（水工结构工程专业论文）GPS精密变形监测数据处理方法及其应用研究.pdf

河海大学博士学位论文 摘要 本文结合中国地嵬运动观测网络工程项目、蒺城市g p s 地壳变形监测嘲麴试验观测数据和 g p s 大坝变形监测网的实测g p s 数据，对不同尺度的g p s 监测网观测数据处理模型和方法进行了 深入的研究。主要包括内容以下： ( 1 ) 提出了以站心她平坐标系作为g p s 大搬三维变形懿测网平蔻的参考搬标系袱导了在竣坐 标系下g p s 大坝三维变澎监测网平差的数学模型及公式；采用拟稳平羞豹方法对g p s 火：l | ! 三维变形监测阿观测数瓣进彳亍处理。 ( 2 ) 提出了应用聚类分析方法对拟稳点( 或基准点) 的相对稳定性进行检验的数学模型；用v b 语言磷究和开教了g p s 犬坝三维变形蓝涮黼的数据处理软体系统。 ( 3 ) 提出了站心地平坐标系下g p s 观测数据与其它地面测量数据兰维变形监测网联台平差f ! 内数 学模羹，在数销处理穰麓中遥遭参数纯静方法清除或减弱垂羞和垂缀折光的系统误差的影 响。 ( 4 ) 对于凝基线豹g p s 墙壳燮形蓝溺两，采羽m i t 开发研帚静精密g 珞定鞔定位软件g 棚i t 进行单天g p s 观测数据的处理，提出了利用多期单天的g a m i t 解算出的基线向量进行综 台解释瓣模登：“基线两釜综合解算模垂”，蹋戮谤簿逢壳簸测菇点盼潆移速度，并遥避实 例验诞了该计算模型的成确性和可靠性。 ( 5 ) 薅菜城帝g p s 缝轰交形麓测舞蕊实测试骏数蠡进行了劳椽懿避，获褥了较瑾慧黪结象。疆 究表明：在1 0 0 公里范围内，一天观测的g p s 基线爨复率在平面上比例误差可以达到1 0 、 垂壹方凌 铡误差可疑i 鑫爨1 0 ；篮测点三维坐标蓬复率糖凄在3 m m 左右。 关毽词：全球定位系统、数据处理、丈瑛、嶷形整溺、邈壳变形、数稳乎羞、聚类分毒厅 a b s 订a c t a b s t r a c t ar e s e a r c ho nd a t ap r o c e s s i n gm o d e l sa n dm e 血o d so f d i f r e r e n ts c a l e so f g p sm o n i t o r j “gn e t w o r k s h a sb e e nm a d ev e r yc o m p r e h e n s i v e l yt 上1 r o u g hm a k i n gu s eo ft h e p r a c t j c a 】o b s e r v a t i o nd a t a o ft h e b i g s c a l ec r u s t a im o v e m e n to b s e “a t i o nn e t w o r ko fc h i n a ，t h em e d i u m - s c a l eg p sc r u s t a ld e f 。r m a t i o n m o n i t o n gn e t w o r ko fs o m ec i t y ，a n dt | l es m a l l - s c a l eg p sd 蛐d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gn e t w o r k t h e m a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t 砒i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) as 诅t i o n o r t h o g o n a l c o o r d i n a t es y s t e m ，w h i c hi st h er e f c r e n c ec o o r d i n a t e s y s t e r n f o rt 1 1 e m r e e d i m e n s i o na d j u s t m e n to fo b s e r v a t i o nd a t ao fg p sd 啪d e f o r m a t i o nm o n i l o r i n gn e t w o r k ，h a s b e e np u tf 0 九v a r d f u n h e lm a t h e m a t i c a lm o d e l sa 1 1 df o r m u l a so ft h ea d j u s t m e n lu n d e rt h e c o o r d i n a t es y s t e mh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e r i v e d 2 ) am e m o do fu s i n gc l u s t e r i n ga n a l y s i si nf 位z ym a t h e m a t i c st od ot h et e s t i n go fr e l a t i