变形监测第一章

1、变形监测理论与应用变形监测理论与应用主讲老师：杨 磊Tel筑与测绘工程系 课程性质：课程性质：测绘工程专业必修课测绘工程专业必修课 学时数：学时数：56 56 学时；学分：学时；学分：3 3 考试形式考试形式：闭卷闭卷 考试成绩考试成绩：平时占平时占20%20%，其中占，其中占20%20%，期末占，期末占60%60% 教材及主要参考书教材及主要参考书 1 1变形监测理论与应用变形监测理论与应用测绘出版社测绘出版社 2 2变形监测与数据处理变形监测与数据处理武汉大学出版社武汉大学出版社 3 3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本课程主要内容

2、 第一章第一章 变形监测概述变形监测概述 第二章第二章 变形观测方案设计变形观测方案设计 第三章第三章 监测网平差及参考点稳定性检验监测网平差及参考点稳定性检验 第四章第四章 监测数据的预处理监测数据的预处理 第五章第五章 变形预测常用方法变形预测常用方法 第六章第六章 工程建筑物变形监测工程建筑物变形监测 第七章第七章 基坑工程施工监测基坑工程施工监测 第八章第八章 桥梁变形监测桥梁变形监测 第九章第九章 变形监测工程实例变形监测工程实例 课题课题变形监测概述变形监测概述 目的及要求目的及要求 1.了解变形监测的对象以及为什么要进了解变形监测的对象以及为什么要进行变形监测。行变形监测。 2.

3、了解目前国内外对于变形监测所采用了解目前国内外对于变形监测所采用的仪器以及技术方法。的仪器以及技术方法。 3.了解变形监测数据处理与分析的方法。了解变形监测数据处理与分析的方法。重点及难点重点及难点 重点：知道变形监测的技术方法重点：知道变形监测的技术方法 难点：变形监测的数据处理与分析难点：变形监测的数据处理与分析第一章 变形监测概述 n变形监测对象和意义变形监测对象和意义n变形监测技术变形监测技术n变形监测数据分析变形监测数据分析课前回顾：课前回顾： 变形监测概念：变形监测概念：利用测量仪器及其他专用仪器和方法对变形体上的各种变形现象进行监视、观测的工作。 变形监测任务：变形监测任务：确定

4、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。 变形监测目的：变形监测目的：监测变形体的安全状态，验证有关工程设计的理论或地壳运动的假说，以及建立正确预报变形的理论和方法。 （一）全球性变形监测研究 （二）区域性变形监测研究 （三）工程和局部变形监测研究地极移动监测地球板块运动监测地球旋转速率变化监测地壳形变监测城市地面沉降监测建筑物三维变形监测滑坡体滑动监测地表沉降监测 人类社会的进步，国民经济的发展，加快了工程建设人类社会的进步，国民经济的发展，加快了工程建设的进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出的进程，并且对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更

5、高的要求。与此同时，变形监测工作的意义更加重要了更高的要求。与此同时，变形监测工作的意义更加重要。众所周知，工程建筑物在施工和运营期间，由于受多种。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，会产生变形，变形如果超出了规定的主客观因素的影响，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使用，严重时还会危及建筑限度，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大损失。尽管工程建筑物的安全，给人民生命财产带来巨大损失。尽管工程建筑物在设计时采用了一定的安全系数，使其能安全承受所考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

6、多种外荷载影响，但是由于设计中不可能对工程的工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，施工质量也不可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的变能完美无缺，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。化因素，因此，国内外仍有一些工程出现事故。 以大坝为例以大坝为例: : 法国的马尔巴塞（法国的马尔巴塞（MalpassetMalpasset）拱坝：这座高）拱坝：这座高67m67m的拱坝建成的拱坝建成5 5年后，于年后，于19591959年年1212月倒塌，其下

7、游月倒塌，其下游10km10km处的费雷加斯城在处的费雷加斯城在4545分钟内被滚滚而下的洪分钟内被滚滚而下的洪水夷为平地，坝前水夷为平地，坝前8km8km处一兵营处一兵营500500名士兵死亡。名士兵死亡。 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； 1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。11:30洞口继续向上扩大，

