第三章-变形观测的基本方法-2015

变形观测的基础知识变形观测的基本方法变形观测的方案设计变形观测网优化设计1第三章变形观测方法及变形观测网设计3.1.1变形观测的概念3.3.2变形观测的分类3.3.3变形观测的意义3.3.4变形观测的内容3.1.5变形观测的重点23.1变形观测基础知识•变形：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中的变化。•变形的类型：变形体自身的形变—伸缩、错动、弯曲和扭转;变形体刚体位移—整体平移、转动、升降和倾斜;•正常的变形---变形体的变形在允许的范围内•异常的变形---超出允许值，则可能引发灾害。33.1.1变形观测相关概念4•变形监测：就是利用测量仪器与专用仪器和方法对变形体进行测量以得到变形大小、范围、时空分布规律，研究变形发生的原因、变形特征及其随空间与时间的变化规律，以便预测、预报，以避免或尽可能减少损失。•任务：确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及空间位置变化的空间状态和时间特征。53.3.2变形观测的分类按研究范围可分为三类：全球性的、区域性的和局部性的全球性的变形观测：主要是研究地极移动、地球旋转速度的变化以及地壳板块的运动。区域性的变形观测：主要研究地壳板块范围内变形状态和板块交界处地壳的相对运动。局部性的变形观测：主要是研究工程建筑物的沉陷、水平位移、挠度和倾斜，滑坡体的滑动，以及采矿、采油和抽地下水等人为因素造成的局部地壳变形。在本章中主要讨论是局部性的变形观测问题。7从其时间特性来分：有“静态”式、运动式和动态式三种：“静态”式：是指固定参考点，其中个别点可能由于局部因素发生变动，但这种变动没有一定的时间特性，变形监测的目的是要查明他们的稳定性。运动式：包括地壳应变的累积、地质构造断层两侧的相对错动、建筑物或地表下沉等；这种变形，其总趋势是朝一个方向。动态式：是高层建筑物的摆动、桥梁的动荷载作用下的振动等等；这种变形呈周期性，监测的目的是要获得变形的幅度和周期的信息。实用意义：保障工程安全科学意义：解释变形的机理验证变形的假说检验设计是否合理为修改设计、制定规范提供依据83.3.3变形观测的目的和意义3.3.4变形观测的内容获取几何变形量：水平位移、垂直位移以及偏距、倾斜、扰度、弯曲、扭转、震动、裂缝等。获取与变形有关的影响因子（物理量）：应力、应变、温度、气压、水位（库水位、地下水位）、渗流、渗压、扬压力等。93.1.5变形观测的重点变形观测关心的重点是位置的变化，而非某个位置。特点：要进行周期观测，每一周期的观测方案，都要尽可能一致；动态、持续监测；要求精度高，对于重要工程，一般要求“以当时能达到的最高精度为标准进行变形观测设计”。103.2变形观测的基本方法3.2.1常规大地测量方法3.2.2摄影测量方法3.2.3空间测量方法3.2.4特殊测量方法11123.2.1常规大地测量方法•概念：用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称。•分类：角度测量、距离测量、各种交会法、极坐标法、卫星定位法以及几何水准法、三角高程法等。主要优点：能够提供变形体的整体变形状态；观测量通过组成网的形式，便于进行测量结果的校核和精度的评定；灵活性大，能适用于不同的精度要求、不同形式的变形体和不同的外界条件。主要缺点：外业工作量大、作业时间长不易实现连续监测和测量过程的自动化（与空间测量比）监测的范围相对小。常规地面测量方法---精密高程测量精密高程测量是研究垂直方向变形的主要手段，其作业过程在过去的几十年中没有明显变化。精密高程测量，主要用精密水准进行；也可采用液体静力水准测量、测微水准测量或其他精密的高程测量方法。具有精度高、稳定可靠、技术成熟等优点。目前，国家一等水准测量的偶然误差为每公里0.5~0.7mm，系统误差约每公里0.06mm。水准测量劳动强度大、速度慢，特别是在山区尤为突出。其另一个显著缺点是系统误差（特别是大气折光误差）累积严重。精密几何水准测量精密高程测量的中误差通常不能超过0.1~0.2mm。保证精度的主要措施：选择和研究高精度水准仪；研制专用的分划尺和照准目标；研制能以足够精密、平稳地调整仪器高的水准仪支架；改进短视线几何水准测量的作业方法。短视线精密几何水准测量方法（Ni007），可以确定相距10～15m两点间的高差，中误差达到0.03～0.05mm；确定相距几百米的两点间的高差，中误差为0.1～0.2mm。广泛用于多种建筑物基础沉陷和施工测量中。在露天条件进行高精度水准测量时，采用阳伞外，水准仪最好还带上附加的热力保护罩。流体静力水准测量静力水准测量主要适用于特殊要求下的精密高程测量（如变形监测）。静力水准测量可以采用固定式或移动式仪器。各种流体静力水准仪的结构本质上的区别仅在于：测定和读取连通管中液面位置的方法不同。目前，主要采用目视法、目视接触法、电子接触法和光电记录法等。移动式静力水准测量，参照几何水准测量的格式进行手簿记录并编算高差表。固定式静力水准仪适用于竣工后构筑物的变形观测。流体静力水准测量原理容器分别安置在待测的平面上，两容器用软管相联，内装均质液体测容器中液体的自由表面处于同一水平上，两平面的高差为：Δh=H1-H2或Δh=（a1-a2）-(b1-b2)式中：a1、a2——容器的高度，一般a1=a2b1、b2——容器中液面位置的读数仪器构成：（1）搁支点，其作用是与被测对象接触（2）盛装液体的容器及连接两容器的软管（3）测微读数装置测量误差（一）仪器误差1．在观测点上安置液体静力水准仪的误差2．液体静力水准仪观测头倾斜所引起的误差——比较小，悬挂式引起的误差很小3．量测设备的误差4．观测头的组合部件由于温度变化而产生的误差5．液体漏损带来的误差（二）外界条件的影响1．温度的影响——各观测头温度差异→液面变化2．