变形监测数据处理

1、欢迎 各位同学！ 9. 9.岳建平等岳建平等. .变形监测技术与应用变形监测技术与应用. . 国防工业出版社国防工业出版社 20072007 10.10.何秀凤何秀凤. .变形监测新方法及其应用变形监测新方法及其应用. .科学出版社科学出版社 20072007 11.11.伊晓东等伊晓东等. .变形监测技术及应用变形监测技术及应用. .黄河水利出版社黄河水利出版社 2007 2007 12.12.白迪谋白迪谋. .工程建筑物变形观测和变形分析工程建筑物变形观测和变形分析. . 西南交通大学出版社西南交通大学出版社 2002 2002 13.13.朱建军等朱建军等. .变形测量的理论与方法变形测

2、量的理论与方法. .中南大学出版社中南大学出版社 2004 2004 14.14.唐孟雄等唐孟雄等. .深基坑工程变形控制深基坑工程变形控制. . 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社 20062006 15.15.黄声享等黄声享等. .小浪底水利枢纽外部变形规律研究小浪底水利枢纽外部变形规律研究. . 测绘出版社测绘出版社,2008.12,2008.12 n变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义 n变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 n变形分析变形分析的的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展 n关于本课程的学习关于本课程的学习 本节要求了解并掌握三方面的内容：本节要求了解

3、并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 变形监测的内容变形监测的内容 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 变形的概念变形的概念 变形监测的变形监测的概念概念 变形体的范畴变形体的范畴 变形变形是自然界的普遍现象，它是自然界的普遍现象，它是指变形体是指变形体 在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在各种荷载作用下，其形状、大小及位置 在时空域中的变化。在时空域中的变化。变形体的变形在一定变形体的变形在一定 范围内被认为是允许的，如果超出允许值范围内被认为是允许的，如果超出允许值 ，则可能引发灾害。自然界的变形危害现，则可能引发灾害。自然界的变形危害现 象时刻都在我们周边发

4、生着，如地震、滑象时刻都在我们周边发生着，如地震、滑 坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、 桥梁与建筑物的倒塌等。桥梁与建筑物的倒塌等。 变形的概念变形的概念 变形监测的变形监测的概念概念 变形体的范畴变形体的范畴 所谓所谓变形监测变形监测，就是利用测量与专用仪器，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和方法对变形体的变形现象进行监视观测 的工作。其任务是确定在各种荷载和外力的工作。其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。变形监测工作是的空间状态和时间

5、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。论和假设的必要手段。 变形的概念变形的概念 变形监测的变形监测的概念概念 变形体的范畴变形体的范畴 变形体的范畴变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑可以大到整个地球，小到一个工程建（构）筑 物的块体，它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研物的块体，它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研 究范围，可将变形监测研究对象划分为这样三类：究范围，可将变形监测研究对象划分为这样三类： 全球性变形研究全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球，如监测全球板块运

6、动、地极移动、地球 自转速率变化、地潮等；自转速率变化、地潮等； 区域性变形研究区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等；，如地壳形变监测、城市地面沉降等； 工程和局部性变形研究工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、，如监测工程建筑物的三维变形、 滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等。滑坡体的滑动、地下开采使引起的地表移动和下沉等。 在精密工程测量中，研究的最具有代表性的在精密工程测量中，研究的最具有代表性的 变形体有：变形体有： 大坝大坝 桥梁桥梁 高层（耸）建筑物高层（耸）建筑物 矿区矿区 防护堤防护堤 边坡边坡 隧道隧道 地铁地铁 地表沉降地表沉降 高速铁路高

7、速铁路 核电站核电站 大型科学实验装置等大型科学实验装置等 变形的概念变形的概念 变形监测的变形监测的概念概念 变形体的范畴变形体的范畴 本节要求了解并掌握三方面的内容：本节要求了解并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 变形监测的内容变形监测的内容 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 1.1.2 变形监测的内容变形监测的内容 变形监测的内容，应根据变形体的性质变形监测的内容，应根据变形体的性质 与地基情况来定。要求有明确的针对性，与地基情况来定。要求有明确的针对性， 既要有重点，又要作全面考虑，以便能既要有重点，又要作全面考虑，以便能 正确反映出变形体的变化情况，达

