變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

1、歡迎各位同學！,,,課程：變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,主要參考書: 1.陳永奇,吳子安,吳中如.變形監(jiān)測分析與預報. 北京:測繪出版社,1998 2.吳子安.工程建筑物變形觀測數(shù)據(jù)處理. 北京:測繪出版社,1989 3.陳永奇.變形觀測數(shù)據(jù)處理. 北京:測繪出版社,19

2、88 4.吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應用. 北京:高等教育出版社,2003,變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,主要參考書: 5.吳中如,顧沖時.大壩原型反分析及其應用. 南京:江蘇科學技術(shù)出版社,2000 6.夏才初,潘國榮.土木工程監(jiān)測技術(shù). 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001 7.王尚慶.長江三峽滑坡監(jiān)測預報.

3、 北京:地質(zhì)出版社,1999 8.李珍照.大壩安全監(jiān)測. 北京:中國電力出版社,1997,變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,9.岳建平等.變形監(jiān)測技術(shù)與應用. 國防工業(yè)出版社 200710.何秀鳳.變形監(jiān)測新方法及其應用.科學出版社 200711.伊曉東等.變形監(jiān)測技術(shù)及應用.黃河水利出版社 2007 12.白迪謀.工程建筑物變形觀測和變形分析.

4、 西南交通大學出版社 2002 13.朱建軍等.變形測量的理論與方法.中南大學出版社 2004 14.唐孟雄等.深基坑工程變形控制. 中國建筑工業(yè)出版社 200615.黃聲享等.小浪底水利樞紐外部變形規(guī)律研究. 測繪出版社,2008.12,變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,規(guī)范:

5、 中華人民共和國行業(yè)標準.建筑變形測量規(guī)范 （JGJ8-2007）. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008中華人民共和國水利行業(yè)標準. 混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（DL/T 5178-2003）. 北京：中國水利水電出版社, 2004,1.本課程學習的重要性2.本課程涉及到的主要問題 變形監(jiān)測技術(shù) 變形數(shù)據(jù)整編 變形分析與預報,變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,如何學好該課程？,變形監(jiān)測任務書,監(jiān)測方案,監(jiān)

6、測資料的預處理,監(jiān)測基準與穩(wěn)定性分析,變形分析方法,,,,,數(shù)理統(tǒng)計知識,,,,確定性模型,統(tǒng)計模型,,,,,變形監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取,,自動化觀測,人工觀測,,,,,第一章 引 論,主要內(nèi)容,變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展關(guān)于本課程的學習,本節(jié)要求了解并掌握三方面的內(nèi)容： 變形監(jiān)測的基本概念 變形監(jiān)測的內(nèi)容 變形監(jiān)測的目的和意義,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.1 變形

7、監(jiān)測的基本概念 變形的概念 變形監(jiān)測的概念 變形體的范疇,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.1 變形監(jiān)測的基本概念變形是自然界的普遍現(xiàn)象，它是指變形體在各種荷載作用下，其形狀、大小及位置在時空域中的變化。變形體的變形在一定范圍內(nèi)被認為是允許的，如果超出允許值，則可能引發(fā)災害。自然界的變形危害現(xiàn)象時刻都在我們周邊發(fā)生著，如地震、滑坡、巖崩、地表沉陷、火山爆發(fā)、潰壩、橋梁與建筑物的倒塌等。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的

8、與意義,1.1.1 變形監(jiān)測的基本概念 變形的概念 變形監(jiān)測的概念 變形體的范疇,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.1 變形監(jiān)測的基本概念所謂變形監(jiān)測，就是利用測量與專用儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進行監(jiān)視觀測的工作。其任務是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。變形監(jiān)測工作是人們通過變形現(xiàn)象獲得科學認識、檢驗理論和假設(shè)的必要手段。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.

9、1.1 變形監(jiān)測的基本概念 變形的概念 變形監(jiān)測的概念 變形體的范疇,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.1 變形監(jiān)測的基本概念變形體的范疇可以大到整個地球，小到一個工程建（構(gòu)）筑物的塊體，它包括自然的和人工的構(gòu)筑物。根據(jù)變形體的研究范圍，可將變形監(jiān)測研究對象劃分為這樣三類：全球性變形研究，如監(jiān)測全球板塊運動、地極移動、地球自轉(zhuǎn)速率變化、地潮等；區(qū)域性變形研究，如地殼形變監(jiān)測、城市地面沉降等；工程和局部性變形

10、研究，如監(jiān)測工程建筑物的三維變形、滑坡體的滑動、地下開采使引起的地表移動和下沉等。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.1 變形監(jiān)測的基本概念在精密工程測量中，研究的最具有代表性的變形體有： 大壩 橋梁 高層（聳）建筑物 礦區(qū) 防護堤 邊坡 隧道 地鐵 地表沉降 高速鐵路 核電站 大型科學實驗裝置

