專題一：數(shù)字水準(zhǔn)儀及其在鐵路變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.ppt

工程測(cè)量新技術(shù)與高速鐵路的運(yùn)營(yíng)管理 專題講座 主講人：測(cè)量工程系劉成龍教授 電 話西南交通大學(xué)測(cè)繪工程檢測(cè)中心主任 西南交通大學(xué)測(cè)量工程系副系主任,工程測(cè)量新技術(shù)與高速鐵路的運(yùn)營(yíng)管理,專題一 數(shù)字水準(zhǔn)儀及其在鐵路變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,數(shù)字水準(zhǔn)儀的概念,數(shù)字水準(zhǔn)儀(digital level)是用于自動(dòng)化水準(zhǔn)測(cè)量的儀器，它采用CCD陣列傳感器獲取編碼水準(zhǔn)尺的圖像，依據(jù)圖像處理技術(shù)來(lái)獲取水準(zhǔn)標(biāo)尺的讀數(shù)，標(biāo)尺圖像處理及其處理結(jié)果的顯示均由儀器內(nèi)置計(jì)算機(jī)完成。,數(shù)字水準(zhǔn)儀的發(fā)展,1990年Wild廠推出了第一款數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000，測(cè)量精度為1.5mm/km，用于普通水準(zhǔn)測(cè)量，1991年升級(jí)為NA2002；1991年底推出NA3000，測(cè)量精度提高到了0.4mm/km，達(dá)到了精密水準(zhǔn)儀的要求，1994年升級(jí)為NA3003。2002年推出的DNA03和DNA10，面向精密水準(zhǔn)測(cè)量，精度分別為0.3mm/km和0.9mm/km。2004年下半年推出了面向中低端市場(chǎng)的Sprinter 100/100M/200/200M，精度分別為2.0mm/km和1.5mm/km。,數(shù)字水準(zhǔn)儀的發(fā)展,1994年德國(guó)Zeiss廠生產(chǎn)出了兩種型號(hào)的數(shù)字水準(zhǔn)儀Dini10和Dini20，測(cè)量精度分別到了0.3mm/km和0.7mm/km，不久又推出了帶角度測(cè)量功能的Dini10T。？年Dini12(T)和Dini22，精度分別為0.3mm/km和0.7mm/km。 1994年底Topcon也推出了兩種型號(hào)的數(shù)字水準(zhǔn)儀DL-101和DL-102，測(cè)量精度分別達(dá)到了0.4mm/km和1.0mm/km。1997年升級(jí)為能安置PCMCIA卡的DL-101C和DL-102C。 ？年SOKKIA推出SDL30M和SDL50M。,Trimble Zeiss Dini,Leica DNA,SOKKIA SDL,Topcon DL,比較評(píng)價(jià)指標(biāo),測(cè)量精度 測(cè)量速度 儀器重量 電池容量 屏幕信息 價(jià) 格,測(cè)量原理,標(biāo)尺編碼規(guī)則,目前4種數(shù)字水準(zhǔn)儀都采用的是條碼標(biāo)尺，即用不同寬度的條碼組合來(lái)表征標(biāo)尺面的不同高度位置，但是其設(shè)計(jì)方法卻不盡相同。 Note：盡管各廠家的編碼尺具有不同的編碼規(guī)則和讀數(shù)方法，但編碼標(biāo)尺全是由同一廠家，即德國(guó)的Zeiss公司生產(chǎn)的，這也是目前世界上惟一能夠生產(chǎn)數(shù)字編碼水準(zhǔn)標(biāo)尺的廠家。,標(biāo)尺編碼規(guī)則,與光學(xué)水準(zhǔn)儀的比較,相同點(diǎn)：數(shù)字水準(zhǔn)儀具有與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀相同的光學(xué)、機(jī)械和補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)；光學(xué)系統(tǒng)也是沿用光學(xué)水準(zhǔn)儀；水準(zhǔn)標(biāo)尺一面具有用于電子讀數(shù)的條碼，另一面具有傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)尺的E型分劃，既可用于數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量，也可用于傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量。 不同點(diǎn)：傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀用人眼觀測(cè)，數(shù)字水準(zhǔn)儀用光電傳感器(CCD線陣)代替人眼；數(shù)字水準(zhǔn)儀與其相應(yīng)條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺配用。儀器內(nèi)裝有圖像識(shí)別器，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)。另外對(duì)于精密水準(zhǔn)儀而言，傳統(tǒng)的利用測(cè)微器讀數(shù)，而數(shù)字水準(zhǔn)儀沒(méi)有測(cè)微器。,數(shù)字水準(zhǔn)儀優(yōu)點(diǎn),1速度快：水準(zhǔn)儀自動(dòng)探測(cè)讀數(shù)、記錄和檢核，不用觀測(cè)員人工觀測(cè)，作業(yè)速度快慢取決于儀器整置速度和跑尺人員的速度。 