变形监测数据处理PPT精品文档

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1、欢迎各位同学！1授课教师授课教师: : 黄声享黄声享 教授教授SS武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院 20092009年年4 4月月课程：变形监测数据处理课程：变形监测数据处理2变形监测数据处理变形监测数据处理主要参考书主要参考书: : 1. 1. 1. 1.陈永奇陈永奇陈永奇陈永奇, , , ,吴子安吴子安吴子安吴子安, , , ,吴中如吴中如吴中如吴中如. . . .变形监测分析与预报变形监测分析与预报变形监测分析与预报变形监测分析与预报. . . . 北京北京北京北京: : : :测绘出版社测绘出版社测绘出版社测绘出版社,1998,1998,1998,1998 2. 2. 2. 2.吴子安

2、吴子安吴子安吴子安. . . .工程建筑物变形观测数据处理工程建筑物变形观测数据处理工程建筑物变形观测数据处理工程建筑物变形观测数据处理. . . . 北京北京北京北京: : : :测绘出版社测绘出版社测绘出版社测绘出版社,1989,1989,1989,1989 3. 3. 3. 3.陈永奇陈永奇陈永奇陈永奇. . . .变形观测数据处理变形观测数据处理变形观测数据处理变形观测数据处理. . . . 北京北京北京北京: : : :测绘出版社测绘出版社测绘出版社测绘出版社,1988,1988,1988,1988 4. 4. 4. 4.吴中如吴中如吴中如吴中如. . . .水工建筑物安全监控理论及

3、其应用水工建筑物安全监控理论及其应用水工建筑物安全监控理论及其应用水工建筑物安全监控理论及其应用. . . . 北京北京北京北京: : : :高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社,2003,2003,2003,2003 3变形监测数据处理变形监测数据处理主要参考书主要参考书: : 5. 5. 5. 5.吴中如吴中如吴中如吴中如, , , ,顾冲时顾冲时顾冲时顾冲时. . . .大坝原型反分析及其应用大坝原型反分析及其应用大坝原型反分析及其应用大坝原型反分析及其应用. . . . 南京南京南京南京: : : :江苏科学技术出版社江苏科学技术出版社江苏科学技术出版社江苏科学技术

4、出版社,2000,2000,2000,2000 6. 6. 6. 6.夏才初夏才初夏才初夏才初, , , ,潘国荣潘国荣潘国荣潘国荣. . . .土木工程监测技术土木工程监测技术土木工程监测技术土木工程监测技术. . . . 北京北京北京北京: : : :中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社,2001,2001,2001,2001 7. 7. 7. 7.王尚庆王尚庆王尚庆王尚庆. . . .长江三峡滑坡监测预报长江三峡滑坡监测预报长江三峡滑坡监测预报长江三峡滑坡监测预报. . . . 北京北京北京北京: : : :地质出版社地质出版社地质出版社地质出版社,1

5、999,1999,1999,1999 8. 8. 8. 8.李珍照李珍照李珍照李珍照. . . .大坝安全监测大坝安全监测大坝安全监测大坝安全监测. . . . 北京北京北京北京: : : :中国电力出版社中国电力出版社中国电力出版社中国电力出版社,1997,1997,1997,1997 4变形监测数据处理变形监测数据处理 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 2007 200710.10.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 2007 200711.11.伊晓东等伊晓东等.

6、 .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 2006 200615.15.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

7、律研究. . 测绘出版社测绘出版社,2008.12,2008.12 5变形监测数据处理变形监测数据处理规范规范: :1.1. 中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国行业标准行业标准行业标准行业标准. . . .建筑变形测量规范建筑变形测量规范建筑变形测量规范建筑变形测量规范 （JGJ8-2007JGJ8-2007）. . . . 北京北京北京北京: : : :中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社,2008,2008,2008,20082.2.中华人民共和国水利行业标准中华人民共和国水利行业标准中华人民共和国水利行业标准中华人民共和国水利行业

8、标准. . . . 混凝土大坝安全监混凝土大坝安全监混凝土大坝安全监混凝土大坝安全监测技术规范（测技术规范（测技术规范（测技术规范（DL/T 5178-2003DL/T 5178-2003DL/T 5178-2003DL/T 5178-2003）. . . . 北京：中国水利水电出版社北京：中国水利水电出版社北京：中国水利水电出版社北京：中国水利水电出版社, 2004, 2004, 2004, 200461.1.1.1.本课程学习的重要性本课程学习的重要性2.2.本课程涉及到的主要问题本课程涉及到的主要问题 变形监测技术变形监测技术变形监测技术变形监测技术 变形数据整编变形数据整编变形数据整编

9、变形数据整编 变形分析与预报变形分析与预报变形分析与预报变形分析与预报变形监测数据处理变形监测数据处理7如何学好该课程？如何学好该课程？变形监测任务书变形监测任务书监测方案监测方案监测资料的预处理监测资料的预处理监测基准与稳定性分析监测基准与稳定性分析变形分析方法变形分析方法数数数数理理理理统统统统计计计计知知知知识识识识 确定性模型确定性模型确定性模型确定性模型 统计模型统计模型统计模型统计模型 变形监测数据获取变形监测数据获取自动化观测自动化观测自动化观测自动化观测 人工观测人工观测人工观测人工观测 8 第一章第一章 引引 论论 主主要要内内容容n变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的

10、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9 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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义10 1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 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 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义11

11、1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念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象则可能引发灾害。自然界的变形危害现象时刻都在我们周边发生着，如地震、滑坡、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、桥梁岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。与建筑物的倒塌等。1.

12、1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义12 1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 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 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义13 1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念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

13、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。 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义14 1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 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 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义15 1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念变变形形体体的的范范畴畴可可以以大大到到整整个个地地球球，小小到到一一个个工工程程

14、建建（构构）筑筑物物的的块块体体，它它包包括括自自然然的的和和人人工工的的构构筑筑物物。根根据据变变形形体体的的研研究范围，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：全全球球性性变变形形研研究究，如如监监测测全全球球板板块块运运动动、地地极极移移动动、地地球球自转速率变化、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；工工程程和和局局部部性性变变形形研研究究，如如监监测测工工程程建建筑筑物物的的三三维维变变形形、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

15、开采使引起的地表移动和下沉等。 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义161.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义 1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念在精密工程测量中，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 17 1.1.1 变形监测的基本概念变形监测的基本概念 变形的概念变形的概念 变形监

16、测的变形监测的概念概念 变形体的范畴变形体的范畴 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义18 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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义19 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，

17、又要作全面考虑，以便能正确反映出变形体的变化情况，达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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义20 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观：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就其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

18、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、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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义21 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、

19、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

20、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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义22 1.1.2 变形监测的内容变形监测的内容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，而，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。影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。对于地下对于地下采矿地区采矿地区，由于在地下大量的采掘，也，由于在地下大量的采掘，也会使地表发生沉降现象。这种

21、沉降现象严重的城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。因此，必须定期地的破坏，危及建筑物的安全。因此，必须定期地进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观测。测。 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义23 本节要求了解并掌握三方面的内容：本节要

22、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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义24 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，变形监测工作的意义更加重要。众所周知，工程建与此同时，变形监测工作的意义更加重要。众所周知，工程建筑物在

23、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

24、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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义25 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67m67m高的马尔巴塞（高的马尔巴塞（MalpassetMalpasset）拱坝拱坝19591959年垮年垮坝；坝；意大利意大利262m262m高的瓦依昂（高的瓦依昂（VajontVajont）

25、拱坝拱坝19631963年因库年因库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效；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年洪水漫坝失事等，年洪水漫坝失事等，都是一些典型的事例。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、很可见，保证工程建筑物安全是一个十分重要的、很实际的问题。实际的问题。1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义26 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

26、桥塔可马大桥(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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义扭曲运动之一扭曲运动之一扭曲运动之一扭曲运动之一扭曲运动之二扭曲运动之二扭曲运动之二扭曲运动之二27 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大桥塔可马大桥(Tacoma Narrows)(Tacoma Narrows)事件事件: : 1.1 1.1

27、 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义边跨下垂边跨下垂边跨下垂边跨下垂28 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大桥塔可马大桥(Tacoma Narrows)(Tacoma Narrows)事件事件: : 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义主跨破坏主跨破坏主跨破坏主跨破坏29 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大桥塔可马大桥(Tacoma Narrows)(Tacoma Narrows)事件事件: : 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义破坏惨状破坏惨状破坏惨状破

28、坏惨状30 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 塔可马大桥塔可马大桥(Tacoma Narrows)(Tacoma Narrows)事件事件: : 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义新新新新TACOMATACOMATACOMATACOMA桥桥桥桥31 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

29、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

30、了实用效益。 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义32 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

31、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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义33 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的科学、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重要，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范畴。由于变形监测涉及到这一工作属于变形监测的范畴。

32、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，是一项机科学等诸多学科的知识，是一项跨学科跨学科的研究，正的研究，正向向边缘学科边缘学科的方向发展，已成为测量工作者与其它学的方向发展，已成为测量工作者与其它学科专家合作研究的领域。科专家合作研究的领域。 1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义34 1.1.3 变形监测的目的和意义变形监测的目的和意义 变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个变形监测所研究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；

33、 变形信息的分析与解释；变形信息的分析与解释； 以及变形预报。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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义35 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，变形监测的意义重点表现在：变形监测的意义重点表现在： 确保安全确保安全 验证设计验证设计

34、 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。1.1 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义36 本节要求了解并掌握三方面的内容

35、：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 1.1 变形监测的内容、目的与变形监测的内容、目的与意义意义37 第一章第一章 引引 论论 主主要要内内容容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381.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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

36、方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPS GPS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 GPS GPS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 391.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 变形信息获取方法的选择变形信息获取方法的选择取决于变形体的特征、变取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度等因素。形监测的目的、变形大小和变形速度等因素。 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）、）

37、、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；401.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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。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成孔合成孔径雷达干涉测量（径雷达干涉测量（InS

38、ARInSAR, ,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

39、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。 411.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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 GPS GPS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 GPS GPS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 421.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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，对于是变形监测

40、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，取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得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，其主要发到体现。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面，其主要发展是展是

41、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。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，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。 431.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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

42、 GPS GPS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 GPS GPS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 44 数十年变形监测技术的发展，传统的数十年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，其显著进步是全站型的完善与发展，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

43、局部工程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监个棱镜组成的地面自动监测系统。但是，测系统。但是，TPS（Terrestrial Positional System）的最大缺）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。陷是受测程

44、限制，测站点一般都处在变形区域范围之内。 1.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 45 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，使得其应用受到局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、边坡体等的变限，仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸、边坡体等的变形监测。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。摄影测量技术在变形

45、监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景。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领域的一种重要技术。将是变形监测领域的一种重要技术。 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、准直测量和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输合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的能力，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

46、监测。便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。 1.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 46 4 4）GNSSGNSS作为一种全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

47、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。1.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 471.2

48、 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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 GPS GPS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 GPS GPS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 48 数数据据通通讯讯技技术术、计计算算机机技技术术和和以以GPS为为代代表表的的空空间间定定位位技技术术的的日日益益发发展展和和完完善善，使使得得GPS法法由由原原来来的的周周期期性性观观测测走走向向高高精精度度、实时、连续、自动监测成为可能。实时、连续、自动监测成为

49、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静态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。经过十相对定位法进行测量，数据处

50、理与分析一般都是事后的。经过十多年的努力，多年的努力，GPS静态相对定位数据处理技术基本成熟，在周期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，已成为近性监测方面，其最大屏障还是变形基准的选择与确定，已成为近几年研究的关键几年研究的关键 。1.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 49GPS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50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 51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 52清江隔河岩

51、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 53GPS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54 2）连连续续性性变变形形监监测测指指的的是是采采用用固固定定监监测测仪仪器器进进行行长长时时间间的的数数据据采采集集，获获得得变变形形数数据据序序列列。虽虽然然连连续续性性监监测测模模式式也也是是对对测测点点进进行行重重复复性性的的观观测测，但但其其观观测测数数据据是是连连续续的的，具具有有较较高高的的时时间间分分辨辨率率。根根据据变变形形体体的的不不同同

52、特特征征，GPS连连续续性性监监测测可可采采用用静静态态相相对对定定位位和和动动态态相相对对定定位位两两种种数数据据处处理理方方法法进进行行观观测测，一一般般要要求求变变形形响响应应的的实实时时性性，它它为为数数据据解解算算和和分分析析提提出出了了更更高高要要求求。比比如如，大大坝坝在在超超水水位位蓄蓄洪洪时时就就必必须须时时刻刻监监视视其其变变形形状状况况，要要求求监监测测系系统统具具有有实实时时的的数数据据传传输输和和数数据据处处理理与与分分析析能能力力。当当然然，有有的的监监测测对对象象虽虽然然要要求求较较高高的的时时间间采采样样率率，但但是是数数据据解解算算和和分分析析可可以以是是事事

53、后后的的。比比如如，桥桥梁梁的的静静动动载载试试验验和和高高层层建建筑筑物物的的振振动动测测量量，其其监监测测的的目目的的在在于于获取变形信息，数据处理与分析可以事后进行。获取变形信息，数据处理与分析可以事后进行。 1.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 551.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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 GPS GPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测

54、技术的未来 56GPS在工程中的应用厦厦门门的的高高层层建建筑筑57GPS在高层建筑动态监测中的应用厦厦门门建建设设银银行行大大厦厦58GPS动态动态监测监测监测方案监测方案 GPSGPS在高层建筑动态监测中的应用在高层建筑动态监测中的应用59结构振动频段信号的频谱分析及对比结构振动频段信号的频谱分析及对比结构振动频段信号的频谱分析及对比结构振动频段信号的频谱分析及对比 60GPS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61GPS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62GPS在工程中的

55、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 63GPS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 64GPS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

56、向的频谱图方向的频谱图 65在在动动态态监监测测方方面面，过过去去一一般般采采用用加加速速度度计计、激激光光干干涉涉仪仪等等测测量量设设备备测测定定建建筑筑结结构构的的振振动动特特性性，但但是是，随随着着建建筑筑物物高高度度的的增增高高，以以及及连连续续性性、实实时时性性和和自自动动化化监监测测程程度度的的要要求求加加强强，常常规规测测量量技技术术已已越越来来越越受受到到局局限限。GPS作作为为一一种种新新方方法法，由由于于其其硬硬件件和和软软件件的的发发展展与与完完善善，特特别别是是高高采采样样率率（目目前前有有的的已已高高达达20Hz）GPS接接收收机机的的出出现现，在在大大型型结结构构物

