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1、1变形监测与数据处理读书报告姓名： 余颖媛专业： 测绘工程 2011 级学号： 2011301091电话：18987432696变形监测是为了保障工程安全，监测各种工程建筑物，机器设备以及与工程建设有关的地质构造的变形，及时发现异常变化，对其稳定性、安全性做出判断，以便采取措施处理，防止事故的发生。科学上的意义：积累变形监测的资料，更好的解释变形的机理，验证变形的假说，为研究灾害预报的理论和方法服务检验工程设计的理论是否正确，设计是否合理，为以后修改设计，制定设计规范提供依据。一、 引论1、变形监测的概念：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的工作。其任务是确定在各种荷载
2、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。2、变形监测研究对象划分为这样三类：（1）全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等；（2）区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等；（3）工程和局部性变形研究，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。3、变形监测的内容，应根据变形体的性质与地基情况来定。（1）工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就其基础而言，主要观测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉陷。对于建筑物本身来说，则主要是观测倾斜与裂缝。对于高层和高耸建筑物，还应对其动态变形
3、（主要为振动的幅值、频率和扭转）进行观测。对于工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要观测内容是水平位移和垂直位移。（2）水工建筑物：对于土坝，其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测。对于混凝土坝，以混凝土重力坝为例，由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作2用， 其主要观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曲）以及伸缩缝的观测，这些内容通常称为外部变形观测。（3）地面沉降：对于建立在江河下游冲积层上的城市，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象。对于地下采矿地区，
4、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。有时甚至造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。4、变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个方面：变形信息的获取、变形信息的分析与解释、以及变形预报。（1）变形信息获取方法在全球性变形监测方面，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、甚长基线射电干涉测量、卫星激光测距、激光测月技术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；在区域性变形监测方面，GPS 已成为主要的技术手段。近十年发展起来的空间对地观测遥感新技术合
5、成孔径雷达干涉测量，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。但精密水准测量依然是高精度高程信息获取的方法。（2）在工程和局部性变形监测方面，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、以及以 GPS 为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。5、合理设计变形监测方案主要内容包括：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。二、数理统计的有关理论1、随机过程理论：是研究随机性表现为一个过程的随机现象的学科，通常它是研究动态测量过程及其测量结果的理论依据。2、随机变量通常用它
6、的概率分布函数、算术平均值和标准差作为特征量。随机过程的特征量是：概率密度函数；均值、方差和均方差；自相关函数；谱密度函数；三、变形监测技术1、地面监测方法主要是指通过高精度的地面测量仪器及其设备测量角度、长度和高程的变化来确定变形。主要方法有：前方交会法、后方交会法、极坐标法、视准线法、小角3法、测距法、几何水准测量、三角高程测量。地面监测方法的基本特点：(1)能够直接提供测点的变形状态，监控面积较大； (2)布网式的观测量可以相互校核和精度评定； (3)灵活、简便，可适应于不同的精度要求。2、测量机器人工作原理及其应用（1）测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获
7、取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。（2）测量机器人进行变形监测的方式： 固定式全自动持续监测、 移动式半自动变形监测。固定式全自动变形监测系统可实现全天侯无人守值监测，并有高效、全自动、准确、实时性强等特点。缺点：a.没有多余观测量，且不易发现粗差；b.系统所需的测量机器人、棱镜、计算机等设备因长期固定而需采用特殊措施保护起来；c.需要雄厚的资金作保证。移动式半自动变形监测系统的作业与传统观测方法一样，在各观测墩上安置整平仪器，输入测站点号，进行必要的测站设置，后视之后测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数，全自动的寻找目标，精确的照准目标、记录观测数据，计算各种
