变形监测网数据处理16页word

目录

1 绪论 (1)

1.1变形监测的目的和意义 0

1.2GPS在变形监测中的应用 0

1.3本文的主要研究内容 (1)

1.3.1 变形监测网参考系的选择 (1)

1.3.2 变形监测网点位稳定性分析 (1)

1.3.3 GPS监测网数据处理的一般模型 (2)

2 变形监测网数据处理的基本理论 0

2.1监测网的优化设计 0

2.2监测网的质量分析 0

2.2.1 精度 (4)

2.2.2 可靠性 (1)

2.2.3 经济性 (1)

2.2.4 灵敏度 (1)

2.3监测网的参考系 (5)

2.3.1 监测网的分类 (5)

2.3.2 监测网的平差方法 (2)

3 GPS监测网数据处理的一般模型 0

3.1外业观测成果检核 0

3.1.1 同步边观测数据的检核 0

3.1.2 同步环闭合差的检核 (1)

3.1.3 异步环闭合差的检核 (1)

3.2GPS监测网平差的基本模型 (1)

3.2.1 GPS基线向量网平差的方法分类 (1)

3.2.2 GPS网空间无约束平差模型 (1)

3.2.3 自由网平差成果的转换 (2)

3.3GPS监测网多期数据的基准统一 (2)

3.3.1 各期基线解算的基准分析 (2)

3.3.2 分期平差时基准的统一 (2)

4 总结与展望........................ 错误！未定义书签。

4.1结论 0

4.2进一步工作的研究方向 0

参考文献 (13)

摘要

变形在一定范围内被认为是允许的，但如果变形超过允许值，则可能引发灾害。因此，科学、准确、及时地分析和预报自然物及工程建筑物的变形状况，具有十分重要的意义。变形监测首先要确定监测对象的相对或绝对位移量，即变形的几何分析，本文主要针对变形几何分析的相关内容进行研究。

1、系统归纳了变形监测网的经典平差、秩亏平差以及拟稳平差的理论和计算过程，以某一沉降监测网数据为例，分别采用上述三种平差方法进行计算，结果表明采用不同的平

差基准，得到的变形量也不同，应根据所选基准是否与实际情况相符合的原则进行平差。

2、详细探讨了变形监测网中点位稳定性分析的各种方法。主要研究采用平均间隙法对监测网稳定性进行整体检验的方法，以及采用t检验法对单点位移显著性进行判定的方法，并应用此理论对某一沉降监测网进行点位稳定性分析。

3、研究GPS周期性重复监测网数据处理的一般模型。分析单期监测基线向量网的三维无约束平差模型，推导将基线网的经典平差成果分别转换为拟稳平差成果和秩亏自由网平差成果的转换模型，研究统一GPS监测网多期观测数据位置、尺度和方位基准的方法。

4、重点研究GPS基线向量网中粗差处理的理论和方法。通过分析抗差估计的基本原理，讨论现有抗差估计的几种等价权函数的优缺点，从观测误差对参数估计的影响出发，利用服从于t分布的学生化残差构造等价权函数，以此建立GPS基线向量网的抗差估计模型。选取一实测GPS网数据，通过人为加入模拟粗差，采用所建立的抗差估计模型进行计算。结果分析表明，所构造的基于学生化残差的等价权函数能够削弱观测粗差对参数估计的影响，具有一定的抗差性能。

关键词：平差基准，点位稳定性，三维无约束平差，等价权函数

1 绪论

1.1变形监测的目的和意义

变形是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中发生变化。所谓变形监测，就是利用测量仪器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。其任务是确定各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。根据变形体的范围，可将变形监测对象划分为3类：全球性变形研究、区域性变化研究和工程和局部性变形研究

变形在一定范围内被认为是允许的，但如果变形超过允许值，则可能引发灾害。自然界中许多灾害的发生与变形有着极为密切的联系，如地震、泥石流、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发等等，都是典型的变形破坏现象。工程建筑物在施工和运营期间，由于受多种因素的影响，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使用，严重时还会危及建筑物的安全，引起坍塌、滑坡、沉陷、倾斜、裂缝等灾难性后果，给人民生命财产带来巨大损失。现代工程建设技术的发展，不仅体现在建设的进程和速度上，更多的是表现在建筑物的规模、造型、难度等方面。因此，变形监测工作的意义就显得更为重要。

