CN113514025B - 深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法及系统 - Google Patents

深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法及系统 Download PDF

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CN113514025B CN202110435222.6A CN202110435222A CN113514025B CN 113514025 B CN113514025 B CN 113514025B CN 202110435222 A CN202110435222 A CN 202110435222A CN 113514025 B CN113514025 B CN 113514025B
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Abstract

本发明公开了一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法及系统。针对深部复杂的三维变形和真实条件下地磁非平稳变化，综合采用杆式位移计取代现有阵列式/柔性位移计每段的刚性杆件，同时结合坐标变换、样条回归、变形叠加和在监测钻孔附近同时钻取同样深度的修正孔安装同类型、同长度新型仪器进行地磁修正的方法克服了现有阵列式/柔性位移计在竖直条件下不能监测沉降分量、不能进行地磁修正和忽略三维分量之间相互耦合的问题，实现了深部真实三维变形的高精度监测，有效克服了地磁、仪器扭转和参数漂移。本方法原理直观、逻辑严密、容易编程实现，具有广阔的推广应用前景。

Description

深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法及系统
技术领域
本发明涉及一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法及系统，属于滑坡等地质灾害、地下工程变形和大坝安全监测等技术领域。
背景技术
地磁变化是影响电子罗盘测量精度的重要因素，由于目前无法对地磁变化进行有效修正，从而导致许多厂家的双轴固定式测斜仪、阵列式位移计(也称柔性位移计)等干脆取消磁场传感器，而只采用重力加速度传感器，实际上重力加速度传感器只能测量固定式测斜仪/阵列式位移计每节测量单元相对重力矢量的夹角，无法得到在水平面内的方位，因此不能进行水平面的不同方位的变形修正。另外目前的固定式测斜仪/阵列式位移计轴向每段都是采用固定长度不可变形的刚性材料制成或连接的，同时仪器一般安装在测斜孔内，没有与被监测对象的土体(或岩石、混凝土等)分段紧密结合，从而使得仪器不能监测在轴线方向上的进行伸长或缩短变形。另外，通过每节测量单元的倾斜利用三角函数推求的得到竖直变形实际上不能包括所有的变形成分，而且忽略了三维变形三个分量之间的相互影响，因此现有的仪器和技术只能近似测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法，包括：
获取监测孔中三维变形监测装置的每节测量单元的监测孔姿态数据，其中，测量单元为安装有姿态传感器的杆式位移计，每节杆式位移计通过万向节链接形成三维变形监测装置；
获取修正孔中三维变形监测装置的每节测量单元的修正孔姿态数据，其中，修正孔为在监测孔附近相同地磁环境下钻取同样深度的孔，并且与监测孔深度相同以及孔内布置相同的真三维变形监测装置，修正孔孔径大于监测孔，真三维变形监测装置处于自由下垂状态；
根据修正孔姿态数据利用B样条回归的方法确定监测孔相应深度上的姿态数据分布，该姿态数据获得监测孔对应测点高程变形修正数据；
利用该变形修正数据对监测孔中对应深度的监测孔实测数据进行修正，即获得被监测对象的真三维变形。
进一步的，所述监测孔中的每节测量单元与被监测的土层之间通过锚固装置锚固；修正孔中的每节测量单元的锚固装置处于自由状态，不与被监测土层进行锚固；
进一步的，所述修正孔中的真三维变形监测装置是在重力作用下的轴线为竖直自由状态。
进一步的，所述姿态传感器包括高精度电子罗盘和三轴重力加速度计。