11、等,1.1.1 變形監(jiān)測的基本概念 變形的概念 變形監(jiān)測的概念 變形體的范疇,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,本節(jié)要求了解并掌握三方面的內(nèi)容： 變形監(jiān)測的基本概念 變形監(jiān)測的內(nèi)容 變形監(jiān)測的目的和意義,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.2 變形監(jiān)測的內(nèi)容變形監(jiān)測的內(nèi)容，應根據(jù)變形體的性質(zhì)與地基情況來定。要求有明確的針對性，既要有重點，又要作全面考慮，以便能正確反映出變形體的變化情況，達到監(jiān)視變形體的安

12、全、了解其變形規(guī)律之目的。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.2 變形監(jiān)測的內(nèi)容1）工業(yè)與民用建筑物：主要包括基礎(chǔ)的沉陷觀測與建筑物本身的變形觀測。就其基礎(chǔ)而言，主要觀測內(nèi)容是建筑物的均勻沉陷與不均勻沉陷。對于建筑物本身來說，則主要是觀測傾斜與裂縫。對于高層和高聳建筑物，還應對其動態(tài)變形（主要為振動的幅值、頻率和扭轉(zhuǎn)）進行觀測。對于工業(yè)企業(yè)、科學試驗設(shè)施與軍事設(shè)施中的各種工藝設(shè)備、導軌等，其主要觀測內(nèi)容是水平位移和垂直位移

13、。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.2 變形監(jiān)測的內(nèi)容2）水工建筑物：對于土壩，其觀測項目主要為水平位移、垂直位移、滲透以及裂縫觀測。對于混凝土壩，以混凝土重力壩為例，由于水壓力、外界溫度變化、壩體自重等因素的作用， 其主要觀測項目主要為垂直位移（從而可以求得基礎(chǔ)與壩體的轉(zhuǎn)動）、水平位移（從而可以求得壩體的扭曲）以及伸縮縫的觀測，這些內(nèi)容通常稱為外部變形觀測。此外，為了了解混凝土壩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，還應對混凝土應力、鋼筋應

14、力、溫度等進行觀測，這些內(nèi)容通常稱為內(nèi)部觀測。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.2 變形監(jiān)測的內(nèi)容3）地面沉降：對于建立在江河下游沖積層上的城市，由于工業(yè)用水需要大量地吸取地下水，而影響地下土層的結(jié)構(gòu)，將使地面發(fā)生沉降現(xiàn)象。對于地下采礦地區(qū)，由于在地下大量的采掘，也會使地表發(fā)生沉降現(xiàn)象。這種沉降現(xiàn)象嚴重的城市地區(qū)，暴雨以后將發(fā)生大面積的積水，影響倉庫的使用與居民的生活。有時甚至造成地下管線的破壞，危及建筑物的安全。因此，

15、必須定期地進行觀測，掌握其沉降與回升的規(guī)律，以便采取防護措施。對于這些地區(qū)主要應進行地表沉降觀測。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,本節(jié)要求了解并掌握三方面的內(nèi)容： 變形監(jiān)測的基本概念 變形監(jiān)測的內(nèi)容 變形監(jiān)測的目的和意義,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 人類社會的進步，國民經(jīng)濟的發(fā)展，加快了工程建設(shè)的進程，并且對現(xiàn)代工程建筑物的規(guī)模、造型、難度提出了更高的要求。與此同時，變形監(jiān)測工

16、作的意義更加重要。眾所周知，工程建筑物在施工和運營期間，由于受多種主客觀因素的影響，會產(chǎn)生變形，變形如果超出了規(guī)定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴重時還會危及建筑物的安全，給人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失。盡管工程建筑物在設(shè)計時采用了一定的安全系數(shù)，使其能安全承受所考慮的多種外荷載影響，但是由于設(shè)計中不可能對工程的工作條件及承載能力做出完全準確的估計，施工質(zhì)量也不可能完美無缺，工程在運行過程中還可能發(fā)生某些不利的變化因素，因此，國內(nèi)外仍有

17、一些工程出現(xiàn)事故。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 以大壩為例:法國67m高的馬爾巴塞（Malpasset）拱壩1959年垮壩；意大利262m高的瓦依昂（Vajont）拱壩1963年因庫岸大滑坡導致涌浪翻壩且水庫淤滿失效；美國93m高的提堂（Teton）土壩1976年潰決；我國板橋和石漫灘兩座土壩1975年洪水漫壩失事等，都是一些典型的事例。 可見，保證工程建筑物安全是一個十分重要

18、的、很實際的問題。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 塔可馬大橋(Tacoma Narrows)事件: 1940年完工，主跨853m,只使用了三個月，便在19m/s的風速下造成了塌橋事故。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,扭曲運動之一,扭曲運動之二,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 塔可馬大橋(Tacoma Narrows)事件:,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,邊跨下垂,1.1

19、.3 變形監(jiān)測的目的和意義 塔可馬大橋(Tacoma Narrows)事件:,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,主跨破壞,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 塔可馬大橋(Tacoma Narrows)事件:,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,破壞慘狀,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 塔可馬大橋(Tacoma Narrows)事件:,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,新TACOMA橋,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和