8、限差，作超限重测或等待人工干预等。完成一个测点的工作后，人工将仪器搬到下一个施测的点上，重复上述的工作，直到所有外业工作完成。这种移动式网观测模式可大大减轻观测者的劳动强度，所获得的成果精度更好。（3）地面摄影测量方法及其特点用地面摄影测量方法测定工程建筑物、构筑物、滑坡体等的变形，就是在变形体周围选择稳定的点，在这些点上安置摄影机，并对变形体进行摄影，然后通过内业量测和数据处理得到变形体上目标点的二维或三维坐标，比较不同时刻目标点的坐标得到它们的位移。摄影测量方法进行变形观测的主要特点：可以同时测定变形体上任意点的变形；提供完全和瞬时的三维空间信息；大量减少野外的测量工作量；可以不需要接触被
9、测物体；通过摄影底片，可以观测到变形体以前的状态。地面摄影测量进行变形观测的两种基本方式：固定摄站的时间基线法地面立体摄影测量法。GPS 变形监测的特点：测站间无需通视、同时提供监测点的三维位移信息、全天候监测、监测精度高、操纵简便，易于实现监测自动化、GPS 大地高可直接用于垂直位移测量。GPS 变形监测分为周期性监测模式和连续性监测模式。43、变形监测方案制定的主要内容：变形监测内容的确定、监测方法、仪器和监测精度的确定、监测部位和测点布置的确定、变形监测频率的确定、综合变形监测系统。变形监测内容的确定：应根据变形体的性质、监测要求和环境等因素来确定变形监测工作的内容。监测方法、仪器和监测
10、精度的确定，变形监测方法和仪器的选择，取决于工程地质条件以及工程周围的环境条件。变形监测的精度要求 ：对于工程建筑物来说，变形监测的精度要求，取决于该工程建筑物预计的允许变形值的大小和进行观测的目的。监测部位和测点布置的确定：监测点布设在变形体的特征部位，重点突出；基准点应布设在稳定位置。变形监测频率的确定：变形监测的频率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。综合变形监测系统：综合应用各种方法和技术，取长补短，满足变形监测工作需要。4、测量控制网包括：测图控制网、施工控制网、变形监测网。测量控制网优化设计具有理论性和实用性：在人、财、物的条件下，控制网具有最好的精度、灵敏度和可靠性在满足精度、
11、灵敏度和可靠性的条件下，控制网的成本最低。控制网优化设计问题的分类及解法：零类设计（基准设计） 、一类设计（结构图形设计） 、二类设计（观测值权的分配） 、三类设计（网的改造或加密方案设计） 。控制网优化设计方法：解析设计法、机助设计法。控制网优化设计的质量标准：精度、可靠性、灵敏度、经济。四、变形监测资料的预处理1、监测资料检核的意义：变形监测资料处理的首要工作是分析观测值的质量, 包括观测值的精度和可靠性。2、测量中的误差分类:粗差、错误、奇异值；系统误差；偶然误差、随机误差。3、变形监测检核的方法很多，应依据实际观测情况而定。包括野外检核和室内检核。室内检核工作，具体有：1）原始记录的校
12、核；2）原始资料的统计分析，如粗差检验法；3）原始资料的逻辑分析：根据监测点的内在物理意义来分析原始实测值的可靠性。包括：一致性分析：时间-效应量、原因 -效应量；相关性分析：空间点位的相关性；关于分析的结果若存在大的偏差, 包括两种: 误差引起；真实变形。回归分析在处理两个变量问题时，一个是非随机变量、一个是随机变量。相关分析讨论的两个变量都是随机变量问题。54、监测自动化系统中观测数据序列的奇异值检验 ：对于任何一个监测系统，其观测数据中或多或少会存在奇异值，在变形分析的开始有必要将该奇异值剔除。考虑到系统的连续、实时和自动化，最简便的方法是用“3 准则”来剔除奇异值。其中，观测数据的中误
13、差 既可以用观测值序列本身直接进行估计，也可根据长期观测的统计结果确定，或取经验数值。监测资料插补的原因: 实测资料出现“断链” ；数据处理方法要求等时间间隔。主要方法有：按内在物理联系进行插补、按数学方法进行插补（线性内插法、拉格朗日内插法、多项式曲线内插法、周期函数曲线拟合法、多面函数拟合法） 。5、变形体的变形可描述为随时间或空间变化的信号，变形监测所获取的变形信号，包含了有用信号和误差（即噪声）两部分， 。目前，一般采用数据平滑或 Kalman 滤波的方法在时域内进行处理。又比如，对于动态变形监测（如桥梁、高层建筑等工程的监测） ，变形的频率和幅值是其主要特征，我们通常采用频谱分析法将
14、时域内的数据序列通过 Fourier 级数转换到频域内进行分析。由于这些方法的本身所限，对于非平稳、非等时间间隔观测信号的变形特征提取存在局限性。6、小波变换的基本思想是用一族函数去表示或逼近一信号或函数。这族函数称为小波函数系，由一基本小波函数通过平移和伸缩构成的。小波变换在变形分析的作用：观测数据滤波、变形特征提取、不同变形频率的分离、观测精度估计。小波变换对观测数据序列进行消噪的基本步骤：小波分解；小波分解高频系数的阈值量化处理；小波重构；对于复杂变形信息的分离，采用小波包进行分解和重构，可以得到各个相应频段的变形信息。7、观测资料的整编：（1）观测点变形过程线：某观测点的变形过程线是以
15、时间为横坐标，以积累变形值（位移、沉陷、倾斜和挠度等）为纵坐标绘制成的曲线。由于观测是定期进行的，所得成果在变形过程线上仅是几个孤立点。直接连接这些点得到的是折线形状，加上观测中存在误差，就使实测变形过程线常呈明显跳动的折线。为更确切的反映建筑物变形规律，需将折线修匀成圆滑的曲线。（2）建筑物变形分布图：a.变形值剖面分布图 b.建筑物沉陷等值线。8、引起变形的因素：（1）静水压力（2）坝体的温度变化（3）时效变化。9、监测资料管理系统一般分为：人工管理处理，计算机辅助人工处理，数据库管理系统。其中数据库管理系统有如下功能;1. 各种监测资料以及有关文件资料的存储、更新、增6删、更改、检索和管
16、理；2.监测资料的处理 3.监测资料的解释。五、 监测网的参考系和稳定性分析1、变形监测网可分为两类:有固定基准的绝对网；没有绝对固定基准的相对网。绝对网中，固定基准位于变形体之外，在各观测周期中认为是不变的，以作为测定变形点绝对位移的参考点，这种监测网平差采用经典平差方法便可实现。相对网中，由于全部网点均位于变形体上，没有必要的起算基准，是一种自由网，平差时存在参考系亏秩问题，为了分析变形，需要寻找一个恰当的变形参考系。2、平差基准的选择有固定基准（经典平差基准） 、重心基准（秩亏自由网平差基准）和拟稳点重心基准（拟稳平差基准）等三种基本类型。由经典平差所求的网点位移值是相对于假定的固定点的变化值。由自由网平差计算所求的网点位移是相对于网的重心的变化值。由拟稳平差所求的网点变形则是相对于拟稳点的重心而言的。采用固定基准的经典平差、重心基准的伪逆平差和相对稳定基准的拟稳平差所得各点的沉降数值是完全不同的。当网中没有稳定或相对稳定点时，可考虑用自由网伪逆平差；当网中存在相对稳定点时，
