变形监测网数据处理

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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
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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。
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3.1 外业观测成果检核 ................................ 7 3.1.1 同步边观测数据的检核 ........................ 7 3.1.2 同步环闭合差的检核 .......................... 8 3.1.3 异步环闭合差的检核 .......................... 8 3.2 GPS 监测网平差的基本模型 ........................ 9 3.2.1 GPS 基线向量网平差的方法分类 ................ 9 3.2.2 GPS 网空间无约束平差模型 .................... 9 3.2.3 自由网平差成果的转换 ........................ 9 3.3 GPS 监测网多期数据的基准统一 .................... 9 3.3.1 各期基线解算的基准分析 ..................... 10 3.3.2 分期平差时基准的统一 ....................... 10 4 总结与展望 ........................................ 11 4.1 结论 .......................................... 11 4.2 进一步工作的研究方向 ........................... 11 参考文献 .......................................... 13
目 录
1 绪论 ............................................... 1 1.1 变形监测的目的和意义 ............................ 1 1.2 GPS 在变形监测中的应用 .......................... 1 1.3 本文的主要研究内容 .............................. 2 1.3.1 变形监测网参考系的选择 ...................... 2 1.3.2 变形监测网点位稳定性分析 .................... 2 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 ....................... 4 2.1 监测网的优化设计 ................................ 4 2.2 监测网的质量分析 ................................ 4 2.2.1 精度........................................ 4 2.2.2 可靠性 ...................................... 5 2.2.3 经济性 ...................................... 5 2.2.4 灵敏度 ...................................... 5 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 ............................ 6 3 GPS 监测网数据处理的一般模型 ........................ 7
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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
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算分析。 1.3.3 GPS 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。
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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。 1.2 GPS 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