20、意義 目前，災害的監(jiān)測與防治已越來越受到全社會、全人類的普遍關(guān)注，各級政府及主管部門對此問題十分重視，諸多國際學術(shù)組織，如國際大地測量協(xié)會（IAG）、國際測量師聯(lián)合會（FIG）、國際巖石力學協(xié)會（ISRM）、國際大壩委員會（ICOLD）、國際礦山測量協(xié)會（ISM）等，非常活躍地定期召開專業(yè)會議進行學術(shù)交流和研究對策。經(jīng)過廣大測量科技工作者和工程技術(shù)人員近三十年的共同努力，在變形監(jiān)測領(lǐng)域，取得了豐碩的理論研究成果，并發(fā)揮了實用效益。,1

21、.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 例如: 利用地球物理大地測量反演理論，于1993年準確預測了1996年發(fā)生的麗江大地震； 1985年6月12日長江三峽新灘滑坡的成功預報，使得災害損失減少到最低程度，被譽為我國滑坡預報研究史上罕見的奇跡； 隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)在1998年長江流域抗洪錯峰中所發(fā)揮的巨大作用，確保了安全渡汛，避免了荊江大堤災難性的分洪。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、

22、目的與意義,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 科學、準確、及時地分析和預報工程及工程建筑物的變形狀況，對工程建筑物的施工和運營管理極為重要，這一工作屬于變形監(jiān)測的范疇。由于變形監(jiān)測涉及到測量、工程地質(zhì)、水文、結(jié)構(gòu)力學、地球物理、計算機科學等諸多學科的知識，是一項跨學科的研究，正向邊緣學科的方向發(fā)展，已成為測量工作者與其它學科專家合作研究的領(lǐng)域。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 變形監(jiān)

23、測所研究的理論和方法主要涉及到這樣三個方面： 變形信息的獲?。?變形信息的分析與解釋； 以及變形預報。 其研究成果對預防自然災害及了解變形機理是極為重要的。對于工程建筑物，變形監(jiān)測除了作為判斷其安全的耳目之外，還是檢驗設(shè)計和施工的重要手段。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,1.1.3 變形監(jiān)測的目的和意義 對于工程建筑物，變形監(jiān)測的意義重點表現(xiàn)在： 確保安全 驗證設(shè)計 災害防治 具有實用上的意

24、義，主要是掌握各種建筑物和地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性，為安全性診斷提供必要信息，及時發(fā)現(xiàn)問題，以便采取措施； 具有科學上的意義，包括更好地理解變形的機理，驗證有關(guān)工程設(shè)計的理論和地殼運動的假說，進行反饋設(shè)計，以及建立有效的變形預報模型。,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,本節(jié)要求了解并掌握三方面的內(nèi)容： 變形監(jiān)測的基本概念 變形監(jiān)測的內(nèi)容 變形監(jiān)測的目的和意義,1.1 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義,第一章 引 論,主要內(nèi)容,變形監(jiān)測的

25、內(nèi)容、目的與意義變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展關(guān)于本課程的學習,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,本節(jié)重點為： 變形信息獲取的手段 變形監(jiān)測方案設(shè)計問題 地表變形監(jiān)測方法 GPS周期性和連續(xù)性變形監(jiān)測問題 GPS動態(tài)監(jiān)測 變形監(jiān)測技術(shù)的未來,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,變形信息獲取方法的選擇取決于變形體的特征、變形監(jiān)測的目的、變形大小和變形速度等因素。 在全球性變形監(jiān)測方面，空間大地測量是最基本最

26、適用的技術(shù)，它主要包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、甚長基線射電干涉測量（VLBI）、衛(wèi)星激光測距（SLR）、激光測月技術(shù)（LLR）以及衛(wèi)星重力探測技術(shù)（衛(wèi)星測高、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和衛(wèi)星重力梯度測量）等技術(shù)手段；,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,在區(qū)域性變形監(jiān)測方面，GPS已成為主要的技術(shù)手段。近十年發(fā)展起來的空間對地觀測遙感新技術(shù)——合成孔徑雷達干涉測量（InSAR,Interferometric Synthetic Aperture Radar

27、），在監(jiān)測地震變形、火山地表移動、冰川漂移、地面沉降、山體滑坡等方面，其試驗成果的精度已可達厘米或毫米級，表現(xiàn)出很強的技術(shù)優(yōu)勢。但精密水準測量依然是高精度高程信息獲取的方法。 在工程和局部性變形監(jiān)測方面，地面常規(guī)測量技術(shù)、地面攝影測量技術(shù)、特殊和專用的測量手段、以及以GPS為主的空間定位技術(shù)等均得到了較好的應用。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,本節(jié)重點為： 變形信息獲取的手段 變形監(jiān)測方案設(shè)計問題 地表變形監(jiān)測方法 GP