v es t a b i l l t yo f q u a s i - s t a b l ep o i n t s ( o rd a t u mm a r k s ) h a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d a 1 s o ，am e t h o do fq u a s i - s t a b i c a d j u s t n l e ma n das o f t w a r es y s t e mr e s e a r c h e da n de x p l o r e db y s u a lb a s i cl a n g u a g e1 1 a v eb e e n u s e dt op r o c e s s 也eo b s e r v a t i o nd a t ao f g p sd 蛐d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gn e t w o r k 3 ) am a t h e m a t i c a lm o d e io f t h r e e d i m e n s i o nc o m b i n e da d j u s t m e n tw i t hg p sa n do t h e rs u r v c y i n gd a t a u n d e rs 诅t i o no r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e mi nd e f bn t l a t i o nm o n i t o r j n gn e 附o r k s ，h a sb e e nb r o u g 】1 l f o n v a r d ，i nt h i sm o d e l ，ap a r 蛐e t e r i z e dm e t l l o dh a sb e e ne m p l o y e dt od e c r e a s eo re l h i n a t e v e r t i c a ld e n e c d o na 1 1 dv e r t i c a lr e f r a c t i o ne r r o r s 4 ) f o rt h el o n gb 嬲e l i n e so fc r u s t a lm o v e m e n to b s e r v a t i o nn e t w o r ko fc h i n a ，u s i n gt h eg p s s a c e l i i t e so r b i t sa n ds t a t i o n sp o s j t i o n i n ga n a l y s i ss o f t w a r eg a m i to p e n e d u pb ym i tt od ot h e s i n 9 1 ed a yg p so b s e r v a t i o nd a t ap r o c e s s i n g ，as y n t h e t i cs o lu t l o nm o d e l ，w h j c hi sc a l l e d “t 1 1 e s y n t h e t j cs o l u t i o nm o d e lo fb a s e l i n ev e c t o r s ”，h a sb e e nb u i l tu pw i t hs e v e r a ls j “g l ed a yb a s e l i l l c v e c t o r sc a l c u l a t e db yt h eg a m i ts o f h v a r e ，t oc o m p u t et h et h r e ed i m e n s i o nm o v e m e n tv e l o c i t i e s o f s i t e s a n dt l l er e s u l tc a nv a l i d a t et h er e l i a b i l i l ya n df e a s i b i l i t yo f t h em o d e l 5 )t h er e s e a r c ho nt l l ec o n c r e t ep r o c e s s i n go ft h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t a lo b s e r v a c i o nd a l ao fs o m e c i t y sc r u s t a ld e f o r m a t i o nm o n i t or i n gn e t w o r kh a sb e e nd o n ea n dr e l a t i v e l ys u c c e s s f u lr e s l i l t s 1 a v o b e e na c h i e v e d f r o m 也ec a l c u l a t i o nr e s u l t s i tc a nb es e e nt h a tt h eh o “z o n i a la n dv e r t i c a ls c a l e e r m r so fg p sb e l i n er e p e t i t i o nf a t e sc a nr e a c hu pt o1 0 。