8、泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。12：00过后坍塌口加宽失事现场目前的状况 图1 提堂土坝溃坝过程照片 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。塔可马大桥塔可马大桥(Tacoma Narrows)事件事件:塔可马大桥塔可马大桥(Tacoma Narrows)事件事件: 2.2.国内出现的典型实例国内出现的典型实例 (1)(1

9、)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年洪水破坝年洪水破坝失事，洪水卷走数以万计人民的生命和财产，为祸惨失事，洪水卷走数以万计人民的生命和财产，为祸惨烈。烈。 (2)(2)在城市民用建筑方面，浙江某地一座住宅楼因在城市民用建筑方面，浙江某地一座住宅楼因其旁边（仅相隔其旁边（仅相隔1m1m多）新建高层建筑物的影响，造成多）新建高层建筑物的影响，造成地面开裂，该地面开裂，该6 6层住宅楼发生严重倾斜，其顶部靠向层住宅楼发生严重倾斜，其顶部靠向新建高层建筑成为危房而拆除。新建高层建筑成为危房而拆除。 (3) 2009(3) 2009年年6 6月月2727日上海闵行区日上海

10、闵行区“莲花河畔景苑莲花河畔景苑”在建楼盘连根在建楼盘连根“卧倒卧倒”，造成一名工人死伤。，造成一名工人死伤。 (4)(4)桥梁的倒塌事故，如以桥梁的倒塌事故，如以四川彩虹桥四川彩虹桥为代表的多为代表的多处桥梁倒塌失事，给国家和地方造成了巨大的损失。处桥梁倒塌失事，给国家和地方造成了巨大的损失。 (5)2007 (5)2007年年1111月月2020日湖北省恩施市高阳寨隧道日湖北省恩施市高阳寨隧道崩塌，证实崩塌，证实3131人死亡、人死亡、1 1人失踪。人失踪。0808年杭州地铁年杭州地铁塌陷、塌陷、0909年合肥四牌楼道路下穿工程塌陷等。年合肥四牌楼道路下穿工程塌陷等。 (6)2007(6)

11、2007年年1111月月2424日下午日下午3 3点山西省侯马市西点山西省侯马市西客站候车大厅举行封顶典礼，客站候车大厅举行封顶典礼，2525日凌晨日凌晨1 1点倒塌。点倒塌。 (7)2010(7)2010年年1111月月2626日日2020：3030左右，南京市内环左右，南京市内环西线南延工程发生钢箱梁倾覆事故，导致西线南延工程发生钢箱梁倾覆事故，导致7 7名施名施工人员经抢救无效死亡，工人员经抢救无效死亡，3 3人受伤。人受伤。 上海莲花河畔景苑楼盘连根卧倒上海莲花河畔景苑楼盘连根卧倒某高层建筑发生倾斜某高层建筑发生倾斜11月月25日凌晨，山西侯马市西客站两层候车大厅坍塌日凌晨，山西侯马市

12、西客站两层候车大厅坍塌 目前，灾害的监测与防治已越来越受到全社会目前，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，各级政府及主管部门对此问、全人类的普遍关注，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，如国际大地测量题十分重视，诸多国际学术组织，如国际大地测量协会（协会（IAGIAG）、国际测量师联合会（）、国际测量师联合会（FIGFIG）、国际岩）、国际岩石力学协会（石力学协会（ISRMISRM）、国际大坝委员会（）、国际大坝委员会（ICOLDICOLD）、国际矿山测量协会（、国际矿山测量协会（ISMISM）等，非常活跃地定期）等，非常活跃地定期召开专业会议进行学术交流和

13、研究对策。经过广大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技术人员近三十年的共同努测量科技工作者和工程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。，并发挥了实用效益。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日日长江三峡新滩长江三峡新滩滑坡的成功预报，滑坡的成功预报，不不仅使滑坡区内仅使滑坡区内457457户计户计