57、物动动态态特特性性和和变变形形监监测测方方面面已已表表现现出出其其独独特特的的优优越越性性。近近几几年年来来，一一些些学学者者已已开开展展了了卓卓有有成成效效的的GPS动动态态监监测测实实验验与与测测试试工工作作。目目前前，GPS动动态态监监测测数数据据处处理理主主要要采采用用OTF方方法法，同同时时，GPS变变形形监监测测单单历历元元求求解解算算法法及及其其相相应应软软件件开开发发的的研研究究也也在在发发展展之之中中。令令人人鼓鼓舞舞的的是是，正正如如Loves等等（1995）所所言言，随随着着GPS动动态态变变形形监监测测能能力力的的进进一一步步证证实实，这这一一技技术术可可望望被采纳为测

58、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。 1.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 661.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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 67展望变形监测技术的未来：展望变形监测技术的未来： 多多种种传传感感器器、数数字字近近景景摄摄影影、全全自自动动跟跟踪踪全全站站仪仪和和GPS的的应

59、应用用，将将向向实实时时、连连续续、高高效效率率、自自动动化化、动动态态监监测测系系统统的的方方向发展；向发展； 变变形形监监测测的的时时空空采采样样率率会会得得到到大大大大提提高高，变变形形监监测测自自动动化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； 高高度度可可靠靠、实实用用、先先进进的的监监测测仪仪器器和和自自动动化化系系统统，要要求求在在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；恶劣环境下长期稳定可靠地运行； 实实现现远远程程在在线线实实时时监监控控，在在大大坝坝、桥桥梁梁、边边坡坡体体等等工工程程中中将将发发挥挥巨巨大大作作用用，网网络络监监控控是是推推进进重重大

60、大工工程程安安全全监监控控管管理理的的必必由之路。由之路。1.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 681.2 1.2 变形监测技术及其发展变形监测技术及其发展 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 GPS GPS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 GPS GPS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 69 第一章第一章 引引 论论 主主要要内内容容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

61、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70 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1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展71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

62、规律，由规律预测未来，这是人们认识事物、认识世界的常规辨证思维过程。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。变形分析无章中找出其内在规律性，然后遵循规律办事。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从错综复杂的变形现象

63、中找出其变形分析的内涵就是从错综复杂的变形现象中找出其内在规律性。内在规律性。1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展72 变变形形分分析析的的研研究究内内容容涉涉及及到到变变形形数数据据处处理理与与分分析析、变变形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。 变变形形的的几几何何分分析析是是对对变变形形体体的的形形状状和和大大小小的的变变形形作作几几何何描述，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

64、变形的空间状态和时间特性。 变变形形物物理理解解释释的的任任务务是是确确定定变变形形体体的的变变形形和和变变形形原原因因之之间的关系，解释变形的原因。间的关系，解释变形的原因。 1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展73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 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 74 参考点的稳定性分析参考

65、点的稳定性分析1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 监监测测点点的的变变形形信信息息是是相相对对于于参参考考点点或或一一定定基基准准的的，如如果果所所选选基基准准本本身身不不稳稳定定或或不不统统一一，则则由由此此获获得得的的变变形形值值就就不不能能反反映映真真正正意意义义上上的的变变形形，因因此此，变变形形的的基基准准问问题题是是变变形形监监测测数数据据处处理理首首先先必必须考虑的问题。须考虑的问题。75 参考点的稳定性分析参考点的稳定性分析1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进

66、展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 过过去去对对参参考考点点的的稳稳定定性性分分析析主主要要局局限限于于周周期期性性的的监监测网，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变换法变换

67、法，也称逐次定权迭代法。也称逐次定权迭代法。76 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 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 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、平差基准、粗差处理、到观测值质量、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。77 观测值的平差处理和质量评定观测值的平差处理和质

68、量评定1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 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）数数据据探探测测法法提提出出后后，粗粗差差探探测测与与变变形形的的可可区区分分性性研研究究成成果果极极为为丰丰富的。富的。 78 变形模型参数估计变形模型参数估计1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 陈永奇（陈永奇（1988）概括了两种

69、基本的分析方法：）概括了两种基本的分析方法： 直直接接法法是是直直接接用用原原始始的的重重复复观观测测值值之之差差计计算算应变分量或它们的变化率；应变分量或它们的变化率； 位位移移法法是是用用各各测测点点坐坐标标的的平平差差值值之之差差（位位移移值）计算应变分量。值）计算应变分量。同同时时，提提出出了了变变形形分分析析通通用用法法，研研制制了了相相应应的的软件软件DEFNAN。791.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 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

70、所权威大学组成的特别委了由国际测绘界五所权威大学组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”，极大地推，极大地推动了变形分析方法的研究，并取得了显著成动了变形分析方法的研究，并取得了显著成果。正如果。正如A.Chrzanowski（1996）所评价的，）所评价的，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。801.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 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

71、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，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，更谈不上变形监测自动化系统的变形分析研究。变形监测自动化系统的变形分析研究。811.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 事实上，变形体在不同状态之间是具有时间关事实上，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联性的。

72、为此，后来许多学者将目光转向时序时序观测数据的动态模型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。821.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 动动态态变变形形分分析析既既可可以以在在时时间间域域进进行行，也也可可

73、以以在在频率域频率域进行。进行。 频频谱谱分分析析方方法法是是将将时时域域内内的的数数据据序序列列通通过过傅傅立立叶叶（Fourier）级级数数转转换换到到频频域域内内进进行行分分析析，它它有有利利于于确确定定时时间间序序列列的的准准确确周周期期并并判判别别隐隐蔽蔽性性和和复复杂杂性性的的周周期期数数据据。频频谱谱分分析析法法用用于于确确定定动动态态变变形形特特征征（频频率率和和幅幅值值）是是一一种种常常用用方方法法，尤尤其其在在建建筑筑物物结结构振动监测方面被广为采用。构振动监测方面被广为采用。831.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1

74、 变形分析方法简介变形分析方法简介 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，这为一些工程变形监要求，这为一些工程变形监测分析的实用性增加了难度，因为对于非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等间隔时间序列进行插补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。841.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 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，

75、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多个因变量和多个自变量的变形问题；量的变形问题； 应用应用灰色理论灰色理论建模建模预测深基坑事故隐患；预测深基坑事故隐患； 应用应用人工人工神经网络神经网络建模进行短期变形预测。建模进行短期变形预测。851.3 1.3 变形分析的变形分析的的内

76、涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 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，例如：合得到了发展，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行多测点建模预测；预测； 模糊数学模糊数学与与人工人工神经网络神经网络相结合，应用模糊相结合，应用模糊人工人工神经网神经网络方法建模进行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

77、改进的进行改进的抗差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，人工人工神经网络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。 861.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 由于变形体变形的错综复杂，可以看作为一个由于变形体变形的错综复杂，可以看作为一个复杂复杂性系统性系统。复杂系统含有许多非线性、不确定性等复。复杂系统含有许多非线性、不

78、确定性等复杂因素及它们之间相互作用所形成复杂的动力学特杂因素及它们之间相互作用所形成复杂的动力学特性。创立于性。创立于2020世纪世纪7070年代的年代的非线性科学理论非线性科学理论在变形在变形研究中也得到了反映。例如，根据研究中也得到了反映。例如，根据突变理论突变理论，用，用尖尖点突变模型点突变模型研究大坝及岩基的稳定性；将大坝运行研究大坝及岩基的稳定性；将大坝运行性态看成为一种非线性动力系统，研究了大坝观测性态看成为一种非线性动力系统，研究了大坝观测数据序列中的数据序列中的混沌现象混沌现象。 871.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1

79、 变形分析方法简介变形分析方法简介 在变形分析中，出于实用、简便上的在变形分析中，出于实用、简便上的考虑，我们一般应用较多的是考虑，我们一般应用较多的是单测点单测点模型，为顾及监测点的整体空间分布模型，为顾及监测点的整体空间分布特性，特性，多测点多测点变形监控模型也得到了变形监控模型也得到了发展。发展。 881.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 从现行的变形分析方法中，我们不难发现，大多从现行的变形分析方法中，我们不难发现，大多都是都是离线的（事后的）离线的（事后的），不能进行，不能进行即时即时预报与监

80、控，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，这与目前自动化监测系统的要求很不相符，为此，研究与目前自动化监测系统的要求很不相符，为此，研究在线实时分析与监控在线实时分析与监控的方法成为技术关键。已有研究的方法成为技术关键。已有研究表明，采用递推算法的表明，采用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进行大坝监测的动态分析认为是可行的。在隔河岩大坝的动态分析认为是可行的。在隔河岩大坝GPSGPS自动化自动化监测系统中，我们采用递推式监测系统中，我们采用递推式卡尔曼滤波模型卡尔曼滤波模型进行全进行全自动在线实时数据处理起到了较

81、好效果。自动在线实时数据处理起到了较好效果。 891.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 在在GPSGPS监测系统中，监测系统中，数据处理数据处理的主要工作的主要工作是观测资料的解算，如是观测资料的解算，如GPSGPS差分求解、差分求解、GPSGPS监测监测网平差等，以提供高精度、高可靠性的相对位网平差等，以提供高精度、高可靠性的相对位置信息。而置信息。而数据分析数据分析的重点则包括变形基准的的重点则包括变形基准的确定，正确区分变形与误差，提取变形特征，确定，正确区分变形与误差，提取变形特征，并对变形成因

82、作解释。并对变形成因作解释。 901.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 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，是一种最理论，是一种最新的新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方法的突破性进展。应用小波方法，进行时频分析，可望有效突破性进展。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，通过小波变换提取变形地求解变形的非线性系统问题，通过小波变换提取变形特征。这一研究领域才刚刚起步。第特征。这一研究领域才

83、刚刚起步。第2121届届IUGGIUGG大会大会“小小波理论及其应用波理论及其应用”被被IAGIAG确定为大地测量新理论研究方向确定为大地测量新理论研究方向之一。在之一。在19991999年召开的第年召开的第2222届届IUGGIUGG大会上，大会上，“小波理论小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用及其在大地测量和地球动力学中的应用”再次被再次被IAGIAG确定确定为为GIVGIV分会（大地测量理论与方法）的新的研究小组。可分会（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。见，开展小波理论及其应用研究的重要性。911.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及

84、其的内涵及其研究进展研究进展1.3.1 1.3.1 变形分析方法简介变形分析方法简介 从目前应用来看，虽然小波分析要求从目前应用来看，虽然小波分析要求大子大子样容量的时间序列数据样容量的时间序列数据，但是，长序列数据可，但是，长序列数据可从从GPSGPS、TPSTPS等集成的等集成的自动化监测系统自动化监测系统中得到保中得到保障。小波分析为高精度变形特征提取提供了一障。小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具，可实现其它方法无法解决的难题，种数学工具，可实现其它方法无法解决的难题，对非平稳信号消噪有着其它方法不可比拟的优对非平稳信号消噪有着其它方法不可比拟的优点。小波理论在变形监测（尤其

85、是动态变形监点。小波理论在变形监测（尤其是动态变形监测）的数据分析方面将会发挥巨大作用。测）的数据分析方面将会发挥巨大作用。 921.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展现代变形分析方法：现代变形分析方法： 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、滤波技术：数字滤波、卡尔曼滤波、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：神经网络：人工人工神经网络、神经网络、专家系统专家系统 模糊数学模糊数学：模糊模糊人工人工神经网络神经网络 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

86、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931.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 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941.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 统计分析法：统计分析法：以回归分析模型为主，是通过分析所观测的以回归分析模型为主，是通过分析所观测的变形（效应量）变形（效应量）和和外因（原

87、因量）外因（原因量）之间的相之间的相关性，来建立关性，来建立荷载荷载- -变形变形之间关系的数学模之间关系的数学模型，它具有型，它具有“后验后验”的性质，是目前应用比的性质，是目前应用比较广泛的变形成因分析法。较广泛的变形成因分析法。951.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 统计分析法：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

88、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。961.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 确定函数法：确定函数法：以以有限元法有限元法为主，它是在一定的假设条件下，利用变为主

89、，它是在一定的假设条件下，利用变形体的力学性质和物理性质，通过形体的力学性质和物理性质，通过应力与应变应力与应变关系建关系建立立荷载与变形荷载与变形的函数模型，然后利用确定函数模型，的函数模型，然后利用确定函数模型，预报在荷载作用下变形体可能的变形。确定性模型具预报在荷载作用下变形体可能的变形。确定性模型具有有“先验先验”的性质，比统计模型有更明确的物理概念，的性质，比统计模型有更明确的物理概念，但往往计算工作量较大，并对用作计算的基本资料有但往往计算工作量较大，并对用作计算的基本资料有一定的要求。一定的要求。 971.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3

90、.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 统计模型和确定性模型的进一步发展统计模型和确定性模型的进一步发展是是混合模型混合模型和和反分析反分析方法的研究，已方法的研究，已在大坝安全监测中得到了较好应用。在大坝安全监测中得到了较好应用。 981.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 混合模型：混合模型：是对于那些与效应量关系比较明确的原因量（比如水是对于那些与效应量关系比较明确的原因量（比如水质分量）用质分量）用有限元法有限元法（FEM, FEM, Finite Element Method

91、）的计算值，而对于另一些与效应量关系不）的计算值，而对于另一些与效应量关系不很明确或采用相应的物理理论计算成果难以确定它们很明确或采用相应的物理理论计算成果难以确定它们之间函数关系的原因量（比如温度，时效）则仍用之间函数关系的原因量（比如温度，时效）则仍用统统计模式计模式，然后与实际值进行拟合而建立的模型。，然后与实际值进行拟合而建立的模型。 991.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 反分析方法：反分析方法：是仿效系统识别理论，将正分析成果作为依据，通是仿效系统识别理论，将正分析成果作为依据，通过一