8a n d 】o 6s e p a r a t e 】yi n a na r e ao f1 0 0 k i l o m e t e r s a n dt h ep r e c i s i o no f t | l r e e - d i m e n s i o nc o o r d i n a t er e p e t i t i o nr a t e so fm o n i t o r i n gs i c e sc a n b ea i d u n d3m i l l i m e t c r s k e y w o r d ：g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) ，d a t ap f o c e s s i n g ，d a m ，d e f o r m a t i o nm o n i i o r i n 岛c r u s c a d e f o r m a t j o n 。q u a s i - s t a b l ea d j u s t m e n t ，c l u s t e r i n ga 1 1 a i y s i s v 河海大学博士学位论文 f i u 舌 近些年来，变形监测工作在规模、自动化程度和观测精度等各个方面有了更高的要求，g p s 卫星定位技术具有速度快、精度高、自动化程度高、效率高以及没有距离限制等优势，在水利水 电工程的大坝、边坡以及大坝蓄水和运营期间坝区环境的变形监测中得到实际应用；地下水的过 度开采、油田石油及地下矿产的采掘，可能会造成区域性的大范围沉降，我国有些地区这种沉降 己发展得相当严重，其后果已造成地表大区域漏斗状陷落，而引发地质灾害，因此，很多城市和 地区己开始或正准备采用g p s 定位技术进行区域性的沉降监测工作；g p s 还广泛地应用丁- 监测地 壳运动，包括全球板块大构造运动，亚板块和板块内的地块的构造运动以及小尺度局部活动构造 带的地壳形变监测。 本文结合中国地壳运动观测网络工程项目、结合某城市g p s 地壳变形监测网的试验观测数据 和g p s 大坝变形监测网的实测数据，对不同尺度的g p s 监测网数据处理模型和方法进行了比较全 面的研究，并取得了一定的成果。本文研究和提出的基于站心地平坐标系的g p s 大坝变形监测网 数据处理模型以及g p s 地壳形变监测数据处理模型和通过实例计算分析得出的结论，对水利水电 工程中的大坝安全监控、高边坡监测、库区环境变形监测具有一定理论价值和实际应用的参考价 值。本文的主要创新点有： 1 根据到变形监测网的特殊性，提出了以某一监测点的站心地平坐标系作为g p s 大坝三维变形 监测网平差的参考坐标系，并且推导了在站心地平坐标系下g p s 大坝三维变形监测网平差的 数学模型及公式，构建了一套以站心地平坐标系处理g p s 变形监测网基准的新方法。 2 研究及提出了采用拟稳平差的方法处理g p s 大坝三维变形监测网的观测数据：提出了应崩模 糊数学中聚类分析的方法对拟稳点( 或基准点) 的相对稳定性进行检验的方法：开发了g p s 大坝三维变形监测网的数据处理软件系统，该软件不但具有在站心地平坐标系下对g p s 大坝 三维变形监测网进行拟稳平差的功能，而且还可以进行附合网的平差和独立网的平差。实例 计算结果表明：本文研究及提出的g p s 大坝三维变形监测网数据处理的数学模型和开发的软 件正确和可靠。 3 提出和推导了在站心地平坐标系下g p s 观测量与其它地面测量数据实施三维大坝变形监测网 联合平差的数学模型，并通过参数化的方法减弱垂差和垂直折光的系统误差的影响。实现把 g p s 观测数据和常规监测数据的有机融合，充分利用各种相关的监测信息，进一步提高监测 成果的精度和可靠性。 4 对于长基线的g p s 地壳变形监测网，采用m i t 开发研制的精密g p s 定轨定位软件g a m i t 进 行单天g p s 观测数据的处理，提出了利用多期单天的g a m i t 解算出的基线向量进行综合解 算的新模型：“基线向量综合解算模型”，用以计算地壳监测站点的漂移速度，开发了g p s 地 壳变形监测的综合解算的数据处理软件，通过对中国地壳运动观测网的基准网多期观测数据 和某市g p s 地壳变形监洲阔的试验数据进行数据处理，并与已有计算模型的计算结果雨l 研究 成果进行了分析比较验证了本文提出地计算模型的正确性和可靠性。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 兰圭鸯 学位论文使用授权说明 2 0 0 5 年3 月3 0 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年3 月3 0 日 河海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 弓| 害 随着经济豁发最辅莓家对水稻资源的不酝开发稻掰，我蘑豁求秘承电事救取褥了举氆瞩胬鹃 成就。