2精度高：圖像處理技術(shù)自動(dòng)判別讀數(shù)，免除了觀測(cè)員人工夾準(zhǔn)分劃和讀數(shù)誤差的影響。對(duì)圖形影像多個(gè)分劃取平均值，有利于消除標(biāo)尺分劃誤差。另外速度的提高，可消除與時(shí)間有關(guān)的外界條件的影響，如溫度變化引起的視準(zhǔn)軸的變化，大氣垂直折光的變化，儀器水準(zhǔn)尺升降等的影響。 3儀器重量輕，操作簡(jiǎn)便，減輕作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 4易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化。數(shù)字水準(zhǔn)儀將數(shù)據(jù)直接記錄在卡或內(nèi)存中，及時(shí)檢核，按規(guī)定格式輸出，便于在計(jì)算機(jī)上處理，形成自動(dòng)流程，不僅大大提高了工作效率，而且避免了由于人工記錄、計(jì)算出現(xiàn)的差錯(cuò)。,數(shù)據(jù)處理,數(shù)字水準(zhǔn)儀能自動(dòng)采集并將觀測(cè)數(shù)據(jù)以一定的記錄格式存儲(chǔ)下來(lái)，為內(nèi)外業(yè)一體化提供原始數(shù)據(jù)。雖然數(shù)字水準(zhǔn)儀生產(chǎn)廠家也提供了一部分后處理軟件，但要么功能過(guò)于簡(jiǎn)單，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，要么軟件功能強(qiáng)大，價(jià)格也較高，一般單位難以承受。而實(shí)際上原始數(shù)據(jù)皆為可讀的文本文件，若能熟悉其數(shù)據(jù)組成格式，就可以編寫適合本單位生產(chǎn)需要的程序來(lái)完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作。 測(cè)段/測(cè)線：水準(zhǔn)測(cè)量中兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)之間或水準(zhǔn)點(diǎn)與臨時(shí)點(diǎn)之間的水準(zhǔn)路線。 測(cè)量方式或程序：水準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程中，為減弱或消除多項(xiàng)誤差的影響而采取的觀測(cè)順序，如后前、后前前后、后后前前等，常用B(Back)表示后視，F(xiàn)(Fore)表示前視，a(altering )表示奇偶數(shù)站交替。,數(shù)據(jù)讀取流程圖,Dini,GSI,使用注意事項(xiàng),1補(bǔ)償誤差 數(shù)字水準(zhǔn)儀是在光學(xué)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，補(bǔ)償器基本上都屬于吊帶重力補(bǔ)償器，經(jīng)過(guò)運(yùn)輸、溫度變化等，其內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，補(bǔ)償性能差異較大，必須定期檢測(cè)，超過(guò)限差時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)校。另外應(yīng)注意補(bǔ)償器的穩(wěn)定時(shí)間，置平儀器后不要立即測(cè)量，要有12秒的時(shí)間延遲。 2視準(zhǔn)線誤差(i角) 視準(zhǔn)線誤差的大小直接影響著水準(zhǔn)測(cè)量的成果，測(cè)量過(guò)程中盡量保證前后視距離差在規(guī)定的范圍內(nèi)。數(shù)字水準(zhǔn)儀一般都有獨(dú)立的測(cè)距功能，水準(zhǔn)尺讀數(shù)前可以根據(jù)距離測(cè)量值調(diào)整水準(zhǔn)尺或水準(zhǔn)儀的位置。,使用注意事項(xiàng),3光亮度對(duì)測(cè)量的影響 數(shù)字水準(zhǔn)儀的CCD圖象傳感器只能在有限的亮度范圍內(nèi)將圖像轉(zhuǎn)換為用于測(cè)量的有效電信號(hào)，這些有效的信號(hào)強(qiáng)度是由時(shí)間積分決定的，象照相機(jī)一樣用控制曝光時(shí)間來(lái)保證一定的光通量，其曝光時(shí)間的范圍大約為幾毫秒到2秒之間。 采樣條碼群體中亮度不均勻時(shí)（如遇陰影），就會(huì)使曝光時(shí)間失控，影響測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)使儀器自動(dòng)中止測(cè)量。 在逆光或背景光線很強(qiáng)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)尺圖象對(duì)比度下降，既使傳感器CCD有充分的光通量，而測(cè)量實(shí)體標(biāo)尺條碼卻曝光不足，使測(cè)量信號(hào)的估算產(chǎn)生困難，往往造成測(cè)量失敗。 另外在測(cè)量中光強(qiáng)發(fā)生強(qiáng)烈變化時(shí)，此時(shí)應(yīng)停止測(cè)量。 在測(cè)量中，若儀器處的亮度大于標(biāo)尺處的亮度時(shí)，光線通過(guò)儀器的物鏡和目鏡的漫反射，使CCD的本底噪聲增大，造成標(biāo)尺條碼曝光不足，使測(cè)量失敗或影響測(cè)量。這時(shí)可將目鏡遮住，物鏡罩上遮光罩，情況就會(huì)得到改善。,使用注意事項(xiàng),4調(diào)焦對(duì)測(cè)量的影響 但是數(shù)字水準(zhǔn)儀是依據(jù)用于測(cè)量的所有間隔碼元估算并多次測(cè)量的平均值，因此調(diào)焦對(duì)測(cè)量的影響遠(yuǎn)比光學(xué)水準(zhǔn)儀小得多。