变形监测的意义重点表现在两个方面：首先是实用上的意义，主要是掌握各种工程建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取相应的补救措施，把事故消灭在萌芽之中；其次是科学上的意义，主要包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和经验公式，以及建立正确有效的变形预报理论和方法。

1.2GPS在变形监测中的应用

GPS作为一种全新的现代空间定位技术，以其高精度、高效率、高度自动化、全天候作业、操作简单方便等诸多优点在各领域发挥了重要作用，例如，在航空中，GPS技术用于获取信息采样点的位置坐标、飞行时准确的导航定位等；在气象学研究中，利用地面GPS来探测大气，进行天气预报。与常规测量方法相比，GPS技术不仅可以满足变形监测工作的精度要求，而且有助于监测工作的自动化与实时化。

变形监测除了反映监测物体当前的变形信息外，对未来变形量做出准确的预报也是及其重要的内容。由于多种不确定因素的影响，变形预报模型也较

多，主要有以下几种：

(1)回归分析模型：除了做变形的物理解释外，也可用于变形预报。目前多元线性回归仍是变形分析中应用最多的一种方法，尤其在大坝的变形观测数据处理方面。

(2)时序分析模型：其理论依据是当观测序列之间存在相关性时。

(3)灰色预测(GM)模型：1982年，邓聚龙教授首次提出灰色系统理论是解决灰色系统分析、建模、预测、决策和控制的理论，其中最具代表性的是灰色GM(1，1)预测模型，对原始数据采用累加生成法生成数列，有减弱随机性、增加规律性的作用。

(4)卡尔曼滤波模型：将变形体视为一个动态系统，用状态方程和观测方程来描述动态系统，以监测点的位置、速率和加速率参数为状态向量，求解时不需保留用过的观测值序列，按照一套递推算法，把参数估计和预测有机地结合起来，特别适合于变形监测数据的动态处理。

（5）小波分析：小波分析具有良好的时频域局部化分析功能。复杂的形变测量信号包含各种频率成分，且有效信息集中在低频段，干扰分布在高频段，利用小波变换对变形观测数据进行分解和重构，提取低频段有效信息，可有效地消除干扰，提高变形分析的精度。

随着各种信息论、系统论、控制论等科学思想的引入，变形预报模型变得更加丰富。单一的研究途径和方法不再适合于复杂的变形分析与预报，针对不同模型的优缺点，根据各工程实际情况，将多种理论和方法有机结合，综合使用将会取得更好的效果。

1.3本文的主要研究内容

1.3.1变形监测网参考系的选择

参考系即平差的基准，合理地选择参考系是变形监测网数据处理的基本问题，参考系不同，平差方法就不同。平差基准分为固定基准、重心基准和拟稳基准，与此相对应的平差方法分为经典平差、秩亏平差和拟稳平差。通过分析对比一沉降监测网不同平差方法得到的结果的差异，研究实际应用中选择参考系的原则。

1.3.2变形监测网点位稳定性分析

变形监测点的位移量是相对于参考基准的，只有保证所选基准点稳定，所求的位移才是真实位移。同时点位差异是由观测误差所引起，还是点位真正的变形，必须对它们进行区分。因此点位稳定性分析也是变形监测数据处理的重要内容。文中研究了对监测网稳定性进行整体检验的平均间隙法，以及对单点位移显著性进行判定的t检验法，并应用此理论对一沉降监测网数据进行了计

算分析。

1.3.3GPS监测网数据处理的一般模型

给出平差前GPS监测网外业观测质量检核的内容；研究单期监测基线向量网无约束平差模型，导出将经典自由网平差成果分别转换为拟稳平差成果和秩亏自由网平差成果的转换模型，以适应在不同条件下进行GPS变形监测的数据处理需要；从精度、可靠性和置信度三方面对平差后GPS网的质量进行评价；研究统一GPS监测网多期观测数据位置、方位和尺度基准的方法。

