變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理課程教案第一章

1、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理課程教案班級測繪工程0841-08420-1021科目變形監(jiān)測課程類型專業(yè)課學(xué)時數(shù)4教學(xué)內(nèi)容第一章緒論教學(xué)目的通過本章的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義，熟悉變形監(jiān)測 技術(shù)及其發(fā)展，變形分析的的內(nèi)涵及其研究進(jìn)展。重點變形監(jiān)測的主要內(nèi)容及其目的難點本章無難點教學(xué)方法課堂講授教學(xué)進(jìn)程第一講 變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義（2學(xué)時）第二講 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展；變形分析的的內(nèi)涵及其研究進(jìn)展（2學(xué)時）各種工程建筑物、構(gòu)筑物變形監(jiān)測的主要內(nèi)容課后總結(jié)變形監(jiān)測三個方面的目的及三個方面的意義。熟悉常見的幾種變形監(jiān)測技術(shù)，了解變形監(jiān)測分析的內(nèi)涵。作業(yè)無第一章變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理主要參考書：

2、1.陳永奇,吳子安,吳中如變形監(jiān)測分析與預(yù)報北京:測繪出版社，19982.吳子安.工程建筑物變形觀測數(shù)據(jù)處理.北京:測繪出版社，19893.陳永奇.變形觀測數(shù)據(jù)處理.北京:測繪出版社,19884.吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用.北京：高等教育出版社，20035.吳中如，顧沖時.大壩原型反分析及其應(yīng)用.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,20006.夏才初，潘國榮.土木工程監(jiān)測技術(shù).北京：中國建筑工業(yè)出版社,20017.王尚慶.長江三峽滑坡監(jiān)測預(yù)報.北京：地質(zhì)出版社，19998.李珍照.大壩安全監(jiān)測.北京:中國電力出版社,19979.岳建平等.變形監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用.國防工業(yè)出版社200710.何秀鳳

3、.變形監(jiān)測新方法及其應(yīng)用.科學(xué)出版社200711.伊?xí)詵|等.變形監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用.黃河水利出版社，200712.白迪謀.工程建筑物變形觀測和變形分析.西南交通大學(xué)出版社，200213.朱建軍等.變形測量的理論與方法.中南大學(xué)出版社，200414.唐孟雄等.深基坑工程變形控制.中國建筑工業(yè)出版社，200615.黃聲享等.小浪底水利樞紐外部變形規(guī)律研究.測繪出版社,2008.12規(guī)范:1.中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑變形測量規(guī)范 (JGJ8-2007).北京:中國建筑工業(yè) 出版社,20082.中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(DL/T 5178-2003).北京：中國水利水電出

4、版社, 20041.1變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義本節(jié)要求了解并掌握三方面的內(nèi)容： 變形監(jiān)測的基本概念；變形監(jiān)測的內(nèi)容；變形監(jiān) 測的目的和意義 。1.1.1變形監(jiān)測的基本概念變形的概念： 變形是自然界的普遍現(xiàn)象，它是指變形體在各種荷載作用下， 其形狀、 大 小及位置在時空域中的變化。 變形體的變形在一定范圍內(nèi)被認(rèn)為是允許的， 如果超出允許值， 則可能引發(fā)災(zāi)害。自然界的變形危害現(xiàn)象時刻都在我們周邊發(fā)生著，如地震、滑坡、巖崩、地表沉陷、火山爆發(fā)、潰壩、橋梁與建筑物的倒塌等。變形監(jiān)測的概念： 所謂變形監(jiān)測， 就是利用測量與專用儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象 進(jìn)行監(jiān)視觀測的工作。 其任務(wù)是確定在各種荷載和

5、外力作用下， 變形體的形狀、 大小及位置 變化的空間狀態(tài)和時間特征。 變形監(jiān)測工作是人們通過變形現(xiàn)象獲得科學(xué)認(rèn)識、 檢驗理論和 假設(shè)的必要手段。變形體的范疇： 變形體的范疇可以大到整個地球，小到一個工程建(構(gòu))筑物的塊體， 它包括自然的和人工的構(gòu)筑物。 根據(jù)變形體的研究范圍， 可將變形監(jiān)測研究對象劃分為這樣 三類：?全球性變形研究，如監(jiān)測全球板塊運動、地極移動、地球自轉(zhuǎn)速率變化、地潮等；?區(qū)域性變形研究，如地殼形變監(jiān)測、城市地面沉降等；?工程和局部性變形研究，如監(jiān)測工程建筑物的三維變形、滑坡體的滑動、地下開采使引起的地表移動和下沉等。最典型的變形體： 大壩；橋梁；高層（聳）建筑物； 礦區(qū)；防護(hù)