进一步的，所述根据修正孔姿态数据利用样条回归的方法确定深度上的分布，根据监测孔杆式位移计的测值计算每节测量单元中测点的高程坐标；依据所述高程坐标和所述姿态数据沿深度方向上的分布确定相应高程处的变形修正数据；根据所述姿态数据计算得到由于地磁漂移和仪器参数引起的变形误差过程包括：
利用修正孔内三维变形监测装置实测的磁场和加速度传感器的输出采用B样条回顾获得姿态数据在深度方向上的分布，再利用监测孔对应得测点深度获得监测孔各测点修正变形矢量为
Figure BDA0003032921300000021
其中xεj(t),yεj(t),zεj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形分量，j表示第j个节点的序号；
利用监测孔三维变形监测装置实测的磁场和加速度传感器的输出获得的监测孔实测位移矢量为，
Figure BDA0003032921300000022
Xj(t),Yj(t),Zj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形分量；
通过监测孔获得被监测对象真三维变形是上述实测位移矢量与修正位移矢量之差，即：
Figure BDA0003032921300000023
Figure BDA0003032921300000031
式中，xm(t)、ym(t)、zm(t)为修正过后的真三维变形三个变形分量，x0(t)、xoi(t)和xi(t)分别为X方向上O1点初始变形、X方向上第Oi+1与Oi相对变形、X方向上第Oi点局部坐标系内的变形，y0(t)、yoi(t)和yi(t)分别为Y方向上O1点初始变形、Y方向上第Oi+1与Oi相对变形、Y方向上第Oi点局部坐标系内的变形，z0(t)、zoi(t)和zi(t)分别为Z方向上O1点初始变形、Z方向上第Oi+1与Oi相对变形、Z方向上第Oi点局部坐标系内的变形，xi1(t)、yi1(t)和zi1(t)为三次旋转前的第Oi点的X方向、Y方向、Z方向上的变形，带有ε下标则表示通过修正孔获得的监测孔对应的修正数据，Li(t)为取OZ轴上任意一点P距O点长度，i表示监测点序号、m表示当前监测点序号，α、β、γ为旋转后的坐标轴OA、OB、OC轴分别与水平面的夹角，ω为OC在OXY平面上投影与直线OY逆时针夹角。
一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正系统，包括：
第一获取模块，用于获取监测孔中三维变形监测装置的每节测量单元的监测孔姿态数据，其中，测量单元为安装有姿态传感器的杆式位移计，每节杆式位移计通过万向节链接形成真三维变形监测装置；
第二获取模块，利用修正孔中姿态数据采用样条回归获得姿态数据沿孔深的分布，其中，修正孔为在监测孔附近相同地磁环境下钻取同样深度的孔，并且与监测孔深度相似以及孔内布置同类型的三维变形监测装置，修正孔孔深和孔径大于监测孔，使得变形前后三维变形监测装置处于自由下垂状态；
确定模块，用于根据修正孔姿态分布数据是由于误差引起的，而这种误差在监测孔中同样存在，为此可以利用修正孔姿态分布数据确定监测孔各测点的修正数据。根据监测孔杆式位移计的测值计算每节测量单元中测点的高程坐标；依据所述高程坐标和所述姿态误差沿深度方向上的分布确定相应高程处的修正数据矢量；
修正模块，用于利用该变形修正数据对监测孔中对应深度的实测变形数据进行修正。
进一步的，所述监测孔中的每节测量单元与被监测的土层之间通过锚固装置锚固；修正孔中的每节测量单元的锚固装置处于自由状态，不与被监测土层进行锚固；
进一步的，所述修正孔中的真三维变形监测装置是在重力作用下的轴线为竖直自由状态。
进一步的，所述姿态传感器包括高精度电子罗盘和三轴重力加速度计。
进一步的，所述确定模块包括：
第一输出模块，用于利用修正孔内三维变形监测装置实测的磁场和加速度传感器的输出获得监测孔位各节点修正变形矢量为
Figure BDA0003032921300000051
其中xεj(t),yεj(t),zεj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形修正分量，j表示第j个节点的序号；
第二输出模块，用于利用监测孔三维变形监测装置实测的磁场和加速度传感器的输出获得监测孔实测位移矢量为
Figure BDA0003032921300000052
Xj(t),Yj(t),Zj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形分量；