14、13711371人在滑坡前夕全部安全撤离，人在滑坡前夕全部安全撤离，无一人伤亡，而且使正在险区长江上、下游航行的无一人伤亡，而且使正在险区长江上、下游航行的1111艘船只及时避险。为国家减少直接经济损失艘船只及时避险。为国家减少直接经济损失87008700万元，万元，被誉为我国滑坡预报研究史上罕见的奇迹；被誉为我国滑坡预报研究史上罕见的奇迹； 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

15、分洪。清清江江隔隔河河岩岩大大坝坝 科学、准确、及时地分析和预报工程及工科学、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重要，这一工作属于变形监测的运营管理极为重要，这一工作属于变形监测的范畴。由于变形监测涉及到测量、工程地质、范畴。由于变形监测涉及到测量、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，是一项多学科的知识，是一项跨学科跨学科的研究，正向的研究，正向边边缘学科缘学科的方向发展，已成为测量工作者与其它的方向发展，已成为测量工作者与其它学科专家合作

16、研究的领域。学科专家合作研究的领域。对于工程建筑物，对于工程建筑物，变形监测的意义重点表现变形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，为安全性诊断提供必要信息，及时发构造的稳定性，为安全性诊断提供必要信息，及时发现问题，以便采取措施；现问题，以便采取措施； 具有具有科学科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，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

17、效的变形预报模型。馈设计，以及建立有效的变形预报模型。 空间大地测量是全球性变形监测最基本且最适空间大地测量是全球性变形监测最基本且最适用的技术。主要包括甚长基线干涉测量（用的技术。主要包括甚长基线干涉测量（VLBIVLBI）、）、卫星激光测距（卫星激光测距（SLRSLR）、全球定位系统（）、全球定位系统（GPSGPS、GLONASSGLONASS、GALILEOGALILEO）以及卫星重力探测技术（卫星）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。测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）等。 SLRSLR是目前精度最高的绝对定位技术，在是目前精度最高的绝对定位技术，在定

18、义全球地心参考系中起决定性作用，又是卫定义全球地心参考系中起决定性作用，又是卫星重力技术确定全球重力场模型的主要工具。星重力技术确定全球重力场模型的主要工具。中国的中国的SLRSLR网由上海、武汉、长春、北京、广网由上海、武汉、长春、北京、广州和西安固定站以及两台流动式州和西安固定站以及两台流动式SLRSLR组成。组成。地壳形变监测的手段地壳形变监测的手段水准测量水准测量重力测量重力测量几何大地测量几何大地测量物理大地测量物理大地测量 重力测量可以在地面上任何地点实施，而且重力点之重力测量可以在地面上任何地点实施，而且重力点之间不需要向几何测量方法那样考虑各点之间的相互联系，间不需要向几何测量

19、方法那样考虑各点之间的相互联系，点位选定和观测数据处理都很简单。点位选定和观测数据处理都很简单。 地球重力场变化是地球内部密度和结构变化的直接反地球重力场变化是地球内部密度和结构变化的直接反映，高精度的重力场数据结合地震波数据可以反演地球的映，高精度的重力场数据结合地震波数据可以反演地球的内部结构和地球内部动力学机制。所以地球重力场的研究内部结构和地球内部动力学机制。所以地球重力场的研究已成为大地测量学科发展最活跃的领域之一。已成为大地测量学科发展最活跃的领域之一。GPS平差软件平差软件瑞士Bernese大学：Bernese软件美国MIT：GAMIT软件武汉大学：GPSADJ软件同济大学：TG

20、PPS软件我国已建立的高精度GPS网全国一、二级网：全国一、二级网：全网534个点，一级网平均边长800km，相对精度3*10-8，二级网平均边长200km，相对精度1*10-7。国家国家GPS A、B级网：级网：全网27个点，平均边长650km，A级网水平方向精度2*10-8，垂直方向7*10-7，B级网沿海地区平均边长5070km，中部地区100km，西部地区150km。绝对地心坐标精度不低于1m。中国地壳运动观测网络：中国地壳运动观测网络：由25个测站的基准网、56个测站的基本网及1000个站的区域监测网组成。精度达到10-9。生成数字高程模型和制图，以及测量微小地表形变。InSAR技术