6、堤；邊坡；隧道；地 鐵；地表沉降；高速鐵路；核電站；大型科學(xué)實驗裝置等。1.1.2變形監(jiān)測的內(nèi)容變形監(jiān)測的內(nèi)容， 應(yīng)根據(jù)變形體的性質(zhì)與地基情況來定。 要求有明確的針對性， 既要有 重點， 又要作全面考慮， 以便能正確反映出變形體的變化情況，達(dá)到監(jiān)視變形體的安全、了 解其變形規(guī)律之目的。工業(yè)與民用建筑物： 主要包括基礎(chǔ)的沉陷觀測與建筑物本身的變形觀測。 就其基礎(chǔ)而言， 主要觀測內(nèi)容是建筑物的均勻沉陷與不均勻沉陷。對于建筑物本身來說，則主要是觀測傾斜 與裂縫。對于高層和高聳建筑物，還應(yīng)對其動態(tài)變形（主要為振動的幅值、頻率和扭轉(zhuǎn)）進(jìn) 行觀測。對于工業(yè)企業(yè)、 科學(xué)試驗設(shè)施與軍事設(shè)施中的各種工藝設(shè)備、

7、導(dǎo)軌等，其主要觀測 內(nèi)容是水平位移和垂直位移。水工建筑物：對于土壩，其觀測項目主要為水平位移、垂直位移、滲透以及裂縫觀測。 對于混凝土壩， 以混凝土重力壩為例， 由于水壓力、 外界溫度變化、 壩體自重等因素的作用， 其主要觀測項目主要為垂直位移（從而可以求得基礎(chǔ)與壩體的轉(zhuǎn)動） 、水平位移（從而可以 求得壩體的扭曲）以及伸縮縫的觀測，這些內(nèi)容通常稱為外部變形觀測。此外，為了了解混 凝土壩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況， 還應(yīng)對混凝土應(yīng)力、 鋼筋應(yīng)力、 溫度等進(jìn)行觀測， 這些內(nèi)容通常稱 為內(nèi)部觀測。地面沉降： 對于建立在江河下游沖積層上的城市， 由于工業(yè)用水需要大量地吸取地下水， 而影響地下土層的結(jié)構(gòu)， 將使地面

8、發(fā)生沉降現(xiàn)象。 對于地下采礦地區(qū)， 由于在地下大量的采 掘，也會使地表發(fā)生沉降現(xiàn)象。這種沉降現(xiàn)象嚴(yán)重的城市地區(qū)， 暴雨以后將發(fā)生大面積的積 水，影響倉庫的使用與居民的生活。 有時甚至造成地下管線的破壞，危及建筑物的安全。因 此，必須定期地進(jìn)行觀測，掌握其沉降與回升的規(guī)律，以便采取防護(hù)措施。 對于這些地區(qū)主 要應(yīng)進(jìn)行地表沉降觀測。1.1.3變形監(jiān)測的目的和意義科學(xué)、 準(zhǔn)確、 及時地分析和預(yù)報工程及工程建筑物的變形狀況，對工程建筑物的施工和運營管理極為重要，這一工作屬于變形監(jiān)測的范疇。由于變形監(jiān)測涉及到測量、工程地質(zhì)、 水文、結(jié)構(gòu)力學(xué)、地球物理、計算機科學(xué)等諸多學(xué)科的知識，是一項跨學(xué)科的研究，正向

9、邊 緣學(xué)科的方向發(fā)展，已成為測量工作者與其它學(xué)科專家合作研究的領(lǐng)域。變形監(jiān)測所研究的理論和方法主要涉及到這樣三個方面：變形信息的獲??； 變形信息的分析與解釋； 以及變形預(yù)報。其研究成果對預(yù)防自然災(zāi)害及了解變形機理是極為重要的。 對于工程建筑物， 變形監(jiān)測 除了作為判斷其安全的耳目之外，還是檢驗設(shè)計和施工的重要手段。對于工程建筑物，變形監(jiān)測的意義重點表現(xiàn)在：確保安全驗證設(shè)計災(zāi)害防治具有實用上的意義， 主要是掌握各種建筑物和地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性， 為安全性診斷提 供必要信息，及時發(fā)現(xiàn)問題，以便采取措施；具有科學(xué)上的意義， 包括更好地理解變形的機理， 驗證有關(guān)工程設(shè)計的理論和地殼 運動的假說，進(jìn)行反饋設(shè)