28、S周期性和連續(xù)性變形監(jiān)測問題 GPS動態(tài)監(jiān)測 變形監(jiān)測技術(shù)的未來,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,合理設(shè)計變形監(jiān)測方案是變形監(jiān)測的首要工作，對于監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計而言，其主要內(nèi)容包括：確定監(jiān)測網(wǎng)的質(zhì)量標準；選擇觀測方法；點位的最佳布設(shè)和觀測方案的最優(yōu)選擇。在過去三十年里，變形監(jiān)測方案設(shè)計和監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的研究較為深入和全面，取得了豐富的理論研究成果和實用效益，這一點可從眾多文獻中得到體現(xiàn)。目前，在變形監(jiān)測方案與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方面，其主要發(fā)展是監(jiān)

29、測方案的綜合設(shè)計和監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與綜合處理。例如，在大壩的變形監(jiān)測中，要綜合考慮外部觀測和內(nèi)部觀測設(shè)計，大地測量與特殊測量的觀測量（geodetic and geotechnical observations）要進行綜合處理與分析。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,本節(jié)重點為： 變形信息獲取的手段 變形監(jiān)測方案設(shè)計問題 地表變形監(jiān)測方法 GPS周期性和連續(xù)性變形監(jiān)測問題 GPS動態(tài)監(jiān)測 變形監(jiān)測技術(shù)的未來,數(shù)十年變形監(jiān)測

30、技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測方法主要采用的是大地測量法。 1）常規(guī)地面測量方法的完善與發(fā)展，其顯著進步是全站型儀器的廣泛使用，尤其是全自動跟蹤全站儀（RTS, Robotic Total Stations），也稱測量機器人（Georobot），為局部工程變形的自動監(jiān)測或室內(nèi)監(jiān)測提供了一種很好的技術(shù)手段，它可進行一定范圍內(nèi)無人值守、全天侯、全方位的自動監(jiān)測。 例如，在美國加州南部的一個新水庫（Diamond

31、Valley Lake已安裝了由8個永久性 RTS 和218個棱鏡組成的地面自動監(jiān)測系統(tǒng)。但是，TPS（Terrestrial Positional System）的最大缺陷是受測程限制，測站點一般都處在變形區(qū)域范圍之內(nèi)。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,2）地面攝影測量技術(shù)在變形監(jiān)測中的應用起步較早，但是由于攝影距離不能過遠，絕對精度較低，使得其應用受到局限，僅大量應用于高塔、煙囪、古建筑、船閘、邊坡體等的變形監(jiān)測。后來發(fā)展起來的數(shù)字攝

32、影測量和實時攝影測量為地面攝影測量技術(shù)在變形監(jiān)測中的深入應用開拓了非常廣泛的前景。地面三維激光掃描系統(tǒng)將是變形監(jiān)測領(lǐng)域的一種重要技術(shù)。 3）光、機、電技術(shù)的發(fā)展，研制了一些特殊和專用的監(jiān)測儀器可用于變形的自動監(jiān)測，它包括應變測量、準直測量和傾斜測量。采用光纖傳感器測量系統(tǒng)將信號測量與信號傳輸合二為一，具有強的抗雷擊、抗電磁場干擾和抗惡劣環(huán)境的能力，便于組成遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)在線分布式監(jiān)測。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,4）G

33、NSS作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術(shù)，已逐漸在許多領(lǐng)域取代常規(guī)光學和電子測量儀器，在變形監(jiān)測領(lǐng)域也不例外。 自從上世紀80年代以來，尤其是進入90年代后，GPS衛(wèi)星定位和導航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標的方法將測繪定位技術(shù)從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間，從靜態(tài)擴展到動態(tài)，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事后處理擴展到實時（準實時）定位與導航，絕對和相對精度擴展到

34、米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬了它的應用范圍和在各行各業(yè)中的作用。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,本節(jié)重點為： 變形信息獲取的手段 變形監(jiān)測方案設(shè)計問題 地表變形監(jiān)測方法 GPS周期性和連續(xù)性變形監(jiān)測問題 GPS動態(tài)監(jiān)測 變形監(jiān)測技術(shù)的未來,數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計算機技術(shù)和以GPS為代表的空間定位技術(shù)的日益發(fā)展和完善，使得GPS法由原來的周期性觀測走向高精度、實時、連續(xù)、自動監(jiān)測成為可能。

35、 GPS用于變形監(jiān)測的作業(yè)方式可劃分為周期性和連續(xù)性兩種模式（episodic and continuous mode）。 1）周期性變形監(jiān)測與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測網(wǎng)沒有多大區(qū)別，因為有的變形體的變形極為緩慢，在局部時間域內(nèi)可以認為是穩(wěn)定的，其監(jiān)測頻率可以是幾個月，有的長達幾年，此時，采用GPS靜態(tài)相對定位法進行測量，數(shù)據(jù)處理與分析一般都是事后的。經(jīng)過十多年的努力，GPS靜態(tài)相對定位數(shù)據(jù)處理技術(shù)基本成熟，在周期性監(jiān)測方

