Chap10变形监测网与变形监测方案.ppt

变形监测方案设计及变形监测网 参考点稳定性分析,西南交通大学测量工程系 主讲人：张献州（教授） XZZHANGHOME.SWJTU.EDU.CN XZZHANGSWJTU163.COM,第十讲 变形监测方案设计 及变形监测网参考点稳定性分析,10.1 变形监测网和变形监测方案设计,一、 变形监测网设计,变形监测网由参考点和目标点组成。目标点和参考点统称为监测点。为了方便，常常在变形体上或附近布设工作基点。由参考点和工作基点所构成的网称为参考网，由目标点所构成的网称为相对网. 监测点的布设对于所有的变形监测都有共性，但具体的要求又不尽相同，一般要与相邻学科(如地球物理、岩土力学、建筑工程、机械制造等)人员共同研究决定。 参考点的布设主要应考虑稳定，不受干扰，埋标要求高，且要考虑测量技术。在参考点周围一般还要设保护点，当参考点受破坏时可用保护点来恢复，平时可用于参考点的检核。参考点一般要钻孔深埋，要求与基岩固结在一起。平面网点常设观测墩和强制对中装置；水准基准点有时还设在平峒内，或采用深埋双金属标等。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,目标点的布设应具有一定的密度，具有代表性。不仅仅布设在变形体的表面，而且还布设在内部的不同部位，呈立体式分布。应与变形体固连在一起，能反映所代表部位的变形，且稳定；能长期保存，与变形体共存亡；便于观测，对其他干扰影响不敏感。目标点的埋设方式很多，可参见有关规程规范，如工程测量规范、建筑变形测量规程等.,一个网可以由任意多个网点组成，但至少应由一个参考点和一个目标点(确定绝对变形)或两个目标点(确定相对变形)组成。变形体的变形由目标点的运动来描述。变形监测网分一维网、二维网和三维网。它可以布设成各式各样的形状，主要取决于变形监测的目的和变形体的形状，此外还与地形和环境条件有关。采用地面测量技术可布设成由三角形构成的边角网或三边网、导线或导线网；用空间测量技术建立GPS监测网以及GPS网点与地面测量网点构成混合网已经得到广泛应用。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,图 7-8是一个抽水蓄能水库环形大坝变形监测网的示意图。图中参考点周围的保护点起检查作用，根据它们与参考点的相邻关系检查参考点是否存在局部变动。参考点上的定向点应为足够远处的固定目标，其坐标无需精确知道，起改善网的定向之作用。变形体(大坝)上设工作基点，主要便于对其他目标点的观测，在数据处理分析中仍作为目标点看待。对一条堤坝进行监测，可布置成一条平行于堤坝的导线作为参考网，通过观测左、右角和重复测量提高其可靠性。目标点设在堤上，其位置由多个参考点进行前方交会得到。对于一个高塔的变形监测甚至可通过一个参考点进行。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,图 7-8 某抽水蓄能水库的监测网,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,监测网的坐标系和基准的选取遵循以下实际准则： 变形体的范围较大且形状不规则时，可选择已有的大地坐标系统。其好处是已知系统的归化和投影改正公式，另一方面监测网也可得到检查。将监测网与已有的大地网连测或将大地控制网点直接作为参考点的方法可实现坐标系及基准的确定。 因为一维网、二维网和三维网的秩亏数分别是1、3和6(测边时)，故在理论上一维网只需一个已知点，二、三维网只需要两个已知点。由于变形监测网的精度有时还高于国家大地控制网的精度，与大地网点连接时，为了不产生尺度上的张紧，应采用无强制的连接方法，即只固定一个点的坐标，二、三维网再固定一个定向方向。,对于那些具有明显结构性特征的变形体，最好采用基于监测体的坐标系统，该坐标系的坐标轴与监测体的主轴线重合、平行或垂直，这时目标点的变形刚好在某一坐标方向上。因为变形是通过目标点的坐标变化来反映的，采用什么样的坐标系和固定基准都不重要，关键是一旦选定了固定基准，该基准在整个变形监测时期都应保持不变。换句话说，那些稳定的参考点的坐标在整个期间的坐标应保持不变。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,当仅对目标点的相对运动感兴趣时，可不设参考点，这时可采用自由基准，变形体的变形不是通过目标点的坐标变化而是用可估计的基准不变量导出的。,根据网的布设，坐标系和基准的确定，各目标点在变形体上的位置以及精度要求，网的精度得以确定。在设计时可用准则矩阵表示网的精度，它是一个人为组成的网点坐标未知数的协方差阵 ，一般当做对角矩阵，它与基准有关。在确定测量精度时，就是根据设计网形、观测方案及观测值精度，用人机交互式的模拟优化设计方法计算在同一基准下的坐标未知数的协方差阵 ，通过对 和 进行比较，来确定测量精度。