10、計，以及建立有效的變形預(yù)報模型。1.2變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展變形信息獲取方法的選擇取決于變形體的特征、 變形監(jiān)測的目的、 變形大小和變形速度 等因素。在全球性變形監(jiān)測方面 ，空間大地測量是最基本最適用的技術(shù)，它主要包括全球定 位系統(tǒng)（GPS、甚長基線射電干涉測量（VLBI）、衛(wèi)星激光測距（SLR、激光測月技 術(shù)（LLR）以及衛(wèi)星重力探測技術(shù)（衛(wèi)星測高、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和衛(wèi)星重力梯度測量） 等技術(shù)手段；在區(qū)域性變形監(jiān)測方面，GPS已成為主要的技術(shù)手段。近十年發(fā)展起來的空間對地 觀測遙感新技術(shù)合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR,Interferometric Synthetic Aperture Rada

11、r），在監(jiān)測地震變形、火山地表移動、冰川漂移、地面沉降、山體滑 坡等方面，其試驗成果的精度已可達(dá)厘米或毫米級，表現(xiàn)出很強的技術(shù)優(yōu)勢。但精 密水準(zhǔn)測量依然是高精度高程信息獲取的方法。在工程和局部性變形監(jiān)測方面 ，地面常規(guī)測量技術(shù)、地面攝影測量技術(shù)、特殊和專 用的測量手段、以及以GPS為主的空間定位技術(shù)等均得到了較好的應(yīng)用。合理設(shè)計變形監(jiān)測方案是變形監(jiān)測的首要工作， 對于監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計而言， 其主要內(nèi)容包括： 確定監(jiān)測網(wǎng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；選擇觀測方法；點位的最佳布設(shè)和觀測方案的最優(yōu)選擇。在過去三十年里， 變形監(jiān)測方案設(shè)計和監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的研究較為深入和全面，取得了豐富的理論研究成果和實用效益， 這一點可從眾

12、多文獻(xiàn)中得到體現(xiàn)。 目前， 在變形監(jiān)測方案與監(jiān)測系統(tǒng) 設(shè)計方面， 其主要發(fā)展是監(jiān)測方案的綜合設(shè)計和監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與綜合處理。例如， 在大壩的變形監(jiān)測中，要綜合考慮外部觀測和內(nèi)部觀測設(shè)計，大地測量與特殊測量的觀測量（geodetic and geotechnical observations）要進(jìn)行綜合處理與分析 。數(shù)十年變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展， 傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測方法主要采用的是大地測量法。1） 常規(guī)地面測量方法的完善與發(fā)展， 其顯著進(jìn)步是全站型儀器的廣泛使用， 尤其是全 自動跟蹤全站儀 （RTS,Robotic Total Stations），也稱測量機器人（Georobot），為局部 工程

13、變形的自動監(jiān)測或室內(nèi)監(jiān)測提供了一種很好的技術(shù)手段，它可進(jìn)行一定范圍內(nèi)無人值 守、全天侯、全方位的自動監(jiān)測。例如，在美國加州南部的一個新水庫 (Diamond Valley Lake已安裝了由8個永久性RTS和218個棱鏡組成的地面自動監(jiān)測系統(tǒng)。但是，TPS(Terrestrial Positional System)的最大缺陷是受測程限制，測站點一般都處在變形區(qū)域范圍之內(nèi)。2)地面攝影測量技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用起步較早，但是由于攝影距離不能過遠(yuǎn)，絕 對精度較低，使得其應(yīng)用受到局限，僅大量應(yīng)用于高塔、煙囪、古建筑、船閘、邊坡體等的 變形監(jiān)測。后來發(fā)展起來的數(shù)字?jǐn)z影測量和實時攝影測量為地面攝影測量