垒建国以来，特别是改孳毋教之螽，我国麴坝工建设褥到了飞速趣发疑，建造了大、中、 小型坝8 6 万余座，大坝、水库数量和堤防的长度均居世界之首，其中1 5 米以上的大坝有1 8 万廖，3 0 m 以上大坝有近3 0 嶷，装机总艟约三千多万千瓦。这些堤坝保护着3 亿多人口、4 亿 多亩农田和上百座城市的防洪及供电安全，年供承能力达5 0 0 0 亿m 3 ，同时在防洪、发i 毡、水产 养臻和探护生态繇竣方瑟发挥了基太效盏，在国民经济中发挥7 巨大幸 ；翔 ； 但是，由予水文、她质、施王质量、攒料老化、运行管理等多方蕊琢困，钼当一部分火坝存 在蓿某些不安企因索。有贱大坝已运行几十年，坝体建造材料逐渐老化；有嫂大坝出现了危及坝 体蜜全的裂缝和病变；还宵些大坝的防洪标准较低等。这些因素不同程度地影响到了工程效虢的 发挥，甚至还藏胁着下游予葺万人氐瀚生命掰产安全戳。2 0 毽纪8 0 年代强来，萄际上出现了不 少垮坝事故。如法国妁马尔巴寒坝( m a l p a s s e t ) 、意大葶l 的瓦接爨拱坝( v 8 o n t ) 以及我国黝叛 挢、石漫潍、淘后等大坝失事都造成了严重灾害pj _ l o j 。从2 0 世纪8 0 年代中厉划月：始，我国人圳 的规模不断向商、大型发腱，例如三峡、龙羊峡、鸟豇渡、= 滩、小浪底等。这些大坝曰失事， 后聚将不堪设想。因此，犬坝等大型水工建筑褥的安全监控显得尤为熏要。 姥辩，区域性逢蔟琢凌灾害也不客惫褪。大型东利工程豹疼隧舞蓍水往往会导致瘁岸边坡所 处鲍地质环境发生重大变化，并可能影响避坝磨岸的稳定，进面造成环境灾蛊，使库飒送渗漏甚 至诱发地震等。地下水的过度利用、油田石油的开采、地下矿产的采挖，都会造成区域- 陛的大范 围沉降，我国有的地区这种沉降已发展得相当严重，有可能引发地质灾害。因此，很多地区醴开 始或正准备迸箭区域往的泷洚虢测王作，上海南耥江苏省苏弼市死年前已开始了这样酶裙翔搋降 监捌： 作。1 9 9 8 年，国瓷捌i 秘根据我国国涎经济声l ：l 社会发晟“丸五”计划禹l2 0 l o 年远景目 标纲要，下达了“灏一轮国土资源火调查”的指示，其中重点工作就是“地质灾害的调查与防 治”。1 9 9 9 年7 月，江苏钳国土资源厅和蛾质矿产厅联台主持研究了国家重火项目“捷江二确洲 国土资源大调惫”中的一个予磷目“地屣灾害的预防”。绪含江苏省的其体情况；前辅避质灾害 调蠢工作主要部署在苏锡常地区，弗港手缝织了避厦、测量等技术a 曼，对锡基地嚣她巍沉降进 行现场勘察，经过两个多月的：作，发现该地区的地面沉降严重。将1 9 9 9 年9 月测嚣资料与1 9 8 1 年地形对比，该地区地面酱遍下降了1 0 1 5 m ，最大沉降量达2 8 m ，年沉降速率一般在6 0 l o o m m 年，最大的达到了1 5 0 m m 倍。因此随后的研究工作将在苏锡常地区( 区域面积约为 7 8 翩。) 建立g p s 交彩蓝溅掰，箍弱该建区翁遗蕊派辩，为该遣区翡可持续发餍决策提供依 摄吐 。 在全球或一个国家的范围，监测地壳运动，定量地确定地壳远动和形变的空间分布、时间过 第一章绪论 程、建立地壳运动学与动力学模型，在预测、减轻自然灾害和地震预报中发挥着重要作用。 1 2 大坝安全监控研究现状 大坝安全监控的内容及任务是指对大坝实施可靠的监测，密切注意其变形动态，掌握其变形 规律，并作出及时、准确的评价分析，为大坝的管理提供指导依据。因此，在大坝安全监控中， 首先要发展有效和完善的监测设备及手段；其次要有可靠的理论和先进的方法对大量观测数据进 行归纳分析，建立起数学模型，为下一步工作提供基础；第三，要根据对资料的分析成果，进行 必要的反演反馈，对运行的安全作出评价、预报以至综合决策。 目前，大坝安全监控的研究内容可以分为以下几个方面嶂1 ：大坝安全监测仪器和技术方法特 别是自动监测技术的研究；观测资料的误差处理分析及异常值的判定；观测资料的正分析：观测 资料与大坝结构性态的反分析；大坝安全综合评判与决策的理论和方法；大坝安全监控智能系统 的开发和研究等。各个方面的研究相互联系，构成大坝安全监控理论与技术的框架体系。 1 2 1 安全监测仪器及技术方法 我国的大坝变形监测始于2 0 世纪5 0 年代初，到2 0 世纪8 0 年代末开始了自动化遥测，9 0 年代后大坝安全监测技术飞速发展，许多老坝完成了自动化监测系统的更新改造p j j ，新建犬 坝具有功能更全的高水平监测系统。 目前在一些重要大坝的变形监测自动化方面实现了运行变量的数据采集、传输，数据管理， 在线分析，综合成图，成果预警等计算机控制网络化，并向一体化、数字化、智能化方向发展。 位移监测是大坝安全监控中不可或缺的监测内容。主要包括水平位移监测和垂直位移监测。 监测大坝位移可以是水平位移和垂直位移分开进行，也可以两者结合同时进行h 口大坝三维位移监 测。水平位移监测方法有视准线法，引张线法【1 2 】。【15 1 ，激光准直法 1 6 】。