21、提取高程精度可达到数米，运用差分干涉手段（D-InSAR）量测高程的变化可达到厘米甚至毫米级。地震形变、火山运动、冰川漂移、城市沉降以及山体滑坡。GPS技术以点的形式测定地表形变，InSAR以面的形式测定地表形变，还可以在较短时间间隔内对测区进行大面积测量，在时间测度上有较高的分辨率。通过两幅天线同时观测或两次平行的观测，获得同一地区的重复观测数据，提取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差，结合观测平台的轨道参数等提取高程信息，利用差分干涉技术可以精密测定地表微小变形。工程和局部的变形监测分为工程和局部的变形监测分为外部监测：以大地测量为主，外部监测：以大地测量为主，采用测量仪器。采用测量仪

22、器。内部监测：采用岩土工程监测仪内部监测：采用岩土工程监测仪短距离测量准直测量铅直测量液态精力水准测量倾斜测量正垂线法倒垂线法摆动测量应变测量 广义的变形分析研究内容涉及到变形数据处理与分析、广义的变形分析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等多方面，通常将其划为两部分：变形物理解释和变形预报等多方面，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

23、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。 一、粗差检测和剔除 粗差是指离群的误差（测量上指大于粗差是指离群的误差（测量上指大于 ）。观测数据）。观测数据中不可避免会出现粗差，对于高精度监测网粗差的检验可中不可避免会出现粗差，对于高精度监测网粗差的检验可采用巴尔达数据探测或抗差估计法（稳健估计法）。采用巴尔达数据探测或抗差估计法（稳健估计法）。 将粗差作为待估参数，采用拟稳平差思路解秩亏问题，直接获得粗差。 选取部分观测值作为准观测值，采用部分最小二乘法获得待估参数，

24、将非准观测值的残差作为粗差。3将粗差归为函数模型：可解释为均值漂移模型，其处理的思想是在正式进行最小二乘平差之前探测和定位粗差，然后剔除含粗差的观测值，得到一组比较净化的观测值，以便符合最小二乘平差观测值只具有偶然误差的条件。最小二乘估计对观测数据的粗差非常敏感，不具备抗最小二乘估计对观测数据的粗差非常敏感，不具备抗粗差干扰的能力。针对这一缺点提出了抗差估计，粗差干扰的能力。针对这一缺点提出了抗差估计，它通过它通过构造某种估计方法，使未知量估值尽可能减免粗差的影响构造某种估计方法，使未知量估值尽可能减免粗差的影响，使其对于模型误差，特别是粗差具有一定的抵抗能力，使其对于模型误差，特别是粗差具有

25、一定的抵抗能力。目前抗差估计大致可分为三类：目前抗差估计大致可分为三类：M M估计估计、L L估计估计和和R R估计估计。将粗差归为随机模型：可解释为方差膨胀模型，其处理的思想是根据逐次迭代平差的结果来不断地改变观测值的权或方差，最终使粗差观测值的权趋于零或方差趋于无穷大，这种方法可以保证所估计的参数少受模型误差，特别是粗差的影响。 设有参数向量X，是未知的非随机量，为了估计X，进行n次观测，得到了观测向量L的观测值l，由极大似然估计有：的密度函数是随机量其中或Lfmin) ,(lnmax) ,(ln11niiniixlfxlf.M,x,(3)(2),x)x,() ,()2(0) ,()1 (

26、min) ,()x ,l (lnf)x,l1n1iii估计简称就是极大似然估计进行估计对参数出发有式中或于是可得：，使一其定义广义化，代替函数（如果用lxlxlxliniii.L,F)3()(),()/()(,(),(M*)(为异常观测值为分布函数式中估计的影响函数直接给出LdxLxFxlFlIFFx 设L（l1,l2,ln）为相互独立具有同一分布F的随机变量，把li（i=1，2，n）按其大小顺序排列得： ），间为（为权系数，一般取值区式中统计量的线性组合估计正是上述顺序。为新排列得顺序观测值其中10c)4()(Li)(1) i (2)1(iniinlhcxllll00)5()(1lRm)n)