14、技術(shù)在變形監(jiān)測中 的深入應(yīng)用開拓了非常廣泛的前景。 地面三維激光掃描系統(tǒng)將是變形監(jiān)測領(lǐng)域的一種重要技 術(shù)。3)光、機、電技術(shù)的發(fā)展， 研制了一些特殊和專用的監(jiān)測儀器可用于變形的自動監(jiān)測， 它包括應(yīng)變測量、準(zhǔn)直測量和傾斜測量。 采用光纖傳感器測量系統(tǒng)將信號測量與信號傳輸合 二為一，具有強的抗雷擊、抗電磁場干擾和抗惡劣環(huán)境的能力，便于組成遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)在 線分布式監(jiān)測。4)GNSS作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術(shù)，已逐漸在許多領(lǐng)域取代常規(guī)光學(xué)和電子 測量儀器，在變形監(jiān)測領(lǐng)域也不例外。自從上世紀(jì)80年代以來，尤其是進(jìn)入90年代后，GPS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信 技術(shù)相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了

15、革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標(biāo)的方法將測繪定位技術(shù)從陸地和近海擴(kuò)展到整個海洋和外層空間，從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)， 從單點定位擴(kuò)展到局部與廣域差分，從事后處理擴(kuò)展到實時 (準(zhǔn)實時) 定位與導(dǎo)航， 絕對和相對精度擴(kuò)展 到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬了它的應(yīng)用范圍和在各行各業(yè)中的作用。數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計算機技術(shù)和以GPS為代表的空間定位技術(shù)的日益發(fā)展和完善，使得GPS法由原來的周期性觀測走向高精度、實時、連續(xù)、自動監(jiān)測成為可能。GPS用于變形監(jiān)測的作業(yè)方式可劃分為周期性和連續(xù)性兩種模式(episodic andcontinuous mode)。1)周期性變形監(jiān)測與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測網(wǎng)沒有多大區(qū)

16、別，因為有的變形體的變形極為緩 慢，在局部時間域內(nèi)可以認(rèn)為是穩(wěn)定的，其監(jiān)測頻率可以是幾個月，有的長達(dá)幾年，此時， 采用GPS靜態(tài)相對定位法進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)處理與分析一般都是事后的。經(jīng)過十多年的努力，GPS靜態(tài)相對定位數(shù)據(jù)處理技術(shù)基本成熟，在周期性監(jiān)測方面，其最大屏障還是變形基準(zhǔn)的 選擇與確定，已成為近幾年研究的關(guān)鍵 。2)連續(xù)性變形監(jiān)測指的是采用固定監(jiān)測儀器進(jìn)行長時間的數(shù)據(jù)采集，獲得變形數(shù)據(jù)序列。雖然連續(xù)性監(jiān)測模式也是對測點進(jìn)行重復(fù)性的觀測， 但其觀測數(shù)據(jù)是連續(xù)的， 具有較高 的時間分辨率。根據(jù)變形體的不同特征，GPS連續(xù)性監(jiān)測可采用靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行觀測， 一般要求

17、變形響應(yīng)的實時性， 它為數(shù)據(jù)解算和分析提出了更高要求。 比如， 大壩在超水位蓄洪時就必須時刻監(jiān)視其變形狀況，要求監(jiān)測系統(tǒng)具有實時的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理與分析能力。 當(dāng)然， 有的監(jiān)測對象雖然要求較高的時間采樣率， 但是數(shù) 據(jù)解算和分析可以是事后的。 比如， 橋梁的靜動載試驗和高層建筑物的振動測量，其監(jiān)測的目的在于獲取變形信息，數(shù)據(jù)處理與分析可以事后進(jìn)行。在動態(tài)監(jiān)測方面， 過去一般采用加速度計、 激光干涉儀等測量設(shè)備測定建筑結(jié)構(gòu)的 振動特性， 但是，隨著建筑物高度的增高，以及連續(xù)性、 實時性和自動化監(jiān)測程度的要求加 強，常規(guī)測量技術(shù)已越來越受到局限。GPS乍為一種新方法，由于其硬件和軟件的發(fā)展與完善

