【正文】 沈陽(yáng)建筑大學(xué)畢業(yè)論文畢 業(yè) 論 文 題 目 電子水準(zhǔn)儀在建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究 學(xué)院專業(yè)班級(jí) 土木工程學(xué)院測(cè)繪0801班學(xué) 生 姓 名 性別 指 導(dǎo) 教 師 職稱 2012年6月15日15 / 62摘要建筑變形監(jiān)測(cè)是按照一定的周期對(duì)變形體進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)以確定其形狀在空間位置隨時(shí)間的變化量，并利用觀測(cè)結(jié)果總結(jié)出變形規(guī)律從而監(jiān)測(cè)變形體的運(yùn)動(dòng)。如果變形超過(guò)了限差，就會(huì)影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重的會(huì)使建筑物傾斜甚至倒塌。因此，在建筑物施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)期間，都需要對(duì)它們進(jìn)行變形觀測(cè)，確保工程建筑物的穩(wěn)定性，為安全運(yùn)行診斷提供必要的信息，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施。本論文主要介紹了數(shù)字水準(zhǔn)儀的結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理；數(shù)字水準(zhǔn)儀的種類和特點(diǎn)，目前發(fā)展的現(xiàn)狀，今后發(fā)展的趨勢(shì)。以及數(shù)字水準(zhǔn)儀在各種工程中的應(yīng)用，尤其是在沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；利用數(shù)字水準(zhǔn)儀如何快速準(zhǔn)確地獲得監(jiān)測(cè)對(duì)象的沉降信息,以便對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)分析和準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)；依據(jù)電子水準(zhǔn)儀的基本原理及其在建筑沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和分析,從而得出對(duì)普及電子水準(zhǔn)儀的應(yīng)用和發(fā)展有益的結(jié)論。關(guān)鍵詞： 電子水準(zhǔn)儀；變形監(jiān)測(cè)；沉降觀測(cè)AbstractBuilding 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. Using the digital level instruments ,it can quickly and accurately obtain the monitoring information of monitoring object, so that the prediction of monitoring object can be obtained timely accurately. 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目錄第一章 電子水準(zhǔn)儀的基本原理 1 1 1 電子水準(zhǔn)儀的種類和特點(diǎn) 2 電子水準(zhǔn)儀的種類 2 電子水準(zhǔn)儀的特點(diǎn) 8 電子水準(zhǔn)儀的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 9第二章 建筑變形觀測(cè) 13 13 建筑變形觀測(cè)概述 13 建筑變形觀測(cè)的分類 13 建筑變形觀測(cè)的特點(diǎn) 14 建筑變形觀測(cè)的基本方法 15 變形觀測(cè)的重要意義 15第三章 電子水準(zhǔn)儀的觀測(cè)方法 17 DiNi 12電子水準(zhǔn)儀的簡(jiǎn)介 17 電子水準(zhǔn)儀的觀測(cè)方法 18第四章 電子水準(zhǔn)儀的檢驗(yàn)與校正 20 電子水準(zhǔn)儀的誤差 20 電子水準(zhǔn)儀的檢驗(yàn)與校正 22 