【2 0 1 ，正、倒垂线法【】9 】， 精密导线法【2 0 噜前方交会法等【2 1 】一 2 3 】。大坝垂直位移监测的方法主要有几何水准法、流体静力水 准法。大坝三维位移监测的方法主要有极坐标法、距离交会法和g p s 法。 在坝区及库区地表变形监测工作中，现阶段仍主要采用长期沿袭的测边测角的控制网。用经 纬仪、测距仪、全站仪和水准仪观测，要求测点之间必须通视；同时，传统的大地测量方法的工 作量大，作业时间长，观测受制于天气，精度受观测人员的技术水平和大气折光因素影响较人， 控制面积小，建立稳定基准较难，在连续性、实时性和自动化程度等方面已越来越难以满足实时 监测的要求。 库水作用下坝区地壳和地表的稳定性，以及坝体、坝基与库水相互动静力作用的研究是大坝 安全监控一个很重要的内容。鉴于目前监测方法和手段的不适应性，使这方面进一步深入研究有 一定影响。因此，坝区及库区地表的变形监测技术和方法的研究是一个有待解决的问题。 1 2 2 观测资料的误差处理与分析 目前主要采用基于最小二乘理论的分析方法对大坝安全监测数据进行租差判别和处理瞄，较 2 河海大学博士学位论文 常用的方法有两类：数据探测法和稳健估计法【2 5 _ ( 3 ”。 数据探测法的基本思想p 刮是假定平差系统只存在一个粗差观测值，井将该粗差纳入函数模 型，用统计假设检验方法检测粗差并剔除粗差。剔除含有粗差的观测值后，建立新的平差系统， 若仍存在粗差，再假定只存在一个粗差，逐次不断进行，直至判断不再含有粗差。数据探测法对 于探测单个粗差的研究已经较为成熟，但该方法用于多维粗差的探测时往往会山现遮蔽现象。 莱因达准则1 是数据探测法中最常用的一种粗差检验方法，将残差超过三倍中误差的观测值 判定为粗差加以剔除。目前大坝安全监控中，利用各种监控指标判别粗差，都是基丁此准则而进 行的。由测量平差理论可知，残差的大小并不能充分反映相应观测粗差的火小，当存在多维粗差 的情况下，每一个残差都受其它观测粗差的影响，受影响程度的大小取决于多余观测分量以及观 测值权的分配”叫_ 【“j 。因此莱因达准则仍然无法摆脱数据探测法的局限性，一般只适合于探测单 个粗差，当观测值中存在多维粗差且相互作用显著时，粗差探测难以获得良好的效果。 稳健估计法的基本思想【j 驯是通过变权使观测中正常方差和异常大方差对参数产生不同影响， 以达到定位粗差和削弱其对参数解的不良影响。 稳健估计法在实际应用中的问题p 刈主要表现在三个方面：( 1 ) 在存在粗差情况下，权函数麻 是真误差的函数，由于真误差未知，不得已用残差代替，而残差并不能完全反映相应观测值的粗 差大小，因此由残差代替真误差后所组成的权函数直接影响所构造的估计准则的稳健性。( 2 ) 权 函数的确定问题【4 0 】【4 3 1 ，选择不同的权函数就会得到不同的粗差处理结果。( 3 ) 迭代法求解的过 程中常会出现解不唯一的情况，不一定能收敛至设计的稳健化权函数。 除了数据探测法和稳健估计法外，粗差处理还常用统计量检验法_ ，如格拉布斯准则、狄克 逊准则、肖维勒准则、t 检验准则、f 检验准则等。 12 3 观测资料的正分析、反分析以及大坝安全综合评判与决策 意大利的法那林( f a n e l i ) 和葡萄牙的罗卡( r o c h a ) 等从1 9 5 5 年开始应用统计回归方法来定 量分析大坝的变形观测资料，并于1 9 7 7 年法那林等又提出了混凝土大坝变形的确定性模型雨混台 模型，将有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来，以监控大坝的安全状况。近3 0 年来，随着 计算机技术的快速发展，大坝观测资料的正分析研究也取得了很大的进步，统计模型、确定性模型 及其混合模型在生产实践中得到了广泛的应用。此外，法国在资料分析方面，采用m d v 法，即在测 值序列中分离出水压分量和温度分量，然后对时效和残差的变化规律进行分析，进而评判大坝的 安全状况_ ”。近几年来，国内外大坝观测资料的分析工作逐渐向纵深方向发展，多测点建模、复 合建模技术等新方法以及灰色系统、模糊理论、人工神经网络、遗传算法【4 6 】- 53 1 、混沌理论【5 4 。 5 5 l 等新理论被引入到大坝安全监控领域中。 我国大坝观测资料的分析工作起步较晚，1 9 7 4 年以前以定性分析为主。1 9 7 4 年以后，在河 海大学陈久宇教授等的创导下，开始应用统计回归分析原型观测资料。2 0 世纪8 0 年代中期吴 中如等从徐变理论出发，模拟温度等周期荷载把坝体顶部时效位移的表达式用周期函数表示， 第一章绪论 并用非线性最小= 乘法进行参数估计。邓聚龙于2 0 世纪8 0 年代首次在国际上提出灰色系统理论， 李珍照等于1 9 9 1 年将灰色理论引用到大坝安全监控的资料分析领域。近年来，国内一些研究人 员也提出了多种监控模型对大坝安全监测资料进行分析，模糊数学、神经网络、滤波法、小波分 析、混沌动力学等各种理论和方法相继被引入到大坝安全监控资料的处理中。如李珍照等在1 9 9 1 年研究了用模糊数学进行资料分析，阐述了大坝观测数据模糊识别的方法和步骤。近几年，人工 神经网络在大坝观测数据处理与分析方面的应用研究已经开始，尤其是模糊数学与神经网络方法 的有机结台，对大坝变形、渗流等进行拟合，相关的研究展现了广阔的前景。 