变形监测的理论与方法(黄声享)

系统设计要求：
实时性：在监控中心，实时反映各监测点三维方向的位移 自动化：整个系统监测过程的全自动，不要人工值守，变 形分析过程全自动化 连续性：观测数据连续性，数据处理按每间隔6h或2h提供 一次解算结果，数据处理结果在整个时间序列中具有连续 性，变形分析对应为连续性 智能化：实时性和自动化的需求，整个变形分析系统所采 用的分析工具（方法）要求成熟的专家知识，实现人工智 能和计算智能 可靠性：变形监测成果是供大坝安全性作决策的，因此， 变形分析结果必须准确、可靠 另外，系统还应具有较好的延伸功能，包括软件系统的可 扩展性、安全性、可维护性和个性化需求
1 变形监测工作及其意义 2 变形监测技术 3 变形监测资料的预处理 4 监测基准与稳定性 5 变形分析与建模
1 变形监测工作及其意义 变形监测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 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。
GPS动态监测—监测结果
20 10 0 -10 -20 0 256 512 768 1024 1280 1536 监测点
变化量/mm
1792
2048
20 10 0 -10 -20 0 256 512 768 1024 1280 1536
变化量/mm
参考点
1792
2048
参考点与监测点在x方向的时程曲线对比
主 要 内 容
1 变形监测工作及其意义 2 变形监测技术 3 变形监测资料的预处理 4 监测基准与稳定性 5 变形分析与建模
2 变形监测技术
变形监测的内容
获取变形几何量
水平位移、垂直位移以及偏距、倾斜、扰度、 弯曲、扭转、震动、裂缝等。
获取与变形有关的影响因子(物理量)
应力、应变、温度、气压、水位（库水位、地 下水位）、渗流、渗压、扬压力等。
(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
实际应用情况
(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
实际应用情况
(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
实际应用情况
(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
实际应用情况
(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
实际应用情况
(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
变形监测技术的应用实例
(2) GPS在高层建筑测量中的应用
厦 门 的 高 层 建 筑
(2) GPS在高层建筑测量中的应用
问题的提出 高层建筑施工中的测量基准传递和轴线、垂直度、 高程控制是建筑物施工质量控制的重点之一。其测量 速度、精度和可靠性直接影响着整体工程的施工进度 和质量。 随着高层建筑的发展，传统测量技术的弊端表现在： 仪器系统误差较大，难以克服 传递误差存在积累，越到高层，测量基准传递 误差越大 平面与高程分开，分别进行 受外界气候影响
参考点
参考点与监测点在y方向的时程曲线对比
(2) GPS在高层建筑测量中的应用
GPS动态监测—监测结果
40 20 0 -20 -40 0
40 变化量/mm 20 0 -20 -40 0 256 512 768 1024 1280 1536 1792 2048变Leabharlann 量/mm监测点256
512
768
1024
2 变形监测技术
区域性变形监测
GNSS已成为主要的技术手段 空间对地观测遥感新技术——合成孔径雷达 干涉测量（InSAR），在监测地震变形、火 山地表移动、冰川漂移、地面沉降、山体滑 坡等方面的试验精度已可达厘米或毫米级， 表现出很强的技术优势 精密水准测量依然是高精度高程信息获取的 方法
2 变形监测技术
(3) GPS在桥梁监测中的应用
工程和局部性变形监测 地面常规测量技术 地面影像测量技术 特殊和专用的测量手段 卫星定位技术
2 变形监测技术
地面常规监测方法
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（角度、边长交会） 后方交会法（自由设站法） 极坐标法 视准线法、小角法、测距法 几何水准测量、三角高程测量
1280
1536
1792
2048
参考点
参考点与监测点在H方向的时程曲线对比
(2) GPS在高层建筑测量中的应用
GPS动态监测—频谱分析
应用频谱分析法，对上述的 三维数据序列分别进行处理，可 以计算出相应的频谱特征。为了 直观起见，将整个数据序列的频 谱图人为地分为低、中、高三个 频段，所对应的频率范围分别为 0～0.25Hz、0.25～0.50Hz、0.5 ～1Hz， 右 图 为 中 频 段 的 频 谱 图。根据高层建筑结构的固有频 率分析可知，设计频段为0.30～ 0.35Hz，监测结果得到了体现。
1 变形监测工作及其意义