22 23第五章 電子水準(zhǔn)儀在變形觀測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例 26 工程概況 26 沉降觀測(cè)高程控制網(wǎng)方案設(shè)計(jì) 26 觀測(cè)儀器及依據(jù) 26 27 27 沉降觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè) 28 28 觀測(cè)成果 29 30 觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)成果 30 累積沉降值 33 沉降等值線圖 34 沉降荷載時(shí)間曲線圖 34 38第六章 總結(jié)與展望 40 40 結(jié)論 40 展望 40參考文獻(xiàn) 42致謝 43附錄一 中文譯文附錄二 外文翻譯原文電子水準(zhǔn)儀在建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究第一章 電子水準(zhǔn)儀的基本原理隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展, 高大建筑物越來(lái)越普遍, 建筑物的安全也越來(lái)越受到社會(huì)各界的關(guān)注, 為保證建筑物的順利施工和施工后的安全運(yùn)營(yíng),就必須對(duì)建筑物進(jìn)行系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)，其中一項(xiàng)重要工作就是沉降觀測(cè)。因此對(duì)建筑物進(jìn)行精確的沉降觀測(cè)就顯得尤為重要，因?yàn)樗P(guān)系到整個(gè)工程的施工安全和使用安全。隨著測(cè)繪儀器制造技術(shù)的飛速發(fā)展,沉降觀測(cè)手段也從傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀發(fā)展到現(xiàn)在的電子水準(zhǔn)儀。電子水準(zhǔn)儀以其時(shí)尚的外觀設(shè)計(jì)、操作方便、高精度等諸多優(yōu)點(diǎn),得到了廣大測(cè)繪工作者的青睞，在各種工程的變形監(jiān)測(cè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。為了監(jiān)測(cè)驗(yàn)證電子水準(zhǔn)儀的精度，本文以天寶DiNi12電子水準(zhǔn)儀為例，通過(guò)實(shí)際的工程沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證電子水準(zhǔn)儀的精度完全符合沉降監(jiān)測(cè)的精度。電子數(shù)字水準(zhǔn)儀是在精密自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。電子水準(zhǔn)儀是通過(guò)感光器分析標(biāo)尺影像對(duì)一維數(shù)字影像處理的應(yīng)用(一維數(shù)字影像處理原理：影像數(shù)字化譯碼數(shù)據(jù)處理結(jié)果)，利用二極管檢測(cè)陣列來(lái)代替測(cè)量人員的眼睛，相當(dāng)于在水準(zhǔn)儀里架設(shè)了具有穩(wěn)定視線的一部CCD照相機(jī)。水準(zhǔn)條碼標(biāo)尺上的不用條碼在通過(guò)望遠(yuǎn)鏡成像到平面上的CCD光電傳感器上，CCD光電傳感器再將黑白相間的條碼圖像轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)儀器內(nèi)部的數(shù)字圖像處理，即可獲得望遠(yuǎn)鏡中絲條形碼標(biāo)尺上的讀數(shù)。此數(shù)據(jù)一方面在屏幕上顯示，另一方面存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，供計(jì)算、查核和保留之用。其工作原理如圖11所示。 電子水準(zhǔn)儀的種類和特點(diǎn) 電子水準(zhǔn)儀的種類目前流行的幾種電子水準(zhǔn)原理主要是相關(guān)法、幾何法、相位法、RAB原理及葉氏原理。從這幾種原理的共同性的角度看，都使用了光學(xué)水準(zhǔn)儀的光路原理，也都使用了條形碼標(biāo)尺,條碼明暗相間，通過(guò)改變明暗條碼的寬度實(shí)現(xiàn)編碼，且條碼不存在重復(fù)的碼段。