若僅是通常調(diào)焦波動(dòng)，則對(duì)測(cè)量結(jié)果只產(chǎn)生微不足道的影響，測(cè)量時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)而已。若讀數(shù)時(shí)焦距未調(diào)整清晰，則易造成測(cè)量失敗。 5標(biāo)尺安置狀態(tài)對(duì)測(cè)量的影響 儀器在自動(dòng)測(cè)量過(guò)程中對(duì)標(biāo)尺安置狀態(tài)的監(jiān)視反映很遲鈍，偏離垂直狀態(tài)很大范圍，儀器仍然測(cè)量。因此顯得標(biāo)尺安置更為重要。精密因瓦條碼標(biāo)尺上都安置了圓水準(zhǔn)器，這對(duì)提高標(biāo)尺的安置速度有一定益處。 6磁致誤差 雖然目前數(shù)字水準(zhǔn)儀的補(bǔ)償器都是用鋁或非磁性材料制造的，在均勻磁場(chǎng)下檢測(cè)無(wú)顯著影響，但在交變磁場(chǎng)中，都能檢測(cè)到補(bǔ)償器的偏轉(zhuǎn)量，因此測(cè)區(qū)通過(guò)大功率的發(fā)電廠、變電樞紐或測(cè)線沿高壓輸電線、電氣化鐵路時(shí)，要謹(jǐn)慎選用儀器，必須檢測(cè)其磁致誤差影響幅度。,使用注意事項(xiàng),7儀器的晾置和預(yù)熱 由于儀器參數(shù)(如i角)受環(huán)境溫度影響易發(fā)生變化，作業(yè)前儀器充分晾置或預(yù)熱，使儀器與外界氣溫趨于一致或處于穩(wěn)定的熱交換平衡狀態(tài)，避免儀器在初始階段(溫度不穩(wěn)定階段)進(jìn)行測(cè)量而影響精度。在結(jié)束晾置時(shí)間前3分鐘打開(kāi)電源進(jìn)行預(yù)熱，晾置時(shí)間與儀器和環(huán)境的溫差成正比，對(duì)精密測(cè)量，晾置時(shí)間一般是溫差度數(shù)的23倍。如溫差l0，則晾置時(shí)間約2030 min。在潮濕情況下，應(yīng)擦去水珠，晾干或吹干儀器，及時(shí)烘烤于燥劑，使儀器存放在干燥的箱體內(nèi)。 8振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響 由于交通、機(jī)械、風(fēng)等產(chǎn)生的振動(dòng)，影響補(bǔ)償器致使視準(zhǔn)線不穩(wěn)。在周圍環(huán)境惡劣時(shí)，如明顯的機(jī)械振動(dòng)，載重運(yùn)輸車通過(guò)，風(fēng)力過(guò)大等，應(yīng)暫停測(cè)量。,鐵路路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法與應(yīng)用,高速鐵路路基和橋梁墩臺(tái)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分別為 ： 法國(guó)高速鐵路路基沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為：工后沉降不超過(guò)20mm，剩余沉降每年不超過(guò)10mm，25年總沉降不超過(guò)100mm。 歐洲高速鐵路橋梁墩臺(tái)沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為：淺基橋墩臺(tái)頂工后允許沉降小于30mm，樁基橋墩臺(tái)頂工后允許沉降小于20mm，兩相鄰墩臺(tái)頂工后允許沉降差小于30mm。,鐵路路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法與應(yīng)用,我國(guó)既有橋梁提速200km/小時(shí)的技術(shù)要求為：梁體的豎向撓度不應(yīng)大于下表的允許值 梁體的豎向撓度允許值,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,1、沉降監(jiān)測(cè)的方法、儀器和工具 根據(jù)目前的技術(shù)和手段，通常采用精密幾何水準(zhǔn)測(cè)量的方法，即用精密數(shù)字水準(zhǔn)儀（DiNi12）及其配套的精密銦鋼條碼水準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)尺墊、扶尺架等，按照某一精度等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的施測(cè)要求，以往返附合水準(zhǔn)路線或閉合水準(zhǔn)路線的形式，定期地從基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)布設(shè)在路基基礎(chǔ)和橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，則不同周期觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變化量，就是由于路基基礎(chǔ)和橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)在時(shí)間作用下和動(dòng)靜荷載作用下所引起的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量。