计算模块，用于通过下式计算得到被监测对象真三维变形：
Figure BDA0003032921300000053
Figure BDA0003032921300000061
式中，xm(t)、ym(t)、zm(t)为修正过后的真三维变形三个变形分量，x0(t)、xoi(t)和xi(t)分别为X方向上O1点初始变形、X方向上第Oi+1与Oi相对变形、X方向上第Oi点局部坐标系内的变形，y0(t)、yoi(t)和yi(t)分别为Y方向上O1点初始变形、Y方向上第Oi+1与Oi相对变形、Y方向上第Oi点局部坐标系内的变形，z0(t)、zoi(t)和zi(t)分别为Z方向上O1点初始变形、Z方向上第Oi+1与Oi相对变形、Z方向上第Oi点局部坐标系内的变形，xi1(t)、yi1(t)和zi1(t)为三次旋转前的第Oi点的X方向、Y方向、Z方向上的变形，带有ε下标则表示通过修正孔获得的监测孔对应的修正数据，Li(t)为取OZ轴上任意一点P距O点长度，i表示监测点序号、m表示当前监测点序号，α、β、γ为旋转后的坐标轴OA、OB、OC轴分别与水平面的夹角，ω为OC在OXY平面上投影与直线OY逆时针夹角。
本发明所达到的有益效果：实现了地下深部变形的真正三维变形高精度监测，特别适合运行初期的高土石坝、大变形滑坡和地下硐室、采空区、深厚覆盖层地基等环境的地下三维变形监测。因为这些场合变形量比较大，现有传统的固定式测斜仪或阵列式位移计测量误差就会很大。
附图说明
图1是监测孔以及真三维变形监测装置示意图；
图2是修正孔以及真三维变形监测装置示意图；
图3是坐标系示意图；
图4是测量单元变形的坐标系示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法，采用基于全欧拉变化的坐标变换技术，即通过每节建立固定坐标系和活动坐标系，固定坐标系水平面内X、Y方向确定为要监测的变形主方向，Z轴竖直向下，采用正交右手坐标系。深部变形采用孔口的地面变形作为起算点向地下逐段求和得到地下各点的真三维变形。这里每节测量单元采用能测量轴线长度变化的杆式位移计并将电子罗盘和三轴加速度计固定在每节测量单元上，从而获得每节测量单元的长度和姿态。
地磁修正装置和方法采用在监测钻孔附近同时钻孔修正孔进行地磁监测的方法进行。所谓修正孔布置在监测孔附近，确保所处地磁环境相同。修正孔与监测孔深度相同并布置类似的监测仪器(与监测孔不同的是修正孔内锚固结构不锚固，只是保证相同的结构)。为保证修正孔内的仪器为沿重力矢量重合，为避免修正孔变形后影响到修正孔内仪器的竖直度，确保轴线的竖直自由状态，要求修正孔具有足够的孔径，即使修正孔随地下结构变形后修正孔也不会触碰修正孔内的仪器，从而保证仪器明确的X、Y、Z三个方向是确定的，与初始安装时相同，如图1和图2所示。
其中：①地面三维变形监测装置(可采用GNSS、光学或测量机器人方法获得)。②万向节。③锚固装置。④姿态传感器(本发明采用高精度电子罗盘和三轴重力加速度计组合，安装固定在杆式位移计上的固定套管上)。⑤杆式位移计。⑥土体或岩体。⑦一维方位指示刚性杆(其方位采用表面变形监测装置或角度监测装置获得)。⑧孔壁(对于土体需要护管、对于岩体如不存在塌孔风险则不需要护管，管径要保证可能变形后不触及监测孔内监测装置悬链线)。
已知O-XYZ和O-ABC为两个共原点的正交三轴右手坐标系，且OXY平面在水平面内，Z轴竖直向上。开始时坐标系O-ABC与O-XYZ重合，保持坐标系O-XYZ固定，坐标系O-ABC依次绕OA、(旋转后的)OB、(旋转后的旋转后的)OC轴分别逆时针旋转φ、θ和η角(度)，使得OA、OB、OC轴分别与水平面的夹角为α、β和γ，且OC在OXY平面上投影与直线OY夹角逆时针为ω，即OY逆时针旋转ω度后得到OC在OXY水平面的投影线，如图3即可给出φ、θ和η角(度)用α、β、γ以及ω的表达式，过程如下：
先进行空间坐标变换，O-ABC逆时针绕OA旋转φ，X坐标不变YZ进行旋转变换
Figure BDA0003032921300000091
Figure BDA0003032921300000092
同理，绕OB旋转θ，绕OC旋转η
Figure BDA0003032921300000093
Figure BDA0003032921300000094
Figure BDA0003032921300000095
Figure BDA0003032921300000101
变换后的