优化设计包括增减观测值，修改测量方案，改变观测值精度等措施。例如采用网形“由密到疏”、 “由肥到瘦”，观测精度“由高到低”等策略进行优化。此外，还应计算网的内部、外部可靠性以及网的灵敏度。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,内部可靠性:是网发现观测值粗差的能力， 外部可靠性:是抵御粗差的能力， 网的灵敏度:是发现某一给定变形的能力， 它们都对应于一定的概率。同时顾及精度、可靠性、灵敏度以及费用进行监测网的优化设计是监测网布设的重要内容，国内外许多学者进行了大量研究，可参见所列的有关参考文献。,最后值得讨论的是，因为监测网都要做多期重复观测，所以要求每一期的观测方案、观测方法(如所使用的仪器乃至观测员)和精度保持不变，这样可以消除周期中所存在的相同的系统误差。但变形监测的时间很长，而测量技术发展也很快，中途改变测量方法和观测方案的事随时有可能发生，这时应在一个观测周期同时使用新旧方法，以确定两个方法间的系统性差别。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,变形监测方案设计包括：测量方法的选择、监测网布设、测量精度和观测周期的确定等。 前一节中的一般动态变形模型是变形监测方案设计的基础。根据变形影响因子(如力、荷载等)的预估值大小、时间特性及其对变形体发生作用的知识性推断，可得到一个概略模型，由该模型计算出变形的预计值及其时间特性。以此为基础，可确定出测量精度、观测周期数、一周期允许的时间长短以及周期间的时间间隔（可参见本章第一节的典型变形）。,（一）变形监测方案制定的准则,用测量技术获取变形及其时间变化特性所应遵循的准则包括：,(1)描述或确定变形状态所需要的测量精度 。对于监测网而言，则为：确定目标点坐标、或坐标差 允许的精度 或 。,(2)所要施测的次数(观测周期数)和两周期之间的时间间隔t。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,二、 变形监测方案设计,(3)一个观测周期所允许的观测时间 。,对于不同的监测对象，按一般动态变形模型所预估的y和确定的最小变形量y各异；同一变形体不同位置不同方向上的变形亦不相同，因此，各目标点所允许的坐标或坐标差的精度也不相同，一般目标点的平面位置精度还常采用置信椭圆描述。由于同一变形体上各目标点处的变形速率 不相同，观测周期间隔t和每一周期的观测时间t将不同，在测量方案设计中都应加以考虑。例如通过在两周期之间进行一次加密观测或放弃一个周期的方法缩短或延长t。对于 的确定，同一周期中不同目标点上的观测时间若相同，一种方法是根据最短的 选择最快的测量方法，另一种是根据不同的 选择不同测量方法，在方案设计时要权衡考虑 。,（二）、测量方法选择所应考虑的问题,测量方法选择须满足前面所提出的要求，对于具体问题要具体分析，不能一成不变地生搬硬套。以下几个方面需要加以考虑。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,(一)测量精度的确定,对于监测网而言，各目标点坐标或坐标差的要求精度(可以用准则矩阵来描述，参见本节的监测网布设)知道以后，往往不能直接测量坐标值，且参考点和目标点所描述的变形体的几何模型中也不会连接元素信息，因此，要将坐标精度转化为观侧值的精度。首先进行网的观测方案设计，模拟网的观测值及观测精度等信息，用控制网模拟优化设计方法，进行反复的大量的人机交互式计算。看在哪种情况下所计算得到的坐标精度符合要求，从而确定观测元素(如方向、距离、高差、 GPS基线边长等)的测量精度。模拟计算时要根据仪器的标称精度、测量精度的经验值选取，且要考虑外界的影响，要留有余地，测量精度应有一定富余。直到按设计的测量方案和精度计算出各目标点坐标的精度完全满足要求为止。一般来说，变形观测是为了确保建筑物的安全，则测量精度应小于允许变形值的1/101/20；如果是为了研究变形的过程，则观测精度还应更高。普遍的观点是：应采用所能获得的最好的测量仪器和技术，达到其最高精度，变形测量的精度愈高愈好。表6-1给出了变形测量等级及精度要求。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,对于大坝变形观测，混凝土坝的水平位移和沉陷观测精度为12mm，土坝为35mm；滑坡变形的观测精度为几毫米至50mm。不同类型的工程建筑物，其变形观测的精度要求差别较大，同一建筑物，不同部位不同时间对观测精度的要求也不相同。,表7-1 建筑物变形测量等级及精度,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,注：(1)观测点测站高差中误差，系指几何水准测量测站高差中误差或静力水准测量相邻观测点相对高差中误差。