8、到监正确反映出变形体的变化情况，达到监 视变形体的安全、了解其变形规律之目视变形体的安全、了解其变形规律之目 的。的。 1.1.2 变形监测的内容变形监测的内容 1 1）工业与民用建筑物工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷：主要包括基础的沉陷 观测与建筑物本身的变形观测。就其观测与建筑物本身的变形观测。就其基础基础而言，而言， 主要观测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉主要观测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉 陷。对于陷。对于建筑物建筑物本身来说，则主要是观测倾斜本身来说，则主要是观测倾斜 与裂缝。对于与裂缝。对于高层和高耸建筑物高层和高耸建筑物，还应对其动，还应对其动 态变形（主要为振动的幅值

9、、频率和扭转）进态变形（主要为振动的幅值、频率和扭转）进 行观测。对于行观测。对于工业工业企业、科学试验设施与军事企业、科学试验设施与军事 设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要观测设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要观测 内容是水平位移和垂直位移。内容是水平位移和垂直位移。 1.1.2 变形监测的内容变形监测的内容 2 2）水工建筑物水工建筑物：对于：对于土坝土坝，其观测项目主要为水，其观测项目主要为水 平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测。对于平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测。对于混混 凝土坝凝土坝，以混凝土重力坝为例，由于水压力、外，以混凝土重力坝为例，由于水压力、外 界温度变化、坝体自重

10、等因素的作用，界温度变化、坝体自重等因素的作用， 其主要观其主要观 测项目主要为垂直位移（从而可以求得基础与坝测项目主要为垂直位移（从而可以求得基础与坝 体的转动）、水平位移（从而可以求得坝体的扭体的转动）、水平位移（从而可以求得坝体的扭 曲）以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为曲）以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为外部外部 变形观测变形观测。此外，为了了解混凝土坝结构内部的。此外，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，这些内容通常称为行观测，这些内容通常称为内部观测内部观测。 1.1.2 变形监测的内容变形监测

11、的内容 3 3）地面沉降地面沉降：对于建立在江河下游冲积层上的：对于建立在江河下游冲积层上的 城市城市，由于工业用水需要大量地吸取地下水，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而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现 象。对于地下象。对于地下采矿地区采矿地区，由于在地下大量的采，由于在地下大量的采 掘，也会使地表发生沉降现象。这种沉降现象掘，也会使地表发生沉降现象。这种沉降现象 严重的城市地区，暴雨以后将发生大面积的积严重的城市地区，暴雨以后将发生大面积的积 水，影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至水，影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至 造成地下管线的破

12、坏，危及建筑物的安全。因造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。因 此，必须定期地进行观测，掌握其沉降与回升此，必须定期地进行观测，掌握其沉降与回升 的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主 要应进行地表沉降观测。要应进行地表沉降观测。 本节要求了解并掌握三方面的内容：本节要求了解并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 变形监测的内容变形监测的内容 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 人类社会的进步，国民经济的发展，加快了工程建设的进程，人类社会的进步，国民经济的发展，加快了工

13、程建设的进程， 并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求。 与此同时，变形与此同时，变形监测工作的意义更加重要。监测工作的意义更加重要。众所周知，工程建众所周知，工程建 筑物在施工和运营期间，由于受多种主客观因素的影响，会产筑物在施工和运营期间，由于受多种主客观因素的影响，会产 生变形，变形如果超出了规定的限度，就会影响建筑物的正常生变形，变形如果超出了规定的限度，就会影响建筑物的正常 使用，严重时还会危及建筑物的安全，给人民生命财产带来巨使用，严重时还会危及建筑物的安全，给人民生命财产带来巨 大损失。尽管工程建筑物在设计时

14、采用了一定的安全系数，使大损失。尽管工程建筑物在设计时采用了一定的安全系数，使 其能安全承受所考虑的多种外荷载影响，但是由于设计中不可其能安全承受所考虑的多种外荷载影响，但是由于设计中不可 能对工程的工作条件及承载能力做出完全准确的估计，施工质能对工程的工作条件及承载能力做出完全准确的估计，施工质 量也不可能完美无缺，工程在运行过程中还可能发生某些不利量也不可能完美无缺，工程在运行过程中还可能发生某些不利 的变化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。的变化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 以大坝为例以大坝为例: : 法国法国67m

15、67m高的马尔巴塞（高的马尔巴塞（malpassetmalpasset）拱坝）拱坝19591959年年 垮坝；垮坝； 意大利意大利262m262m高的瓦依昂（高的瓦依昂（vajontvajont）拱坝）拱坝19631963年因年因 库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效；库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效； 美国美国93m93m高的提堂（高的提堂（tetonteton）土坝）土坝19761976年溃决；年溃决； 我国板桥和石漫滩两座土坝我国板桥和石漫滩两座土坝19751975年洪水漫坝失事年洪水漫坝失事 等，都是一些典型的事例。等，都是一些典型的事例。 可见，保证工程建筑物安全是一个十分重要的