但它們的編碼規(guī)則也有非常明顯的個(gè)性區(qū)別,從這些區(qū)別是可以看出它們的解碼原理的區(qū)別的。另外，除上述編碼環(huán)節(jié)存在共同性外，解碼環(huán)節(jié)也還是有共同性的?？梢詳喽ǎ械碾娮铀疁?zhǔn)原理的解碼過(guò)程都存在粗測(cè)、精測(cè)和精粗銜接這些步驟過(guò)程。且這些過(guò)程和普通的光學(xué)模擬水準(zhǔn)儀仍然有相似之處。如圖12所示：（1）相關(guān)法Leica儀器使用相關(guān)法，其解碼原理就是對(duì)圖像信號(hào)與約定的編碼進(jìn)行相關(guān)解算，尋找最大相關(guān)點(diǎn)的位置從而完成圖象識(shí)別進(jìn)而獲得所截獲的條碼片段的原碼(粗測(cè)值)和物象比(距離)，精測(cè)原理則由電子中絲和碼元的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)。其解碼突破口在于二維相關(guān)搜索運(yùn)算。由于是直接進(jìn)行相關(guān)搜索運(yùn)算，所以標(biāo)尺的編碼直接以偽隨機(jī)碼進(jìn)行黑白二進(jìn)制編碼。如圖13所示，碼元0和1分別與條碼的黑自相對(duì)應(yīng)。YN條形編碼標(biāo)尺CCD光電傳感器數(shù)字圖像鎖定譯碼圖像處理計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)液晶顯示數(shù)據(jù)查核、保留圖11 電子水準(zhǔn)儀工作原理圖12 常見(jiàn)的電子水準(zhǔn)儀原理圖13相關(guān)法的直接黑白編碼原理相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)是思想方法簡(jiǎn)單，而缺點(diǎn)是由于粗測(cè)值和距離(物象比)兩個(gè)未知量同時(shí)進(jìn)行二維相關(guān)運(yùn)算搜索，而每個(gè)條紋中所包含的碼元數(shù)目具有很大的隨意性，最少是1個(gè)碼元，而最多可以是16個(gè)碼元，而且碼元寬度很窄()遠(yuǎn)距離是無(wú)法直接分辨碼元少的窄條紋的(“淹沒(méi)”現(xiàn)象)，由于相關(guān)法是比較實(shí)在的由所有像素參與的對(duì)可能結(jié)果的“窮舉式表決”，那些“淹沒(méi)”的條紋和條紋邊沿細(xì)節(jié)以及被遮擋損壞的少量條紋并不足以影響到整個(gè)“投票結(jié)果”，實(shí)現(xiàn)了可靠的解碼。但由此帶來(lái)的運(yùn)算量非常巨大，于是導(dǎo)致了測(cè)量速度慢和對(duì)微處理器的速度要求高以及能耗大等缺陷。為解決測(cè)量速度慢的問(wèn)題，早期的徠卡儀器在望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦旋鈕上安裝傳感器以實(shí)現(xiàn)視距(物象比)的粗略測(cè)量以縮小相關(guān)算法的搜索范圍，也有儀器則采用面陣光電傳感器通過(guò)測(cè)量標(biāo)尺條碼的橫向長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)視距(物象比)的粗略測(cè)量以縮小相關(guān)算法的搜索范圍。相關(guān)法的精測(cè)原理仍然利用電子中絲和所截獲的碼片段碼元的相位(位置)關(guān)系實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這一點(diǎn)，目前還沒(méi)發(fā)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了分析和披露。目前文獻(xiàn)所介紹的“粗相關(guān)”“精相關(guān)”概念實(shí)質(zhì)都是介紹的粗測(cè)原理—即條碼片段或其碼序的確立過(guò)程，對(duì)其真正的精測(cè)原理即電子中絲和條碼片段之間的位置關(guān)系的確立過(guò)程沒(méi)有涉及。（2）幾何法幾何法的解碼原理區(qū)別于相關(guān)法的地方是通過(guò)載碼的引人減少了標(biāo)尺上黑白條紋寬度的種類，并使得圖像信號(hào)中可以恢復(fù)出載碼的周期波譜，從而實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的碼元坐標(biāo)定位繼而實(shí)現(xiàn)快速的“碼詞”(和相關(guān)法中的條碼片段概念類似)讀取，解決了相關(guān)法的測(cè)量速度慢的問(wèn)題。