Figure BDA0003032921300000102
Figure BDA0003032921300000103
Figure BDA0003032921300000104
Figure BDA0003032921300000105
Figure BDA0003032921300000106
同理
Figure BDA0003032921300000107
Figure BDA0003032921300000111
sinθ＝sinωcosγ (13)
Figure BDA0003032921300000112
Figure BDA0003032921300000113
因
Figure BDA0003032921300000114
所以
Figure BDA0003032921300000115
在平面方程Γ1上
Γ1：-sinωx+cosωy+tanγz＝0 (16)
又因
Figure BDA0003032921300000116
与
Figure BDA0003032921300000117
夹角为
Figure BDA0003032921300000118
所以
Figure BDA0003032921300000119
在曲面圆锥方程Γ2上
Figure BDA00030329213000001110
解得OB方程为
Figure BDA00030329213000001111
同理OA方程为
Figure BDA00030329213000001112
姿态旋转矩阵为
Figure BDA00030329213000001113
Figure BDA00030329213000001114
姿态旋转矩阵可与欧拉旋转矩阵一一对应
根据修正孔的方向，其孔外的方向可以通过常规方法确定，加上竖直方向的电子罗盘和加速度计测值，将这些测值用于监测孔对应深度传感器(包括电子罗盘和加速度计)的修正。
根据欧拉三轴旋转坐标转换公式，根据上面次序和旋转方向，将每段的活动坐标系转动到每段的固定坐标系，得到固定坐标系下每段Z轴上考虑伸长和姿态变化后的测点三维坐标。
(1)建立固定正交三维坐标系O-XYZ，本发明采用右手坐标系，其X、Y在水平面内，Z轴与重力加速度重合且方向竖直向上。
(2)安装(杆式位移计)带有轴线长度监测和轴线姿态的多节首尾万向节相连的位移监测设备，当深部位移可以忽略时，采用深部仪器最低点【一般假设为不动点(X0＝0、Y0＝0、Z0＝0)】作为起算点；当深部最下端位移需要监测时采用由地面变形监测方法同步时间获得的地面变形【X0(t)、Y0(t)、Z0(t)】作为起算点进行计算。本发明每节单元长度采用杆式位移计进行监测，轴线方位采用三轴电子罗盘耦合三轴加速度计(用于高精度测量与重力加速度矢量之间的夹角)获取。
(3)在仪器每节测量单元上建立固定在分段测量单元上并随单元同步运行的活动坐标系O-ABC，每段单元都与被监测对象锚固在一起，随被监测对象一起变形参见图4。
(4)采用电子罗盘测得OC在OXY平面上投影与直线OY夹角为ω
则
Figure BDA0003032921300000121
设面COY法向量为
Figure BDA0003032921300000122
Figure BDA0003032921300000123
与
Figure BDA0003032921300000124
垂直，得
Figure BDA0003032921300000131
再有面OXZ法向量为
Figure BDA0003032921300000132
与
Figure BDA0003032921300000133
垂直,得
Figure BDA0003032921300000134
因此
Figure BDA0003032921300000135
Figure BDA0003032921300000136
因此
Figure BDA0003032921300000137
(5)将现时坐标系O-ABC看成O-XYZ先后绕OY轴顺时针旋转夹角φ，再绕OX轴逆时针旋转夹角θ，从而获得两个转角，得到固定坐标系下每段Z轴上考虑伸长和姿态变化后的测点三维坐标。
在Oi+1与Oi监测点变换中，取OZ轴上任意一点P，其中L(t)由轴向位移计获得
Figure BDA0003032921300000141
OP经过两次绕O旋转得OP’
Figure BDA0003032921300000142