36、面，其最大屏障還是變形基準的選擇與確定，已成為近幾年研究的關(guān)鍵 。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,GPS在工程中的應用,清江隔河巖大壩GPS自動監(jiān)測系統(tǒng),清江隔河巖大壩,清江隔河巖大壩GPS自動監(jiān)測系統(tǒng),5.1.4 實際應用,清江隔河巖大壩GPS自動監(jiān)測系統(tǒng),清江隔河巖大壩GPS自動監(jiān)測系統(tǒng),隔河巖大壩GPS監(jiān)測點位分布圖,GPS用于橋梁的安全監(jiān)測,GPS在工程中的應用,武漢長江二橋GPS變形監(jiān)測網(wǎng),2）連續(xù)性變形監(jiān)測指的是采用固定

37、監(jiān)測儀器進行長時間的數(shù)據(jù)采集，獲得變形數(shù)據(jù)序列。雖然連續(xù)性監(jiān)測模式也是對測點進行重復性的觀測，但其觀測數(shù)據(jù)是連續(xù)的，具有較高的時間分辨率。根據(jù)變形體的不同特征，GPS連續(xù)性監(jiān)測可采用靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進行觀測，一般要求變形響應的實時性，它為數(shù)據(jù)解算和分析提出了更高要求。比如，大壩在超水位蓄洪時就必須時刻監(jiān)視其變形狀況，要求監(jiān)測系統(tǒng)具有實時的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理與分析能力。當然，有的監(jiān)測對象雖然要求較高的時間采樣率，

38、但是數(shù)據(jù)解算和分析可以是事后的。比如，橋梁的靜動載試驗和高層建筑物的振動測量，其監(jiān)測的目的在于獲取變形信息，數(shù)據(jù)處理與分析可以事后進行。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,本節(jié)重點為： 變形信息獲取的手段 變形監(jiān)測方案設(shè)計問題 地表變形監(jiān)測方法 GPS周期性和連續(xù)性變形監(jiān)測問題 GPS動態(tài)監(jiān)測 變形監(jiān)測技術(shù)的未來,GPS在工程中的應用,廈門的高層建筑,GPS在高層建筑動態(tài)監(jiān)測中的應用,廈門建設(shè)銀行

39、大廈,GPS動態(tài)監(jiān)測—監(jiān)測方案,GPS在高層建筑動態(tài)監(jiān)測中的應用,結(jié)構(gòu)振動頻段信號的頻譜分析及對比,GPS用于橋梁的安全監(jiān)測,GPS在工程中的應用,GPS用于橋梁的安全監(jiān)測,GPS在工程中的應用,武漢長江二橋GPS動態(tài)監(jiān)測,,GPS在工程中的應用,武漢長江二橋GPS動態(tài)監(jiān)測,,,監(jiān)測點(WH02) 相對于基準站(WH01)在H方向的頻譜圖,GPS在工程中的應用,武漢長江二橋GPS動態(tài)監(jiān)測,,,監(jiān)測點(WH02) 相對于參考點(WH03

40、)在H方向的頻譜圖,,GPS在工程中的應用,武漢長江二橋GPS動態(tài)監(jiān)測,,,參考點(WH03) 相對于基準站(WH01)在H方向的頻譜圖,,,在動態(tài)監(jiān)測方面，過去一般采用加速度計、激光干涉儀等測量設(shè)備測定建筑結(jié)構(gòu)的振動特性，但是，隨著建筑物高度的增高，以及連續(xù)性、實時性和自動化監(jiān)測程度的要求加強，常規(guī)測量技術(shù)已越來越受到局限。GPS作為一種新方法，由于其硬件和軟件的發(fā)展與完善，特別是高采樣率（目前有的已高達20Hz）GPS接收機的出現(xiàn)，

41、在大型結(jié)構(gòu)物動態(tài)特性和變形監(jiān)測方面已表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性。近幾年來，一些學者已開展了卓有成效的GPS動態(tài)監(jiān)測實驗與測試工作。目前，GPS動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理主要采用OTF方法，同時，GPS變形監(jiān)測單歷元求解算法及其相應軟件開發(fā)的研究也在發(fā)展之中。令人鼓舞的是，正如Loves等（1995）所言，隨著GPS動態(tài)變形監(jiān)測能力的進一步證實，這一技術(shù)可望被采納為測量結(jié)構(gòu)振動的標準技術(shù)。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,本節(jié)

42、重點為： 變形信息獲取的手段 變形監(jiān)測方案設(shè)計問題 地表變形監(jiān)測方法 GPS周期性和連續(xù)性變形監(jiān)測問題 GPS動態(tài)監(jiān)測 變形監(jiān)測技術(shù)的未來,展望變形監(jiān)測技術(shù)的未來：① 多種傳感器、數(shù)字近景攝影、全自動跟蹤全站儀和GPS的應用，將向?qū)崟r、連續(xù)、高效率、自動化、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的方向發(fā)展；② 變形監(jiān)測的時空采樣率會得到大大提高，變形監(jiān)測自動化可為變形分析提供極為豐富的數(shù)據(jù)信息；③ 高度可靠、實用、先進的監(jiān)測儀器和自動化系統(tǒng)，