18、，特別是高采樣率（目前有的已高達(dá)20Hz）GPS接收機的出現(xiàn)，在大型結(jié)構(gòu)物動態(tài)特性和 變形監(jiān)測方面已表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性。近幾年來，一些學(xué)者已開展了卓有成效的GPS動態(tài)監(jiān)測實驗與測試工作。目前，GPS動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理主要采用OTF方法，同時，GPS變形監(jiān)測單歷元求解算法及其相應(yīng)軟件開發(fā)的研究也在發(fā)展之中。令人鼓舞的是，正如Loves等（1995）所言，隨著GPS動態(tài)變形監(jiān)測能力的進(jìn)一步證實，這一技術(shù)可望被采納為測量結(jié)構(gòu)振動的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。展望變形監(jiān)測技術(shù)的未來：1多種傳感器、數(shù)字近景攝影、全自動跟蹤全站儀和GPS的應(yīng)用，將向?qū)崟r、連續(xù)、高效率、自動化、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的方向發(fā)展；2變形監(jiān)測的時空采樣率

19、會得到大大提高，變形監(jiān)測自動化可為變形分析提供極為豐 富的數(shù)據(jù)信息；3高度可靠、實用、先進(jìn)的監(jiān)測儀器和自動化系統(tǒng)，要求在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠 地運行；4實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)控，在大壩、橋梁、邊坡體等工程中將發(fā)揮巨大作用，網(wǎng)絡(luò)監(jiān) 控是推進(jìn)重大工程安全監(jiān)控管理的必由之路。1.3變形分析的的內(nèi)涵及其研究進(jìn)展人們對自然界現(xiàn)象的觀察，總是對有變化、無規(guī)律的部分感興趣，而對無變化、規(guī)律性很強的部分反映比較平淡。如何從平靜中找出變化，從變化中找出規(guī)律，由規(guī)律預(yù)測未來， 這是人們認(rèn)識事物、認(rèn)識世界的常規(guī)辨證思維過程。變化越多、反應(yīng)越快，系統(tǒng)越復(fù)雜，這 就導(dǎo)致了非線性系統(tǒng)的產(chǎn)生。 人的思維實際是非線性的， 而不

20、是線性的， 不是對表面現(xiàn)象的 簡單反應(yīng)， 而是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，從雜亂無章中找出其內(nèi)在規(guī)律性，然后遵循規(guī)律辦事。變 形分析的真正內(nèi)涵就是這樣。變形分析的內(nèi)涵就是從錯綜復(fù)雜的變形現(xiàn)象中找出其內(nèi)在規(guī)律性。 變形分析的研究內(nèi)容涉及到變形數(shù)據(jù)處理與分析、變形物理解釋和變形預(yù)報的各個方面，通常將其劃為兩部分：1）變形的幾何分析;2）變形物理解釋。變形的幾何分析是對變形體的形狀和大小的變形作幾何描述， 其任務(wù)在于描述變形體變 形的空間狀態(tài)和時間特性。變形物理解釋的任務(wù)是確定變形體的變形和變形原因之間的關(guān)系，解釋變形的原因。1.3.1變形分析方法簡介傳統(tǒng)的變形幾何分析，主要包括：（1）參考點的穩(wěn)定性分析 監(jiān)測

21、點的變形信息是相對于參考點或一定基準(zhǔn)的，如果所選基準(zhǔn)本身不穩(wěn)定或不統(tǒng)一， 則由此獲得的變形值就不能反映真正意義上的變形，因此，變形的基準(zhǔn)問題是變形監(jiān)測 數(shù)據(jù)處理首先必須考慮的問題。過去對參考點的穩(wěn)定性分析主要局限于周期性的監(jiān)測網(wǎng)，方法有很多： 以方差分析進(jìn)行整體檢驗為基礎(chǔ)的 “平均間隙法”； 以B檢驗法為基礎(chǔ)的單點位移分量法； 以方差分析和點的位移向量為基礎(chǔ)的檢驗法；考慮大地基準(zhǔn)的檢驗法； 以位移的不變函數(shù)分析為基礎(chǔ)的檢驗法等。 后來發(fā)展的穩(wěn)健-S變換法，也稱逐次定權(quán)迭代法。（2）觀測值的平差處理和質(zhì)量評定 觀測值的平差處理和質(zhì)量評定非常重要，觀測值的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到變形值的精 度和可靠性。