92、定的理论分析，借以反求建筑物及其周围的材过一定的理论分析，借以反求建筑物及其周围的材料参数，以及寻找某些规律和信息，及时反馈到设料参数，以及寻找某些规律和信息，及时反馈到设计、施工和运行中去，它包含有计、施工和运行中去，它包含有反演分析反演分析和和反馈分反馈分析析。1001.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.2 1.3.2 变形物理解释的进展变形物理解释的进展 由于变形的物理解释涉及到多学科的知识，由于变形的物理解释涉及到多学科的知识，已远不是测量人员所能够独立完成的，所以已远不是测量人员所能够独立完成的，所以需要相关学科专家的共同合作。需要相关学科专

93、家的共同合作。 1011.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.3 1.3.3 变形分析研究的发展趋势变形分析研究的发展趋势 回回顾顾变变形形分分析析方方面面所所取取得得的的大大量量实实践践及及研研究究成成果果，展展望望变变形形分分析析研研究究的的未未来来，其其发发展展趋趋势势将将主主要要体体现现在在如如下几个方面：下几个方面： 数数据据处处理理与与分分析析将将向向自自动动化化、智智能能化化、系系统统化化、网网络络化化方方向向发发展展，更更注注重重时时空空模模型型和和时时频频分分析析（尤尤其其是是动动态态分分析析）的的研研究究，数数字字信信号号处处理理技技

94、术术将将会会得得到到更更好好应用；应用； 会加强对各种方法和模型的会加强对各种方法和模型的实用性实用性研究，变形监测研究，变形监测系统软件系统软件的开发不会局限于某一固定模式，随着变形的开发不会局限于某一固定模式，随着变形监测技术的发展，变形分析新方法研究将不断涌现；监测技术的发展，变形分析新方法研究将不断涌现； 1021.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展1.3.3 1.3.3 变形分析研究的发展趋势变形分析研究的发展趋势 由由于于变变形形体体变变形形的的不不确确定定性性和和错错综综复复杂杂性性，对对它它的的进进一一步步研研究究呼呼唤唤着着新新的的思思维维方

95、方式式和和方方法法。由由系系统统论论、控控制制论论、信信息息论论、耗耗散散结结构构论论、相相同同学学、突突变变论论、分分形形与与混混沌沌动动力力学学等等所所构构成成的的系系统统科科学学和和非非线线性性科科学学在在变形分析中的应用研究将得到加强；变形分析中的应用研究将得到加强； 几几何何变变形形分分析析和和物物理理解解释释的的综综合合研研究究将将深深入入发发展展，以以知知识识库库、方方法法库库、数数据据库库和和多多媒媒体体库库为为主主体体的的安安全全监监测测专专家家系系统统的的建建立立是是未未来来发发展展的的方方向向，变变形形的的非非线线性系统问题将是一个长期研究的课题性系统问题将是一个长期研究

96、的课题。 103 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1.3 1.3 变形分析的变形分析的的内涵及其的内涵及其研究进展研究进展104 第一章第一章 引引 论论 主主要要内内容容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105本章的主要内容本章的主要内容 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论v2.1 2.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概

97、率分布v2.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法v2.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征1062.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布 1 1 随机变量的基本概念随机变量的基本概念 2 2 随机变量的概率分布随机变量的概率分布 3 3 数理统计中数理统计中几个常用的抽样分布几个常用的抽样分布第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1072.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布 1 随机变量的基本概念随机变量的基本概念第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 确定性现象（必然现象）确定性现象（必然现象） 随机随机现象（偶然现象）现象（偶然现象） 随机随机

98、现象的统计规律性现象的统计规律性 频率频率 、频数频数 、概率概率 概率的古典定义概率的古典定义 概率的统计定义概率的统计定义 随机变量随机变量：随机变量就是随着实验结果的不随机变量就是随着实验结果的不同而随机地取各种不同值的变量。同而随机地取各种不同值的变量。 1082.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布 2 2 随机变量的概率分布随机变量的概率分布第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 概率分布（分布）概率分布（分布） 累布函数（分布函数累布函数（分布函数 ） 密度函数（密度）密度函数（密度） k k阶原点阶原点矩矩、k k阶中心阶中心矩矩 分散度、分散度、方差方差、标准差、

99、均方差或中误差、标准差、均方差或中误差 1092.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布 3 3 数理统计中几个常用的抽样分布数理统计中几个常用的抽样分布第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 正态分布正态分布 标准正态分布标准正态分布 标准化变量标准化变量： 1102.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布 3 3 数理统计中几个常用的抽样分布数理统计中几个常用的抽样分布第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 1112.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布 3 3 数理统计中几个常用的抽样分布数理统计中几个常用的抽样分布第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论

100、1122.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布 3 3 数理统计中几个常用的抽样分布数理统计中几个常用的抽样分布第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 113本章的主要内容本章的主要内容 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论v2.1 2.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布v2.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法v2.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征1142.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的基本思想假设检验的基本思想 检验方法检验方法 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1152.2 2.2 假设检验原理与方

101、法假设检验原理与方法 假设检验的基本思想假设检验的基本思想 1. 1. 假设检验的概念假设检验的概念 假设、检验假设、检验、假设检验假设检验、原原假设（零假设）假设（零假设）、备选假设备选假设2. 2. 假设检验的步骤假设检验的步骤3. 3. 双尾和单尾检验双尾和单尾检验4. 4. 弃真和纳伪的概率弃真和纳伪的概率 第一类第一类错误、错误、第二类第二类错误错误、显著水平显著水平、置信区间置信区间、检验功效检验功效 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1162.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的基本思想假设检验的基本思想 4. 4. 弃真和纳伪的概率弃真和纳伪的概

102、率 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1172.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的方法假设检验的方法 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1182.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的方法假设检验的方法 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1192.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的方法假设检验的方法 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1202.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的方法假设检验的方法 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1212.2 2.2 假设

103、检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的方法假设检验的方法 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1222.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法 假设检验的方法假设检验的方法 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论123本章的主要内容本章的主要内容 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论v2.1 2.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布v2.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法v2.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征1242.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征 研究随机过程理论的实际意义研究随机过程理论的实际意义 随机过程的基

104、本概念随机过程的基本概念 随机过程的特征量随机过程的特征量 随机过程特征量的实际估计随机过程特征量的实际估计 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1252.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征 研究随机过程理论的实际意义研究随机过程理论的实际意义第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论随机变量随机变量随随机机函函数数1262.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征 随机过程的基本概念随机过程的基本概念第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论随机函数随机函数随随机机过过程程 一个“现实”（样本）1272.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征 随机过程的特征量随机过

105、程的特征量第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 概率密度函数 均值、方差和均方值 自相关函数 谱密度函数1282.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征 随机过程特征量的实际估计随机过程特征量的实际估计第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论随机过程随机过程平稳随机过程平稳随机过程非平稳随机过程非平稳随机过程各态历经过程各态历经过程非各态历经过程非各态历经过程非非平平稳稳过过程程的的特特殊殊分分量量随机过程分类随机过程分类1292.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征 随机过程特征量的实际估计随机过程特征量的实际估计第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 平稳平稳随机

106、过程随机过程及其特征量及其特征量 平稳平稳随机过程随机过程的定义的定义 平稳平稳随机过程随机过程的特征量的特征量 平稳平稳随机过程随机过程特征量特征量的实验估计的实验估计 各态历经各态历经随机过程随机过程及其特征量及其特征量130本章的主要内容本章的主要内容 第二章数数理理统统计计的的有有关关理理论论v2.1 2.1 随机变量及其概率分布随机变量及其概率分布v2.2 2.2 假设检验原理与方法假设检验原理与方法v2.3 2.3 随机过程及其特征随机过程及其特征131本章的主要内容本章的主要内容 第第三三章章变变形形监监测测技技术术 v 3.1 3.1 变形监测技术变形监测技术 v 3.2 3.

107、2 变形监测方案变形监测方案 v 3.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计 1323.2 3.2 变形监测方案变形监测方案 变形变形监测内容监测内容的的确定确定 监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定 监测部位和测点布置的确定监测部位和测点布置的确定 变形监测频率的确定变形监测频率的确定 综合变形监测系统综合变形监测系统 第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1333.2 3.2 变形监测方案变形监测方案变形变形监测内容监测内容的的确定确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 应根据变形体的性质、监测要求和环境等应根据变形体的性质、监测要求和环境

108、等因素来确定变形监测工作的内容，例如：因素来确定变形监测工作的内容，例如： 沉降或垂直位移监测沉降或垂直位移监测 水平位移监测水平位移监测 倾斜监测、裂缝监测、挠度监测倾斜监测、裂缝监测、挠度监测 应力应变监测应力应变监测物理参数物理参数 气温、水位、地下水、降雨量、地震等环境气温、水位、地下水、降雨量、地震等环境因素的监测因素的监测1343.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论变形监测方法和仪器的选择：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取决于工程地质条件以及

109、工程周围的环境条件，根据监测内容的不同可以选择不同的方法件，根据监测内容的不同可以选择不同的方法和仪器。和仪器。1353.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论变形监测的精度要求变形监测的精度要求 ： 对对于于工工程程建建筑筑物物来来说说，变变形形监监测测的的精精度度要要求求，取取决决于于该该工工程程建建筑筑物物预预计计的的允允许许变变形形值值的大小和进行观测的目的。的大小和进行观测的目的。1363.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确

110、定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论如何根据允许变形值来确定观测的精度，国内外还存在如何根据允许变形值来确定观测的精度，国内外还存在着各种不同的看法。在国际测量师联合会（着各种不同的看法。在国际测量师联合会（FIGFIG）第十三）第十三届会议（届会议（19711971年）工程测量委员会的讨论中提出：年）工程测量委员会的讨论中提出：“如如果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而果观测的目的是为了使变形值不超过某一允许的数值而确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形确保建筑物的安全，则其观测的中误差应小于允许变形值的值的1/101/101/201/20；如果观测的目的是为

111、了研究其变形的；如果观测的目的是为了研究其变形的过程，则其中误差应比这个数值小得多过程，则其中误差应比这个数值小得多”。也有人认为。也有人认为精度愈高愈好，尽可能提高观测的精度。由于观测的精精度愈高愈好，尽可能提高观测的精度。由于观测的精度直接影响到观测成果的可靠性，同时也涉及到观测方度直接影响到观测成果的可靠性，同时也涉及到观测方法、仪器设备和投入费用等。因此，有关精度的问题，法、仪器设备和投入费用等。因此，有关精度的问题，值得进一步研究。值得进一步研究。 1373.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定第三三章数数理理统统计计的的有

112、有关关理理论论 在在工业与民用建筑物工业与民用建筑物的变形监测中，由于其主要监的变形监测中，由于其主要监测内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜，其观测精度应测内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜，其观测精度应根据建筑物基础的允许沉陷值、允许倾斜度、倾斜相对根据建筑物基础的允许沉陷值、允许倾斜度、倾斜相对弯矩等来决定，同时也应考虑其沉陷速度。例如，我国弯矩等来决定，同时也应考虑其沉陷速度。例如，我国建筑设计部门在研究高层建筑物的倾斜时，根据前述的建筑设计部门在研究高层建筑物的倾斜时，根据前述的观点以允许倾斜值的观点以允许倾斜值的1/20作为观测的精度指标。某综合勘作为观测的精度指标。某综合勘察院在监测一

113、幢大楼的变形时，根据设计人员提出的允察院在监测一幢大楼的变形时，根据设计人员提出的允许倾斜度许倾斜度=4=4求得顶部的允许偏移值为求得顶部的允许偏移值为120mm120mm，以其，以其1/201/20作为观测中误差，即作为观测中误差，即=6mm=6mm。1383.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 在生产实践中，求得必要的中误差以后，如果根据在生产实践中，求得必要的中误差以后，如果根据本单位的仪器设备和技术力量，能够比较容易地达到精本单位的仪器设备和技术力量，能够比较容易地达到精度要求，而

114、且在不必花费很大的精力、不增加很多工作度要求，而且在不必花费很大的精力、不增加很多工作量的情况下，还能达到更高的精度时，也可以将观测的量的情况下，还能达到更高的精度时，也可以将观测的精度指标提高。例如前述情况，在求得精度指标提高。例如前述情况，在求得=6mm=6mm后，即按后，即按此思想将精度指标提高，取此思想将精度指标提高，取2mm2mm作为最后的观测中误差。作为最后的观测中误差。对于根据沉陷速度来确定观测精度，是指沉陷延续的时对于根据沉陷速度来确定观测精度，是指沉陷延续的时间很长而沉陷量又较小的基础，其观测的精度就应当高间很长而沉陷量又较小的基础，其观测的精度就应当高些。些。 1393.2

115、 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 一般来讲，从实用的目的出发，对于连续生一般来讲，从实用的目的出发，对于连续生产的产的大型车间大型车间（钢结构、钢筋混凝土结构的建筑（钢结构、钢筋混凝土结构的建筑物）通常要求观测工作能反映出物）通常要求观测工作能反映出1mm的沉陷量；的沉陷量；对于一般的厂房，没有很大的传动设备、连续性对于一般的厂房，没有很大的传动设备、连续性不大的车间，要求能反映出不大的车间，要求能反映出2mm的沉陷量。因此，的沉陷量。因此，对于监测点高程的测定误差，应在对于监测点高程的测

116、定误差，应在1mm1mm以内。以内。而为了科学研究的目的，往往则要求达而为了科学研究的目的，往往则要求达0.1mm0.1mm的精度。的精度。 1403.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 对于对于水工建筑物水工建筑物，根据其结构、形状不同，根据其结构、形状不同，观测内容和精度也有差异。即使对于同一建筑物观测内容和精度也有差异。即使对于同一建筑物（如拱坝）的不同部位，其观测精度也不相同，（如拱坝）的不同部位，其观测精度也不相同，变形大的部位（变形大的部位（拱冠拱冠）的观测精度可稍低于变形）的

117、观测精度可稍低于变形小的部位（如小的部位（如拱座拱座）。对于混凝土大坝，测定变）。对于混凝土大坝，测定变形值的精度一般为形值的精度一般为1mm1mm；对于土工建筑物，测；对于土工建筑物，测定其变形值的精度不低于定其变形值的精度不低于2mm2mm。1413.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1423.2 3.2 变形监测方案变形监测方案监测部位和测点布置的确定监测部位和测点布置的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 监测点监测点布设在变形体的特征部位，重点突出；布设在变形体的特征