43、要求在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠地運行；④ 實現(xiàn)遠程在線實時監(jiān)控，在大壩、橋梁、邊坡體等工程中將發(fā)揮巨大作用，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控是推進重大工程安全監(jiān)控管理的必由之路。,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,1.2 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展,本節(jié)重點為： 變形信息獲取的手段 變形監(jiān)測方案設(shè)計問題 地表變形監(jiān)測方法 GPS周期性和連續(xù)性變形監(jiān)測問題 GPS動態(tài)監(jiān)測 變形監(jiān)測技術(shù)的未來,第一章 引 論,主要內(nèi)容,變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義變形監(jiān)測技

44、術(shù)及其發(fā)展變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,本節(jié)的內(nèi)容重點： 變形分析的內(nèi)涵 變形分析的主要方法 變形物理解釋的內(nèi)容 變形分析的發(fā)展趨勢,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,人們對自然界現(xiàn)象的觀察，總是對有變化、無規(guī)律的部分感興趣，而對無變化、規(guī)律性很強的部分反映比較平淡。如何從平靜中找出變化，從變化中找出規(guī)律，由規(guī)律預測未來，這是人們認識事物、認識世界的常規(guī)辨證思維過程。變化越多、反應越快，系統(tǒng)越復雜，這就導致了非線性系統(tǒng)

45、的產(chǎn)生。人的思維實際是非線性的，而不是線性的，不是對表面現(xiàn)象的簡單反應，而是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，從雜亂無章中找出其內(nèi)在規(guī)律性，然后遵循規(guī)律辦事。變形分析的真正內(nèi)涵就是這樣。 變形分析的內(nèi)涵就是從錯綜復雜的變形現(xiàn)象中找出其內(nèi)在規(guī)律性。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,變形分析的研究內(nèi)容涉及到變形數(shù)據(jù)處理與分析、變形物理解釋和變形預報的各個方面，通常將其劃為兩部分： 1）變形的幾何分析; 2）變形物

46、理解釋。 變形的幾何分析是對變形體的形狀和大小的變形作幾何描述，其任務在于描述變形體變形的空間狀態(tài)和時間特性。 變形物理解釋的任務是確定變形體的變形和變形原因之間的關(guān)系，解釋變形的原因。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,傳統(tǒng)的變形幾何分析，主要包括： 參考點的穩(wěn)定性分析 觀測值的平差處理和質(zhì)量評定 變形模型參數(shù)估計,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,參考點的

47、穩(wěn)定性分析,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,監(jiān)測點的變形信息是相對于參考點或一定基準的，如果所選基準本身不穩(wěn)定或不統(tǒng)一，則由此獲得的變形值就不能反映真正意義上的變形，因此，變形的基準問題是變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理首先必須考慮的問題。,參考點的穩(wěn)定性分析,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,過去對參考點的穩(wěn)定性分析主要局限于周期性的監(jiān)測網(wǎng)，方法有很多： 以方差分析進行整體檢

48、驗為基礎(chǔ)的 “平均間隙法”； 以B檢驗法為基礎(chǔ)的單點位移分量法； 以方差分析和點的位移向量為基礎(chǔ)的檢驗法； 考慮大地基準的檢驗法； 以位移的不變函數(shù)分析為基礎(chǔ)的檢驗法等。 后來發(fā)展的穩(wěn)健-S變換法，也稱逐次定權(quán)迭代法。,觀測值的平差處理和質(zhì)量評定,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,觀測值的平差處理和質(zhì)量評定非常重要，觀測值的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到變形值的精度和可靠性。在這方面，涉及到觀測值質(zhì)量、

49、平差基準、粗差處理、變形的可區(qū)分性等幾項內(nèi)容。,觀測值的平差處理和質(zhì)量評定,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,經(jīng)典平差——固定基準 自由網(wǎng)平差——重心基準 擬穩(wěn)平差——擬穩(wěn)基準在W.Baarda（1968）數(shù)據(jù)探測法提出后，粗差探測與變形的可區(qū)分性研究成果極為豐富的。,變形模型參數(shù)估計,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,陳永奇（1988）概括了兩種基本的分析

50、方法： 直接法是直接用原始的重復觀測值之差計算應變分量或它們的變化率； 位移法是用各測點坐標的平差值之差（位移值）計算應變分量。同時，提出了變形分析通用法，研制了相應的軟件DEFNAN。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,自1978年，F(xiàn)IG工程測量專業(yè)委員會設(shè)立了由國際測繪界五所權(quán)威大學組成的特別委員會“變形觀測分析專門委員會”，極大地推動了變形分析方法的研究，并取得了顯著成果。正如A.Chr

