变形监测数据处理.

第一章引论主要内容变形监测的内容、目的与意义变形监测技术及其发展变形分析的的内涵及其研究进展本节的内容重点：变形分析的内涵变形分析的主要方法变形物理解释的内容变形分析的发展趋势1.3变形分析的的内涵及其研究进展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。如何从平静中找出变化，从变化中找出规律，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。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，不是对面现象的简单反应，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中找出其内在规律性。1.3变形分析的的内涵及其研究进展变形分析的研究内容涉及到变形数据处理与分析、变形物理解释和变形预报的各个方面，通常将其划为两部分：1）变形的几何分析;2）变形物理解释。变形的几何分析是对变形体的形状和大小的变形作几何描述，其任务在于描述变形体变形的空间状态和时间特性。变形物理解释的任务是确定变形体的变形和变形原因之间的关系，解释变形的原因。1.3变形分析的的内涵及其研究进展传统的变形几何分析，主要包括：参考点的稳定性分析观测值的平差处理和质量评定变形模型参数估计1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介参考点的稳定性分析1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介监测点的变形信息是相对于参考点或一定基准的，如果所选基准本身不稳定或不统一，则由此获得的变形值就不能反映真正意义上的变形，因此，变形的基准问是变形监测数据处理首先必须考虑的问题。参考点的稳定性分析1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介过去对参考点的稳定性分析主要局限于周期性的监测网，方法有很多：以方差分析进行整体检验为基础的“平均间隙法”；以B检验法为基础的单点位移分量法；以方差分析和点的位移向量为基础的检验法；考虑大地基准的检验法；以位移的不变函数分析为基础的检验法等。后来发展的稳健-S变换法，也称逐次定权迭代法。观测值的平差处理和质量评定1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介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、变形的可区分性等几项内容。观测值的平差处理和质量评定1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介经典平差——固定基准自由网平差——重心基准拟稳平差——拟稳基准在W.Baarda（1968）数据探测法提出后，粗差探测与变形的可区分性研究成果极为丰富的。变形模型参数估计1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介陈永奇（1988）概括了两种基本的分析方法：直接法是直接用原始的重复观测值之差计算应变分量或它们的变化率；位移法是用各测点坐标的平差值之差（位移值）计算应变分量。同时，提出了变形分析通用法，研制了相应的软件DEFNAN。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介自1978年，FIG工程测量专业委员会设立了由国际测绘界五所权威大学组成的特别委员会“变形观测分析专门委员会”，极大地推动了变形分析方法的研究，并取得了显著成果。正如A.Chrzanowski（1996）所评价的，变形几何分析的主要问题已经得到解决。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介实质上，自20世纪70年代末至90年代初，几何变形分析研究较为完善的是常规地面测量技术进行周期性监测的静态模型，考虑的仅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，更谈不上变形监测自动化系统的变形分析研究。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1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联性的。为此，后来许多学者将目光转向时序观测数据的动态模型研究，如：变形的时间序列分析方法建模；基于数字信号处理的数字滤波技术分离时效分量；变形的卡尔曼滤波模型；用FIR（FiniteImpulseResponse）滤波器抑制GPS多路径效应。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介动态变形分析既可以在时间域进行，也可以在频率域进行。频谱分析方法是将时域内的数据序列通过傅立叶（Fourier）级数转换到频域内进行分析，它有利于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。频谱分析法用于确定动态变形特征（频率和幅值）是一种常用方法，尤其在建筑物结构振动监测方面被广为采用。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1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的等时间间隔，这为一些工程变形监测分析的实用性增加了难度，因为对于非等间隔时间序列进行插补和平滑处理必然会带入人为因素的影响。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1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的，除了传统的多元回归分析法以及上述的时间序列分析法、频谱分析法和滤波技术之外，灰色系统理论、神经网络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，应用灰关联分析方法研究多个因变量和多个自变量的变形问题；应用灰色理论建模预测深基坑事故隐患；应用人工神经网络建模进行短期变形预测。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介变形分析中，为弥补单一方法的缺陷，多种方法的结合得到了发展，例如：模糊数学与灰色理论相结合，应用灰关联聚类分析法进行多测点建模预测；模糊数学与人工神经网络相结合，应用模糊人工神经网络方法建模进行边坡和大坝的变形预报；应用抗差估计理论对多元回归分析模型进行改进的抗差多元回归模型，处理数据序列的粗差问题；研究认为，人工神经网络与专家系统相结合，是解决大坝安全监控专家系统开发中“瓶颈”问题的一个好方法。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介由于变形体变形的错综复杂，可以看作为一个复杂性系统。复杂系统含有许多非线性、不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性。创立于20世纪70年代的非线性科学理论在变形研究中也得到了反映。例如，根据突变理论，用尖点突变模型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，研究了大坝观测数据序列中的混沌现象。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介在变形分析中，出于实用、简便上的考虑，我们一般应用较多的是单测点模型，为顾及监测点的整体空间分布特性，多测点变形监控模型也得到了发展。