118、部位，重点突出； 基准点基准点应布设在稳定位置。应布设在稳定位置。1433.2 3.2 变形监测方案变形监测方案变形监测频率的确定变形监测频率的确定第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 变形监测的频率变形监测的频率取决于变形的大小、取决于变形的大小、速度以及观测的目的。速度以及观测的目的。1443.2 3.2 变形监测方案变形监测方案综合变形监测系统综合变形监测系统第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论 综合应用各种方法和技术，取长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。补短，满足变形监测工作需要。1453.2 3.2 变形监测方案变形监测方案 变形变形监测内容监

119、测内容的的确定确定 监测方法、仪器和监测精度的确定监测方法、仪器和监测精度的确定 监测部位和测点布置的确定监测部位和测点布置的确定 变形监测频率的确定变形监测频率的确定 综合变形监测系统综合变形监测系统 第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论146本章的主要内容本章的主要内容 第第三三章章变变形形监监测测技技术术 v 3.1 3.1 变形监测技术变形监测技术 v 3.2 3.2 变形监测方案变形监测方案 v 3.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计 1473.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计 测量控制网包括：测量控制网包括： 测图控制网、施工控制网、变形测图控

120、制网、施工控制网、变形监测监测网网测量控制网优化设计具有理论性和实用性：测量控制网优化设计具有理论性和实用性： 1 1）在在人人、财财、物物的的条条件件下下，控控制制网网具具有有最最好好的的精度、灵敏度和可靠性；精度、灵敏度和可靠性； 2 2）在在满满足足精精度度、灵灵敏敏度度和和可可靠靠性性的的条条件件下下，控控制网的成本最低。制网的成本最低。第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1483.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计 控制网优化设计问题的分类及解法控制网优化设计问题的分类及解法 控制网优化设计的质量标准控制网优化设计的质量标准 变形监测网机助法优化设计系统变形监测

121、网机助法优化设计系统 第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论1493.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计控制网优化设计问题的分类及解法控制网优化设计问题的分类及解法第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论零类设计（基准设计）零类设计（基准设计）一类设计（结构图形设计）一类设计（结构图形设计）二类设计（观测值权的分配）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）三类设计（网的改造或加密方案设计）1503.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计控制网优化设计问题的分类及解法控制网优化设计问题的分类及解法第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论控

122、制网优化设计方法：控制网优化设计方法： 解析设计法解析设计法 机助设计法机助设计法1513.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计控制网优化设计的质量标准控制网优化设计的质量标准第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论质量指标：质量指标： 精度精度 可靠性可靠性 灵敏度灵敏度 经济经济1523.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计变形监测网机助法优化设计系统变形监测网机助法优化设计系统第三三章数数理理统统计计的的有有关关理理论论机助法优化设计的基本原理：机助法优化设计的基本原理： 1 1）初步方案）初步方案 2 2）数学模型）数学模型 3 3）显示、人机对话）显示、人

123、机对话 4 4）调整方案）调整方案 5 5）成果输出）成果输出153本章的主要内容本章的主要内容 第第三三章章变变形形监监测测技技术术 v 3.1 3.1 变形监测技术变形监测技术 v 3.2 3.2 变形监测方案变形监测方案 v 3.3 3.3 变形监测网优化设计变形监测网优化设计 154举例举例 一、概述一、概述 第第三三章章变变形形监监测测技技术术 采采用用常常规规大大地地测测量量仪仪器器与与全全球球定定位位系系统统（GPS）相相结结合合，对对某某大大坝坝（坝坝体体全全长长18.2km ）坝坝顶顶和和护护坡坡进进行行周周期期性性的的三三维维变变形形监监测测，以以满满足足大大坝坝安安全全运

124、运行行管管理理的的需需要要。该该方方案案本本着着变变形形监监测测工工作作及及时时、观观测测精精度度高高、数数据据可可靠靠、监监测测全全面面且且重重点突出、费用经济等要求进行设计。点突出、费用经济等要求进行设计。 155举例举例 二、设计依据二、设计依据第第三三章章变变形形监监测测技技术术 本本方方案案技技术术设设计计依依据据于于相相关关的的国国家家标标准准和和行行业业标准进行。所引用的部分技术规范：标准进行。所引用的部分技术规范：156举例举例 三、监测范围、监测精度和监测周期三、监测范围、监测精度和监测周期第第三三章章变变形形监监测测技技术术 1. 1. 监测范围：坝顶、护坡。监测范围：坝顶

125、、护坡。2. 2. 监监测测精精度度：水水平平位位移移和和垂垂直直位位移移的的测测量量中中误误差差1.0mm1.0mm（位位移移量量中中误误差差相相对对于于工工作作基基点点计算）。计算）。3. 3. 监监测测周周期期：开开始始按按1 1测测次次/ /月月或或1 1测测次次/2/2月月。观观测测一一定定测测次次后后，再再根根据据实实际际变变形形情情况况确确定定监测周期。监测周期。157举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.1 4.1 水平位移监测水平位移监测 考考虑虑到到坝坝体体全全长长18.2km18.2km，水水平平位位移移监监测测方方案案可可采采用用如

126、如下方式进行布置：下方式进行布置：1 1GPSGPS基基准准网网：如如图图1 1所所示示，由由6 6点点组组成成。其其中中，G04G04、G06G06点点设设置置在在大大坝坝的的延延长长线线上上，G05G05位位于于坝坝顶顶的的下下游游。G01G01、G02G02、G03G03设设置置在在大大坝坝下下游游的的适适当当位位置置处处。要要求求G01G01、G02G02、G03 G03 、G04G04、G06G06五点位于稳定、不易破坏的基岩上。五点位于稳定、不易破坏的基岩上。 158举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.1 4.1 水平位移监测水平位移监测 2

127、 2GPS工工作作基基准准网网：如如图图2所所示示，由由20点点组组成成。其其中中，G04、G05、G06为为上上述述图图1中中基基准准网网点点，该该工工作作基基准准网网点点与与图图1的的基基准准网网点点联联为为一一起组成起组成GPS监测基准网。监测基准网。 159举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.1 4.1 水平位移监测水平位移监测 3 3监监测测网网：利利用用图图2 2所所示示的的大大坝坝下下游游工工作作基基准准点点，采采用用高高精精度度全全站站仪仪，按按图图3 3所所示示对对坝坝顶顶、护护坡坡的的工工作作基基点点进进行行观观测测，也也可可以以一一

128、次次性性同同时时测定坝顶和护坡的各监测点。测定坝顶和护坡的各监测点。 如如果果按按图图3 3仅仅测测定定工工作作基基点点，则则工工作作基基点点数大致为数大致为150150个。个。 如如果果按按图图3 3对对所所有有测测点点进进行行测测定定，按按25m25m间间隔设置测点，则测点数大致为隔设置测点，则测点数大致为24002400个。个。 160举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 161举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.1 4.1 水平位移监测水平位移监测 4 4视视准准线线法法：如如果果上上述述按按图图3仅仅测测定定工

129、工作作基基点点，则则在在400m之之内内的的测测点点可可以以用用视准线法进行测定。视准线法进行测定。 162举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.2 垂直位移监测垂直位移监测垂垂直直位位移移监监测测网网采采用用一一等等精精密密水水准准测测量量，可可以以将将水水平平位位移移监监测测的的基基准准点点G01、G02、G03 、G04、G06同同时时作作为为垂垂直直位位移移监监测测基基准准点点，并并在在G01或或G03附附近近另另设设置置一一个个水水准准稳稳定定点点和和G06或或G04构成水准稳定点组。构成水准稳定点组。 垂垂直直位位移移监监测测点点与与水水平平位

130、位移移监监测测同同点点位位，另另外外，在在坝坝顶顶上上游游增增加加一一排排垂垂直直位位移移监监点点。这这样样，垂垂直直位位移移测测点点总总数数大大致致为为3200个个。垂垂直直位位移移测测点点可以采用二等精密水准测量。可以采用二等精密水准测量。 163举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.3 点位标志点位标志水水平平位位移移监监测测网网点点采采用用强强制制归归心心的的仪仪器器观观测测墩墩，水水平平位位移移测测点点建建议议采采用用强强制制归归心心标标志志，这这样样有有利利于于提提高高观观测测精精度度，节节省省观测时间。观测时间。垂垂直直位位移移监监测测基基准

131、准点点建建立立在在水水平平位位移移监监测测网网点点附附近近，也也可可以以采采用用同同标标石石。垂垂直直位位移测点与水平位移测点同标石。移测点与水平位移测点同标石。 164举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.4 监测设备监测设备 为为提提高高工工作作效效率率、缩缩短短外外业业工工作作时时间间，监测设备按如下进行基本配置：监测设备按如下进行基本配置：双频双频GPS接收机（如接收机（如Trimble 5700）68台；台； 0.5全自动跟踪全站仪（如全自动跟踪全站仪（如TCA2003）2台；台； 精密数字水准仪（如精密数字水准仪（如NA 3003）4台。台。1

132、65举例举例 四、监测方案四、监测方案第第三三章章变变形形监监测测技技术术 4.5 监测时间监测时间 在在正正常常天天气气条条件件下下，按按上上述述配配置置监监测测仪仪器器设设备备，在在一一个个星星期期（5-7天天）内内完成一测次（周期）的监测成果。完成一测次（周期）的监测成果。 166强制归心监测点强制归心监测点第第三三章章变变形形监监测测技技术术 167强制归心监测点强制归心监测点第第三三章章变变形形监监测测技技术术 168强制归心监测点强制归心监测点第第三三章章变变形形监监测测技技术术 169强制归心监测点强制归心监测点第第三三章章变变形形监监测测技技术术 170GPSGPS监测监测第第

133、三三章章变变形形监监测测技技术术 171GPSGPS监测监测第第三三章章变变形形监监测测技技术术 172GPSGPS监测监测第第三三章章变变形形监监测测技技术术 173GPSGPS监测监测第第三三章章变变形形监监测测技技术术 174大广坝水力发电站基础廊道竖折引张线175工程概述大广坝水力发电站距海口市275km，位于海南东方县境内，昌化江中游，以发电为主兼有灌溉、供水等综合效益。 电站大坝坝项总长5842m，其中左右土坝长5123m，最大坝高44m；混凝土坝长719m，最大坝高57m。 总装机容量240kw(60kw4)。水库正常高水位为140.0m，设计总库容为17.1亿m3。 176水平

134、位移监测系统 水平位移监测网 砼坝水平位移监测系统 土坝水平位移监测系统变形监测系统177水平位移监测网网图178砼坝水平位移监测系统图179180引张线的原理及构成在大坝坝体廊道内，利用一根拉紧的不锈钢丝所建立的竖直的基准面来测定坝体观测点偏离值的基准线法称之为引张线法。该方法不受旁折光的影响。 端点：由墩座、夹线装置、滑轮、重锤联接装置及重锤等部件组成。 181观测点：由浮托装置、标尺、保护箱组成。浮托装置由水箱和浮船组成。 测线及保护管:测线一般采用直径为0.6mm1.2mm的不锈钢丝（碳素钢丝），在两端重锤作用下引张为一直线。保护管保护测线不受损坏，同时起防风作用。保护管一般直径应大于

135、100mm。182183竖折引张线的设计思想竖折引张线的提出，实际是将传统引张线由单一直线确定一个竖直面引申为由一条竖直方向的折线确定一个竖直面，该线在水平面上的投影依然是一条连贯的直线。通过测定各观测点相对于空间上竖直面的水平位移而达到监测大坝坝体水平位移的目的。由于高差相对较小，设计时忽略了因高差而引起的挠度变形带来的影响。 184竖折引张线的布置略图185竖折引张线的构成浮折设备垂折设备端点装着观测点装置测线装置及保护管186浮折、浮折设备187浮折、浮折设备188引张线实测精度成果表189结 论竖折引张线应用于大广坝的变形监测是成功的 竖折引张线在大广坝水力发电站的应用在国内尚属首次

136、其设计结构复杂，安装、调试难度较常规引张线大 该系统的成功安装、调试为水利水电工程建筑物水平位移监测开辟了一个新的方法 相信本方法会在更多的水利水电工程建筑物中得到充分的应用 190第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离

137、4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理191第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.1 4.1 变变形形监监测测资资料料检检核核的的意意义义与与方方法法 一、监测资料检核的意义一、监测资料检核的意义一、监测资料检核的意义一、监测资料检核的意义 变变变变形形形形监监监监测测测测资资资资料料料料处处处处理理理理的的的的首首首首要要要要工工工工作作作作是是是是分分分分析析析析观观观观测测测测值值值值的的的的质质质质量量量量, , , , 包包包包括括括括观观观观测测测测值值值值的的的的精精精精度度度度和和和和可可可可靠靠靠靠性性

138、性性。这这这这里里里里所所所所指指指指的的的的观观观观测测测测值值值值既既既既可可可可以以以以是是是是原原原原始始始始实实实实测测测测值值值值, , , , 也也也也可可可可以以以以是是是是经经经经一一一一定定定定处处处处理理理理后后后后的观测值的观测值的观测值的观测值( ( ( (如如如如GPSGPSGPSGPS测量所得到的基线向量、坐标等测量所得到的基线向量、坐标等测量所得到的基线向量、坐标等测量所得到的基线向量、坐标等) ) ) )。 测量中的误差分类测量中的误差分类测量中的误差分类测量中的误差分类: : : : 粗差、错误、奇异值粗差、错误、奇异值粗差、错误、奇异值粗差、错误、奇异值

139、系统误差系统误差系统误差系统误差 偶然误差、随机误差偶然误差、随机误差偶然误差、随机误差偶然误差、随机误差192第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.1 4.1 变变形形监监测测资资料料检检核核的的意意义义与与方方法法 二、监测资料检核的方法二、监测资料检核的方法二、监测资料检核的方法二、监测资料检核的方法 变变变变形形形形监监监监测测测测检检检检核核核核的的的的方方方方法法法法很很很很多多多多，应应应应依依依依据据据据实实实实际际际际观观观观测测测测情情情情况而定。包括况而定。包括况而定。包括况而定。包括野外野外野外野外检核和检核和检核和检核和室内室内室内室内检核。检核。