51、zanowski（1996）所評價的，變形幾何分析的主要問題已經(jīng)得到解決。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,實質(zhì)上，自20世紀70年代末至90年代初，幾何變形分析研究較為完善的是常規(guī)地面測量技術(shù)進行周期性監(jiān)測的靜態(tài)模型，考慮的僅是變形體在不同觀測時刻的空間狀態(tài)，并沒有很好地建立各個狀態(tài)間的聯(lián)系，更談不上變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)的變形分析研究。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方

52、法簡介,事實上，變形體在不同狀態(tài)之間是具有時間關(guān)聯(lián)性的。為此，后來許多學者將目光轉(zhuǎn)向時序觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)模型研究，如： 變形的時間序列分析方法建模； 基于數(shù)字信號處理的數(shù)字濾波技術(shù)分離時效分量； 變形的卡爾曼濾波模型； 用FIR（Finite Impulse Response）濾波器抑制GPS多路徑效應。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,動態(tài)變形分析既可以在時間域進行，也可以在頻率域進行。

53、 頻譜分析方法是將時域內(nèi)的數(shù)據(jù)序列通過傅立葉（Fourier）級數(shù)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)進行分析，它有利于確定時間序列的準確周期并判別隱蔽性和復雜性的周期數(shù)據(jù)。頻譜分析法用于確定動態(tài)變形特征（頻率和幅值）是一種常用方法，尤其在建筑物結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測方面被廣為采用。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,但是，頻譜分析法的苛刻條件是數(shù)據(jù)序列的等時間間隔要求，這為一些工程變形監(jiān)測分析的實用性增加了難度，因為對于非

54、等間隔時間序列進行插補和平滑處理必然會帶入人為因素的影響。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,多年來，對變形數(shù)據(jù)分析方法研究是極為活躍的，除了傳統(tǒng)的多元回歸分析法以及上述的時間序列分析法、頻譜分析法和濾波技術(shù)之外，灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性時間序列預測方法也得到了一定程度的應用。比如， 應用灰關(guān)聯(lián)分析方法研究多個因變量和多個自變量的變形問題； 應用灰色理論建模預測深基坑事故隱患； 應用人工神

55、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模進行短期變形預測。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,變形分析中，為彌補單一方法的缺陷，多種方法的結(jié)合得到了發(fā)展，例如： 模糊數(shù)學與灰色理論相結(jié)合，應用灰關(guān)聯(lián)聚類分析法進行多測點建模預測； 模糊數(shù)學與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，應用模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建模進行邊坡和大壩的變形預報； 應用抗差估計理論對多元回歸分析模型進行改進的抗差多元回歸模型，處理數(shù)據(jù)序列的粗差問題； 研究認為，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

56、與專家系統(tǒng)相結(jié)合，是解決大壩安全監(jiān)控專家系統(tǒng)開發(fā)中 “瓶頸”問題的一個好方法。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,由于變形體變形的錯綜復雜，可以看作為一個復雜性系統(tǒng)。復雜系統(tǒng)含有許多非線性、不確定性等復雜因素及它們之間相互作用所形成復雜的動力學特性。創(chuàng)立于20世紀70年代的非線性科學理論在變形研究中也得到了反映。例如，根據(jù)突變理論，用尖點突變模型研究大壩及巖基的穩(wěn)定性；將大壩運行性態(tài)看成為一種非線性動

57、力系統(tǒng)，研究了大壩觀測數(shù)據(jù)序列中的混沌現(xiàn)象。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,在變形分析中，出于實用、簡便上的考慮，我們一般應用較多的是單測點模型，為顧及監(jiān)測點的整體空間分布特性，多測點變形監(jiān)控模型也得到了發(fā)展。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,從現(xiàn)行的變形分析方法中，我們不難發(fā)現(xiàn)，大多都是離線的（事后的），不能進行即時預報與監(jiān)控，無法在緊急關(guān)頭為突發(fā)性災害提供

58、即時決策咨詢，這與目前自動化監(jiān)測系統(tǒng)的要求很不相符，為此，研究在線實時分析與監(jiān)控的方法成為技術(shù)關(guān)鍵。已有研究表明，采用遞推算法的貝葉斯動態(tài)模型進行大壩監(jiān)測的動態(tài)分析認為是可行的。在隔河巖大壩GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，我們采用遞推式卡爾曼濾波模型進行全自動在線實時數(shù)據(jù)處理起到了較好效果。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,在GPS監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理的主要工作是觀測資料的解算，如GPS差分求解、GPS監(jiān)測

59、網(wǎng)平差等，以提供高精度、高可靠性的相對位置信息。而數(shù)據(jù)分析的重點則包括變形基準的確定，正確區(qū)分變形與誤差，提取變形特征，并對變形成因作解釋。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,誕生于20世紀80年代末的小波分析理論，是一種最新的時頻局部化分析方法，被認為是傅立葉分析方法的突破性進展。應用小波方法，進行時頻分析，可望有效地求解變形的非線性系統(tǒng)問題，通過小波變換提取變形特征。這一研究領(lǐng)域才剛剛起步。第21