16、、可见，保证工程建筑物安全是一个十分重要的、 很实际的问题。很实际的问题。 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大塔可马大桥桥( (tacoma narrows)tacoma narrows)事件事件: : 1940 1940年完工，主跨年完工，主跨853m,853m,只使用了三个月，便在只使用了三个月，便在 19m/s19m/s的风速下造成了塌桥事故。的风速下造成了塌桥事故。 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大塔可马大桥桥( (tacoma narrows)tacoma narrows)事件事件: : 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监

17、测的目的和意义 塔可马大塔可马大桥桥( (tacoma narrows)tacoma narrows)事件事件: : 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大塔可马大桥桥( (tacoma narrows)tacoma narrows)事件事件: : 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大塔可马大桥桥( (tacoma narrows)tacoma narrows)事件事件: : 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 目前，灾害的监测与防治已越来越受到全社会、全人目前，灾害的监测与防治已越来越受到全社会、全人 类的普遍关注，各级政府

18、及主管部门对此问题十分重类的普遍关注，各级政府及主管部门对此问题十分重 视，诸多国际学术组织，如国际大地测量协会（视，诸多国际学术组织，如国际大地测量协会（iagiag）、）、 国际测量师联合会（国际测量师联合会（figfig）、国际岩石力学协会）、国际岩石力学协会 （isrmisrm）、国际大坝委员会（）、国际大坝委员会（icoldicold）、国际矿山测量）、国际矿山测量 协会（协会（ismism）等，非常活跃地定期召开专业会议进行学）等，非常活跃地定期召开专业会议进行学 术交流和研究对策。经过广大测量科技工作者和工程术交流和研究对策。经过广大测量科技工作者和工程 技术人员近三十年的共同努

19、力，在变形监测领域，取技术人员近三十年的共同努力，在变形监测领域，取 得了丰硕的理论研究成果，并发挥了实用效益。得了丰硕的理论研究成果，并发挥了实用效益。 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 例如例如: : 利用地球物理大地测量反演理论，于利用地球物理大地测量反演理论，于19931993年准确预年准确预 测了测了19961996年发生的年发生的丽江大地震丽江大地震； 19851985年年6 6月月1212日日长江三峡新滩滑坡长江三峡新滩滑坡的成功预报，使的成功预报，使 得灾害损失减少到最低程度，被誉为我国滑坡预报研得灾害损失减少到最低程度，被誉为我国滑坡预报研 究史上罕见的奇

20、迹；究史上罕见的奇迹； 隔河岩大坝隔河岩大坝外观变形外观变形gpsgps自动化监测系统在自动化监测系统在19981998年年 长江流域抗洪错峰中长江流域抗洪错峰中所发挥的巨大作用，确保了安全所发挥的巨大作用，确保了安全 渡汛，避免了荆江大堤灾难性的分洪。渡汛，避免了荆江大堤灾难性的分洪。 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 科学、准确、及时地分析和预报工程及工程建筑物科学、准确、及时地分析和预报工程及工程建筑物 的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为 重要，这一工作属于变形重要，这一工作属于变形监测的监测的范畴。由于变形范畴。

21、由于变形监监 测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球测涉及到测量、工程地质、水文、结构力学、地球 物理、计算机科学等诸多学科的知识，是一项物理、计算机科学等诸多学科的知识，是一项跨学跨学 科科的研究，正向的研究，正向边缘学科边缘学科的方向发展，已成为测量的方向发展，已成为测量 工作者与其它学科专家合作研究的领域。工作者与其它学科专家合作研究的领域。 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 变形变形监测所研究监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个的理论和方法主要涉及到这样三个 方面：方面： 变形信息的变形信息的获取获取； 变形信息的分析与解释；变形信息的分析与解释； 以及变

22、形预报。以及变形预报。 其研究成果对预防自然灾害及了解变形机理是极其研究成果对预防自然灾害及了解变形机理是极 为重要的。对于工程建筑物，变形监测除了作为判断为重要的。对于工程建筑物，变形监测除了作为判断 其安全的耳目之外，还是检验设计和施工的重要手段。其安全的耳目之外，还是检验设计和施工的重要手段。 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 对于工程建筑物，对于工程建筑物，变形变形监测的意义重点表现监测的意义重点表现在：在： 确保安全确保安全 验证设计验证设计 灾害防治灾害防治 具有具有实用实用上的意义，主要是掌握各种建筑物和地质上的意义，主要是掌握各种建筑物和地质 构造的稳定性，

