变形监测数据处理复习要点(武汉大学测绘学院)

变形监测数据处理复习要点武汉大学XX第一章引论1、变形：是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。2、变形监测：就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作3、变形监测任务：是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段。4、变形体的范畴：全球性变形研究（空间大地测量）、区域性变形研究（GPS、INSAR）、工程和局部性变形研究（地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段、以及以GPS为主的空间定位技术）。5、外部变形观测：对于混凝土坝，以混凝土重力坝为例，由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作用，其主要观测项目主要为垂直位移、水平位移以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为外部变形观测。6、内部观测：为了了解混凝土坝结构内部的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容通常称为内部观测。7、水平位移观测：主要包括在同一高程面上不同点位在垂直于建筑物轴线方向的水平位移,在同一铅垂线上的不同高程面上的水平位移,及任意点在任意方向上水平位移。8、变形监测的内容：1）工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。2）水工建筑物：对于土坝，其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测。3）地面沉降：对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于工业用水需要大量地吸取地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。对于地下采矿地区，由于在地下大量的采掘，也会使地表发生沉降现象9、变形监测的目的和意义：具有实用上的意义，主要是掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要信息，及时发现问题，以便采取措施；具有科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计，以及建立有效的变形预报模型。（确保安全、验证设计、灾害防治）10、变形信息获取方法的选择:取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度等因素。11、地表变形监测方法：常规地面测量方法（测量机器人）、地面摄影测量技术、光、机、电的组合（光纤传感器测量系统）/特殊专用检测仪器，GNSS。12、变形监测方案设计问题：合理设计变形监测方案是变形监测的首要工作，对于监测网设计而言，其主要内容包括：确定监测网的质量标准；选择观测方法；点位的最佳布设和观测方案的最优选择。13、GPS周期性变形监测和连续性变形监测：GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性两种模式。周期性变形监测与传统的变形监测网没多大区别，以静态相对定位为主，一般采用事后处理模式。连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，具有较高的采样频率，获得变形数据序列，可采用静态相对定位和动态相对定位。14、变形分析的研究内容涉及到变形数据处理与分析、变形物理解释和变形预报的各个方面，通常将其划为两部分：1）变形的几何分析;2）变形物理解释。变形的几何分析是对变形体的形状和大小的变形作几何描述，其任务在于描述变形体变形的空间状态和时间特性。变形物理解释的任务是确定变形体的变形和变形原因之间的关系，解释变形的原因。15、变形几何分析：参考点的稳定性分析，观测值的平差处理和质量评定，变形模型参数估计。