应县木塔始建于辽代,具有961年的历史,是世界上现存年代最久远的木结构建筑物,明、暗共九层。在经历千年风雨、多次强震以及环境等多种因素的影响后,其中木塔二层部分立柱发生较严重的倾斜。国家文物局曾多次组织对其进行安全监测分析,为木塔加固修复工作提供可靠数据。本文结合应县木塔维修加固安全监测的工程开展研究,主要研究工作如下:1.木塔监测体系的建立和监测方法研究应县木塔是高耸纯木质结构建筑物,根据维修期间的安全监测要求,监测内容要能够反映木塔的整体变化和关键细部结构的变化,由于现场环境原因,观测条件有限,如何有效地建立观测体系并实施成为木塔安全监测的关键。本文在系统分析现场环境的基础上,采用人工测量和自动化测量相结合、木塔外部测量和内部测量相结合的观测方案。对木塔的整体形变监测重点进行各层外槽立柱的位移观测,对木塔二层立柱倾斜监测采用自由设站多测回测角的方法观测,木塔沉降监测采用三角高程和水准测量方法结合进行。2.基于四元数法的全站仪数据拼接方法研究木塔外部观测是在地面控制观测墩上采用极坐标法监测木塔外槽立柱的变化,而木塔内部观测则采用了自由设站多测回测角的方法观测,如何让将内部观测数据统一到外部地面观测基准系统,是木塔数据处理的关键。因为木塔塔内监测点和测站非常多,不同测站间有大量的同名点,因此,针对全站仪自由设站数据处理,本文采用三维点云数据拼接思路,提出基于四元数法的全站仪自由设站拼接方法。对于观测误差,采用粗差探测算法,剔除精度不高的监测数据,实现了木塔内部观测结果和外部地面基准系统的统一。3.木塔变形表达与分析监测数据仅反映了监测点的坐标变化,要将监测点的坐标变化转化为木塔整体变化和细部结构变化,以对木塔整体和关键细部结构进行变形分析。对木塔监测而言,分析和表达木塔变形是木塔维修加固安全监测工作的重中之重。依据外槽立柱的观测数据,研究稳健估计拟合木塔各层中心,根据木塔各层中心坐标并结合空间直线方程拟合木塔中心轴线,计算倾斜参数,分析了木塔整体倾斜变化;依据拼接方法处理后的塔内自由设站观测成果,计算木塔二层立柱的倾斜参数,研究了以法切向来分析和表达立柱的倾斜变化,并计算了立柱在法切向的倾斜位移量;通过研究两个存在观测时间差的监测点的位移幅度差,分析其与木塔自震和风力作用有关;研究和分析沉降监测数据,掌握木塔的稳定性。4.木塔监测数据处理分析系统的构建和应用木塔监测体系数据量庞大,手动处理和分析监测数据略显力不从心,研究利用计算机技术构建木塔监测数据处理分析系统,实现对木塔监测数据的管理、解算和分析,向木塔监测信息化系统建设迈进是本文研究木塔监测不可或缺的一部分。该系统可以处理和分析极坐标法观测的外槽立柱位移数据,也可以对塔内自由设站数据进行拼接处理和分析,同时,也能进行木塔沉降监测数据的处理和分析。