23、为安全性诊断提供必要构造的稳定性，为安全性诊断提供必要信息信息，及时发，及时发 现问题，以便采取措施；现问题，以便采取措施； 具有具有科学科学上的意义，包括更好地理解上的意义，包括更好地理解变形的机理，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馈设计，以及建立有效的变形预报模型。 本节要求了解并掌握三方面的内容：本节要求了解并掌握三方面的内容： 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 变形监测的内容变形监测的内容 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 n变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目

24、的与意义意义 n变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 n变形分析变形分析的的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展 n关于本课程的学习关于本课程的学习 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 gpsgps周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 gpsgps动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 变形信息变形信息获取获取方法的选择方法的选择取决于变形体的特征、变取决于变形体的特征、变 形形监测的目的、监测的目的、变形大小和变形速度等因素。变形大小和变形速度等因素。

25、在在全球性变形监测全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本最方面，空间大地测量是最基本最 适用的技术，它主要包括全球定位系统（适用的技术，它主要包括全球定位系统（gpsgps）、甚长）、甚长 基线射电干涉测量（基线射电干涉测量（vlbivlbi）、卫星激光测距（）、卫星激光测距（slrslr）、）、 激光测月技术（激光测月技术（llrllr）以及卫星重力探测技术（卫星测）以及卫星重力探测技术（卫星测 高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）等技术手段；高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）等技术手段； 在在区域性变形监测区域性变形监测方面，方面，gpsgps已成为主要的技术手段已成为主要的技术手段

26、。近十年发展起来的空间对地观测遥感新技术。近十年发展起来的空间对地观测遥感新技术合合 成孔径雷达干涉测量（成孔径雷达干涉测量（insarinsar, ,interferometric synthetic aperture radar），在监测地震变形、火山地表移动、），在监测地震变形、火山地表移动、 冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的 精度已可达厘米或毫米级，表现出很强的技术优势。但精度已可达厘米或毫米级，表现出很强的技术优势。但 精密水准测量精密水准测量依然是高精度高程信息获取的方法。依然是高精度高程信息获取的方法。 在在工程和局

27、部性变形监测工程和局部性变形监测方面，地面常规测量技术方面，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、以及地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段、以及以以 gps为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 gpsgps周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 gpsgps动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 合理设计合理设计变形监测方案变形监测方案是变形监测的首要工作，对

28、于是变形监测的首要工作，对于监测网监测网 设计设计而言，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。在过去三十年里方法；点位的最佳布设和观测方案的最优选择。在过去三十年里 ，变形监测方案设计和监测网优化设计的研究较为深入和全面，变形监测方案设计和监测网优化设计的研究较为深入和全面， 取得了丰富的理论研究成果和实用效益，这一点可从众多文献中取得了丰富的理论研究成果和实用效益，这一点可从众多文献中 得到体现。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面，其主要得到体现。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面

29、，其主要 发展是发展是监测方案的综合设计和监测系统的数据管理与综合处理监测方案的综合设计和监测系统的数据管理与综合处理。 例如，在大坝的变形监测中，要综合考虑外部观测和内部观测设例如，在大坝的变形监测中，要综合考虑外部观测和内部观测设 计，大地测量与特殊测量的计，大地测量与特殊测量的观测量观测量（geodetic and geotechnical observations）要进行综合处理与分析。）要进行综合处理与分析。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 gpsgps周期性周期性和和连续性变

30、形监测连续性变形监测问题问题 gpsgps动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 数十年数十年变形监测技术的发展，传统的变形监测技术的发展，传统的地表变形监测方法地表变形监测方法主主 要采用的是大地测量法。要采用的是大地测量法。 1）常规地面测量方法常规地面测量方法的完善与发展，其显著进步是全站的完善与发展，其显著进步是全站 型仪器的广泛使用，尤其是型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪全自动跟踪全站仪（rts, robotic total stations），也称测量机器人（），也称测量机器人（georobot），为局部工程），为局部工程 变形的自动监测或室内监测提供了一种

31、很好的技术手段，它可变形的自动监测或室内监测提供了一种很好的技术手段，它可 进行一定范围内无人值守、全天侯、全方位的自动监测。进行一定范围内无人值守、全天侯、全方位的自动监测。 例如，在美国加州南部的一个新水库（例如，在美国加州南部的一个新水库（diamond valley lake已安装了由已安装了由8个永久性个永久性 rts 和和218个棱镜组成的地面自动个棱镜组成的地面自动 监测系统。但是，监测系统。但是，tps（terrestrial positional system）的最大）的最大 缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域范围之内。缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域范围之