,(2)观测点坐标中误差，系指观测点相对于测站点(如工作基点等)的坐标中误差、坐标差中误差以及等价的观测点相对于基准线的偏差值中误差、建筑物(或构件)相对于底部定点的水平位移分量中误差。,在制定变形观测方案时，首先要确定精度要求。如何确定精度是一个不易回答的问题，国内外学者对此作过多次讨论。在1971年国际测量工作者联合会(FIG)第十三届会议上工程测量组提出：“如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的1/101/20；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个数小得多。”,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,(二)观测周期和一周期内的观测时间的确定,1.观测周期的确定,大坝变形观测的周期确定可参见表7-2。,观测周期数取决于变形的大小、速度及观测的目的。在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应多一些，随着建筑物趋向稳定，可以减少观测次数，但仍应坚持长期观测，以便能发现异常变化。对于周期性的变形，在一个变形周期内至少应观测两次。图7-6为大的呈年周期变化的水平位移，对于大坝安全监测特别重要的是：是否存在向下游方向的水平位移的趋势性变化，参数是否显著。如果观测周期的时刻选择不当，将导致错误的结论。图7-7给出了四种不同的一维变形过程，如果都用三个离散的时刻来获取，则会出现完全不同的结果，有的正确，有的比较正确，有的则完全错了。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,表7-2 大坝变形观测周期选择表,图7-6 大坝水平位移模型与观测时刻选择,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,图7-7 不同变形模型和观测时刻选择问题,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,2.一个周期内观测时间的确定,一个周期所有的测量工作须在所允许的时间间隔t内完成，否则观测周期内的变形将歪曲目标点的坐标值。: 对于长周期(如年周期)变形，t可达几天甚至数周，故可选用各种大地测量仪器和技术。 对于短周期变形，t仅为数分甚至数秒，对于日周期，t为10多分钟。这时用大地测量仪器和方法将无能为力，需要考虑采用摄影测量方法或自动化测量方法。,(三)监测费用,监测方案设计和测量方法的选择必须要有经济的观点，总费用可分成以下几方面。,(1)建立监测系统的一次性花费。,监测网和持续性自动化测量装置所需费用。包括踏勘、埋设永久性标石、标志、观测墩的费用，仪器设备的购置费、安装费，数据处理软硬件费等。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,(2)每一个观测周期的花费。,包括人员费、仪器使用费、观测费、数据处理费、临时标志费以及交通费等。,(3)维护和管理费。,主要包括标石标志的维护费、仪器设备折旧费以及管理人员费用等。 当变形监测所要求的观测周期较少时，可将上述一、三项放到每周期进行预算，这种情况采用常规大地测量方法较好；对于观测周期很多且要求周期中测量持续时间短的情况，应考虑研制特殊的测量方法和仪器，特别是要建立测量和数据处理全自动化的监测系统。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,(2)只有在一定的时候才能到达变形体，而在大多数时间在变形体上工作都有特别的危险性，这时，许多测量方法也不能采用。,(3)当变形量达到一定的值时，对变形体(被监测的工程建筑物或技术设备)本身或环境将造成巨大危害，但这种危害可通过事先报警而避免或减小时，宜采用自动化的持续监测系统，用计算机进行实时监控检核，需要时报警。,(4)在进行荷载作用变形试验时，荷载与变形的关系以及临界值的确定都需要快速地实时数据处理，具备全自动化或半自动化数据采集与处理功能的监测系统则比较合适。,(5)有的变形监测实施时有极高的技术要求，可能造成其他工作的停顿。停产将造成经济损失，在选择测量方法时这一点可能起决定性的作用。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,(四)其他考虑和选择,除前面几方面外，还需考虑以下情形：,(1)在监测时，变形体不能被触及，更不准人在上面行走，否则将影响其变形形态。这种情况下，许多测量方法都不能采用。