反分析p 6 j _ p 是根据原型观测资料，引入适当数学模型，反求正分析中的计算参数、计算模 型以及某些结构特征等。1 9 6 9 年t e r z a g h i 提出的观测设计法9 ”是反分析思想的最早应用。大坝 及坝基的参数反演有两种方法，即常规分析法和确定性模型法，国内外对大坝及坝基参数的反演 分析比较深入，尤其对混凝士坝反分析研究较为普遍，并取得了很多成果。在弹性问题的位移反 分析中，1 9 9 7 年n s h i m i z u 和s s a l 【u r a i 【 。l j 提出边界元位移反分析方法。此外，国内外众 多学者如薛琳、g g i o d a 【o 廿忡叫等也在岩体粘弹性参数反分析方面提出一些实用的计算方法。在 弹塑性问题的反分析研究方面，意大利g i o d a 、s a k u r a i 、m a i e r ”等首先利用单纯形优化方法进 行弹塑性反分析，在此基础上国内外学者进一步完善和发展了这种方法。在粘弹塑性的位移反分 析上，陈子荫通过对圆形洞室的l a p l a c e 变换，导出了广义开尔文模型的位移解析解，并利用直 接搜索法求解非线性方程中的待定参数。王芝银等研究了西原流变模型的反分析问题，并研究了 粘弹塑性增量位移反分析的复合形法，提高了优化效率。沈振中在单纯形法的基础上，通过动态 约束搜索误差，研究参数反分析的可变容差法，以加速迭代速度。胡维俊等基于优化理论，研究 拱坝位移反分析的多点拟合法，得到了合理的成果。近几年，吴中如、顾冲时、朱伯芳等研究了 位移时空模型、模糊数学反演以及其他的一些反分析方法。 安全监测资料的正反分析和反馈分析，一般仅局限于对单项物理量的分析，存在一定的局限 性。因此，在正分析、反分析和反馈分析基础上，对大坝等水工建筑物的安全性态进行综合评判与 决策。综台评判与决策是指对各种资料进行不同层次的分析，找出荷载集与效应集、效应集与控制 集之间的非确定性和确定性关系，然后通过一定的理论和方法或凭借专家的丰富经验进行综合分 析和推理，以评判大坝等水工建筑物的工作性态。 近年来，国内外对水工建筑物安全评价方法的研究有了较大发展一叶【，。在国外，美国、加 拿大等国已用s e e d 法及风险值概念对大坝失事的总概率进行计算。如b c y e n j _ 驯对随机荷载 和抗力作只j 下水工建筑物系统的可靠性估算方法进行研究，对均值一次二阶矩法和改进的一次法 进行重点讨论，并将它们与失事树( 或事件树) 联合应用，为定量考虑影响整个系统可靠性的所 有因素提供了一个虽然近似但较为合理的框架。在国内，吴中如 7 4 1 、尉维斌等【7 5 】【7 6 】利_ | i 模糊数 学方法自下而上的确定大坝实测性态评价体系各层元素晦权重，实现对大坝安全实测性态的评 判。在大坝安全综合评判与决策的研究和应用方面，吴中如、顾冲时、沈振中等提出并开发了建 立在机四库( 推理机、数据库、知识库、方法库和图库) 基础上的大坝安全综台评价专家系统， 4 河海大学博士学位论文 应用模式识别和模糊评判，通过综合掇瑾机，对嘲库进行综合调用，将定量分析和定性分析结台起 来，实现对大坝安全状态的在线实时分橱酾综台谭债。 综观国内外大坝安全监控投其研究工作近十几年来的发展，可以看出其特点有阡筇：( 1 ) 观测 范潮进一步扩大，除了对大坝及其附属建筑物的监测外，还向地蕊岸坡和其他地质、地形情况复 杂的区域发腥 ( 2 ) 辫精度、离稳定幢和高自动亿的观酒仪器不断出现，簸测手段更加先进；( 3 ) 自动化监测系统发展报快，不少大坝已经实现了自动化避测集控，0 p s 技术在大坝安全监测中也 得弼了应用；( 4 ) 数据处理逐步由离线集中憝纛发展为瓷线实对髋控和处理，为管璐决蒺提供更 加及时准确的依据；( 5 ) 反馈分析成果丰硕有效地推动了坝工设计和施二c 技术的发展；( 6 ) 监 控分析静数学模鹜鼙蠛多样讫澎式，除了统计穰登、确定洼模型和混合模型歼，对闻序列、璇色 理论、模糊数学、神经网络、随机有限元、波谱分析等多种方法被引入大坝安全监测资料和人曲 结褊注态麓正反努辑；( 7 ) 在大矮安全往态鼢评馈研究方嚣，麸摹灏点、犟壤甚的猿立分辑评价 向多测点、多项目的综合分析和评价发展，大坝安全的风险与可靠性分析也逐渐展开。 1 3g p s 在变形监测中的应用 1 3 g p s 发展概洗 g p s 系统是1 9 7 3 年开始筹建的，g p s 计划经历了方案论证( 1 9 7 4 1 9 7 8 年) 、系统论证( 1 9 7 9 1 9 8 7 年) 、生产试验( 1 9 8 8 1 9 9 3 年) 三个酴袋。1 9 7 8 年发鑫雩了第一颗试验望星( 耩班o c k l ， 至1 9 8 8 年熬发射了1 l 颗b 1 0 c k i 型卫羼。经过近1 0 年的试验和研究，证实了该系统是成功的并 其蠢受磐豹褥毪。l s 瓣年2 弼开始发辩第一颗王雩# 卫星( 8 i o e k | ) ，至1 9 4 年底2 l 颗热3 颥备 ；的卫星已经升空，b 1 0 c k n 卫星设计潜命7 5 年，星上装有两静铯钟、两台铷钟，可存贮1 8 0 天馕惑【7 7 j - l 捌。 