32、内。 2）地面摄影测量技术地面摄影测量技术在变形监测中的应用起步较早，但在变形监测中的应用起步较早，但 是由于摄影距离不能过远，绝对精度较低，使得其应用受到是由于摄影距离不能过远，绝对精度较低，使得其应用受到 局限，仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸、边坡体等局限，仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸、边坡体等 的变形监测。的变形监测。后来发展起来的后来发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量数字摄影测量和实时摄影测量 为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广 泛的前景。泛的前景。地面三维激光扫描系统地面三维激光扫描系统将是变形监测

33、领域的一种将是变形监测领域的一种 重要技术。重要技术。 3）光、机、电技术光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监的发展，研制了一些特殊和专用的监 测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量 和倾斜测量。采用和倾斜测量。采用光纤传感器测量系统光纤传感器测量系统将信号测量与信号传将信号测量与信号传 输合二为一，具有强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境输合二为一，具有强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境 的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。 4 4）gnssgnss作为一种全

34、新的现代空间定位技术，已逐渐在许作为一种全新的现代空间定位技术，已逐渐在许 多领域取代常规光学和电子测量仪器，在变形监测领域也不多领域取代常规光学和电子测量仪器，在变形监测领域也不 例外。例外。 自从上世纪自从上世纪8080年代以来，尤其是进入年代以来，尤其是进入9090年代后，年代后，gpsgps卫星卫星 定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方 面引起了革命性的变化。用面引起了革命性的变化。用gpsgps同时测定三维坐标的方法将测同时测定三维坐标的方法将测 绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静绘定位技术从陆地和

35、近海扩展到整个海洋和外层空间，从静 态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后 处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度扩处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度扩 展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽了它的应用展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽了它的应用 范围和在各行各业中的作用。范围和在各行各业中的作用。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 gpsgps周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形

36、监测问题问题 gpsgps动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 数据通讯技术、计算机技术和以数据通讯技术、计算机技术和以gps为代表的空间定位技术的为代表的空间定位技术的 日益发展和完善，使得日益发展和完善，使得gps法由原来的周期性观测走向高精度、法由原来的周期性观测走向高精度、 实时、连续、自动监测成为可能。实时、连续、自动监测成为可能。 gps用于变形监测的作业方式可划分为用于变形监测的作业方式可划分为周期性周期性和和连续性连续性两种两种 模式（模式（episodic and continuous mode）。）。 1）周期性变形监测周期性变形监测与传统的变形监测网没有

37、多大区别，因为与传统的变形监测网没有多大区别，因为 有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内可以认为是稳定的有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内可以认为是稳定的 ，其监测频率可以是几个月，有的长达几年，此时，采用，其监测频率可以是几个月，有的长达几年，此时，采用gps静静 态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后的。经过态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后的。经过 十多年的努力，十多年的努力，gps静态相对定位数据处理技术基本成熟，在周静态相对定位数据处理技术基本成熟，在周 期性监测方面，其最大屏障还是变形基准的选择与确定，已成为期性监测方面，其最大屏障还是变形基准的选

38、择与确定，已成为 近几年研究的关键近几年研究的关键 。 gps在工程中的应用 清江隔河岩大坝gps自动监测系统 清清 江江 隔隔 河河 岩岩 大大 坝坝 清江隔河岩大坝清江隔河岩大坝gps自动监测系统自动监测系统 5.1.4 实际应用实际应用 清江隔河岩大坝清江隔河岩大坝gps自动监测系统自动监测系统 清江隔河岩大坝清江隔河岩大坝gps自动监测系统自动监测系统 隔河岩大坝隔河岩大坝gps监测点位分布图监测点位分布图 gps用于桥梁的安全监测用于桥梁的安全监测 gps在工程中的应用在工程中的应用 武汉长江二桥武汉长江二桥 gps变形监测网变形监测网 2）连续性变形监测连续性变形监测指的是采用固定

39、监测仪器进行长时间的数据指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据 采集，获得变形数据序列。虽然连续性监测模式也是对测点进行采集，获得变形数据序列。虽然连续性监测模式也是对测点进行 重复性的观测，但其观测数据是连续的，具有较高的重复性的观测，但其观测数据是连续的，具有较高的时间分辨率时间分辨率 。根据变形体的不同特征，。根据变形体的不同特征，gps连续性监测可采用连续性监测可采用静态相对定位静态相对定位 和动态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应 的实时性，它为数据解算和分析提出了更高要求。比如，的实时性，它为数据解算和分析提出

