为1mm+lppm。Sokkia公司推出的NET系列最高精度的全站仪更是号称突破了lmm+lppm测距精度，适用于工业检测以及工程领域。图2-5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LeicaTCA2003，TrimbleS8，SokkiaSRX，TopconGPT9
46、000A。图2-5几种最新型号的自动全站仪2.4.4 三维激光扫描仪激光测距技术已经有了几十年的应用，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才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GPS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。三维术应用的领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mm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、GPS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