140、检核。检核。 室内检核工作，具体有：室内检核工作，具体有：室内检核工作，具体有：室内检核工作，具体有： 1 1 1 1）原始记录的校核；）原始记录的校核；）原始记录的校核；）原始记录的校核； 2 2 2 2）原始资料的统计分析，如粗差检验法；）原始资料的统计分析，如粗差检验法；）原始资料的统计分析，如粗差检验法；）原始资料的统计分析，如粗差检验法； 3 3 3 3）原原原原始始始始资资资资料料料料的的的的逻逻逻逻辑辑辑辑分分分分析析析析：根根根根据据据据监监监监测测测测点点点点的的的的内内内内在在在在物物物物理意义来分析原始实测值的可靠性。包括：理意义来分析原始实测值的可靠性。包括：理意义来分

141、析原始实测值的可靠性。包括：理意义来分析原始实测值的可靠性。包括： 一致性分析：时间一致性分析：时间一致性分析：时间一致性分析：时间- - - -效应量、原因效应量、原因效应量、原因效应量、原因- - - -效应量效应量效应量效应量 相关性分析：空间点位的相关性相关性分析：空间点位的相关性相关性分析：空间点位的相关性相关性分析：空间点位的相关性193第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.1 4.1 变变形形监监测测资资料料检检核核的的意意义义与与方方法法 三、关于分析的结果三、关于分析的结果 若若存存在在大大的的偏偏差差, , 则则有有两两种种可可能能现现象象: : 误差引

142、起误差引起( (大误差或粗差大误差或粗差) )； 真实变形真实变形( (突变突变) )。194第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料

143、管理195第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.2 4.2 用用一一元元线线性性回回归归进进行行资资料料的的检检核核 一、关于一、关于回归分析与相关分析问题回归分析与相关分析问题 回归分析是数理统计中处理变量之间关回归分析是数理统计中处理变量之间关系的一种常用方法。处理两个变量之间关系系的一种常用方法。处理两个变量之间关系的回归分析称为的回归分析称为一元回归分析一元回归分析，当两个变量，当两个变量之间的关系为线性时，则称之间的关系为线性时，则称一元线性回归分一元线性回归分析析，它是回归分析中最简单的情况。，它是回归分析中最简单的情况。196第第四四章章 变变形形监监测测资资

144、料料的的预预处处理理4.2 4.2 用用一一元元线线性性回回归归进进行行资资料料的的检检核核 一、关于一、关于回归分析与相关分析问题回归分析与相关分析问题 回归分析回归分析在处理两个变量问题时，一个是非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。随机变量、一个是随机变量。 相关分析相关分析讨论的两个变量都是随机变量问题。讨论的两个变量都是随机变量问题。 回归分析与相关分析尽管在概念上不同，回归分析与相关分析尽管在概念上不同，但在处理两个变量之间关系的基本方法上是但在处理两个变量之间关系的基本方法上是相同的，所以实际应用中，我们不作严格区相同的，所以实际应用中，我们不作严格区分。分。

145、197第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.2 4.2 用用一一元元线线性性回回归归进进行行资资料料的的检检核核 二、二、一元线性回归分析法一元线性回归分析法 一元线性回归的数学模型一元线性回归的数学模型 按最小二乘法，可以求得参数按最小二乘法，可以求得参数 和和 的的估值估值 和和 ，得一元线性回归方程，得一元线性回归方程198第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.2 4.2 用用一一元元线线性性回回归归进进行行资资料料的的检检核核 二、二、一元线性回归分析法一元线性回归分析法 回归值回归值 与实测值与实测值 之差之差表示出实测值表示出实测值 与回归直

146、线与回归直线 的的偏离程度。其中误差估值为偏离程度。其中误差估值为199第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.2 4.2 用用一一元元线线性性回回归归进进行行资资料料的的检检核核 二、二、一元线性回归分析法一元线性回归分析法 回归直线的线性相关性指标，可用相关系数：回归直线的线性相关性指标，可用相关系数：其估值为其估值为200第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.2 4.2 用用一一元元线线性性回回归归进进行行资资料料的的检检核核 三、三、一元线性回归分析法一元线性回归分析法 检检核核变变形形监监测测资资料料的的实例实例 P56-58201第四章第四章

147、变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理202第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.3 4.3 监监测测网网观观测测资资料料

148、的的数数据据筛筛选选方方法法 一、数据筛选原理一、数据筛选原理 1. 超限误差的整体检验超限误差的整体检验 2. 超限误差的局部检验超限误差的局部检验 F检验法检验法 B检验法（检验法（u检验法）检验法） 检验法检验法 t检验法检验法 3. 超限误差的检验步骤超限误差的检验步骤203第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.3 4.3 监监测测网网观观测测资资料料的的数数据据筛筛选选方方法法 二、数据筛选算例二、数据筛选算例 见教材见教材 P62-65 P62-65 204第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测

149、资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理205第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资

150、料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理206第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.4 4.4 监测资料的奇异值检验与插补监测资料的奇异值检验与插补 4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 监监监监测测测测自自自自动动动动化化化化系系系系统统统统中中中中观观观观测测测测数数数数据据据据序序序

151、序列列列列的的的的奇奇奇奇异异异异值值值值检验检验检验检验 对对对对于于于于任任任任何何何何一一一一个个个个监监监监测测测测系系系系统统统统，其其其其观观观观测测测测数数数数据据据据中中中中或或或或多多多多或或或或少少少少会会会会存存存存在在在在奇奇奇奇异异异异值值值值，在在在在变变变变形形形形分分分分析析析析的的的的开开开开始始始始有有有有必必必必要要要要将将将将该该该该奇奇奇奇异异异异值值值值剔剔剔剔除除除除。考考考考虑虑虑虑到到到到系系系系统统统统的的的的连连连连续续续续、实实实实时时时时和和和和自自自自动动动动化化化化，最最最最简简简简便便便便的的的的方方方方法法法法是是是是用用用用“

152、3 “3 “3 “3 准准准准则则则则”来来来来剔剔剔剔除除除除奇奇奇奇异异异异值值值值。其其其其中中中中，观观观观测测测测数数数数据据据据的的的的中中中中误误误误差差差差 既既既既可可可可以以以以用用用用观观观观测测测测值值值值序序序序列列列列本本本本身身身身直直直直接接接接进进进进行行行行估估估估计计计计，也也也也可可可可根根根根据据据据长长长长期期期期观观观观测测测测的的的的统统统统计计计计结结结结果果果果确确确确定定定定，或或或或取取取取经经经经验验验验数数数数值值值值。下下下下面面面面介介介介绍绍绍绍两两两两种种种种实实实实用用用用性性性性的的的的奇奇奇奇异异异异值值值值检检检检验验

153、验验方法。方法。方法。方法。 207第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.4 4.4 监测资料的奇异值检验与插补监测资料的奇异值检验与插补 4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 监监监监测测测测自自自自动动动动化化化化系系系系统统统统中中中中观观观观测测测测数数数数据据据据序序序序列列列列的的的的奇奇奇奇异异异异值值值值检验检验检验检验 方法一方法一方法一方法一 208第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.4 4.4 监测资料的奇异值检验与插补监测资料的奇异值检验与插补 4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 监监监监测测测测自自自自动

154、动动动化化化化系系系系统统统统中中中中观观观观测测测测数数数数据据据据序序序序列列列列的的的的奇奇奇奇异异异异值值值值检验检验检验检验 方法二方法二方法二方法二 209第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.4 4.4 监测资料的奇异值检验与插补监测资料的奇异值检验与插补 4.4.2 4.4.2 4.4.2 4.4.2 监测资料的插补监测资料的插补监测资料的插补监测资料的插补 监测资料插补的原因监测资料插补的原因: 实测资料出现实测资料出现“断链断链” ” ； 数据处理方法要求等时间间隔。数据处理方法要求等时间间隔。210第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理

155、4.4 4.4 监测资料的奇异值检验与插补监测资料的奇异值检验与插补 4.4.2 4.4.2 4.4.2 4.4.2 监测资料的插补监测资料的插补监测资料的插补监测资料的插补 监测资料插补的方法监测资料插补的方法: 按内在物理联系进行按内在物理联系进行插补插补 按数学方法进行按数学方法进行插补插补 线性内线性内插法插法 拉格朗日拉格朗日内内插计算插计算 多项式曲线拟合多项式曲线拟合 周期函数的曲线拟合周期函数的曲线拟合 多面函数拟合多面函数拟合211第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一

156、元线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理212第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 小小小小波波波波分分分分析析析析（Wavelet

157、Wavelet AnalysisAnalysis）是是是是20202020世世世世纪纪纪纪80808080年年年年代代代代中中中中后后后后期期期期发发发发展展展展起起起起来来来来的的的的新新新新兴兴兴兴学学学学科科科科，是是是是FourierFourier分分分分析析析析的的的的发发发发展展展展和和和和重重重重大大大大突突突突破破破破。FourierFourierFourierFourier分分分分析析析析起起起起源源源源于于于于法法法法国国国国科科科科学学学学家家家家FourierFourier本本本本 人人人人 于于于于 1822182218221822年年年年 发发发发 表表表表 的的的

158、的 “热热热热 的的的的 解解解解 析析析析 理理理理 论论论论”（The The Analytic Analytic Theory Theory of of HeatHeat），而而而而小小小小波波波波分分分分析析析析却却却却是是是是不不不不同同同同学学学学科科科科、不不不不同同同同研研研研究究究究者者者者共共共共同同同同创创创创造造造造的的的的，它它它它反反反反映映映映了了了了大大大大科科科科学学学学时时时时代代代代学学学学科科科科之之之之间间间间相相相相互互互互综综综综合合合合、相相相相互互互互渗渗渗渗透透透透的的的的强强强强烈烈烈烈趋趋趋趋势势势势。小小小小波波波波分分分分析析析析集集

159、集集中中中中体体体体现现现现了了了了数数数数学学学学理理理理论论论论的的的的完完完完美美美美性性性性和和和和数数数数学学学学应应应应用用用用的的的的广广广广泛泛泛泛性性性性，已已已已成成成成为为为为众众众众多多多多学学学学科科科科共共共共同同同同关关关关注注注注的的的的热热热热点点点点，用用用用它它它它可可可可分分分分析析析析处处处处理理理理各各各各种种种种类类类类型型型型的的的的信信信信号号号号，并并并并已已已已取取取取得得得得了了了了显显显显著著著著的效果。的效果。的效果。的效果。 213第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用

160、于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 为为为为了了了了克克克克服服服服经经经经典典典典FourierFourier分分分分析析析析不不不不能能能能描描描描述述述述信信信信号号号号时时时时频频频频局局局局部部部部特特特特征征征征的的的的缺缺缺缺陷陷陷陷，1946194619461946年年年年GaborGabor引引引引入入入入了了了了窗窗窗窗口口口口FourierFourier变变变变换换换换的的的的概概概概念念念念，试试试试图图图图通通通通过过过过选选选选取取取取适适适适当当当当的的的的窗窗窗窗口口口口函函函函数数数数来来来来分分分分析析析析信信信信号

161、号号号的的的的局局局局部部部部性性性性质质质质，起起起起到到到到了了了了一一一一定定定定作作作作用用用用。但但但但是是是是，窗窗窗窗口口口口函函函函数数数数一一一一经经经经选选选选定定定定，其其其其窗窗窗窗口口口口大大大大小小小小和和和和形形形形状状状状也也也也随随随随之之之之固固固固定定定定，频频频频率率率率增增增增高高高高相相相相应应应应的的的的窗窗窗窗口口口口就就就就不不不不能能能能变变变变窄窄窄窄，因因因因此此此此，窗窗窗窗口口口口FourierFourier变变变变换换换换也也也也就就就就不不不不能能能能敏敏敏敏感感感感地地地地反反反反映映映映信信信信号号号号的的的的突突突突变变变变

162、。为为为为了了了了克克克克服服服服这这这这一一一一缺缺缺缺陷陷陷陷，很很很很好好好好地地地地解解解解决决决决时时时时频频频频局局局局部部部部化化化化问问问问题题题题，即即即即希希希希望望望望在在在在低低低低频频频频段段段段用用用用高高高高的的的的频频频频率率率率分分分分辨辨辨辨率率率率和和和和低低低低的的的的时时时时间间间间分分分分辨辨辨辨率率率率，而而而而在在在在高高高高频频频频段段段段用用用用低低低低的的的的频频频频率率率率分分分分辨辨辨辨率率率率和和和和高高高高的的的的时时时时间间间间分分分分辨辨辨辨率率率率，寻寻寻寻找找找找一一一一种种种种窗窗窗窗口口口口大大大大小小小小固固固固定定定

163、定而而而而形形形形状状状状可可可可变变变变的的的的时时时时频频频频局局局局部部部部化化化化分分分分析析析析方方方方法法法法，提出了小波变换。提出了小波变换。提出了小波变换。提出了小波变换。 214第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 小小小小波波波波就就就就是是是是小小小小的的的的波波波波形形形形，所所所所谓谓谓谓“小小小小”是是是是指指指指它它它它具具具具有有有有衰衰衰衰减减减减性性性性，比比比比如如如如是是是是局局局局部部部部非非非非零零零零的的的的

164、；所所所所谓谓谓谓“波波波波”是是是是指指指指它它它它的的的的波波波波动动动动性性性性，即即即即其其其其振振振振幅幅幅幅呈呈呈呈现现现现正正正正负负负负相相相相间间间间的的的的震震震震荡荡荡荡形形形形式式式式。虽虽虽虽然然然然早早早早在在在在1910191019101910年年年年，HaarHaar就就就就提提提提出出出出了了了了小小小小波波波波规规规规范范范范正正正正交交交交基基基基，但但但但当当当当时时时时并并并并未未未未用用用用“小小小小波波波波”这这这这个个个个词词词词。小小小小波波波波概概概概念念念念的的的的真真真真正正正正出出出出现现现现应应应应算算算算于于于于1984198419

165、841984年年年年，是是是是由由由由法法法法国国国国地地地地球球球球物物物物理理理理学学学学家家家家J.MorletJ.Morlet和和和和理理理理论物理学家论物理学家论物理学家论物理学家A.GrossmanA.Grossman最早提出的。最早提出的。最早提出的。最早提出的。 215第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 1986198619861986年年年年，Y.MeyerY.Meyer构构构构造造造造出出出出了了了了具具具具有有有有衰衰衰衰减减减减