40、了更高要求。比如，大坝大坝在在 超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实 时的数据传输和数据处理与分析能力。当然，有的监测对象虽然时的数据传输和数据处理与分析能力。当然，有的监测对象虽然 要求较高的时间采样率，但是数据解算和分析可以是事后的。比要求较高的时间采样率，但是数据解算和分析可以是事后的。比 如，如，桥梁桥梁的静动载试验和的静动载试验和高层建筑物高层建筑物的振动测量，的振动测量，其监测的目的其监测的目的 在于获取变形信息，数据处理与分析可以事后进行在于获取变形信息，数据处理与分析可以事后进行。 本节重点为：本节重点

41、为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 gpsgps周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 gpsgps动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 gps在工程中的应用 gps动态动态监测监测监测方案监测方案 gps用于桥梁的安全监测用于桥梁的安全监测 gps在工程中的应用在工程中的应用 gps用于桥梁的安全监测用于桥梁的安全监测 gps在工程中的应用在工程中的应用 武汉长江二桥武汉长江二桥 gps动态监测动态监测 gps在工程中的应用在工程中的应用 武汉长江二桥武汉长江二桥gps动态监测

42、动态监测 0 0.2 0.4 0.6 0.240.260.280.30 频率f/hz 幅值a/mm u 监测点监测点(wh02) (wh02) 相对于基准站相对于基准站(wh01)(wh01)在在h h方向的频谱图方向的频谱图 gps在工程中的应用在工程中的应用 武汉长江二桥武汉长江二桥gps动态监测动态监测 u监测点监测点(wh02) (wh02) 相对于参考点相对于参考点(wh03)(wh03)在在h h方向的频谱图方向的频谱图 0 0.2 0.4 0.6 0.240.260.280.30 频率f/hz 幅值a/mm gps在工程中的应用在工程中的应用 武汉长江二桥武汉长江二桥gps动态监

43、测动态监测 u参考点参考点(wh03) (wh03) 相对于基准站相对于基准站(wh01)(wh01)在在h h方向的频谱图方向的频谱图 0 0.2 0.4 0.6 0.240.260.280.30 频率f/hz 幅值a/mm 在在动态监测动态监测方面，过去一般采用方面，过去一般采用加速度计、激光干涉仪加速度计、激光干涉仪等测量设等测量设 备测定建筑结构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高，以备测定建筑结构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高，以 及连续性、实时性和自动化监测程度的要求加强，常规测量技术及连续性、实时性和自动化监测程度的要求加强，常规测量技术 已越来越受到局限。已越来越受到

44、局限。gps作为一种新方法，由于其硬件和软件的作为一种新方法，由于其硬件和软件的 发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达20hz）gps接收接收 机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独 特的优越性。近几年来，一些学者已开展了卓有成效的特的优越性。近几年来，一些学者已开展了卓有成效的gps动态动态 监测实验与测试工作。监测实验与测试工作。目前，目前，gps动态监测数据处理主要采用动态监测数据处理主要采用 otf方法，同时，方法，同时，gps变形监测单历元求解算法及其相应软件开变

45、形监测单历元求解算法及其相应软件开 发的研究也在发展之中。发的研究也在发展之中。令人鼓舞的是，正如令人鼓舞的是，正如loves等（等（1995） 所言，随着所言，随着gps动态变形监测能力的进一步证实，这一技术可望动态变形监测能力的进一步证实，这一技术可望 被采纳为测量结构振动的标准技术。被采纳为测量结构振动的标准技术。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 gpsgps周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 gpsgps动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 展

46、望变形监测技术的未来：展望变形监测技术的未来： 多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和gps的的 应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的 方向发展；方向发展； 变形监测的变形监测的时空采样率会得到大大提高，时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化变形监测自动化 可为变形分析提供极为丰富的数据信息；可为变形分析提供极为丰富的数据信息； 高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在 恶劣环境下长期稳定可靠地运行；恶劣环境下长期稳

47、定可靠地运行； 实现远程在线实时实现远程在线实时监控，监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程中在大坝、桥梁、边坡体等工程中 将发挥巨大作用，网络将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程安全监控管理的监控是推进重大工程安全监控管理的 必由之路。必由之路。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 gpsgps周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 gpsgps动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 n变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义 n变形监测技术及其发展变