其中φ、θ、ω、L(t)为时间t的函数，因L(t)是值域为R，所以P’可表示空间任意一点。因此在坐标系在OABC中任一点坐标可用OZ轴上通过L(t)变化表示。因此Oi+1点坐标可由Oi点坐标系变换确定。
(6)依据坐标转转公式，得到旋转变形后的坐标再固定坐标系中的表示为：
在同一监测点坐标系O-ABC与O-XYZ变化中，采用三个欧拉旋转方程，已知φ、θ和η角(度)用α、β、γ以及ω的表达式
由式(5)、(6)得
Figure BDA0003032921300000143
(7)考虑地面修正，各段求和后获得地下第M点的三维坐标，与前一时刻坐标之差即可得到地下各测点的三维变形。
从起算点向上/下的第m个测点的三维位移可以通过如下公式得到：
Figure BDA0003032921300000151
其中右式第二项为O1至Oi之间的相对坐标，第三项为第Oi监测点坐标系内的坐标。
由于修正孔的仪器姿态已知，因此可以利用修正孔的电子罗盘数据和测斜数据修正监测孔内的电子罗盘数据和重力加速度数据。考虑到地下分层沉降导致的监测孔和修正孔内各点的仪器位置可能发生变化，这里采用利用修正孔内电子罗盘和三轴加速度数据对深度方向上进行样条回归的方法确定地磁及重力加速度沿深度方向上的分布，根据回归后的地磁及重力加速度方程通过在监测孔对应测点孔深取值的方法即可获得监测孔的对应修正值。
监测孔和修正孔仪器安装初始位置一致，只是监测孔每段都锚固，保证有效监测到仪器和土体变形协调。修正孔无需锚固，为保证所监测到的磁场不收影响，孔壁如采用护管则护管采用透磁轻质材料，对于不存在塌孔风险的部位采用孔内不安装护管。
在监测孔中的位移为总矢量为
Figure BDA0003032921300000152
Xj(t),Yj(t),Zj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形分量；修正孔位各节点修正变形矢量为
Figure BDA0003032921300000153
其中xεj(t),yεj(t),zεj(t)分别为修正孔中三维直角坐标系中三个方向的变形分量，j表示第j个节点的序号，通过监测孔获得的准确的实测变形误差是上述总位移矢量与修正位移矢量之差
Figure BDA0003032921300000161
相应的本发明还提供一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正系统，包括：
第一获取模块，用于获取监测孔中三维变形监测装置的每节测量单元的监测孔姿态数据，其中，测量单元为安装有姿态传感器的杆式位移计，每节杆式位移计通过万向节链接形成真三维变形监测装置；
第二获取模块，利用修正孔中姿态数据采用样条回归获得姿态数据沿孔深的分布，其中，修正孔为在监测孔附近相同地磁环境下钻取同样深度的孔，并且与监测孔深度相似以及孔内布置同类型的三维变形监测装置，修正孔孔深和孔径大于监测孔，使得变形前后三维变形监测装置处于自由下垂状态；
确定模块，用于根据修正孔姿态分布数据是由于误差引起的，而这种误差在监测孔中同样存在，为此可以利用修正孔姿态分布数据确定监测孔各测点的修正数据。根据监测孔杆式位移计的测值计算每节测量单元中测点的高程坐标；依据所述高程坐标和所述姿态误差沿深度方向上的分布确定相应高程处的修正数据矢量；
用于利用该变形修正数据对监测孔中对应深度的实测变形数据进行修正。
所述监测孔中的每节测量单元与被监测的土层之间通过锚固装置锚固；修正孔中的每节测量单元的锚固装置处于自由状态，不与被监测土层进行锚固；
所述修正孔中的真三维变形监测装置是在重力作用下的轴线为竖直自由状态。
所述姿态传感器包括高精度电子罗盘和三轴重力加速度计。
所述确定模块包括：
第一输出模块，用于利用修正孔内三维变形监测装置实测的磁场和加速度传感器的输出获得监测孔位各节点修正变形矢量为
Figure BDA0003032921300000162
其中xεj(t),yεj(t),zεj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形修正分量，j表示第j个节点的序号；
第二输出模块，用于利用监测孔三维变形监测装置实测的磁场和加速度传感器的输出获得监测孔实测位移矢量为
Figure BDA0003032921300000171
Xj(t),Yj(t),Zj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形分量；
计算模块，用于通过下式计算得到被监测对象真三维变形：