166、性性性性质质质质的的的的光光光光滑滑滑滑函函函函数数数数，其其其其二二二二进进进进制制制制伸伸伸伸缩缩缩缩与与与与平平平平移移移移构构构构成成成成了了了了的的的的规规规规范范范范正正正正交交交交基基基基，它它它它标标标标志志志志着着着着小小小小波波波波热热热热的的的的真真真真正正正正开开开开始始始始。后后后后来来来来，LemarieLemarie和和和和BattleBattle又又又又分分分分别别别别独独独独立立立立地地地地提提提提出出出出了了了了具具具具有有有有指指指指数数数数衰衰衰衰减减减减的的的的小小小小波波波波函函函函数数数数 。 1987198719871987年年年年 ， S.Ma

167、llatS.Mallat提提提提 出出出出 了了了了 多多多多 分分分分 辨辨辨辨 率率率率 分分分分 析析析析（Multiresolution Multiresolution AnalysisAnalysis）概概概概念念念念，统统统统一一一一了了了了在在在在此此此此之之之之前前前前的的的的所所所所有有有有具具具具体体体体正正正正交交交交小小小小波波波波基基基基的的的的构构构构造造造造，并并并并且且且且给给给给出出出出了了了了相相相相应应应应的的的的分分分分解解解解与与与与重重重重构构构构快快快快速速速速小小小小波波波波算算算算法法法法，现现现现称称称称之之之之为为为为MallatMalla

168、t算算算算法法法法，它它它它在在在在小小小小波波波波分分分分析析析析中中中中的的的的地地地地位位位位类类类类似似似似于于于于FFTFFTFFTFFT（快快快快速速速速FourierFourier变变变变换）在经典换）在经典换）在经典换）在经典FourierFourierFourierFourier分析中的地位。分析中的地位。分析中的地位。分析中的地位。 216第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 1988198819881988年年年年I.Daubech

169、iesI.Daubechies构构构构造造造造了了了了具具具具有有有有有有有有限限限限支支支支集集集集（即即即即紧紧紧紧支支支支集集集集）的的的的正正正正交交交交小小小小波波波波，虽虽虽虽然然然然DaubechiesDaubechies小小小小波波波波不不不不能能能能用用用用解解解解析析析析公公公公式式式式给给给给出出出出，但但但但其其其其滤滤滤滤波波波波器器器器系系系系数数数数却却却却可可可可以以以以解解解解析析析析构构构构造造造造出出出出来来来来。1990199019901990年年年年崔崔崔崔锦锦锦锦泰泰泰泰和和和和王王王王建建建建忠忠忠忠构构构构造造造造了了了了基基基基于于于于样样样样

170、条条条条的的的的单单单单正正正正交交交交（或或或或斜斜斜斜交交交交、半半半半正正正正交交交交）小小小小波波波波函函函函数数数数。从从从从此此此此，奠奠奠奠定定定定了了了了小小小小波波波波分析的基础。分析的基础。分析的基础。分析的基础。 217第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 问题：问题：问题：问题：变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？ 变变变变形形形形体体体体

171、的的的的变变变变形形形形可可可可描描描描述述述述为为为为随随随随时时时时间间间间或或或或空空空空间间间间变变变变化化化化的的的的信信信信号号号号，变变变变形形形形监监监监测测测测所所所所获获获获取取取取的的的的变变变变形形形形信信信信号号号号，包包包包含含含含了了了了有有有有用用用用信信信信号号号号和和和和误误误误差差差差（即即即即噪噪噪噪声声声声）两两两两部部部部分分分分，如如如如何何何何有有有有效效效效地地地地消消消消除除除除误误误误差差差差并并并并提取变形特征是变形分析研究的重要内容。提取变形特征是变形分析研究的重要内容。提取变形特征是变形分析研究的重要内容。提取变形特征是变形分析研究的

172、重要内容。 218第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 问题：问题：问题：问题：变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？ 比比比比如如如如，对对对对于于于于大大大大坝坝坝坝GPSGPSGPSGPS监监监监测测测测系系系系统统统统的的的的序序序序列列列列观观观观测测测测数数数数据据据据，监监监监测测测测点点点点的的的的短短短短时时时时间间间间变变变变形形形形是是是是微微

173、微微小小小小的的的的，表表表表现现现现为为为为一一一一种种种种弱弱弱弱信信信信号号号号，而而而而误误误误差差差差却却却却呈呈呈呈现现现现为为为为强强强强噪噪噪噪声声声声，如如如如何何何何从从从从受受受受强强强强噪噪噪噪声声声声干干干干扰扰扰扰的的的的序序序序列列列列观观观观测测测测数数数数据据据据中中中中提提提提取取取取微微微微弱弱弱弱的的的的特特特特征征征征信信信信息息息息，提提提提高高高高变变变变形形形形监监监监测测测测的的的的精精精精度度度度是是是是GPSGPSGPSGPS监监监监测测测测系系系系统统统统所所所所涉涉涉涉及及及及到到到到的的的的关关关关键键键键技技技技术术术术问问问问题题

174、题题之之之之一一一一。目目目目前前前前，一一一一般般般般采采采采用用用用数数数数据据据据平平平平滑滑滑滑或或或或KalmanKalman滤滤滤滤波波波波的的的的方方方方法在时域内进行处理。法在时域内进行处理。法在时域内进行处理。法在时域内进行处理。 219第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 问题：问题：问题：问题：变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？变形监测中为什么要应用小波变换？ 又又又又比

175、比比比如如如如，对对对对于于于于动动动动态态态态变变变变形形形形监监监监测测测测（如如如如桥桥桥桥梁梁梁梁、高高高高层层层层建建建建筑筑筑筑等等等等工工工工程程程程的的的的监监监监测测测测），变变变变形形形形的的的的频频频频率率率率和和和和幅幅幅幅值值值值是是是是其其其其主主主主要要要要特特特特征征征征，我我我我们们们们通通通通常常常常采采采采用用用用频频频频谱谱谱谱分分分分析析析析法法法法将将将将时时时时域域域域内内内内的的的的数数数数据据据据序序序序列列列列通通通通过过过过FourierFourier级级级级数数数数转转转转换换换换到到到到频频频频域域域域内内内内进进进进行行行行分分分分析

176、析析析。由由由由于于于于这这这这些些些些方方方方法法法法的的的的本本本本身身身身所所所所限限限限，对对对对于于于于非非非非平平平平稳稳稳稳、非非非非等等等等时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔观观观观测信号的变形特征提取存在局限性。测信号的变形特征提取存在局限性。测信号的变形特征提取存在局限性。测信号的变形特征提取存在局限性。 220第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 引言引言引言引言 由由由由于于于于小小小小波波波波分分分分析析析析的的的的核核核核心心心心内内内内容容容容

177、是是是是小小小小波波波波变变变变换换换换。所所所所以以以以，下下下下面面面面首首首首先先先先介介介介绍绍绍绍小小小小波波波波变变变变换换换换的的的的基基基基本本本本理理理理论论论论与与与与方方方方法法法法，并并并并尽尽尽尽量量量量避避避避免免免免过过过过多多多多复复复复杂杂杂杂的的的的数数数数学学学学定定定定理理理理与与与与公公公公式式式式推推推推导导导导，着着着着重重重重于于于于应应应应用用用用上上上上的的的的理理理理解解解解和和和和认认认认识识识识。然然然然后后后后论论论论述述述述小小小小波波波波变变变变换换换换在在在在变变变变形形形形分分分分析析析析中中中中的应用。的应用。的应用。的应用

178、。 221第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.2 4.5.2 4.5.2 4.5.2 小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法 1 1 1 1、小波变换的定义、小波变换的定义、小波变换的定义、小波变换的定义 222第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.2 4.5.2 4.5.2 4.5.2 小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的

179、基本理论及方法 2 2 2 2、MallatMallatMallatMallat算法算法算法算法 223第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.2 4.5.2 4.5.2 4.5.2 小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法 2 2 2 2、MallatMallatMallatMallat算法算法算法算法 224第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.2 4.5.2 4.5.2

180、 4.5.2 小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法 3 3 3 3、DaubechiesDaubechiesDaubechiesDaubechies小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法 225第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.2 4.5.2 4.5.2 4.5.2 小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法 3 3 3 3、Daubec

181、hiesDaubechiesDaubechiesDaubechies小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法 226第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.2 4.5.2 4.5.2 4.5.2 小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法小波变换的基本理论及方法 3 3 3 3、DaubechiesDaubechiesDaubechiesDaubechies小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法小波的滤波系数及变换方法

182、小波的滤波系数及变换方法 227第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.3 4.5.3 4.5.3 4.5.3 小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用 1 1 1 1、基于小波变换的变形分析模型、基于小波变换的变形分析模型、基于小波变换的变形分析模型、基于小波变换的变形分析模型 228第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.3 4.5.3 4.5.3 4.5.3 小波

183、变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用 2 2 2 2、小波变换在变形分析的作用、小波变换在变形分析的作用、小波变换在变形分析的作用、小波变换在变形分析的作用 观测数据滤波观测数据滤波观测数据滤波观测数据滤波变形特征提取变形特征提取变形特征提取变形特征提取不同变形频率的分离不同变形频率的分离不同变形频率的分离不同变形频率的分离观测精度估计观测精度估计观测精度估计观测精度估计 229第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 4.5.3 4.5.3 4.5.3 4.

184、5.3 小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用小波变换在变形分析中的应用 3 3 3 3、小小小小波波波波变变变变换换换换对对对对观观观观测测测测数数数数据据据据序序序序列列列列进进进进行行行行消消消消噪噪噪噪的的的的基基基基本本本本步骤步骤步骤步骤 小波分解小波分解小波分解小波分解 小波分解高频系数的阈值量化处理小波分解高频系数的阈值量化处理小波分解高频系数的阈值量化处理小波分解高频系数的阈值量化处理 小波重构小波重构小波重构小波重构 对对对对于于于于复复复复杂杂杂杂变变变变形形形形信信信信息息息息的的的的分分分分离离离离，采采采采用用用用小小小小波波

185、波波包包包包进进进进行行行行分分分分解解解解和和和和重重重重构构构构，可可可可以以以以得得得得到到到到各各各各个个个个相相相相应应应应频频频频段的变形信息段的变形信息段的变形信息段的变形信息 230第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 1 1、工程概况、工程概况 厦厦门门建建设设银银行行大大厦厦位位于于厦厦门门市市老老市市区区鹭鹭江江道道与与打打铁铁街街交交口口处处，主主楼楼在在地地面面以以上上有有

186、4343层层，地地上上总总高高度度为为172.6m172.6m。工工程程的的建建筑筑设设计计顾顾问问为为美美国国ZGAZGA建建筑筑师师事事务务所所，由由上上海海建建筑筑设设计计研研究究院院设设计计。建建筑筑物物的的主主楼楼为为钢钢筋筋混混凝凝土土框框架架筒筒体体结结构构。该该工工程程为为第第三三批批全全国国建建筑筑业业新新技技术术应应用用示示范范工工程程，施施工工单单位位是是中中建建三局第三建筑工程公司。三局第三建筑工程公司。231第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的

187、动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 1 1、工程概况、工程概况 232第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 2 2、监测方案监测方案 采用双频GPS接收机三台：两台作为参考站；一台设置在建筑标高为148.05m的施工层面上作为监测点。三点间的基线 长 度 分 别 为 170m(XM01-XM03)、 219m(M01-XM02)、208m(XM02-XM03)。

188、 两个参考站的周边环境较好，无明显的干扰源。监测点由于被设置在施工建筑顶层面上，位于其侧上方的施工塔吊和外围的安全网架对信号接收有影响，是主要干扰源。 数据采集时间是2000年10月5日的夜晚，无日照，微风，天气状态良好。受GPS接收机设备本身所限，数据采样率被设置为0.5s。卫星高度角限值取15, 按动态观测模式进行连续观测。233第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 2 2、监测方案监测方案 2

189、34第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 3 3、监测结果监测结果 按按整整周周模模糊糊度度动动态态解解算算法法（Ambiguity Resolution On-The-Fly）对对观观测测数数据据进进行行处处理理，将将XM01点点作作为为固固定定基基准准，可可以以同同时时获获得得参参考考点点（XM02）和和监监测测点点（XM03）相相对对于于基基准准站站（XM01）在在WGS-84坐坐标标系系下下

190、每每个个历历元元的的三三维维大大地地坐坐标标(Bi、Li、Hi)。然然后后，进进行行投投影影变变换换，将将大大地地坐坐标标(Bi、Li)变变换换为为平平面面坐坐标标(xi、yi) 这这样样，可可以以得得到到点点位位的的三三维维坐坐标标(xi、yi 、Hi)数据序列。数据序列。以以三三台台GPS接接收收机机的的同同步步观观测测数数据据作作分分析析，取取历历元元数数为为2048，我我们们可可以以绘绘出出参参考考点点（XM02）和和监监测测点点（XM03）的三维数据序列经均值化后的时程曲线。的三维数据序列经均值化后的时程曲线。235第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.

191、5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 3 3、监测结果监测结果 参考点与监测点在参考点与监测点在参考点与监测点在参考点与监测点在x x x x方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比 236第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 3 3、监测

192、结果监测结果 参考点与监测点在参考点与监测点在参考点与监测点在参考点与监测点在y y y y方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比 237第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 3 3、监测结果监测结果 参考点与监测点在参考点与监测点在参考点与监测点在参考点与监测点在H H H H方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比方向的时程曲线对比 238第第四四

193、章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 3 3、监测结果监测结果 由参考点与监测点的时程曲线对比可知：由参考点与监测点的时程曲线对比可知： 参参考考点点与与监监测测点点的的数数据据序序列列变变化化的的对对应应关关系系不不明明显显。监监测测点点时时程程与与参参考考点点时时程程的的变变化化相相比比，监监测测点点的的点点位位变变化化幅幅值值明明显显偏偏大大。这这充充分分表表明明，参参考考点点与与监监测测点点所所受受

194、的的影影响响不不一一致，监测点所受的影响要大于参考点所受的影响。致，监测点所受的影响要大于参考点所受的影响。 考考察察参参考考点点和和监监测测点点整整个个时时程程曲曲线线的的变变化化量量，水水平平方方向向在在15mm之之内内，垂垂直直方方向向在在30mm之之内内，这这表表明明，GPS动动态态监测与数据处理的监测与数据处理的效果是好的效果是好的。 从图中，我们很难直观地看出建筑结构的从图中，我们很难直观地看出建筑结构的自振特性自振特性。 239第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高

195、层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 4 4、GPS动态监测数据的小波分析动态监测数据的小波分析 小小波波-变变形形分分析析法法表表明明，应应用用小小波波分分析析方方法法可可以以有有效效地地从从整整个个观观测测数数据据序序列列中中分分离离出出建建筑筑结结构构自自振振的的信信息息。我我们们一一旦旦知知道道结结构构自自振振的的频频率率范范围围，就就可可以以借借助助于于小小波波多多分分辨辨率率分分析析的的特特性性，对对观观测测数数据据序序列列进行有目的地分解和重构。进行有目的地分解和重构。 240第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.