,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,2、基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)與埋設(shè) 基準(zhǔn)點(diǎn)-對(duì)鐵路路基和橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置和數(shù)量要求是：穩(wěn)定-作為變形監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)，一定要遠(yuǎn)離建筑物荷載的影響區(qū)域，并有一定的埋設(shè)深度和不易遭受破壞；聯(lián)測(cè)方便；在數(shù)量上至少有三個(gè)，以便通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)的聯(lián)測(cè)，監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,監(jiān)測(cè)點(diǎn)-對(duì)鐵路路基和橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量要求是：監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在被觀測(cè)路基和橋梁墩臺(tái)最能反映變形特牲的位置上，為此在路基和橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)地質(zhì)不良地段兩側(cè)應(yīng)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在路基的縱橫方向應(yīng)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；點(diǎn)位應(yīng)布設(shè)在便于觀測(cè)、點(diǎn)位穩(wěn)定和施工干擾小的地方；點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)能反映整個(gè)路基和橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)的變形情況，并滿足變形分析的需要。,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在鋼筋混凝土墩臺(tái)中的埋設(shè)要求，見(jiàn)下圖。,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,3、沉降監(jiān)測(cè)觀測(cè)路線設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)點(diǎn)之間的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，應(yīng)采用閉合水準(zhǔn)路線的形式；監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的水準(zhǔn)觀測(cè)，既可采用附合水準(zhǔn)路線的形式，也可采用閉合水準(zhǔn)路線的形式；而基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，應(yīng)采用往返附合水準(zhǔn)路線的形式，之所以設(shè)計(jì)這樣的水準(zhǔn)觀測(cè)路線，是因?yàn)殚]合環(huán)或附合水準(zhǔn)路線，都具有多余觀測(cè)，有利于檢測(cè)外業(yè)觀測(cè)中的粗差和錯(cuò)誤，提高外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和可靠性，同時(shí)還有利于數(shù)據(jù)的嚴(yán)密平差和提高精度。,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,4、沉降監(jiān)測(cè)的觀測(cè)周期 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)的觀測(cè)頻率即觀測(cè)周期，應(yīng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)的時(shí)間、監(jiān)測(cè)的目的和沉降量的大小決定。對(duì)于新運(yùn)營(yíng)的鐵路，監(jiān)測(cè)的頻率應(yīng)大一些，如第一年，可每個(gè)月觀測(cè)一次，第二年可每季度觀測(cè)一次，第三年可每半年觀測(cè)一次，以后則每年觀測(cè)一次。若監(jiān)測(cè)到的沉降量大，則應(yīng)加密觀測(cè)次數(shù)，反之則應(yīng)減少觀測(cè)次數(shù)。若監(jiān)測(cè)的目的是為了研究路基和橋梁基礎(chǔ)沉降變形的詳細(xì)過(guò)程，也應(yīng)加密監(jiān)測(cè)的次數(shù)。,路基和橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)的方法,5、相對(duì)沉降量和累計(jì)沉降量的計(jì)算 相對(duì)沉降量=監(jiān)測(cè)點(diǎn)的本次觀測(cè)高程-監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上一次觀測(cè)高程 累計(jì)沉降量=監(jiān)測(cè)點(diǎn)的本次觀測(cè)高程-監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第一次觀測(cè)高程 根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的相對(duì)沉降量和累計(jì)沉降量的變化規(guī)律，可以反映路基縱橫方向或橋梁墩臺(tái)的沉降變形規(guī)律，從而有針