22、在這方面，涉及到觀測值質(zhì)量、平差基準(zhǔn)、粗差處理、變形的可區(qū)分 性等幾項內(nèi)容。經(jīng)典平差固定基準(zhǔn)自由網(wǎng)平差重心基準(zhǔn) 擬穩(wěn)平差擬穩(wěn)基準(zhǔn)在W.Baarda（1968）數(shù)據(jù)探測法提出后，粗差探測與變形的可區(qū)分性研究成果極為 豐富的。（3）變形模型參數(shù)估計陳永奇（1988）概括了兩種基本的分析方法： 直接法是直接用原始的重復(fù)觀測值之差計算應(yīng)變分量或它們的變化率； 位移法是用各測點坐標(biāo)的平差值之差（位移值）計算應(yīng)變分量。同時，提出了變形分析通用法，研制了相應(yīng)的軟件DEFNAN。自1978年，F(xiàn)IG工程測量專業(yè)委員會設(shè)立了由國際測繪界五所權(quán)威大學(xué)組成的特別委 員會“變形觀測分析專門委員會”， 極大地推動了變形

23、分析方法的研究， 并取得了顯著成果。 正如A.Chrzanowski(1996)所評價的，變形幾何分析的主要問題已經(jīng)得到解決。實質(zhì)上，自20世紀(jì)70年代末至90年代初，幾何變形分析研究較為完善的是常規(guī)地面 測量技術(shù)進(jìn)行周期性監(jiān)測的靜態(tài)模型， 考慮的僅是變形體在不同觀測時刻的空間狀態(tài)， 并沒 有很好地建立各個狀態(tài)間的聯(lián)系，更談不上變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)的變形分析研究。事實上， 變形體在不同狀態(tài)之間是具有時間關(guān)聯(lián)性的。為此， 后來許多學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向時序觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)模型研究，如：變形的時間序列分析方法建模； 基于數(shù)字信號處理的數(shù)字濾波技術(shù)分離時效分量； 變形的卡爾曼濾波模型；用FIR(Finite I

24、mpulse Response)濾波器抑制GPS多路徑效應(yīng)。動態(tài)變形分析既可以在時間域進(jìn)行，也可以在頻率域進(jìn)行。頻譜分析方法是將時域內(nèi)的數(shù)據(jù)序列通過傅立葉(Fourier)級數(shù)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)進(jìn)行分 析，它有利于確定時間序列的準(zhǔn)確周期并判別隱蔽性和復(fù)雜性的周期數(shù)據(jù)。頻譜分析法用于確定動態(tài)變形特征 (頻率和幅值) 是一種常用方法， 尤其在建筑物結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測方面被廣為 采用。但是， 頻譜分析法的苛刻條件是數(shù)據(jù)序列的等時間間隔要求， 這為一些工程變形監(jiān)測分 析的實用性增加了難度， 因為對于非等間隔時間序列進(jìn)行插補和平滑處理必然會帶入人為因 素的影響。多年來， 對變形數(shù)據(jù)分析方法研究是極為活躍的， 除了傳

25、統(tǒng)的多元回歸分析法以及上述 的時間序列分析法、 頻譜分析法和濾波技術(shù)之外， 灰色系統(tǒng)理論、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性時間序 列預(yù)測方法也得到了一定程度的應(yīng)用。比如，應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)分析方法研究多個因變量和多個自變量的變形問題； 應(yīng)用灰色理論建模預(yù)測深基坑事故隱患； 應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模進(jìn)行短期變形預(yù)測。變形分析中，為彌補單一方法的缺陷，多種方法的結(jié)合得到了發(fā)展，例如： 模糊數(shù)學(xué)與灰色理論相結(jié)合，應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)聚類分析法進(jìn)行多測點建模預(yù)測； 模糊數(shù)學(xué)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合， 應(yīng)用模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建模進(jìn)行邊坡和大壩 的變形預(yù)報；應(yīng)用抗差估計理論對多元回歸分析模型進(jìn)行改進(jìn)的抗差多元回歸模型， 處理數(shù)據(jù)序 列的粗差問

