變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模板

1、第一章 引 論,主要內(nèi)容,變形監(jiān)測的內(nèi)容、目的與意義 變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,本節(jié)的內(nèi)容重點： 變形分析的內(nèi)涵 變形分析的主要方法 變形物理解釋的內(nèi)容 變形分析的發(fā)展趨勢,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,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，這是人們認識事物、認識世界的常規(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

2、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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,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 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,傳統(tǒng)的變形幾何分析，主要包括： 參考點的穩(wěn)定性分析 觀測值的平差處理和質(zhì)量評定 變

3、形模型參數(shù)估計,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,參考點的穩(wěn)定性分析,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,監(jiān)測點的變形信息是相對于參考點或一定基準的，如果所選基準本身不穩(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，變形的基準問題是變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理首先必須考慮的問題。,參考點的穩(wěn)定性分析,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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

4、析和點的位移向量為基礎(chǔ)的檢驗法； 考慮大地基準的檢驗法； 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。,觀測值的平差處理和質(zhì)量評定,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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。在這方面，涉及到觀測值質(zhì)量、平差基準、粗差處理、變形的可區(qū)分性等幾項內(nèi)容。,觀測值的平差處理和質(zhì)量評定,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,經(jīng)典平差固定基準 自由網(wǎng)平差重心基準 擬穩(wěn)平差擬穩(wěn)基準 在W.Baarda（1968）數(shù)據(jù)探測法提出后

5、，粗差探測與變形的可區(qū)分性研究成果極為豐富的。,變形模型參數(shù)估計,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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”，極大地推動了變形分析方法的研究，并取得了顯著成果。正如A.

6、Chrzanowski（1996）所評價的，變形幾何分析的主要問題已經(jīng)得到解決。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,實質(zhì)上，自20世紀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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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

7、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 Impulse Response）濾波器抑制GPS多路徑效應(yīng)。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,動態(tài)變形分析既可以在時間域進行，也可以在頻率域進行。 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)進行分析，它有利于確定時間序列的準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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,但是，頻譜分

8、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行插補和平滑處理必然會帶入人為因素的影響。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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)建模進行短期變形預(yù)測。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.

9、3.1 變形分析方法簡介,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)學與灰色理論相結(jié)合，應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)聚類分析法進行多測點建模預(yù)測； 模糊數(shù)學與人工神經(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行改進的抗差多元回歸模型，處理數(shù)據(jù)序列的粗差問題； 研究認為，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)中 “瓶頸”問題的一個好方法。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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

10、及它們之間相互作用所形成復(fù)雜的動力學特性。創(chuàng)立于20世紀70年代的非線性科學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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,從現(xiàn)行的變形分析方法中，我們不難發(fā)現(xiàn)，大多都是離線的（事后的），不能進行即時預(yù)報與監(jiān)控

11、，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)模型進行大壩監(jiān)測的動態(tài)分析認為是可行的。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行全自動在線實時數(shù)據(jù)處理起到了較好效果。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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的確定，正確區(qū)分變形與誤差，提取變形特征，并對變形成

12、因作解釋。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,誕生于20世紀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，被認為是傅立葉分析方法的突破性進展。應(yīng)用小波方法，進行時頻分析，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?？梢?，開展小波理論及其應(yīng)用研究的重要性。,1.3 變形分析的的

13、內(nèi)涵及其研究進展,1.3.1 變形分析方法簡介,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，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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,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：模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 抗差估計理

14、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 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,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,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,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。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,統(tǒng)計分析法： 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，

15、很大程度上制約著回歸分析建模的準確性。 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和嶺回歸分析模型等。 統(tǒng)計模型的發(fā)展包括時間序列分析模型、灰關(guān)聯(lián)分析模型、模糊聚類分析模型以及動態(tài)響應(yīng)分析模型等。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,確定函數(shù)法： 以有限元法為主，它是在一定的假設(shè)條件下，利用變形體的力學性質(zhì)和物理性質(zhì)，通過應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系建立荷載與變形的函數(shù)模型，然后利用確定函數(shù)模型，預(yù)報在荷載作用下變形體可能的變形。確定性模型具有“先驗”的性質(zhì)，比統(tǒng)計模型有更明確的物理概念，但往往計算工作量較大，并對用作計算的基本資料有一定的要求

16、。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,統(tǒng)計模型和確定性模型的進一步發(fā)展是混合模型和反分析方法的研究，已在大壩安全監(jiān)測中得到了較好應(yīng)用。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,混合模型： 是對于那些與效應(yīng)量關(guān)系比較明確的原因量（比如水質(zhì)分量）用有限元法（FEM, Finite Element Method）的計算值，而對于另一些與效應(yīng)量關(guān)系不很明確或采用相應(yīng)的物理理論計算成果難以確定它們之間函數(shù)關(guān)系的原因量（比如溫度，時效）則仍用統(tǒng)計模式，然后與實際值進行擬合而建立的模型。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形

17、物理解釋的進展,反分析方法： 是仿效系統(tǒng)識別理論，將正分析成果作為依據(jù)，通過一定的理論分析，借以反求建筑物及其周圍的材料參數(shù)，以及尋找某些規(guī)律和信息，及時反饋到設(shè)計、施工和運行中去，它包含有反演分析和反饋分析。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.2 變形物理解釋的進展,由于變形的物理解釋涉及到多學科的知識，已遠不是測量人員所能夠獨立完成的，所以需要相關(guān)學科專家的共同合作。,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.3 變形分析研究的發(fā)展趨勢,回顧變形分析方面所取得的大量實踐及研究成果，展望變形分析研究的未來，其發(fā)展趨勢將主要體現(xiàn)在如下幾個方面： 數(shù)據(jù)處理與分析將向自動化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，更注重時空模型和時頻分析（尤其是動態(tài)分析）的研究，數(shù)字信號處理技術(shù)將會得到更好應(yīng)用； 會加強對各種方法和模型的實用性研究，變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件的開發(fā)不會局限于某一固定模式，隨著變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，變形分析新方法研究將不斷涌現(xiàn)；,1.3 變形分析的的內(nèi)涵及其研究進展,1.3.3 變形分析研究的發(fā)展趨勢, 由于變形體變形的不確定性和錯綜復(fù)雜性，對它的進一步研究呼喚著新的思維方