其所謂的相似二角形空間變換幾何關(guān)系如圖14所示，這利用相似二角形空間幾何比例關(guān)系其實(shí)是所有電子水準(zhǔn)原理所共同采用的(包括相關(guān)法、相位法、RAB原理以及葉氏原理也實(shí)質(zhì)都使用了這種望遠(yuǎn)鏡成像的光學(xué)比例關(guān)系)，所有電子水準(zhǔn)原理的精測(cè)過(guò)程實(shí)質(zhì)都是使用了這種幾何關(guān)系。所以我們一直認(rèn)為幾何法的叫法是不妥的。圖14 文獻(xiàn)對(duì)幾何法原理的描述示意先看幾何法的相位調(diào)制編碼原理。如圖15所示。圖15幾何法的相位調(diào)制編碼原理圖中反映了載碼遇0碼元?jiǎng)t反相，遇1碼元?jiǎng)t同相的編碼規(guī)則。可以看出這樣的條碼的寬度種類僅有二種寬度，大的條紋寬度就是碼元的寬度，小的條紋寬度就是半個(gè)碼元的寬度，比相關(guān)法中的16種寬度大大減少，條紋也粗得多，100m距離不可能出現(xiàn)整條紋完全“淹沒(méi)”(至少在理論上)，根據(jù)恢復(fù)出的周期波譜的波長(zhǎng)和相位，碼元成像在CCD上的坐標(biāo)分布定位就清清楚楚，簡(jiǎn)單的一維相關(guān)就可以完成粗測(cè)，物象比由周期值直接求解。但由此帶來(lái)的問(wèn)題是:信息密度稀疏了，很難同時(shí)顧及遠(yuǎn)近距離的測(cè)量要求。因?yàn)榻嚯x時(shí)望遠(yuǎn)鏡成像很大，在光電傳感器上成像的碼元個(gè)數(shù)大大減少，少到一定限度就保證不了解碼的唯一性。但若減少碼元寬度顧及近距離又對(duì)遠(yuǎn)距離的圖像分辨不利。為解決短視距的測(cè)量問(wèn)題，幾何法采用雙相位碼編碼—在單相位碼的基礎(chǔ)上加人約定的1mm明暗窄條碼，這種碼只有在近距離時(shí)光電傳感器才可以分辨并參與解碼，在遠(yuǎn)距離時(shí)其在光電傳感器上無(wú)法分辨(淹沒(méi))，不參與解碼。這是幾何法原理的遠(yuǎn)近兼容測(cè)量原理。目前文獻(xiàn)所介紹的幾何法原理其實(shí)只是著重強(qiáng)調(diào)了其精測(cè)原理和精粗銜接過(guò)程，其望遠(yuǎn)鏡成像幾何比例關(guān)系就是說(shuō)明電子中絲和碼元之間的相位位置關(guān)系而對(duì)于其粗測(cè)原理—“碼詞”，的獲取這一電子水準(zhǔn)儀的最實(shí)質(zhì)的圖象識(shí)別技術(shù)問(wèn)題則沒(méi)有涉及?？梢钥闯?，相關(guān)法和幾何法的命名角度本身是不一致的，前者是粗測(cè)特征，后者是精測(cè)特征。這樣的命名與分類當(dāng)然是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。?shí)際上，相關(guān)法也利用了望遠(yuǎn)鏡成像幾何位置(相位)關(guān)系實(shí)現(xiàn)精測(cè)，幾何法也可以使用相關(guān)算法(但不是二維相關(guān))實(shí)現(xiàn)粗測(cè)(獲得“碼詞”)。而其區(qū)別僅在于是否利用載碼調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)解碼運(yùn)算量的減少。（3）相位法相位法原理的基本特征是利用標(biāo)尺條碼圖像信號(hào)中的幾個(gè)不同周期碼的波譜的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)粗測(cè)，算法是快速傅里葉變換，其運(yùn)算量也不小。精測(cè)原理利用R周期碼的相位信息實(shí)現(xiàn)。其測(cè)量原理和光電測(cè)距儀的組合頻率測(cè)距法是類似的如圖16所示。主要分如下6個(gè)步驟進(jìn)行:①分別測(cè)量出電子中絲在標(biāo)尺成像中的A碼、B碼和R碼二種周期信號(hào)中的相位值如；②用、求解出電子中絲在隱含頻率Fc =中的相位=；③根據(jù)隱含頻率Fc的波長(zhǎng)五:Lc= /()和相位求得第一高度粗測(cè)值；④根據(jù)A碼(或者B碼)信號(hào)的波長(zhǎng)(或者)和相位(或者)求得第二高度粗測(cè)值(或者)；⑤再根據(jù)R信號(hào)的周