27、,()(),(,1,iim2121，备选假设原假设为否存在差异，即取以检验确定两子样间是可构造一个统计量在组合子样的秩。于是为并令的字样，个容量为（现将两个子样组合成一为未知的参数平移量。别为样，他们的分布分为两他个相互独立的子和数的秩检验。设首先两个三子样定位参niimnnRnslFlGlFllllll的函数。是秩接去近于零，且应使估计的估计定义，要求参数的根据）（或函数确定：）为权，可由（）中，在（，xRlxamniJmniJRiiiiin1imniiR)8(min)(SRXRHogg)7()21(R)6(1)(JR5 变形观测数据处理包括监测网周期观测数据处理和各监测点上某一种特定监测数

28、据的处理。主要有监测网平差、质量评定以及监测点变形过程曲线绘制等。 变形监测网按照其所具有的起算数据分为变形监测网按照其所具有的起算数据分为独立网独立网（只有必要的起算数据）、只有必要的起算数据）、非独立网非独立网（含有多余起算数据（含有多余起算数据）和）和秩亏自由网秩亏自由网（缺乏必要起算数据）。（缺乏必要起算数据）。 稚亏网包括稚亏网包括数亏自由网数亏自由网（监测网点难以确定）和（监测网点难以确定）和形亏自由网形亏自由网（无法构成完整图形）（无法构成完整图形） 根据监测网的特点通常有固定基准的经典平差、以重心为基准的自由网平差和拟稳点为基准的拟稳平差。 观测值质量的好坏直接关系到变形值的精

29、度和可靠性。例如：不同种类的观测量，同一种观测量使用不同的仪器，所得的结果精度也不相同。（三）参考点的稳定性分析（三）参考点的稳定性分析 监测点的变形信息是相对于参考点或一监测点的变形信息是相对于参考点或一定基准的，如果所选基准本身不稳定或不统定基准的，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不能反映真正意一，则由此获得的变形值就不能反映真正意义上的变形，因此，变形的基准问题是变形义上的变形，因此，变形的基准问题是变形监测数据处理首先必须考虑的问题。监测数据处理首先必须考虑的问题。 过去对参考点的稳定性分析主要局限于周期性的监过去对参考点的稳定性分析主要局限于周期性的监测网，方法有

30、很多：测网，方法有很多： 以方差分析进行整体检验为基础的以方差分析进行整体检验为基础的 “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为基础的检验法；以方差分析和点的位移向量为基础的检验法； 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检验法等。以位移的不变函数分析为基础的检验法等。 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。 平均间隙法的思路:假设在两个观测周期期间，网中所有基准点均未发生变化，那么可以把两个观测周期的观测看成是对同一网进行的两

31、次连续观测，由这两次观测资料所求得的两组基准点坐标可以看成是一组双观测值，则利用由双观测值之差求方差的方法计算观测值的单位权方差估计值。在求出d和Qd先进行两周期图形一致性检验（整体检验）。如果通过检验则所有参考点是稳定的。否则，就要找出不稳定点。寻找不稳定点的方法是“尝试法”，依次去掉一个点，计算图形不一致性减少的程度。 变形观测分析包括静态分析和动态分析，预报是对变形观测分析包括静态分析和动态分析，预报是对将来变形体的行为和状态作出主观的判断，正确的预报将来变形体的行为和状态作出主观的判断，正确的预报建立在对变形体的历史监测资料进行深入研究和科学分建立在对变形体的历史监测资料进行深入研究和

32、科学分析的基础之上。析的基础之上。科学的预测途径有：科学的预测途径有： 因果分析法：根据变形体原因预测未来变化的结果。 类比方法：根据一类事务所具有的属性推测与其类似事物的属性 统计分析方法：通过分析变形体的变形和外因之间相关性，建立荷载和变形之间的关系数学模型。（一）静态变形分析（一）静态变形分析 自20世纪70年代末至90年代初，对几何变形分析研究较为完善的是用常规地面测量技术进行周期性监测的静态模型。具体有一下几种方法：u 作图法u 统计分析法u 多元线性回归分析u 趋势分析方法 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，年代初，几何变形分析研究较为完善的是常规地面