用于测地型的g p s 接收机，自2 0 世纪8 0 年代推出的m a c r o m e t e r v 一1 0 。o 和t 1 4 1 0 0 两种仪器 敬慕，0 悠接牧瓤发瓣迅猛，至今已蠢l 多穆不强型号接收辊溺避。美匿j 扎在n a s 盎麴“绣球 动力学”规划的支持下，于1 9 8 7 年研制出新一代的r o g u eg p s 接收机【”j ，1 9 8 8 年1 月参加“第 一次孛囊美溯国骣g 越联溅( e 矗s 艇) ”，强年胄迸鳕飞艇动态测量，1 9 9 1 年参女l “遗璩鑫转 和地球动力学全球酋次g p s 试验”，1 9 9 2 年改进型t u r b o r o g u e 一8 0 0 0 投入市场。几年来的研究成 果袭旗；晷藏垒璩g 薹 s 网蛇蕊线确定熊选劐l o “f 帮6 ) 豹糖对糖浚，黯区域涮瞧能这茔l 优予1 0 4 量缀的相对精度p i ；海上定位精度为c m 级；飞机动态定位精度为1 0 c m 。r o g u e 接收机采用扩波 投零，戎动地用于见公里到尼手公里撼基线残测秘数据处理；接收枧挠镯跳能力强：采崩n a s a 的扼流圈天线和2 0 h z c a 码处理，使弗路径效应的误差降到极小。它是当前各项地球动力学g p s 会娥生强选捌嚣接收枫。此外爨翅a s 鼬e o h 公霹接出骢z 一r s ( 大地参考站系统) g p s 接收机， 也憝永久性g p s 基凇站的理想设备。我国的中国地壳运渤观测嘲络( 8 2 l ( 1 9 9 8 年) 的基准站和上 海g p s 综合碰用网l ”( 2 0 0 1 年) 均选用了髟z c g r sg p s 接牧机。 十多年米，我国的测绘工作者在g p s 定位基础理论研究和应用开发方嘶做了大鹫1 ：作。并己 5 河海丈学博士学位论文 应用模式识别和模糊评判，通过综合推理机，对四库进行综合调用将定量分析和定性分析结合起 来实现对大坝安全状态的在线实时分析和综合评价。 综观国内外人坝安全监控及其研究工作近十几年来的发展，可以看出其特点有”：( 】) 观测 范围进一步扩火，除了对大坝及其附属建筑物的监测外，还向地基岸坡和其他地质、地形情况复 杂的区域发展；( 2 ) 商精度、高稳定性和高自动化的观测仪器不断出现，监测手段更加先进；( 3 ) 自动化监洲系统发展很快，不少人坝已经实现了自动化遥测集控，g p s 技术在大坝安全监测中也 得到丁应用；( 4 ) 数据处理逐步由离线集中处理发展为在线实时监控和处理，为管理决策提供更 加及时准确的依据；( 5 ) 反馈分析成果丰硕，有效地推动了坝工设计和施工技术的发展：( 6 ) 监 控分析的数学模型呈现多样化形式，除丁统计模型、确定性模型和混合模型外，时间序列、灰色 理论、模糊数学、神经网络、随机有限元、波谱分析等多种方法被引入大坝安全监测资料和大坝 结构性态的正反分析：( 7 ) 在大坝安全性态的评价研究方面，从单测点、单项目的独立分析评价 向多测点、多项目的综合分析和评价发展，大坝安全的风险与可靠性分析也逐渐展开。 13g p s 在变形监测中的应用 1 3 ，1g p s 发展概况 g p s 系统是1 9 7 3 年开始筹建的，g p s 计划经历了方案论证( 1 9 7 4 1 9 7 8 年) 、系统论证( 1 9 7 9 1 9 8 7 年) 、生产试验( 1 9 8 8 1 9 9 3 年) 三个阶段。1 9 7 8 年发射了第一颗试验甲星( 属b l o c k l ， 至1 9 8 8 年拭发射了1 l 颗b 1 0 c k i 型卫星。经过近1 0 年的试验和研究，证实了该系统是成功的刊。 具有良好的特性。1 9 8 9 年2 月开始发射第一颗工作卫星( b l o c k i i ) ，至1 9 9 4 年底2 】颗加3 颗备 用的卫星已经升空，b l o c k i 【卫星设计寿命75 年，星上装有两台铯钟、两台铷钟，可存贮1 8 0 天信息| 7 7 】一 7 9 】。 用于测地型的g p s 接收机，白2 0 世纪8 0 年代推出的m a c r 。m e t e r v 一1 0 0 0 和t 1 4 1 0 0 两种仪器 以来，g p s 接收机发展迅猛，至今已有1 0 0 多种不同型号接收机问世。美国j p l 在n a s a 的“地域 动力学”规划的支持下，于1 9 8 7 年研制出新一代的r o g u eg p s 接收机【8 0 】，1 9 8 8 年1 月参加t 第 一次中南美洲国际g p s 联测( c a s a u “0 ) ”，同年5 月进行飞机动态测量，1 9 9 1 年参加“地球自转 和地球动力学全球首次g p s 试验”，1 9 9 2 年改进型t u r b o r o g u e 一8 0 0 0 投入市场。几年来的研究成 果表明；目前全球g p s 网的基线确定能达到1 0 ”( 脚6 ) 的相对精度，对区域网也能达到优于1 0 “ 量级的相对精度”“：海上定位精度为c 级；飞机动态定位精度为i o c m 。r o g u e 接收机采j = j 扩波 技术，成功地用于几公里到几千公里地基线观测和数据处理；接收机抗周跳能力强；采用n a s a 的扼流圈天线和2 0 h z c a 码处理，使多路径效应的误差降到极小。