16、变形物理解释：变形的统计分析法、确定函数法与混合模型法。统计分析法：以回归分析模型为主，是通过分析所观测的变形（效用量）和外因（原因量）之间的相关性，来建立荷载-变形之间的关系的数学模型，它具有后验的性质，是目前应用比较广泛的变形成因分析法。确定函数法：以有限元法为主，它是在一定的假设条件下，利用变形体的力学性质和物理性质，通过应力与应变关系建立荷载与变形的函数模型，然后利用确定函数模型预报在荷载作用下变形体可能的变形。具有先验的性质，比统计模型物理意义明确，但计算工作量较大，并对用作计算的基本资料有一定的要求。混合模型法：对于那些与效用量关系比较明确的原因量（如水质分量）用有限元法德计算值，而对于另一些与效用量关系不是很明确或采用相应的物理理论计算成果难以确定他们之间函数关系的原因量则仍采用统计模型，然后与实际值进行拟合而建立的模型。第二章数理统计的有关理论1、随机过程：通常把自变量为时间t的随机函数叫做随机过程。2、随机函数：对于自变量的每一个给定值，它是一个随机变量，这种函数就叫做随机函数。3、随机过程的作用：可以对几何量和物理量进行动态实时检测，能够进一步分析动态监测中的特殊现象（运动速度，频率响应。幅值）。4、随机过程的特征量：概率密度函数；均值、方差和均方值；自相关函数；谱密度函数。5、自相关函数：除均值和方差外，用另一特征量反映随机过程内不同时刻之间的相关程度，这种特征量就叫做自相关函数。第三章变形监测技术1、变形监测技术：地面监测方法与测量机器人（固定式全自动持续观测、移动式半自动变形观测）；地面摄影测量方法；GPS变形监测及自动化系统；三维激光扫描技术及应用；特殊测量手段（应变测量、准直测量、倾斜测量）。地面监测方法的基本特点：能够直接提供测点的变形状态，监控面积较大；布网式的观测量可以相互校核和精度评定；灵活、简便，可适应于不同的精度要求。测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。地面摄影测量方法及其特点：可以同时测定变形体上任意点的变形；提供完全和瞬时的三维空间信息；大量减少野外的测量工作量；可以不需要接触被测物体；通过摄影底片，可以观测到变形体以前的状态。GPS变形监测的特点：测站间无需通视；同时提供监测点的三维位移信息；全天候监测；监测精度高；操纵简便，易于实现监测自动化；GPS大地高可直接用于垂直位移测量。变形监测中特殊测量手段：应变测量、准直测量、倾斜测量。特点：测量过程简单；容易实现自动化观测和连续监测；提供的是局部的变形信息。2、变形监测方案的制定：变形监测内容的确定；监测方法、仪器和监测精度的确定；监测部位和测点布置的确定；变形监测频率的确定。变形监测内容的确定：应根据变形体的性质、监测要求和环境等因素来确定变形监测工作的内容。监测方法、仪器和监测精度的确定：取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件，根据监测内容的不同可以选择不同的方法和仪器。精度确定：制定变形监测的精度取决于变形的大小、速率、仪器和方法所能达到的实际精度，以及观测的目的（1）一般来说，如果变形观测是为了使变形值不超过某一允许的数值，以确保建筑的安全，则其观测的误差应小于允许变形值的1/10-1/20（2）如果是为了研究变形的过程，则其误差应比这个数值小得多，甚至应该采用目前测量手段和仪器所能达到的最高精度。监测点布设在变形体的特征部位，重点突出；基准点应布设在稳定位置。变形监测的频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。3、测量控制网的优化设计有两个方面的含义：1）在人、财、物的条件下，控制网具有最好的精度、灵敏度和可靠性；2）在满足精度、灵敏度和可靠性的条件下，控制网的成本最低。控制网优化设计问题的分类：零类设计（基准设计），一类设计（结构图形设计），二类设计（观测值权的分配），三类设计（网的改造或加密方案设计）。4、控制网优化设计方法：解析设计法，机助设计法。解析法：通过建立优化设计的问题的数学模型，包括目标函数和约束条件，选择一种恰当的寻优解法，求出问题的严格最优解；机助法：将电子计算机的计算能子和判别能力同设计者的知识和经验结合起来，通过对一个凭经验拟定的初始设计方案，进行分析、计算，求出各项质量指标，并对设计方案进行不断的修改，直到设计者满意的一种设计方案。