,(6)有的变形监测任务仅在于将变形体的原始状态保存下来，一旦该监测对象发生了变化，则通过测量来比较和证明所发生变化的情况，这时宜采用摄影测量方法，其优点是初始测量的费用少，在需要时可对丰富的摄影信息进行详细处理乃至空间分析。,10.2、分析参考点稳定性时的平差问题,变形监测系统的网形如下图： L 某一周期观测值向量 X 参考点的坐标向量,则,（15-1）,式中V为残差向量，向量y包括附加参数（如方向观测的定向角未知数）和变形体上目标点的坐标， 为相应的图形矩阵。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,利用最小二乘法，得法方程式：,约化向量y之后,（15-3）,（15-2）,或简写成：,（15-4）,在参考点稳定性分析之前，我们并不知道哪些点是稳定的，因此，N是奇异的，用第十四讲方法可得相对于某一个参考系的坐标向量估值 和协因数阵 。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,从两个周期的平差结果可以得到参考点的位移和位移的协因数阵。,（15-6）,（15-5）,与 应当相对于同一个参考系。如果由于某种原因，例如：第一周期用于定义参考系的点在第二周期观测时丢失了，或者第二周期观测时增加了新的参考点，这时 和 不是相对于同一参考系，应用相似变换把它们转换到同一参考系。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,10.3、参考点稳定性分析的方法,FIG变形分析专门委员会研究小组提出的方法。,1、Hannover法,Hannover大学的H.Pelzer和W.Niemeir提出。 基本思想：先进行两周期图形一致性检验（整体检验）。 IF检验通过，则所有参考点是稳定的。 IF检验不通过，找出不稳定点，用“尝试法”排除不稳定后再重复上述过程，直到图形一致性通过检验为止。,设d 和 为参考点位移向量和协因数阵,则,图形一致性检验统计量,（15-7）,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,（15-8）,式中 为 的秩，f为验后方差因子 的自由度。,如果（15-8）检验不能通过，把 分解成统计上独立的两部分,（15-9）,式中 是i点的位移二次型，用下列方法求得,把d和 分解成：,（15-10）,式中M相应于点i，下标F相应于其它点，做变换,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,（15-12）,（15-11）,因此：,对所有参考点，都进行同样的分解，计算 ， 值最大相应的点为不稳定点，利用剩下的 重复上面整个过程，直到最后图形一致性检验通过为止。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,2. Bonn法,KRKOCH提出。 和Hannover法一样，先进行两周期图形一致性检验，当检验失败后，也用“尝试法”监别不稳定点，但是监别方法不同。 （1）先从全迹最小自由网平差得位移场和置信椭圆，找出最少数目的“稳定”点（位移和置信椭圆相比最小者）。 （2）对这些点整体稳定性作统计检验，当检验不通过时，去掉位移和置信椭圆相比最大者，再检验直到通过。 （3）当检验通过时，用S 变换，得出新的位移场又从中选出位移最小的一个点，把它加入到定义参考系的稳定点中。 （4）重复2 ，3直到所有稳定点都用来定义参考系为止。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,3. Karlsuhe法,由B.Heck提出 与以上两种方法相同，把整个图形一致性检验作为基本出发点。 当检验不通过，用“尝试法”确定一部分相对稳定的点作为参考点。 用稳定参考点作为基准点，计算其他点的位移和置信椭圆，当位移在置信椭圆外时，认为该点是不稳定的。 在计算方法上，Karlsuhe法采用两周期观测值联合平差法，稳定参考点，同名点作为一个点，其他同名点作为两个点，两个同名点坐标差是点的位移，两个同名点的相对误差椭圆是位移的误差椭圆。,4. Delft法,Delft大学大地测量计算中心，J.KoK提出的。 本方法特点概述如下（应用Baarda粗差剔除理论）：,（1）在所有的检验中，先验方差因子 认为是已知的。 （2）以图形一致性检验作为判断是否有不稳定参考点的根据，整体检验变成,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,其中,（3）整体检验失败后，寻找不稳定的点，方法用“尝试法”逐点计算统计量，不管是一维、二维或三维网，统计量都是一维的，这就意味着检验一点在某一方向上的位移分量。,对某一点i，一维统计检验量为：,=（0，0，1，0 0，0）,当 时认为i点不稳定。