变形体的范畴可以大到整个地球，小到 一个工程建（构）筑物的块体，它包括 自然的和人工的构筑物。变形体的研究 范围分类： 全球性变形 区域性变形 工程和局部性变形
1 变形监测工作及其意义
代表性的工程和局部变形体 大坝 桥梁 矿区 高层（耸）建筑物 高速轨道交通 防护堤 边坡 隧道 城市地铁 地表沉降
2 变形监测技术
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 工作基点：为方便观测，应相对稳定 基准点：应布设在稳定位置 变形监测频率的确定 取决于变形的大小、速度以及观测的目的。
变形监测技术的应用实例
(1) 清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
清 江 隔 河 岩 大 坝
(1)清江隔河岩大坝GPS自动监测系统
坝体、坝基垂直位移 坝体、坝基挠度 倾 斜
2 变形监测技术
变形体的几何模型：认识与理解
定义(参见图)：参考点、目标点及其它们之间的连 接称为变形体的几何模型。 概念： 变形体空间上的离散化：监测点（目标点） 时间上的离散化：周期性监测、持续性监测 相对定位、绝对定位 参考点、目标点 不变量、可变量
(2) GPS在高层建筑测量中的应用
GPS动态监测—小波分析
小波分析及结果
小波包三层分解的示意图 （分解过程及频段划分）
结构振动频段信号的频谱分析及对比
(2) GPS在高层建筑测量中的应用
厦 门 建 设 银 行 大 厦
变形监测技术的应用实例
(3) GPS在桥梁监测中的应用 武汉长江二桥 GPS变形监测网
2 变形监测技术
变形信息获取的方法选择
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。
2 变形监测技术
全球性变形监测：空间大地测量是最 基本最适用的技术。主要包括：
卫星导航定位系统（GNSS） 甚长基线射电干涉测量（VLBI） 卫星激光测距（SLR） 激光测月技术（LLR） 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）
实际应用情况 在1998年抗洪错峰中所发挥的作用
系统于1998年3月开始试运行。在试运行期间，正逢有史 记载以来的特大洪水，该系统经受了考验，在整个汛期 运行正常，精度与人工观测结果符合得很好。尤其是给 防汛指挥部提供的每2小时一次高精度、可靠的大坝位移 数值，为隔河岩水库高水位贮水提供了的科学依据。为 长江洪峰通过荆州时，确保了安全渡汛，避免了灾难性 的分洪。它充分体现了当代高新技术在关键时刻所发挥 的关键作用。
2 变形监测技术
变形监测的特点
要进行周期观测，每一周期的观测方案 如监测网的图形、使用仪器、作业方法 乃至观测人员都要尽可能一致 动态、持续监测 要求精度高，对于重要工程，一般要求 “以当时能达到的最高精度为标准进行变 形观测设计”
变形监测的精度举例
项 目 重 坝 水平位移 坝 基 体 拱 坝 重 拱 坝 力 坝 径 向 切 向 坝 顶 坝 基 力 坝 径 向 切 向 位移中误差限值 ±1.0mm ±2.0mm ±1.0mm ±0.3mm ±1.0mm ±0.5mm ±1.0mm ±0.3mm ±0.3mm 坝 坝 坝体表面接缝与裂缝 水平位移 近坝区岩体 垂直位移 水平位移 滑坡体和高边坡 垂直位移 裂 缝 体 基 ±5.0″ ±1.0″ ±0.2mm ±2.0mm ±2.0mm ±3.0(岩质边坡) ±5.0(土质边坡) ±3.0mm ±1.0mm
(2) GPS在高层建筑测量中的应用
问题的提出
目前，高层和高耸构筑物（如桥梁、高塔、高层建筑等）不 仅越来越多，而且造型日趋复杂，并向超高度发展，其安全性 检测已成为工程界和学术界的热门课题。检测的目的在于确定 结构振动特性，其中包括结构本身的振动和受外荷载（如风 力、日照、地震等）所引起的振动和形变。 过去，常采用加速度计等设备测定结构物的振动特性，但 是，随着建筑物高度的增高，以及连续、实时和自动监测程度 要求的加强，常规测量技术已越来越受到局限。GPS作为一种新 方法，由于其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率（有 的已高达20Hz）GPS接收机的出现，在大型结构物动态特性监测 方面已表现出其独特的优越性。
1 变形监测工作及其意义
变形监测的意义
确保安全（实用上的意义）
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信息，及时发现问题，以便 采取措施。
验证设计（科学上的意义）
包括解释变形的机理，验证变形的假说，检验设 计的合理性，为修改设计、制定规范提供参考。
变形监测与分析方法及其应用
变形监测的理论与方法
黄声享 sxhuang@
武汉大学测绘学院 2009年12月·武汉
变形监测的理论与方法
变形监测任务书 监测方案 变形监测数据获取
数 理 统 计 知 识 人工观测 自动化观测
监测资料的预处理 监测基准与稳定性分析
统计模型
变形分析方法
确定性模型
变形监测的理论与方法 主 要 内 容
测量基准传递 —关键技术 利用GPS技术进行超高层 建筑测量基准传递的关键技 术，主要体现在： GPS观测方案设计 数据通讯、数据处理 和坐标转换 大地高的应用