气压的影响——敞口式有影响3．液体蒸发的影响——对封闭式影响较小4．液体污染的影响→液体密度变化应用范围沉陷和倾斜观测（建构筑物）用于危险环境和污染环境下设备的稳定性观测常规地面测量方法---精密角度测量精密角度测量的主要工具是全站仪、经纬仪，主要用于水平位移观测。如三角网形式的水平变形监测或三角测量方法测定变形体变形。不容易到达地点（烟囱中心线垂直度观测）的平面位置观测，常利用经纬仪前方交会法观测等。精密角度测量可使用的仪器有DJ07、DJ1、DJ2型光学经纬仪以及精密电子经纬仪。全站型速测仪、测量机器人。也可根据具体工程需要，专门设计能满足精度要求的精密测角仪器。常规地面测量方法---精密距离测量•高精度的精密距离测量和距离变化的测定，主要方法有：机械的测距方法（线尺和标尺）；利用调制光的光电测距技术；电子机械测量方法，其中包括伸长计、应变计等；干涉测量法。伸缩测微仪原理距离小于50m，可采用机械法。如GERICK研制的金属丝测长仪，将很细的金属丝（受温度影响小）在固定拉力下绕在铟瓦测鼓上，精度优于1mm。两点间在i和i+1周期之间的距离变化Δl：Δl=Li+1-Li=li+1-li伸缩测微铟瓦线尺：由伸缩测量和拉力测量两部分组成，其测微分辨率为0.01mm，如果传递元素(铟瓦线、石英棒等)的长度a、b保持不变，则只需测微小量li和li+1。Δl的精度可达0.02mm。短距离和距离变化测量方法根据实际条件可采用机械法。用伸缩测微仪监测岩体移动23全球定位系统GNSS全球定位系统集平面与高程测量为一体，使三维变形监测网的观测变得简单，监测网具有更多的优化余地，观测效率高，经济性好等诸多优点。目前，第二代全球定位系统可达3cm级三维定位精度，第三代全球定位系统可达1mm级或更高定位精度。3.2.2摄影测量与遥感方法摄影测量方法包含航空摄影、遥感法和地面摄影测量法进行观测。地面摄影测量法用于局部变形观测。该方法对某些特殊的观测对象（如储煤气罐等球状物）进行变形观测具有独特优越性和特点：①像片信息量丰富，可同时获得变形体上任意点的三维变形信息，提供完全和瞬时的三维空间信息，便于对成果的比较与分析。②外业工作量小，劳动强度低。③观测时不需接触被摄物体，可观测人不便达到的地方。④精度相对低地面摄影测量方法可广泛地用于大型工程建筑物（大坝、挡土墙、高层建筑物等）的变型监测。空中摄影测量、合成孔径雷达可用于较大范围的地面变形测量，如大面积开采沉陷监测。(一)InSAR（InterferometricSyntheticApertureRadar）或D-InSAR(DifferentialInSAR)1、原理利用两个不同的天线获得两景雷达影像，通过比较相位得到垂直高度:可以测量与雷达波长相同量级甚至更高精度的地形起伏Pass1.Pass2.hB-hA=(B-A)/4cos如果形变是垂直方向的:hB=(2B-1B)/cosLocationALocationB1A=2A1B2B2B-1B=(/4)BPass1Pass21A2APass1Pass2测量高度的微小变化InSAR处理流程图or数据（副本）两组原始信号SAR处理器专门针对某传感器的SAR处理器干涉处理效果图生成与制图06/1992–09/199309/1992–09/199309/1993–08/199510/1997–08/199910/1995–10/199810/1993–08/199508/1999–08/200010/1992–10/199709/1993–10/1998post-eruption11/21/1991–11/30/1991co-eruptionInSARimagescancharacterizetransientdeformationofWestdahlvolcanobefore,duringandafterthe1991eruption09/07/1991–10/28/1991pre-eruptionLuetal.,GRL,2000Luetal.,JGR,2003Luetal.,RSE,200402.83cm10kmdeformationDeformationmappedbyERS(C-band,=5.66cm)InSAR011.76cmLuetal.,2000,2005rangechange5kmAkutanVolcano5km011.76cmAkutan1996CracksDeformationmappedbyJERS(L-band,=23.5cm)InSARLuetal.,2000,2005rangechangeAkutanVolcanoEnvisatC-bandimage028mmRangeChangeLOSlengthening(subsidence)LOSshortening(uplift)LossofcoherenceduetovegetationDeformationofJune2007Eruption,KilaueavolcanofromC-bandEnvisatInSARSlumgullionlandslide,COJuly–August,2004LandslidemonitoringfromInSAR•Luetal.,inprep.Deformation:upto4mm/day02.8cmRangeChangeALOSPALSARInSARimageofDec6,2006–June8,200710kmMiningatUtah,USAsubsidenceof60cmsubsidenceof30cmSubsidenceof~5cm5kmALOSPALSARInSARimageofDec6,2006–June8,2007方法的缺陷：只能测量两次变形在分米或厘米级变化，变化速度快则无法测量雷达测量局限在波长范围内的一小块波段（-π，π）RADARSAT是5.6cm，ALOAS为23cm测量的只是地表相对传感器斜距向的运动，而不是像