48、形监测技术及其发展 n变形分析变形分析的的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展 本节的内容重点：本节的内容重点： 变形分析的内涵变形分析的内涵 变形分析的主要方法变形分析的主要方法 变形物理解释的变形物理解释的内容内容 变形分析变形分析的发展趋势的发展趋势 人们对自然界现象的观察，总是对有变化、无规律的部分人们对自然界现象的观察，总是对有变化、无规律的部分 感兴趣，而对无变化、规律性很强的部分反映比较平淡。感兴趣，而对无变化、规律性很强的部分反映比较平淡。 如何从平静中找出变化，从变化中找出规律，由规律预测如何从平静中找出变化，从变化中找出规律，由规律预测 未来，这是人们认识事物、认识世界的常

49、规辨证思维过程。未来，这是人们认识事物、认识世界的常规辨证思维过程。 变化越多、反应越快，系统越复杂，这就导致了非线性系变化越多、反应越快，系统越复杂，这就导致了非线性系 统的产生。人的思维实际是非线性的，而不是线性的，不统的产生。人的思维实际是非线性的，而不是线性的，不 是对表面现象的简单反应，而是透过现象看本质，从杂乱是对表面现象的简单反应，而是透过现象看本质，从杂乱 无章中找出其内在规律性，然后遵循规律办事。无章中找出其内在规律性，然后遵循规律办事。变形分析变形分析 的真正内涵就是这样。的真正内涵就是这样。 变形分析的内涵就是变形分析的内涵就是从从错综复杂的错综复杂的变形现象变形现象中找

50、出其中找出其 内在规律性。内在规律性。 变形分析的研究内容涉及到变形变形分析的研究内容涉及到变形数据处理与数据处理与分析、变形分析、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：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）变形的几何分析; 2）变形物理解释。）变形物理解释。 变形的几何分析变形的几何分析是对变形体的形状和大小的变形作几何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。描述，其任务在于描述变形体变形的空间状态和时间特性。 变形物理解释变形物理解释的任务是确定变形体的变形和变形原因之的任务是确定变形体的变

51、形和变形原因之 间的关系，解释变形的原因。间的关系，解释变形的原因。 传统的变形几何分析，主要包括：传统的变形几何分析，主要包括： 参考点的稳定性分析参考点的稳定性分析 观测值的平差处理和质量评定观测值的平差处理和质量评定 变形模型参数估计变形模型参数估计 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 参考点的稳定性分析参考点的稳定性分析 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 监测点的变形信息是相对于监测点的变形信息是相对于参考参考 点或点或一定基准的，如果所选基准本身不一定基准的，如果所选基准本身不 稳定或不统一，则由此获得的变形值就稳定或不统一，则由此获得的

52、变形值就 不能反映真正意义上的变形，因此，变不能反映真正意义上的变形，因此，变 形的基准问题是变形监测数据处理首先形的基准问题是变形监测数据处理首先 必须考虑的问题。必须考虑的问题。 参考点的稳定性分析参考点的稳定性分析 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 过去对过去对参考点的稳定性分析主要局限于周期性的参考点的稳定性分析主要局限于周期性的监监 测网，方法有很多测网，方法有很多： 以方差分析进行整体以方差分析进行整体检验为基础的检验为基础的 “平均间隙法平均间隙法”； 以以b检验法为基础的单点位移分量法；检验法为基础的单点位移分量法； 以方差分析和点的位移向量以方差分析和

53、点的位移向量为基础的检验法；为基础的检验法； 考虑大地基准的检验法；考虑大地基准的检验法； 以位移的不变函数分析为基础的以位移的不变函数分析为基础的检验法等。检验法等。 后来发展的稳健后来发展的稳健-s变换法，也称逐次定权迭代法。变换法，也称逐次定权迭代法。 观测值的平差处理和质量评定观测值的平差处理和质量评定 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 观测值的平差处理和质量评定非常观测值的平差处理和质量评定非常 重要，观测值的质量好坏直接关系到变重要，观测值的质量好坏直接关系到变 形值的精度和可靠性。在这方面，涉及形值的精度和可靠性。在这方面，涉及 到观测值质量、到观测值质量

54、、平差基准、粗差处理、平差基准、粗差处理、 变形的可区分性等几项内容。变形的可区分性等几项内容。 观测值的平差处理和质量评定观测值的平差处理和质量评定 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 经典平差经典平差固定基准固定基准 自由网自由网平差平差重心基准重心基准 拟稳平差拟稳平差拟稳基准拟稳基准 在在w.baarda（1968）数据探测法提出后，）数据探测法提出后， 粗差探测与粗差探测与变形的可区分性变形的可区分性研究成果极为研究成果极为 丰富的。丰富的。 变形模型参数估计变形模型参数估计 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 陈永奇（陈永奇（1988）概