它是当前各项地球动力学g p s 会战主要选用的接收机。此外舞国 s h t e c h 公司推出的z c g r s ( 大地参考站系统) g p s 接收机， 也是永久性g p s 基准站的理想设备。我国的中国地壳运动观测网络 s 2 】( i 9 9 8 年) 的基准站和上 海g p s 综合应用网悼副( 2 0 0 1 年) 均选用了“z c g r sg p s 接收机。 十多年来，我国的测绘工作者在g p s 定位基础理论研究和应用开发方面做1 r 大量工作。并已 十多年来，我国的测绘工作者在g p s 定位基础理论研究和应用开发方面做了大量工作。并已 5 第一章绪论 成功发射了自己的第一代g p s 试验系统北斗导航卫星系统。近几年我国又建成了北京、武汉、 上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等地的永久性g p s 跟踪站，进行对o p s 卫星的精密定轨，为高精 度的g p s 定位测量提供观测数据和精密星历服务，并致力于我国自主的广域差分g p s ( 、v a d g p s ) 方案的建立，参与了全球导航卫星系统( g n s s ) 和g p s 广域增强系统( w a s ) 的筹建p 。 1 3 2g p s 在大坝及边坡变形监测的应用 g p s 定位技术的高效率、高精度、没有距离的限制和全天候作业模式及观测和数据处理的高 度自动化等诸多优点，使g p s 定位技术在大坝、坝区高边坡安全监测中得到应用。早在1 9 9 2 年 7 月由e f r e i 等人在瑞士南部地区的m a g g i a 谷区n a r e t 大坝进行了g p s 网的观测和重复测量试 验p ”，该网共有5 个点，他们使用w i u ) 2 0 0 双频g p s 定位系统进行观测并与以m e 5 0 0 0 精密测 距仪和t 3 0 0 0 精密电子经纬仪的观测结果进行了比较，两种方法的测量结果比较和g p s 重复测 量结果的差值表明：只要采取合理的观测方案和严格的操作程序，注意克服天线的偏心和指向误 差( 对于大坝变形监测网，g p s 天线是固定在观测墩上的) ，g p s 观测精度可以达到1 m m 左右的 精度。 定期使用g p s 对大坝进行变形观测监测的一个实例是澳大利亚的n o n hd a l l d a l u p 火坝p ， 该坝是5 5 m 高的土石坝，共有4 0 个g p s 监测点，每隔三个月观测一次，采用g p s 快速静态的 观测模式( 每个监测点观测1 5 3 0 分钟) 。1 6 期的观测计算统计结果表明：监测点的三维坐标的 精度在1 2 c m 。这样的观测精度对于大坝变形监测来说，精度显然是偏低的。分析其精度偏低 原因主要有：监测点没有建立观测墩及其强制对中装置；观测时间偏短：多路径的影响以及g p s 卫星分布不好的观测时段等影响。在国内，除了隔河岩大坝建立了g p s 监控系统( 精度可达1 m i n 左右) 外，在大坝安全监控网的研究中，主要是通过试验模拟、或与常规的测量比较、或是在已建 的常规变形监测网用o p s 进行试验研究剐。【9 2 】，其目的是通过g p s 观测数据的处理，来分析g p s 观测精度能否达到大坝( 边坡) 变形监测的要求，试验结果证明：g p s 静态观测精度可以达到1 3 m m 的精度，可以满足大坝( 边坡) 变形监测的要求。 固定的、连续的、自动化的g p s 大坝变形监测系统是g p s 变形监测的发展方向，它可以连 续或动态地监测大坝的变形，特别是在特殊时期( 如洪水期、泄洪、地震等) ，可以连续地对人 坝变形进行监测。美国加利福尼亚的p a c o i m a 大坝于1 9 9 5 建立了g p s 自动化变形监测系统p j j 。 9 “，该坝为1 1 3 高的混凝土大坝，建成于1 9 2 6 年，并经历了1 9 7 1 年和1 9 9 4 年两次地震。该g p s 连续监测系统由坝上两个监测点和一个距坝2 5 k m 的基准点、以及距坝约3 0 k m 的南加利福尼 综合g p s 网( s c i g n ) 中的三个点组成，数据处理采用m i t 的0 a m i t 软件和i g s 的精密星历， 每六个小时的观测数据作为一个测段，两年的观测数据处理结果表明：几个月的观测数据量可以 探测大坝的m m 圾变形一天的观测o p s 的精度为4 6 m m 。我图第一个大坝外观变形o p s 自 动化监测系统于1 9 9 8 年4 月在隔河岩大坝正式投入运行【蝤j - 【9 引。该系统由湖北清江水电开发公 司与武汉测绘科技大学合作开发完成。g p s 自动化监测系统由数据采集、传输、处理( 包括分析、 6 河海大学博士学位论文 管理) 三大部分组成。g p s 数据采集系统由七台g p s 接收机组成，其中g p s l 、g p s 2 为基准站， g p s 3 g p s 7 为坝面外观监测站，其中g p s 3 位于坝肩，g p s 6 位于拱冠。隔河岩大坝g p s 自动化监 测系统6 小时解，其平面和垂直位移精度优于1 0 m 。2 小时解算精度优于15 m m 。这样的观