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,举例：,右图为用于监视工程建筑物沉降的水准参考网，线路中圆圈内的数字为该条线路的测站数，对该水准网进行了两个周期的观测。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,利用全迹自由网平差，得位移向量和协因数矩阵分别为：,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,验后方差因子,自由度为f=6,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,1图形一致性检验, Delft法,发现网中存在不稳定点。, 其他方法,也发现有不稳定点。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,2稳定点的鉴别,a用Hannover法，对每一点位移计算 ， 结果列在下表中：,从表中看出，0号点的w最大（8.00），因此它是不稳定点排除0号点后，剩余点,再做图形一致性检验。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,故，除0号点外，其它三个点是稳定的。,b用Bonn法，在图形一致性检验失败后，选择必要的，有最小位移的点定义参考系，本例中，选择2号点，然后，用S 变换，得新的位移向量，并通过检验把位移最小的点子选作为稳定点，重复上述过程，计算结果列在下表中：,从上表分析，0号点是不稳定点。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,c. 用Delft法计算每一点的,分位值,= 3.3,有两个统计检验量超过分位值，取最大一个作为不稳定点，排除0号点后，二次型,再做图形一致性检验,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,分位值,检验通过说明其它点稳定。,整体检验和一维检验是通过显著水平，和联系起来。,查诺模图,3不稳定点位移的计算,Hannover法 不稳定点位移是相对于稳定点组的，0号点位移为 Bonn法 不稳定点是相对于稳定点定义的参考系，0号点位移为 Delft法 不稳定点位移是相对于稳定点组，0号点位移为,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,(二)卡尔曼滤波法,由第K-1期参考网的坐标未知数向量及其协方差阵，并考虑第K期参考网的观测值，求解第K期的坐标未知数向量及其协方差阵可采用卡尔曼滤波的递推算法，称为参考网静态点场的更新。在动态更新过程中可通过统计检验确定有显著性变形的参考点。,若将参考网扩大到包括相对网(由变形体上的目标点构成)的变形监测网，将参考点视为稳定点，而将目标点视为动点，也可按卡尔曼滤波法做递推计算和有显著性变形的参考点的统计检验，动点和变形点位移向量计算，称为似静态点场的更新。,1.参考网检验和静态点场更新,卡尔曼滤波的递推公式为：,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,（10 - 38）,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,在此需要特别说明的是系统噪声向量 及其协方差阵 。是未知的随机量，由于地下水位变动、环境温度变化、阳光照射、埋标不稳固以及对中不好等原因，在静态点场中也应加以考虑。,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,它的量级即扰动的可能取值范围一般可以用协方差矩阵对角元素的估值表示，即 用对角阵描述。对角元素值为各参考点(p个)的X、Y、Z 坐标的方差，即,（10 - 39）,如深埋点且带强制对中装置的观测墩， 的取值约为0.2 mm，而采用光学对中的一般测量标石，取 。这仅是考虑埋标、对中装置和对中方法几项影响的经验值。在缺少关于系统噪声信息时，通常假设 =0,卡尔曼滤波公式中的第1、第2式表示：从第K-1周期到第K周期，坐标向量 仍假设保持不变，但其取值范围因加进系统噪声影响增大了(方差扩大)。两周期间的一致性整体检验是对预报残差 的零假设和备选假设：,（10 - 40）,工程控制网建网理论,第十讲变形监测网,检验统计量为：,（10 - 41）,为第K周期的观测值个数，当,（10 - 42）,成立，表示预报的坐标与当前观测值一致， 可直接用于点场的更新。若拒绝 ，则须进一步找原因，或者是 中含粗差，或者是点位发生显著性变动。观测值粗差可通过数据探测法或粗差定位定值法予以检验和剔除。在确认无观测粗差存在的情况下