55、括了两种基本的分析方法：）概括了两种基本的分析方法： 直接法直接法是直接用原始的重复观测值之差计算是直接用原始的重复观测值之差计算 应变分量或它们的变化率；应变分量或它们的变化率； 位移法位移法是用各测点坐标的平差值之差（位移是用各测点坐标的平差值之差（位移 值）计算应变分量。值）计算应变分量。 同时，提出了同时，提出了变形分析通用法，研制了相应的变形分析通用法，研制了相应的 软件软件defnan。 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 自自1978年，年，fig工程测量专业委员会设立工程测量专业委员会设立 了由国际测绘界五所权威大学了由国际测绘界五所权威大学组成的特别委组

56、成的特别委 员会员会“变形观测分析专门委员会变形观测分析专门委员会”，极大地，极大地 推动了推动了变形分析方法的研究，并取得了显著变形分析方法的研究，并取得了显著 成果。正如成果。正如a.chrzanowski（1996）所评价）所评价 的，的，变形几何分析变形几何分析的主要问题已经得到解决的主要问题已经得到解决 。 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 实质上，自实质上，自20世纪世纪70年代末至年代末至90年代初，几年代初，几 何变形分析研究较为完善的是常规地面测量何变形分析研究较为完善的是常规地面测量 技术进行技术进行周期性监测的静态模型周期性监测的静态模型，考虑的仅

57、，考虑的仅 是变形体在不同观测时刻的空间状态，并没是变形体在不同观测时刻的空间状态，并没 有很好地建立各个状态间的联系，更谈不上有很好地建立各个状态间的联系，更谈不上 变形变形监测监测自动化系统的变形分析研究。自动化系统的变形分析研究。 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 事实上，变形体在不同状态之间是具有时间事实上，变形体在不同状态之间是具有时间 关联性的。为此，后来许多学者将目光转向关联性的。为此，后来许多学者将目光转向 时序观测数据的动态模型时序观测数据的动态模型研究，如：研究，如： 变形的时间序列分析方法建模；变形的时间序列分析方法建模； 基于基于数字信号处理的数

58、字滤波技术分离时效分量；数字信号处理的数字滤波技术分离时效分量； 变形的卡尔曼滤波变形的卡尔曼滤波模型模型； 用用fir（finite impulse response）滤波器抑制滤波器抑制gps 多路径效应。多路径效应。 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 动态变形分析既可以在动态变形分析既可以在时间域时间域进行，也可以在进行，也可以在 频率域频率域进行。进行。 频谱分析方法频谱分析方法是将时域内的数据序列通过傅立是将时域内的数据序列通过傅立 叶（叶（fourier）级数转换到频域内进行分析，它有利）级数转换到频域内进行分析，它有利 于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性

59、和复杂性于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性 的周期数据。频谱分析法用于确定的周期数据。频谱分析法用于确定动态变形特征动态变形特征（ 频率和幅值）是一种常用方法，尤其在建筑物结构频率和幅值）是一种常用方法，尤其在建筑物结构 振动振动监测方面被广为采用监测方面被广为采用。 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 但是，频谱分析法的苛刻条件是数据序列但是，频谱分析法的苛刻条件是数据序列 的的等时间间隔等时间间隔要求，这为一些工程变形要求，这为一些工程变形监监 测测分析的实用性增加了难度，因为对于非分析的实用性增加了难度，因为对于非 等间隔时间序列进行等间隔时间序列进行插补

60、和平滑处理插补和平滑处理必然必然 会带入人为因素的影响。会带入人为因素的影响。 1.3.1 1.3.1 变形分析方法变形分析方法简介简介 多年来，对变形数据分析方法研究是极为活跃多年来，对变形数据分析方法研究是极为活跃 的，除了传统的的，除了传统的多元回归分析法多元回归分析法以及上述的以及上述的时间序时间序 列分析法列分析法、频谱分析法频谱分析法和和滤波技术滤波技术之外，之外，灰色系统灰色系统 理论理论、神经网络神经网络等非线性时间序列预测方法也得到等非线性时间序列预测方法也得到 了一定程度的应用。比如，了一定程度的应用。比如， 应用应用灰关联分析方法灰关联分析方法研究多个因变量和多个自变研究