26、題；研究認(rèn)為，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，是解決大壩安全監(jiān)控專家系統(tǒng)開發(fā)由于變形體變形的錯綜復(fù)雜，可以看作為一個復(fù)雜性系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)含有許多非線性、不確定性等復(fù)雜因素及它們之間相互作用所形成復(fù)雜的動力學(xué)特性。創(chuàng)立于20世紀(jì)70年代的非線性科學(xué)理論在變形研究中也得到了反映。例如， 根據(jù)突變理論， 用尖點突變模型研究 大壩及巖基的穩(wěn)定性； 將大壩運行性態(tài)看成為一種非線性動力系統(tǒng)， 研究了大壩觀測數(shù)據(jù)序 列中的混沌現(xiàn)象。在變形分析中， 出于實用、簡便上的考慮，我們一般應(yīng)用較多的是單測點模型，為顧及 監(jiān)測點的整體空間分布特性，多測點變形監(jiān)控模型也得到了發(fā)展。從現(xiàn)行的變形分析方法中，我們不難發(fā)現(xiàn)，大多

27、都是離線的（事后的） ，不能進(jìn)行即時 預(yù)報與監(jiān)控， 無法在緊急關(guān)頭為突發(fā)性災(zāi)害提供即時決策咨詢， 這與目前自動化監(jiān)測系統(tǒng)的 要求很不相符， 為此，研究在線實時分析與監(jiān)控的方法成為技術(shù)關(guān)鍵。 已有研究表明， 采用 遞推算法的貝葉斯動態(tài)模型進(jìn)行大壩監(jiān)測的動態(tài)分析認(rèn)為是可行的。在隔河巖大壩GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)中， 我們采用遞推式卡爾曼濾波模型進(jìn)行全自動在線實時數(shù)據(jù)處理起到了較好效 果。在GPS監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理的主要工作是觀測資料的解算，如GPS差分求解、GPS監(jiān)測網(wǎng)平差等， 以提供高精度、 高可靠性的相對位置信息。 而數(shù)據(jù)分析的重點則包括變形基準(zhǔn) 的確定，正確區(qū)分變形與誤差，提取變形特征，并對變

28、形成因作解釋。誕生于20世紀(jì)80年代末的小波分析理論， 是一種最新的時頻局部化分析方法， 被認(rèn)為 是傅立葉分析方法的突破性進(jìn)展。 應(yīng)用小波方法， 進(jìn)行時頻分析， 可望有效地求解變形的非 線性系統(tǒng)問題，通過小波變換提取變形特征。這一研究領(lǐng)域才剛剛起步。第21屆IUGG大會“小波理論及其應(yīng)用”被IAG確定為大地測量新理論研究方向之一。在1999年召開的第22屆IUGG大會上，“小波理論及其在大地測量和地球動力學(xué)中的應(yīng)用”再次被IAG確定為GIV分會（大地測量理論與方法） 的新的研究小組。 可見， 開展小波理論及其應(yīng)用研究的重要性。從目前應(yīng)用來看， 雖然小波分析要求大子樣容量的時間序列數(shù)據(jù)， 但是，

29、 長序列數(shù)據(jù)可 從GPS TPS等集成的自動化監(jiān)測系統(tǒng)中得到保障。小波分析為高精度變形特征提取提供了 一種數(shù)學(xué)工具， 可實現(xiàn)其它方法無法解決的難題， 對非平穩(wěn)信號消噪有著其它方法不可比擬 的優(yōu)點。小波理論在變形監(jiān)測（尤其是動態(tài)變形監(jiān)測）的數(shù)據(jù)分析方面將會發(fā)揮巨大作用。現(xiàn)代變形分析方法：時間序列分析頻譜分析 小波分析 濾波技術(shù)：數(shù)字濾波、卡爾曼濾波、貝葉斯濾波 灰色理論：灰關(guān)聯(lián)分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng) 模糊數(shù)學(xué)：模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 抗差估計理論：抗差多元回歸模型 非線性理論：突變理論、混沌現(xiàn)象1.3.2變形物理解釋的進(jìn)展變形物理解釋的方法可分為：統(tǒng)計分析法確定函數(shù)法混合模型法 統(tǒng)計分析法：以回歸分析模型為主，是通過分析所觀測的變形（效應(yīng)量）和外因（原因 量）之間的相關(guān)性，來建立荷載-變形之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，它具有“后驗”的性質(zhì)，是目 前應(yīng)用比較廣泛的變形成因分析法。由于影響變形因子的多樣性和不確定性，以及觀測資料本身的有限，因此，很大程 度上制約著回歸分析建模的準(zhǔn)確性。回歸分析模型中包括多元回歸分析模型、逐步回歸分析模型、主成份回歸分析模型