2 变形监测网数据处理的基本理论

2.1监测网的优化设计

变形监测网是一种特殊的测量控制网，如同测图控制网、施工控制网一样，优化设计是一个重要的考虑内容。其含义重点表现在两个方面：

(1)在布设控制网时，希望在现有的人力、物力和财产条件下，使控制网具备最高的精度、灵敏度和可靠性；

(2)控制网在满足精度、灵敏度和可靠性要求的前提下，使控制网的成本(费用)最低。

控制网优化设计的方法有很多种，但都可以归纳成解析法和模拟法两类。

(1)解析法

解析法是通过建立优化设计问题的数学模型，即将设计问题表达为含待求设计变量(如观测权、点位坐标)的线性或非线性方程组，选择一种恰当的寻优算法，求出问题的严格最优解。解析法可适用于各类的设计问题，特别是零类设计，具有计算机时较少、理论上较严密等优点，但其数学模型难于构造，最优解有时不符合实际或可行性差，权的离散化和程序设计较费时。

(2)模拟法

模拟法是对经验设计的初步网形和观测精度，模拟一组起始数据与观测值输入计算机，按参数平差，组成误差方程、法方程、求逆进而得到未知参数的协因数阵，计算未知参数及其精度，估算成本，或进一步计算可靠性数值等信息；与预定的精度要求、成本和可靠性要求等相比较，根据计算所提供的信息及设计者的经验，对控制网的基准、网形、观测精度等进行修正。然后重复上述计算，必要时再进行修正，直至获得符合各项设计要求的较理想的设计方案。

2.2监测网的质量分析

变形观测的目的就是确定变形体变化的空间状态和时间特征，并解释发生变化的机理，以保证建筑物安全运营。变形观测具有精度高，重复观测等特点，其精度需从实际出发，通过分析变形体的特征，根据变形的大小及允许值等来确定，同时还应保证其它指标的满足，诸如必要的可靠性及建网的费用等。此外，监测网还具有一个非常特殊的质量准则——灵敏度。

2.2.1精度

所谓精度就是描述误差分布离散程度的一种度量，常用方差或者均方差来描述。对于任何一个工程控制网，均可以用Gauss-Markov(G．M)模型：

来描述。

未知参数的方差阵或协因数阵在评定网的精度中，起着非常重要的作用，所需的各种精度均可由它导出。可以认为它包含了网的全部精度信息，因此称它为网的精度准则矩阵，用此可以完整地描述网的精度情况。但实用中很难直接地将两个不同的精度矩阵之间进行比较，判断出哪一个精度高，哪一个精度低。所以总是抽取精度矩阵的一部分信息，定义一些数值指标作为比较精度高低的标准，称之为纯量精度标准。

2.2.2可靠性

可靠性是指控制网探测观测值粗差和抵抗残存粗差对平差成果影响的能力，一般分为内部可靠性和外部可靠性。内部可靠性用来描述控制网本身发现某一模型误差的能力。外部可靠性又称为总体可靠性，是指无法探测出而保留在观测值中的残存粗差对平差结果的影响程度。

2.2.3经济性

布设任何控制网都不可一味追求高精度和高可靠性而不考虑费用问题，尤其是在讲究经济效益的今天更是如此。网的优化设计，就是得出在费用最小(或不超过某一限度)的情况下使其他质量指标能满足要求的布网方案。具体说就是采用下列的某一原则：

(1)最大原则。在费用一定的条件下，使控制网的精度和可靠性最大或者可靠性能满足一定限制下使精度最高。

(2)最小原则。在使精度和可靠性指标达到一定的条件下，使费用支出最小。

2.2.4灵敏度

变形监测网不同于一般控制网的性质、特点和用途，其目的就是要证明监测对象是否存在显著变形，和一般控制网相比，监测网最主要的特点就是具有周期性和方向性，即通过多期观测来发现建筑物在某一特定方向上的变形。如重力坝主要是发现垂直于坝体方向的变形等。灵敏度正是用来描述监测网发现变形体某一特定方向上变形的能力，是监测网所特有的主要的质量指标。

2.3监测网的参考系

2.3.1监测网的分类

监测网一般可分为绝对网和相对网两类。绝对网是指网中一部分点位于变