33、测量几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，考虑的仅是，考虑的仅是变形体在不同观测时刻的空间状态，并没有很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，更谈不上变形监好地建立各个状态间的联系，更谈不上变形监测自动化系统的变形分析研究。测自动化系统的变形分析研究。 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。 （二）动态变形分析（二）动态变形分析1.时域分析时域分析是把变形体在现在时刻的观测值，在时间上同以前的观测值联系起来，呈现周期性变形，并且把周期呈现很长

34、的时间。常用的方法有时间序列分析、灰色系统理论、卡尔曼滤波等。2.2.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叶（是将时域内的数据序列通过傅立叶（FourierFourier）级数转换到频域内进行分析，它有利于确定时间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和复杂性的周期数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（频率和幅值）是一种常用方法，尤其在建筑物结构振动幅值）是一种常用方法，尤其在建筑物结构振动监测方面被广为采用。常用的转换工具有傅里叶监测方面被广为采用。常用的转换工具

35、有傅里叶变换、小波变换等。变换、小波变换等。 诞生于诞生于2020世纪世纪8080年代末的年代末的小波分析小波分析理论，是一种最新理论，是一种最新的的时频局部化时频局部化分析方法，被认为是分析方法，被认为是傅立叶分析傅立叶分析方法的突破方法的突破性进展。应用小波方法，进行时频分析，可望有效地求解性进展。应用小波方法，进行时频分析，可望有效地求解变形的非线性系统问题，通过变形的非线性系统问题，通过小波变换提取变形特征小波变换提取变形特征。这。这一研究领域才刚刚起步。第一研究领域才刚刚起步。第2121届届IUGGIUGG大会大会“小波理论及其小波理论及其应用应用”被被IAGIAG确定为大地测量新理

36、论研究方向之一。在确定为大地测量新理论研究方向之一。在19991999年召开的第年召开的第2222届届IUGGIUGG大会上，大会上，“小波理论及其在大地小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用测量和地球动力学中的应用”再次被再次被IAGIAG确定为确定为GIVGIV分会分会（大地测量理论与方法）的新的研究小组。可见，开展小（大地测量理论与方法）的新的研究小组。可见，开展小波理论及其应用研究的重要性。波理论及其应用研究的重要性。 但是，频谱分析法的苛刻条件是数据序但是，频谱分析法的苛刻条件是数据序列的列的等时间间隔等时间间隔要求，这为一些工程变形监要求，这为一些工程变形监测分析的实用性增加了

37、难度，因为对于非等测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间隔时间序列进行插补和平滑处理插补和平滑处理必然会带必然会带入人为因素的影响。入人为因素的影响。 多年来，对变形数据分析方法研究是极为活跃的多年来，对变形数据分析方法研究是极为活跃的，除了传统的，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列分时间序列分析法析法、频谱分析法频谱分析法和和滤波技术滤波技术之外，之外，灰色系统理论灰色系统理论、神经网络神经网络等非线性时间序列预测方法也得到了一定程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：度的应用。比如： 应用应用灰关联分析灰关联分析方法研究多个

38、因变量和多个自变量方法研究多个因变量和多个自变量的变形问题；的变形问题； 应用应用灰色理论灰色理论建模预测深基坑事故隐患；建模预测深基坑事故隐患； 应用应用人工神经网络人工神经网络建模进行短期变形预测。建模进行短期变形预测。 变形分析中，为弥补单一方法的缺陷，多种方法的结变形分析中，为弥补单一方法的缺陷，多种方法的结合得到了发展合得到了发展，例如例如： 模糊数学模糊数学与与灰色理论灰色理论相结合，应用灰关联聚类分析法进相结合，应用灰关联聚类分析法进行多测点建模预测；行多测点建模预测； 模糊数学模糊数学与与人工神经网络人工神经网络相结合，应用模糊人工神经网相结合，应用模糊人工神经网络方法建模进行