196、5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 4 4、GPS动态监测数据的小波分析动态监测数据的小波分析 由由试试验验所所采采用用的的GPS接接收收机机的的数数据据采采样样率率为为0.5s0.5s（即即2Hz）可可知知，该该GPS动动态态监监测测数数据据序序列列所所包包含含的的频频率率范范围围为为0 01Hz1Hz。根根据据高高层层建建筑筑结结构构的的固固有有频频率率（其其基基本本自自振振周周期期通通常常在在0.050.1N间间变变化化，这这里里N指指的的是是建建筑

197、筑物物地地平平面面以以上上的的总总层层数数，自自振振周周期期的的单单位位为为秒秒）分分析析可可知知，该该高高层层建建筑筑结结构构的的自自振振频频率率范范围围应应在在0.300.300.35Hz0.35Hz之之间间。为为此此，可可以以对对数数据序列作三层小波包分解据序列作三层小波包分解。241第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 4 4、GPS动态监测数据的小波分析动态监测数据的小波分析 小波包三层分

198、解的示意小波包三层分解的示意图图（分解过程及频段划分）（分解过程及频段划分） 242第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 4 4、GPS动态监测数据的小波分析动态监测数据的小波分析 频段频段0.250.375Hz的小波分解系数的重构的小波分解系数的重构 该该高高层层建建筑筑顶顶部部结结构构自自振振周周期期0.300.300.35Hz0.35Hz应应在在小小波波包包分分解解第第三三层层的的0.250.

199、250.375Hz0.375Hz范范围围之之内内。因因此此，对对数数据据序序列列作作三三层层小小波波包包分分解解后后，再再对对频频段段0.250.375Hz的的小小波波分分解解系系数数进进行行重重构构，便便可可实实现现建建筑筑结构自振频段的信息提取。结构自振频段的信息提取。243第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 4 4、GPS动态监测数据的小波分析动态监测数据的小波分析 为了说明问题起见，我们将

200、监测点（为了说明问题起见，我们将监测点（为了说明问题起见，我们将监测点（为了说明问题起见，我们将监测点（XM03XM03XM03XM03）和）和）和）和参考点（参考点（参考点（参考点（XM02XM02XM02XM02）的三维数据序列分别按上述方法进）的三维数据序列分别按上述方法进）的三维数据序列分别按上述方法进）的三维数据序列分别按上述方法进行处理，然后对提取的信息作频谱分析和对比。行处理，然后对提取的信息作频谱分析和对比。行处理，然后对提取的信息作频谱分析和对比。行处理，然后对提取的信息作频谱分析和对比。244结构振动频段信号的频谱分析及对比结构振动频段信号的频谱分析及对比结构振动频段信号的

201、频谱分析及对比结构振动频段信号的频谱分析及对比 245监测点低频部分监测点低频部分监测点低频部分监测点低频部分(0(0(0(00.0625Hz)0.0625Hz)0.0625Hz)0.0625Hz)的影响时程曲线的影响时程曲线的影响时程曲线的影响时程曲线( ( ( (主要为多路径效应主要为多路径效应主要为多路径效应主要为多路径效应) ) ) ) 246第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 5 5、结

202、论结论虽然建筑结构的自振幅值较小，完全被多路虽然建筑结构的自振幅值较小，完全被多路径效应和其它误差所掩盖，但是通过小波多径效应和其它误差所掩盖，但是通过小波多分辨率特性的分解，可以较好地实现不同频分辨率特性的分解，可以较好地实现不同频率特征信号的分离。率特征信号的分离。247第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 5 5、结论结论在在0.250.250.375Hz0.375Hz频段，对于参考点，由于不

203、存频段，对于参考点，由于不存在结构自振信号，经小波分解后，其数据序列呈在结构自振信号，经小波分解后，其数据序列呈现很强的随机性，数据之间的时间相关性差，频现很强的随机性，数据之间的时间相关性差，频谱线在整个频段内杂乱无章；而监测点中，由于谱线在整个频段内杂乱无章；而监测点中，由于含有结构自振信号，所以经小波分解后，其数据含有结构自振信号，所以经小波分解后，其数据序列呈现一定的时间相关性，在频段序列呈现一定的时间相关性，在频段0.30.30.30.30.35Hz0.35Hz0.35Hz0.35Hz之间，频谱线相对突出。同时，这一点也之间，频谱线相对突出。同时，这一点也表明，该高层建筑在无明显外荷

204、载作用下，结构表明，该高层建筑在无明显外荷载作用下，结构振动特性与原设计是一致的。振动特性与原设计是一致的。248第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 5 5、结论结论本结构工程的自振周期不唯一，但都集中在本结构工程的自振周期不唯一，但都集中在3s3s3s3s左右（即左右（即0.30.30.35Hz0.35Hz频段内）。而且，结构振频段内）。而且，结构振动表现出一种复合状态，在振动中不仅有动表现出一

205、种复合状态，在振动中不仅有x x x x和和y y y y方向的分量，而且也有方向的分量，而且也有H H H H方向的分量，方向的分量，y y y y向的幅向的幅值比值比x x x x向的幅值要小，向的幅值要小，H H H H向的幅值要大些，其最向的幅值要大些，其最大幅值为大幅值为0.31mm0.31mm。249第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理 4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离 实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定实例：超高层建筑的动态特性测定 5 5、结论结论GPSGPS动态监测技术完全可以实

206、现数值动态监测技术完全可以实现数值小于小于小于小于1mm1mm1mm1mm甚甚甚甚至更小至更小至更小至更小的结构振动幅值确定。通过小波变换，的结构振动幅值确定。通过小波变换，可以有效地从受强噪声干扰的原信号中提取弱可以有效地从受强噪声干扰的原信号中提取弱信号，在大型构筑物振动特性测试方面将是一信号，在大型构筑物振动特性测试方面将是一种很好的方法。种很好的方法。250第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数

207、据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理251第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.1 4.6.1 工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响 4.6.2 4.6.2 观测资料的整编观测资料的整编 4.6.3 4.6.3 变变形形值值的的统统计计规规律律及及其其成成因因分分

208、析析 252第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.1 4.6.1 4.6.1 4.6.1 工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响 影响值影响值影响值影响值253第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.1 4.6.1 4.6.1 4.6.1 工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响 影响分析影响分析影响分析影响分析2

209、54第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.1 4.6.1 工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响 4.6.2 4.6.2 观测资料的整编观测资料的整编 4.6.3 4.6.3 变变形形值值的的统统计计规规律律及及其其成成因因分分析析 255第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.2 4.6.2 4.6.2 4.6.2 观测资料的整编观测资料的整编观测资料的整编观测资料的整编 观测点变形过程线观测点变形过程线观测点变形过程线观测点

210、变形过程线 变形过程线的定义变形过程线的定义变形过程线的定义变形过程线的定义 变形过程线的绘制变形过程线的绘制变形过程线的绘制变形过程线的绘制 绘制的过程绘制的过程绘制的过程绘制的过程 为什么要做修匀光滑处为什么要做修匀光滑处为什么要做修匀光滑处为什么要做修匀光滑处理？理？理？理？原因量过程线原因量过程线原因量过程线原因量过程线256第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.2 4.6.2 4.6.2 4.6.2 观测资料的整编观测资料的整编观测资料的整编观测资料的整编 建筑物变形分布图建筑物变形分布图建筑物变形分布图建

211、筑物变形分布图 为什么要采用变形分布图？为什么要采用变形分布图？为什么要采用变形分布图？为什么要采用变形分布图？ 常用的变形分布图常用的变形分布图常用的变形分布图常用的变形分布图变形值剖面分布图（水平剖面、竖变形值剖面分布图（水平剖面、竖变形值剖面分布图（水平剖面、竖变形值剖面分布图（水平剖面、竖剖面）剖面）剖面）剖面） 建筑物（或基础）沉陷等值线图建筑物（或基础）沉陷等值线图建筑物（或基础）沉陷等值线图建筑物（或基础）沉陷等值线图257第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.1 4.6.1 工作基点位移对变形值的影响

212、工作基点位移对变形值的影响 4.6.2 4.6.2 观测资料的整编观测资料的整编 4.6.3 4.6.3 变变形形值值的的统统计计规规律律及及其其成成因因分分析析 258第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.3 4.6.3 4.6.3 4.6.3 变形值的统计规律及其成因分析变形值的统计规律及其成因分析变形值的统计规律及其成因分析变形值的统计规律及其成因分析 以大坝为例，讨论引起变形的原因：以大坝为例，讨论引起变形的原因：以大坝为例，讨论引起变形的原因：以大坝为例，讨论引起变形的原因： 静水压力静水压力静水压力静水压

213、力 坝体的温度变化坝体的温度变化坝体的温度变化坝体的温度变化时效变化时效变化时效变化时效变化259第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理 4.6.1 4.6.1 工作基点位移对变形值的影响工作基点位移对变形值的影响 4.6.2 4.6.2 观测资料的整编观测资料的整编 4.6.3 4.6.3 变变形形值值的的统统计计规规律律及及其其成成因因分分析析 260第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元线性回归进行资料的检核用一

214、元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理261第第四四章章 变变形形监监测测资资料料的的预预处处理理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理变形监测资料管理的分类：变形监测资料管理的分类：变形监测资料管理的分类：变形监测资料管理的分类： 人工管理处理人工管理处理人工管理处理人工管理处理 计算机辅助人工处

215、理计算机辅助人工处理计算机辅助人工处理计算机辅助人工处理 数据库管理系统数据库管理系统数据库管理系统数据库管理系统 监测资料的管理监测资料的管理监测资料的管理监测资料的管理监测资料的处理监测资料的处理监测资料的处理监测资料的处理监测资料的解释监测资料的解释监测资料的解释监测资料的解释 以三峡工程安全监测数据仓库系统的建立为以三峡工程安全监测数据仓库系统的建立为以三峡工程安全监测数据仓库系统的建立为以三峡工程安全监测数据仓库系统的建立为例例例例262第四章第四章 变形监测资料的预处理变形监测资料的预处理4.1 4.1 变形监测资料检核的意义与方法变形监测资料检核的意义与方法4.2 4.2 用一元

216、线性回归进行资料的检核用一元线性回归进行资料的检核4.3 4.3 监测网观测资料的数据筛选方法监测网观测资料的数据筛选方法4.4 4.4 自自动动化化监监测测系系统统中中数数据据的的奇奇异异值值检检验验与与插补插补4.5 4.5 小波变换用于信噪分离小波变换用于信噪分离4.6 4.6 变形监测成果的整理变形监测成果的整理4.7 4.7 监测资料管理监测资料管理2635.2 5.2 监测网的参考系监测网的参考系 监测网平差的参考系监测网平差的参考系( (基准基准) ) 经典平差与秩亏自由网解向量之间的转换经典平差与秩亏自由网解向量之间的转换 基准方程基准方程 中系数矩阵中系数矩阵 的确定的确定参

217、考系与位移的关系参考系与位移的关系实例实例监测网稳定性分析中的模型误差监测网稳定性分析中的模型误差 第五章 监监监监测测测测网网网网的的的的参参参参考考考考系系系系和和和和稳稳稳稳定定定定性性性性分分分分析析析析 2645.1 5.1 绝对网和相对网绝对网和相对网 变形的基准变形的基准绝对网与相对网的概念绝对网与相对网的概念 绝对位移与相对位移的定义绝对位移与相对位移的定义 第五章 监监监监测测测测网网网网的的的的参参参参考考考考系系系系和和和和稳稳稳稳定定定定性性性性分分分分析析析析 265一、监测网平差的参考系一、监测网平差的参考系变形监测网可分为两类变形监测网可分为两类: : 有固定基准

218、的绝对网（参考网）；有固定基准的绝对网（参考网）； 没有绝对固定基准的相对网没有绝对固定基准的相对网( (自由网自由网) )。 绝绝对对网网中中，固固定定基基准准位位于于变变形形体体之之外外，在在各各观观测测周周期期中中认认为为是是不不变变的的，以以作作为为测测定定变变形形点点绝绝对对位位移移的的参参考考点点，这这种种监监测测网网平平差差采采用用经经典典平平差差方方法便可实现。法便可实现。 相相对对网网中中，由由于于全全部部网网点点均均位位于于变变形形体体上上，没没有有必必要要的的起起算算基基准准，是是一一种种自自由由网网，平平差差时时存存在在参参考考系系亏亏秩秩问问题题，为为了了分分析析变变

219、形形，需需要要寻寻找找一一个个恰当的变形参考系。恰当的变形参考系。 第五章 监监监监测测测测网网网网的的的的参参参参考考考考系系系系和和和和稳稳稳稳定定定定性性性性分分分分析析析析 266 变变形形参参考考系系是是运运动动的的参参照照物物，是是用用来来描描述述物物体体的的运运动动和和相相对对运运动动关关系系的的。在在空空间间大大地地测测量量的的数数据据处处理理与与资资料料分分析析中中，参参考考系系的的定定义义、统统一一和和稳稳定定性性极极为为重重要要，其其在在现现代代地地壳壳运运动动和和形形变变监监测测GPSGPS测量的诸多研究文献中已得到体现。测量的诸多研究文献中已得到体现。 在在监监测测网

220、网平平差差中中，我我们们通通常常将将变变形形参参考考系系称称为为基基准准，监监测测网网平平差差时时必必须须考考虑虑网网点点位位置置及及其其位位移移的的参参考考基基准准。如如果果基基准准不不统统一一，形形变变量量中中就就会会混混入入基基准准误误差差；如如果果基基准准定定义义不不当当，也也会会给给形形变变分分析带来困难。析带来困难。 第五章 监监监监测测测测网网网网的的的的参参参参考考考考系系系系和和和和稳稳稳稳定定定定性性性性分分分分析析析析 一、监测网平差的参考系一、监测网平差的参考系267一、监测网平差的参考系一、监测网平差的参考系 平平差差基基准准的的选选择择有有固固定定基基准准、重重心心