Figure BDA0003032921300000172
Figure BDA0003032921300000181
式中，xm(t)、ym(t)、zm(t)为修正过后的真三维变形三个变形分量，x0(t)、xoi(t)和xi(t)分别为X方向上O1点初始变形、X方向上第Oi+1与Oi相对变形、X方向上第Oi点局部坐标系内的变形，y0(t)、yoi(t)和yi(t)分别为Y方向上O1点初始变形、Y方向上第Oi+1与Oi相对变形、Y方向上第Oi点局部坐标系内的变形，z0(t)、zoi(t)和zi(t)分别为Z方向上O1点初始变形、Z方向上第Oi+1与Oi相对变形、Z方向上第Oi点局部坐标系内的变形，xi1(t)、yi1(t)和zi1(t)为三次旋转前的第Oi点的X方向、Y方向、Z方向上的变形，带有ε下标则表示通过修正孔获得的监测孔对应的修正数据，Li(t)为取OZ轴上任意一点P距O点长度，i表示监测点序号、m表示当前监测点序号，α、β、γ为旋转后的坐标轴OA、OB、OC轴分别与水平面的夹角，ω为OC在OXY平面上投影与直线OY逆时针夹角。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法，其特征在于，包括：
将现有阵列式/柔性位移计的每节固定长度的刚性杆件采用杆式位移计取代，同时每节安装姿态传感器和土/岩体/混凝土锚固装置，组成变形监测装置；
在需要监测的部位进行钻监测孔，孔深根据被监测对象的深部变形范围确定；获取监测孔中变形监测装置每节测量单元的姿态数据，通过姿态监测数据结合杆式位移计的伸长/缩短数据获取第j个监测点t时刻的三维坐标；其中，测量单元为安装有姿态传感器的杆式位移计，每节杆式位移计通过万向节链接形成真三维变形监测装置；
获取修正孔中变形监测装置的每节测量单元的姿态数据，通过姿态监测数据结合本仪器杆式位移计的伸长/缩短数据获取第各测点t时刻的三维坐标，利用样条回归获得姿态数据深度上的分布；修正孔为在监测孔附近相同地磁环境下钻取类似深度的孔，并且与监测孔深度相同以及孔内布置同类型的三维变形监测装置，修正孔孔径大于监测孔，使得深部变形状态下修正孔内三维变形监测装置处于自由下垂的铅直状态；
根据修正孔姿态分布获得监测孔t时刻的j测点三维坐标变形修正向量
Figure QLYQS_1
利用该变形修正向量
Figure QLYQS_2
对监测孔中对应深度的实测数据
Figure QLYQS_3
进行修正，即得到被监测部位的深部真三维变形
Figure QLYQS_4
根据修正孔姿态数据利用样条回归的方法确定监测孔对应深度上三维坐标各方向上t时刻的修正数据
Figure QLYQS_5
其中xεj(t)、yεj(t)和zεj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形修正分量，j表示第j个节点的序号；
监测孔三维变形监测装置实测的姿态数据获得的监测孔位移实测位移矢量为，
Figure QLYQS_6
Xj(t)、Yj(t)和Zj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的分量，则通过监测孔获得的被监测对象深部真三维变形是上述监测孔实测位移矢量与修正位移矢量之差，即：
Figure QLYQS_7
Figure QLYQS_8
Figure QLYQS_9
式中，xm(t)、ym(t)、zm(t)为修正过后的真三维变形三个变形分量，x0(t)、xoi(t)和xi(t)分别为X方向上O1点初始变形、X方向上第Oi+1与Oi相对变形、X方向上第Oi点局部坐标系内的变形，y0(t)、yoi(t)和yi(t)分别为Y方向上O1点初始变形、Y方向上第Oi+1与Oi相对变形、Y方向上第Oi点局部坐标系内的变形，z0(t)、zoi(t)和zi(t)分别为Z方向上O1点初始变形、Z方向上第Oi+1与Oi相对变形、Z方向上第Oi点局部坐标系内的变形，xi1(t)、yi1(t)和zi1(t)为三次旋转前的第Oi点的X方向、Y方向、Z方向上的变形，带有ε下标则表示通过修正孔获得的监测孔对应的修正数据，Li(t)为取OZ轴上任意一点P距O点长度，i表示监测点序号、m表示当前监测点序号，α、β、γ为旋转后的坐标轴OA、OB、OC轴分别与水平面的夹角，ω为OC在OXY平面上投影与直线OY逆时针夹角。