39、边坡和大坝的变形预报；络方法建模进行边坡和大坝的变形预报； 应用应用抗差估计理论抗差估计理论对对多元回归分析模型多元回归分析模型进行改进的抗差进行改进的抗差多元回归模型多元回归模型，处理数据序列的粗差问题；处理数据序列的粗差问题； 研究认为，研究认为，人工神经网络人工神经网络与与专家系统专家系统相结合，是解决相结合，是解决大大坝安全监控专家系统坝安全监控专家系统开发中开发中 “ “瓶颈瓶颈”问题的一个好方法。问题的一个好方法。 从现行的变形分析方法中，我们不难发现，大多都从现行的变形分析方法中，我们不难发现，大多都是是离线的离线的（事后的），不能进行（事后的），不能进行即时即时预报与监控，无法

40、预报与监控，无法在紧急关头为突发性灾害提供即时决策咨询，这与目前在紧急关头为突发性灾害提供即时决策咨询，这与目前自动化监测系统的要求很不相符，为此，研究自动化监测系统的要求很不相符，为此，研究在线实时在线实时分析与监控分析与监控的方法成为技术关键。已有研究表明，采用的方法成为技术关键。已有研究表明，采用递推算法的递推算法的贝叶斯动态模型贝叶斯动态模型进行大坝监测的动态分析认进行大坝监测的动态分析认为是可行的。在隔河岩大坝为是可行的。在隔河岩大坝GPSGPS自动化监测系统中，采自动化监测系统中，采用递推式用递推式卡尔曼滤波模型卡尔曼滤波模型进行全自动在线实时数据处理进行全自动在线实时数据处理起到

41、了较好效果。起到了较好效果。 时间序列分析时间序列分析 频谱分析频谱分析 小波分析小波分析 滤波技术：数字滤波、卡尔曼滤波、滤波技术：数字滤波、卡尔曼滤波、贝叶斯贝叶斯滤波滤波 灰色理论：灰关联分析灰色理论：灰关联分析 神经网络：人工神经网络、神经网络：人工神经网络、专家系统专家系统 模糊数学模糊数学：模糊人工神经网络模糊人工神经网络 抗差估计理论抗差估计理论：抗差多元回归模型抗差多元回归模型 非线性理论非线性理论：突变突变理论、理论、混沌现象混沌现象变形监测只是手段，而科学的预报才是目的。定量预报的途径有两种： 先通过变形观测的物理解释，建立起变形与变形原因之间的正确函数关系，在进行预报；

42、直接对变形观测获得的时间序列，采用有关的数学理论与方法进行预报。四、变形的物理解释四、变形的物理解释变形物理解释的方法可分为：变形物理解释的方法可分为： 统计分析法统计分析法 确定函数法确定函数法 混合模型法混合模型法 变形观测的几何分析仅对变形体的形状和大小的变化作几何描述，确定变形体的变形原因之间的关系是变形观测物理解释的主要任务。以回归分析模型为主，通过分析所观测的以回归分析模型为主，通过分析所观测的变变形（效应量）形（效应量）和和外因（原因量）外因（原因量）之间的相关之间的相关性，来建立性，来建立荷载荷载- -变形变形之间关系的数学模型，之间关系的数学模型，它具有它具有“后验后验”的性

43、质，是目前应用比较广的性质，是目前应用比较广泛的变形成因分析法。泛的变形成因分析法。（一）统计分析法：（一）统计分析法： 由于影响变形因子的多样性和不确定性，以及观测由于影响变形因子的多样性和不确定性，以及观测资料本身的有限，因此，很大程度上制约着回归分析资料本身的有限，因此，很大程度上制约着回归分析建模的准确性。建模的准确性。 回归分析模型中包括多元回归分析模型、逐步回归回归分析模型中包括多元回归分析模型、逐步回归分析模型、主成份回归分析模型和岭回归分析模型等。分析模型、主成份回归分析模型和岭回归分析模型等。 统计模型的发展包括时间序列分析模型、灰关联分统计模型的发展包括时间序列分析模型、灰关联分析模型、模糊聚类分析模型以及动态响应分析模型等。析模型、模糊聚类分析模型以及动态响应分析模型等。（二）确定函数法：（二）确定函数