60、屆IUGG大會“小波理論及其應用”被IAG確定為大地測量新理論研究方向之一。在1999年召開的第22屆IUGG大會上，“小波理論及其在大地測量和地球動力學中的應用”再次被IAG確定為GIV分會（大地測量理論與方法）的新的研究小組。可見，開展小波理論及其應用研究的重要性。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,從目前應用來看，雖然小波分析要求大子樣容量的時間序列數(shù)據(jù)，但是，長序列數(shù)據(jù)可從GPS、TPS等集成

61、的自動化監(jiān)測系統(tǒng)中得到保障。小波分析為高精度變形特征提取提供了一種數(shù)學工具，可實現(xiàn)其它方法無法解決的難題，對非平穩(wěn)信號消噪有著其它方法不可比擬的優(yōu)點。小波理論在變形監(jiān)測（尤其是動態(tài)變形監(jiān)測）的數(shù)據(jù)分析方面將會發(fā)揮巨大作用。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,現(xiàn)代變形分析方法：,時間序列分析 頻譜分析 小波分析 濾波技術(shù)：數(shù)字濾波、卡爾曼濾波、貝葉斯濾波 灰色理論：灰關(guān)聯(lián)分析 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng) 模糊數(shù)學：

62、模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 抗差估計理論：抗差多元回歸模型 非線性理論：突變理論、混沌現(xiàn)象,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,變形物理解釋的方法可分為： 統(tǒng)計分析法 確定函數(shù)法 混合模型法,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,統(tǒng)計分析法：以回歸分析模型為主，是通過分析所觀測的變形（效應量）和外因（原因量）之間的相關(guān)性，來建立荷載-變形之間關(guān)系的數(shù)學模型，它具

63、有“后驗”的性質(zhì)，是目前應用比較廣泛的變形成因分析法。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,統(tǒng)計分析法： 由于影響變形因子的多樣性和不確定性，以及觀測資料本身的有限，因此，很大程度上制約著回歸分析建模的準確性。 回歸分析模型中包括多元回歸分析模型、逐步回歸分析模型、主成份回歸分析模型和嶺回歸分析模型等。 統(tǒng)計模型的發(fā)展包括時間序列分析模型、灰關(guān)聯(lián)分析模型、模糊聚類分析模型以及動態(tài)響應分析模型等。

64、,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,確定函數(shù)法：以有限元法為主，它是在一定的假設(shè)條件下，利用變形體的力學性質(zhì)和物理性質(zhì)，通過應力與應變關(guān)系建立荷載與變形的函數(shù)模型，然后利用確定函數(shù)模型，預報在荷載作用下變形體可能的變形。確定性模型具有“先驗”的性質(zhì)，比統(tǒng)計模型有更明確的物理概念，但往往計算工作量較大，并對用作計算的基本資料有一定的要求。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理

65、解釋的進展,統(tǒng)計模型和確定性模型的進一步發(fā)展是混合模型和反分析方法的研究，已在大壩安全監(jiān)測中得到了較好應用。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,混合模型：是對于那些與效應量關(guān)系比較明確的原因量（比如水質(zhì)分量）用有限元法（FEM, Finite Element Method）的計算值，而對于另一些與效應量關(guān)系不很明確或采用相應的物理理論計算成果難以確定它們之間函數(shù)關(guān)系的原因量（比如溫度，時效）則仍用

66、統(tǒng)計模式，然后與實際值進行擬合而建立的模型。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,反分析方法：是仿效系統(tǒng)識別理論，將正分析成果作為依據(jù)，通過一定的理論分析，借以反求建筑物及其周圍的材料參數(shù)，以及尋找某些規(guī)律和信息，及時反饋到設(shè)計、施工和運行中去，它包含有反演分析和反饋分析。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,由于變形的物理解釋涉及到多學科的知識，已遠不是測量人員

67、所能夠獨立完成的，所以需要相關(guān)學科專家的共同合作。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.3 變形分析研究的發(fā)展趨勢,回顧變形分析方面所取得的大量實踐及研究成果，展望變形分析研究的未來，其發(fā)展趨勢將主要體現(xiàn)在如下幾個方面：① 數(shù)據(jù)處理與分析將向自動化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，更注重時空模型和時頻分析（尤其是動態(tài)分析）的研究，數(shù)字信號處理技術(shù)將會得到更好應用；② 會加強對各種方法和模型的實用性研究，變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件的

68、開發(fā)不會局限于某一固定模式，隨著變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，變形分析新方法研究將不斷涌現(xiàn)；,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.3 變形分析研究的發(fā)展趨勢,③ 由于變形體變形的不確定性和錯綜復雜性，對它的進一步研究呼喚著新的思維方式和方法。由系統(tǒng)論、控制論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)論、相同學、突變論、分形與混沌動力學等所構(gòu)成的系統(tǒng)科學和非線性科學在變形分析中的應用研究將得到加強；④ 幾何變形分析和物理解釋的綜合研究將深入發(fā)展，以知識庫、方