221、基基准准和和拟拟稳稳基基准准等等三三种种基基本本类类型型。对对于于监监测测网网的的某某一一期期观观测，由高斯测，由高斯- -马尔可夫模型马尔可夫模型: : 组成法方程: 式中， , 第五章 监监监监测测测测网网网网的的的的参参参参考考考考系系系系和和和和稳稳稳稳定定定定性性性性分分分分析析析析 268一、监测网平差的参考系一、监测网平差的参考系 如如果果监监测测网网内内有有稳稳定定的的基基准准点点，网网平平差差有有足足够够的的起起算算数数据据，采采用用固固定定基基准准，则则矩矩阵阵N N是是非非奇奇异异的的，法法方方程程式式有有唯唯一一解解，可可按按经典平差方法进行求解。经典平差方法进行求解。

222、 如如果果监监测测网网内内没没有有明明确确的的稳稳定定基基准准点点，网网平平差差没没有有足足够够的的起起算算数数据据，则则矩矩阵阵N N是是奇奇异异的的，法法方方程程式式解解不不唯唯一一，这这就就是是秩秩亏亏自自由网平差问题。其通解为由网平差问题。其通解为: :其中，其中， 为任意的为任意的u u维向量维向量,R(N)=ru,R(N)=r2k+1N2k+1）, ,可写出输入和输出信可写出输入和输出信号中的每一个观测值的误差方程：号中的每一个观测值的误差方程：3826.6 6.6 频谱分析及其应用频谱分析及其应用 四、最小二乘响应分析四、最小二乘响应分析 写成矩阵形式：写成矩阵形式： 用最小二乘

223、原理，可以估计出上式中的振幅和用最小二乘原理，可以估计出上式中的振幅和初相位参数：初相位参数： 对每一个频率对每一个频率 系统的幅值和相位响应为：系统的幅值和相位响应为：383第六章第六章 变形分析与建模的变形分析与建模的 基本理论与方法基本理论与方法6.1 6.1 回归分析法回归分析法 6.2 6.2 时间序列分析模型时间序列分析模型 6.3 6.3 灰色系统分析模型灰色系统分析模型 6.4 Kalman6.4 Kalman滤波模型滤波模型 6.5 6.5 人工神经网络模型人工神经网络模型6.6 6.6 频谱分析及其应用频谱分析及其应用 384 第七章 变形的确定性模型变形的确定性模型 和混

224、合模型和混合模型 统计模型统计模型: 是利用所观测的变形与变形原是利用所观测的变形与变形原因之间的时空相关性来建立荷载与变形之间因之间的时空相关性来建立荷载与变形之间的关系式。的关系式。 确定性模型确定性模型: 是从工程设计角度出发是从工程设计角度出发, 利用利用荷载、变形体的几何性质和物理性质以及应荷载、变形体的几何性质和物理性质以及应力与应变间的关系来建立数学模型。力与应变间的关系来建立数学模型。385第七章 变形的确定性模型变形的确定性模型 和混合模型和混合模型7.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识7.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念7.3 7.3 大坝大坝变形

225、的确定性模型变形的确定性模型7.4 7.4 混合模型的表达式混合模型的表达式7.5 7.5 确定性模型和混合模型的应用确定性模型和混合模型的应用实例实例 7.6 7.6 反分析理论及其应用反分析理论及其应用3867.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 1. 应力应力 弹弹性性体体受受力力以以后后，其其内内部部将将发发生生应应力。弹性体内某一点力。弹性体内某一点p的应力状态可用的应力状态可用: 正应力正应力 、 、 剪应力剪应力 、 、 来来描描述述, 称称为为p点点的的应应力力分分量量。可可表表示示为为坐标坐标 、 、 的函数的函数, 即即3877.1 7.1 弹性力学的有关知识

226、弹性力学的有关知识3887.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 p p点点的的应应力力状状态态可可用用割割取取的的微微小小平平行行六六面面体体描描述述: :3897.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 2. 位移位移 弹弹性性体体内内任任一一点点的的位位移移，用用它它在在 、 、 坐坐标标轴轴上上的的投投影影 、 、 表表示示，称称为为该该点点的的位位移移分分量量，表表示示为为坐坐标标的函数的函数:3907.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 3. 应变应变 弹弹性性体体受受力力后后，任任一一点点p将将产产生生形形变变，也也即即存存在在微微小小线线段段

227、 ， ， 的长度以及它们之间直角的改变。的长度以及它们之间直角的改变。 正正应应变变: 线线段段每每单单位位长长度度的的伸伸缩缩 、 、 剪剪应应变变: 线线段段之之间间直直角角的的改改变变 、 、3917.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 这这六六个个分分量量完完全全确确定定了了应应变变的的状状态态，称称为为应变分量应变分量, 表示为坐标的函数表示为坐标的函数:3927.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 4. 几何方程几何方程 由由弹弹性性力力学学可可推推导导出出应应变变分分量量与与位位移移分分量量之之间间的的几几何何关关系系(六六个个), 称称为为几几何何方

228、方程程:3937.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 几何方程的矩阵形式几何方程的矩阵形式:3947.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 5. 物理方程物理方程 在在材材料料力力学学中中, 应应力力分分量量与与应应变变分分量量之之间的关系服从虎克定律间的关系服从虎克定律: 物理方程的第一形式物理方程的第一形式物理方程的第一形式物理方程的第一形式: :式中式中式中式中, E, E为拉压弹性模量，为拉压弹性模量，为拉压弹性模量，为拉压弹性模量， G G为剪切弹性模量，为剪切弹性模量，为剪切弹性模量，为剪切弹性模量， 为泊松系数，且为泊松系数，且为泊松系数，且为泊松系数，

229、且3957.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识物理方程的第二形式物理方程的第二形式:D D D D为刚度矩阵为刚度矩阵为刚度矩阵为刚度矩阵, , , ,，即，即，即，即 3967.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 6. 虚虚位位移移、虚虚应应变变与与虚虚功功方方程程(平平衡衡方方程程) 设弹性体所受外力沿坐标轴设弹性体所受外力沿坐标轴 、 、 分解为分解为 、 、 分量分量, 则总外力用矩阵表示为则总外力用矩阵表示为:3977.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 外力引起的应力为外力引起的应力为 若若假假想想在在外外力力作作用用下下发发生生某某种种虚

230、虚位位移移 ,此引起虚应变此引起虚应变 , 即即3987.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识 外力在虚位移外力在虚位移 上所作虚功为上所作虚功为 在在弹弹性性体体的的单单位位体体积积内内,应应力力在在虚虚应应变变上所做的虚功为上所做的虚功为3997.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识在在整整个个弹弹性性体体内内, ,应应力力在在虚虚应应变变上上所所做做的的总总的虚功为的虚功为根据能量守恒定律根据能量守恒定律, , 弹性体处于平衡状态弹性体处于平衡状态, , 则则 外外外外力力力力在在在在在在在在虚虚虚虚位位位位移移移移上上上上的的的的虚虚虚虚功功功功 = = = =

231、 应应应应力力力力在在在在虚虚虚虚应应应应变变变变上上上上的的的的虚虚虚虚功功功功即即称为弹性体的称为弹性体的虚功方程虚功方程( (平衡方程平衡方程) )。400第七章 变形的确定性模型变形的确定性模型 和混合模型和混合模型7.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识7.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念7.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模型变形的确定性模型7.4 7.4 混合模型的表达式混合模型的表达式7.5 7.5 确定性模型和混合模型的应用确定性模型和混合模型的应用实例实例 7.6 7.6 反分析理论及其应用反分析理论及其应用4017.2 7.2 有限单元法的概念有限

232、单元法的概念 1. 有限单元法的基本思想有限单元法的基本思想 用用结结构构力力学学中中的的方方法法来来解解决决弹弹性性力力学学中中的的问问题题。把把变变形形体体划划分分成成一一系系列列小小的的单单元元，这这些些单单元元通通过过节节点点连连接接在在一一起起。小小单单元元可可以以有有不同的形状。不同的形状。 对于对于二维二维( (平面平面) )问题问题: : 用三角形或四边形用三角形或四边形 对于对于三维三维( (空间空间) )问题问题: : 用六边形用六边形 该方法在水工建筑物中应用较为广泛。该方法在水工建筑物中应用较为广泛。4027.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 1. 有限单元

233、法的基本思想有限单元法的基本思想( (续续) ) 有有限限单单元元法法是是一一种种近近似似的的计计算算方方法法, , 其其近近似似程程度度与与单单元元的的数数目目有有关关。单单元元分分得得愈愈多多, , 计计算算的的精精度度愈愈高高。但但是是, ,单单元元数数多多, , 计计算算工工作作量就愈大。因此量就愈大。因此, , 在实际中在实际中, , 对变形体的对变形体的关键关键部分部分, ,单元分得较小；单元分得较小； 对变形体对变形体非关键非关键部分部分, ,单元分得较大。单元分得较大。4037.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 2. 位移模式位移模式 由由前前述述的的弹弹性性力力学

234、学中中的的几几何何方方程程、物物理理方方程程和和虚虚功功方方程程, , 可可以以利利用用位位移移分分量量来来计计算算应变分量应变分量及及应力分量应力分量: :应应变变 位位移移应应力力 应应变变应应力力 位位移移4047.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 2. 位移模式位移模式( (续续) ) 由由虚虚功功方方程程, , 顾顾及及由于由于, ,则则的的元元素素是是常常数数, , 矩矩阵阵 是是任任意意的的, ,则则 建建立立了了元元件件上上的的节节点点力力与与节节点点位位移移的的关关系系, , 即为用即为用节点位移节点位移表示表示节点力节点力的表达式。的表达式。4057.2 7.2

235、 有限单元法的概念有限单元法的概念 为为了了研研究究单单元元间间的的位位移移模模式式, , 以以最最简简单单的的平平面面问问题题三三角角形形单单元元为为例例, , 并并假假定定位位移移分分量为坐标的某种函数量为坐标的某种函数, , 即即( (用线性函数用线性函数) )4067.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 由由i、j 、m三点的三点的位移分量位移分量 可可求求得得系系数数 对对每每一一个个三三角角形形单单元元, ,有有简写为简写为4077.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 3. 平面应变问题举例平面应变问题举例 以以平平面面问问题题三三角角形形单单元元为为例例, ,

236、 其其各各点点只只有有x x、y y方方向向的的位位移移, , 而而没没有有z z方方向向的的位位移移。此此问问题题即即为为平平面面位位移移问问题题, , 也也为为平平面面应应变变问问题题。可由可由几何方程几何方程求单元的应变。求单元的应变。应变分量应变分量: :4087.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 3. 平面应变问题举例平面应变问题举例(续续)由由物理方程物理方程求单元的应力求单元的应力: :即即4097.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 3. 平面应变问题举例平面应变问题举例(续续) 对对于于应应变变分分量量 , , 考考虑虑坐坐标标的的线性函数式线性函数式:

237、 :则则4104.2 4.2 有限单元法的概念有限单元法的概念式中式中: :考考虑虑到到 , ,则则, ,位位移移- -应应变变关关系系式式为为4114.2 4.2 有限单元法的概念有限单元法的概念 由由物物理理方方程程 , ,可可得得内内应应力力与与节点节点位移的关系为位移的关系为节点力与节点位移的关系为节点力与节点位移的关系为412第七章 变形的确定性模型变形的确定性模型 和混合模型和混合模型7.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识7.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念7.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模型变形的确定性模型7.4 7.4 混合模型的表达式混合模型的表

238、达式7.5 7.5 确定性模型和混合模型的应用确定性模型和混合模型的应用实例实例 7.6 7.6 反分析理论及其应用反分析理论及其应用4137.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模变形的确定性模型型 1. 单元的划分单元的划分 对于对于重力坝重力坝可划分为三棱柱可划分为三棱柱, ,每一个看成为每一个看成为一无限长的柱形体一无限长的柱形体, , 可用可用平面应变平面应变问题问题来处来处理。理。 如图如图P136P1364147.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模变形的确定性模型型 2. 变形原因变形原因 水位水位: : 水压、水头水压、水头 外力外力, , 可用虚功方可用虚功方程程 温度温度: :

239、 气温、水温气温、水温 应力应力, , 可用物理方可用物理方程程 时效时效: : 不可逆变形不可逆变形 用统计模用统计模式式 位移位移 水压分量水压分量 温度分量温度分量 时效分量时效分量4157.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模变形的确定性模型型 3. 建模原理建模原理 P140- P140-146146416第七章 变形的确定性模型变形的确定性模型 和混合模型和混合模型7.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识7.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念7.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模型变形的确定性模型7.4 7.4 混合模型的表达式混合模型的表达式7.5 7.5 确

240、定性模型和混合模型的应用确定性模型和混合模型的应用实例实例 7.6 7.6 反分析理论及其应用反分析理论及其应用4177.4 7.4 混合模型的表达式混合模型的表达式 对于确定性的影响因素对于确定性的影响因素, , 如水压分量如水压分量, , 用用有限元法计算；对于其它因素用统计模型计有限元法计算；对于其它因素用统计模型计算算, , 来建立变形模型。来建立变形模型。418第七章 变形的确定性模型变形的确定性模型 和混合模型和混合模型7.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识7.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念7.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模型变形的确定性模型7.4

241、7.4 混合模型的表达式混合模型的表达式7.5 7.5 确定性模型和混合模型的应用确定性模型和混合模型的应用实例实例 7.6 7.6 反分析理论及其应用反分析理论及其应用4197.6 7.6 反分析理论及其应用反分析理论及其应用 反分析理论在大坝变形设计中已初步得到反分析理论在大坝变形设计中已初步得到应用应用, ,它包括了它包括了反演分析反演分析和和反馈分析反馈分析两部分。两部分。420第七章 变形的确定性模型变形的确定性模型 和混合模型和混合模型7.1 7.1 弹性力学的有关知识弹性力学的有关知识7.2 7.2 有限单元法的概念有限单元法的概念7.3 7.3 大坝大坝变形的确定性模型变形的确定性模型7.4 7.4 混合模型的表达式混合模型的表达式7.5 7.5 确定性模型和混合模型的应用确定性模型和混合模型的应用实例实例 7.6 7.6 反分析理论及其应用反分析理论及其应用421