2.根据权利要求1所述的深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法，其特征在于，
所述监测孔中的每节测量单元与被监测的土层之间通过锚固装置锚固；修正孔中的每节测量单元的锚固装置处于自由状态，不与被监测土层进行锚固。
3.根据权利要求1所述的深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法，其特征在于，所述修正孔中的真三维变形监测装置是在重力作用下的轴线为竖直自由状态。
4.根据权利要求1所述的深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正方法，其特征在于，所述姿态传感器包括高精度电子罗盘和三轴重力加速度计。
5.一种深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取监测孔中三维变形监测装置的每节测量单元的监测孔姿态数据，其中，测量单元为安装有姿态传感器的杆式位移计，每节杆式位移计通过万向节链接形成真三维变形监测装置；
第二获取模块，用于获取修正孔中三维变形监测装置的每节测量单元的修正孔姿态数据，其中，修正孔为在监测孔附近相同地磁环境下钻取同样深度的孔，并且与监测孔深度相同以及孔内布置相同的真三维变形监测装置，修正孔孔径大于监测孔，真三维变形监测装置处于自由下垂状态；
确定模块，根据修正孔杆式位移计的测值计算每节测量单元中测点的高程坐标，根据修正孔姿态数据利用样条回归的方法确定沿深度上的姿态数据分布，依据所述姿态数据分布结合监测孔测点高程获得监测孔沿深度方向上测点的修正数据；
修正模块，用于利用修正数据对监测孔中对应深度的实测数据进行修正，从而获得被监测对象的真三维变形；
所述确定模块包括：
第一输出模块，用于利用修正孔内三维变形监测装置实测的姿态传感器的输出获得修正孔位各测点的误差数据；采用样条回归获得监测孔对应测点的三维变形修正数据为
Figure QLYQS_10
其中xεj(t),yεj(t),zεj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形修正分量，j表示第j个节点的序号；
第二输出模块，用于利用监测孔三维变形监测装置实测的磁场和加速度传感器的输出获得监测孔实测位移矢量为
Figure QLYQS_11
Xj(t),Yj(t),Zj(t)分别为监测孔中三维直角坐标系中三个方向的变形分量；
计算模块，用于通过下式计算得到变形误差：
Figure QLYQS_12
Figure QLYQS_13
式中，xm(t)、ym(t)、zm(t)为修正过后的真三维变形三个变形分量，x0(t)、xoi(t)和xi(t)分别为X方向上O1点初始变形、X方向上第Oi+1与Oi相对变形、X方向上第Oi点局部坐标系内的变形，y0(t)、yoi(t)和yi(t)分别为Y方向上O1点初始变形、Y方向上第Oi+1与Oi相对变形、Y方向上第Oi点局部坐标系内的变形，z0(t)、zoi(t)和zi(t)分别为Z方向上O1点初始变形、Z方向上第Oi+1与Oi相对变形、Z方向上第Oi点局部坐标系内的变形，xi1(t)、yi1(t)和zi1(t)为三次旋转前的第Oi点的X方向、Y方向、Z方向上的变形，带有ε下标则表示通过修正孔获得的监测孔对应的修正数据，Li(t)为取OZ轴上任意一点P距O点长度，i表示监测点序号、m表示当前监测点序号，α、β、γ为旋转后的坐标轴OA、OB、OC轴分别与水平面的夹角，ω为OC在OXY平面上投影与直线OY逆时针夹角。
6.根据权利要求5所述的深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正系统，其特征在于，所述监测孔中的每节测量单元与被监测的土层之间通过锚固装置锚固；修正孔中的每节测量单元的锚固装置处于自由状态，不与被监测土层进行锚固。
7.根据权利要求5所述的深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正系统，其特征在于，所述修正孔中的真三维变形监测装置是在重力作用下的轴线为竖直自由状态。
8.根据权利要求5所述的深部真三维变形监测的地磁和偏扭同步修正系统，其特征在于，所述姿态传感器包括高精度电子罗盘和三轴重力加速度计。
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