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1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，大多都是离线的（事后的），不能进行即时预报与监控，无法在紧急关头为突发性灾害提供即时决策咨询，这与目前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的方法成为技术关键。已有研究表明，采用递推算法的贝叶斯动态模型进行大坝监测的动态分析认为是可行的。在隔河岩大坝GPS自动化监测系统中，我们采用递推式卡尔曼滤波模型进行全自动在线实时数据处理起到了较好效果。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介在GPS监测系统中，数据处理的主要工作是观测资料的解算，如GPS差分求解、GPS监测网平差等，以提供高精度、高可靠性的相对位置信息。而数据分析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，并对变形成因作解释。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介诞生于20世纪80年代末的小波分析理论，是一种最新的时频局部化分析方法，被认为是傅立叶分析方法的突破性进展。应用小波方法，进行时频分析，可望有效地求解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21届IUGG大会“小波理论及其应用”被IAG确定为大地测量新理论研究方向之一。在1999年召开的第22届IUGG大会上，“小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用”再次被IAG确定为GIV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。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.1变形分析方法简介从目前应用来看，虽然小波分析要求大子样容量的时间序列数据，但是，长序列数据可从GPS、TPS等集成的自动化监测系统中得到保障。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，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（尤其是动态变形监测）的数据分析方面将会发挥巨大作用。1.3变形分析的的内涵及其研究进展现代变形分析方法：时间序列分析频谱分析小波分析滤波技术：数字滤波、卡尔曼滤波、贝叶斯滤波灰色理论：灰关联分析神经网络：人工神经网络、专家系统模糊数学：模糊人工神经网络抗差估计理论：抗差多元回归模型非线性理论：突变理论、混沌现象1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2变形物理解释的进展变形物理解释的方法可分为：统计分析法确定函数法混合模型法1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2变形物理解释的进展统计分析法：以回归分析模型为主，是通过分析所观测的变形（效应量）和外因（原因量）之间的相关性，来建立荷载-变形之间关系的数学模型，它具有“后验”的性质，是目前应用比较广泛的变形成因分析法。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2变形物理解释的进展统计分析法：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。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。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。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2变形物理解释的进展确定函数法：以有限元法为主，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，通过应力与应变关系建立荷载与变形的函数模型，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。确定性模型具有“先验”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一定的要求。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2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是混合模型和反分析方法的研究，已在大坝安全监测中得到了较好应用。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2变形物理解释的进展混合模型：是对于那些与效应量关系比较明确的原因量（比如水质分量）用有限元法（FEM,FiniteElementMethod）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之间函数关系的原因量（比如温度，时效）则仍用统计模式，然后与实际值进行拟合而建立的模型。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2变形物理解释的进展反分析方法：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、施工和运行中去，它包含有反演分析和反馈分析。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.2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，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。1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.3变形分析研究的发展趋势回顾变形分析方面所取得的大量实践及研究成果，展望变形分析研究的未来，其发展趋势将主要体现在如下几个方面：①数据处理与分析将向自动化、智能化、系统化、网络化方向发展，更注重时空模型和时频分析（尤其是动态分析）的研究，数字信号处理技术将会得到更好应用；②会加强对各种方法和模型的实用性研究，变形监测系统软件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；1.3变形分析的的内涵及其研究进展1.3.3变形分析研究的发展趋势③由于变形体变形的不确定性和错综复杂性，对它的进一步研究呼唤着新的思维方式和方法。由系统论、控制论、信息论、耗散结构论、相同学、突变论、分形与混沌动力学等所构成的系统科学和非线性科学在变形分析中的应用研究将得到加强；④几何变形分析和物理解释的综合研究将深入发展，以知识库、方法库、数据库和多媒体库为主体的安全监测专家系统的建立是未来发展的方向，变形的非线性系统问题将是一个长期研究的课题。本节的内容重点：变形分析的内涵变形分析的主要方法变形物理解释的内容变形分析的发展趋势1.3变形分析的的内涵及其研究进展第一章引论主要内容变形监测的内容、目的与意义变形监测技术及其发展变形分析的的内涵及其研究进展