5、控制网优化设计的质量标准：精度、可靠性、灵敏度、经济。精度（整体精度指标、局部精度指标）：描述误差分布离散程度的一种度量。可靠性（内部可靠性、外部可靠性）：发现和抵抗模型误差的能力大小的一种度量。灵敏度：监测网中发现某一变形的能力大小的一种量度。经济：建网费用。6、机助法优化设计的基本原理：1）初步方案2）数学模型3）显示、人机对话4）调整方案5）成果输出。第四章变形监测资料的预处理1、监测资料检核的意义与方法1）意义：确保观测值的质量（精度、可靠性），为变形分析做准备，这里所指的观测值既可以是原始实测值,也可以是经一定处理后的观测值。2）方法：野外检核（限差要求），室内检核（校核、统计分析、逻辑分析）室内检核工作，具体有：（1）原始记录的校核；（2）原始资料的统计分析，如粗差检验法；（3）原始资料的逻辑分析：根据监测点的内在物理意义来分析原始实测值的可靠性，包括：一致性分析：时间-效应量、原因-效应量。相关性分析：空间点位的相关性。2、一元线性回归分析法进行资料的检核：应用一元线性回归分析方法进行变形监测资料空间相关性检核的基本思路和过程，处理两个变量之间关系的回归分析。两个变量之间的关系为线性时，则称一元线性回归分析。求回归直线的前提是变量y与x必须存在线性相关，所以用相关系数来衡量两变量之间的关系。3、监测网观测资料的数据筛选（统计分析方法）：（1）超限误差的整体检验（2）超限误差的局部检验：F检验法；B检验法（u检验法）τ检验法；t检验法（3）超限误差的检验步骤：a组成误差方程与法方程式，b解法方程式，求V和Qvv，进行整体检验c计算局部检验统计量Wi与假设检验。重复。。。4、超限误差局部检验中，u检验法，t检验法，T检验法的本质区别：B检验法/u检验法在计算统计量Wi时使用的是先验方差02；τ检验法利用剔除观测值前所求的的方差估值；t检验法是利用剔除具有超限误差的观测值后平差求得的方差估值。5、监测资料的奇异值检验与插补：监测资料的插补原因和方法：实测资料出现断链；数据处理要求等时间间隔。监测资料插补的方法：按内在物理联系进行插补；按数学方法进行插补（线性内插法、拉格朗日内插计算、多项式曲线拟合、周期函数的曲线拟合、多面函数拟合）6、变形监测中应用小波分析的原因：（1）为了有效消除误差幷提取变形特征（GPS检测系统）（2）对于非平稳、非等时间间隔观测信号的变形特征提取的局限性（动态变形监测频谱分析）（3）为了克服经典Fourier分析不能描述信号时频局部特诊的缺陷。7、小波变换在变形分析的作用：观测数据滤波，变形特征提取，不同变形频率的分离，观测精度估计。小波变换对观测数据序列进行消噪的基本步骤：小波分解，小波分解高频系数的阈值量化处理，小波重构，对于复杂变形信息的分离，采用小波包进行分解和重构，可以得到各个相应频段的变形信息。8、观测资料的整编（变形过程线的定义与绘制、建筑物变形分析分布图、变形值的统计规律及其成因分析）9、观测点变形过程线：以时间为横坐标，以积累变形值（位移、沉陷、倾斜和挠度等）为纵坐标绘制成的曲线。观测点的变形过程线可明显的反映出变形的趋势、规律和幅度，对于初步分析判断建筑物的工作情况是否正常是非常有用的。10、绘制过程：(1)根据观测记录填写变形数值表(2)绘制观测点实测变形过程线(3)实测变形过程线的修匀。11、建筑物变形分布图：作用:能够全面的反映建筑物的变形状况。变形值剖面分布图（水平剖面或竖直剖面）和建筑物（或基础）沉陷等值线图。12、变形值的统计规律及其成因分析：规律：（1）可以显示变形的趋势、规律和幅度（2）可以看出各种变形的年变幅（3）可以绘制观测点的变形范围图，一般可以判断建筑物运营是否正常。以大坝为例引起变形的原因：静水压力，坝体的温度变化，时效变化：建筑材料的变形以及基础岩层在荷载的作用下英气的变形所产生的。第五章监测网的参考系及其稳定性分析1、绝对网：有部分点布设在变形体外的监测网。绝对网中，固定基准位于变形体之外，在各观测周期中认为是不变的，以作为测定变形点绝对位移的参考点，这种监测网平差采用经典平差方法便可实现。2、相对网：网的全部点都在变形体上的监测网。相对网中，由于全部网点均位于变形体上，没有必要的起算基准，是一种