变形监测作业 第4章变形观测的数据处理 图文
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变形监测数据处理与分析
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0 94618 - 0 8186
1 982 10 1 982 11
0 000 0 000
2 398 0 23980 74
0 000 0 000
0 73926 1 37736
198212 0 000 23982 12 0 000 - 0 7365
第 27卷 第 8期 2011年 4月
甘肃科技 G ansu Sc ience and T echnology
Vol 27 N o 8 A pr 2011
变形监测数据处理与分析
杨林
(甘肃省测绘工程 院, 甘肃 兰州 730050)
摘 要: 无论是在测量 工程的实践上主要用于检查 各种工 程建筑 物和地 质构造 的稳定 性, 及 时发现 问题, 以便采 取 措施; 还是在科学研究 活动上用于包括更好理解变 形的机 理, 验证有 关工程设 计的理 论和地 壳运动 的假说, 以及 建 立正确的预报变形的理论和方法, 其变形观测占有重要的地位。通过对 云南地区 跨断层形变 过去 20 多年观测 数据 (从 1982年 2月 ~ 2005年 7月 )进行处理与分析, 得出了相应地形区 域的跨 断层地 应力积累 情况, 并与 过去二十 多 年云南当地地震情况联系在一起分析, 得出了其间的相互影响。 关键词: 变形监测; 变形观测数据; 数据处理和分析; 地应力 中图分类号: TD 842
1 变形观测
1 1 变形观测的概念及目的 在测量工程的实践和科学研究活动中, 变形观
测占有重要的位置。其在测量工程的实践上主要用 于检查各种工程建筑物和地质构造的稳定性, 及时 发现问题, 以便采取措施; 在科学研究活动上用于包 括更好理解变形的机理, 验证有关工程设计的理论 和地壳运动的假说, 以及建立正确的预报变形的理 论和方法。
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第 27卷 第 8期 2011年 4月
甘肃科技 G ansu Sc ience and T echnology
Vol 27 N o 8 A pr 2011
变形监测数据处理与分析
杨林
(甘肃省测绘工程 院, 甘肃 兰州 730050)
摘 要: 无论是在测量 工程的实践上主要用于检查 各种工 程建筑 物和地 质构造 的稳定 性, 及 时发现 问题, 以便采 取 措施; 还是在科学研究 活动上用于包括更好理解变 形的机 理, 验证有 关工程设 计的理 论和地 壳运动 的假说, 以及 建 立正确的预报变形的理论和方法, 其变形观测占有重要的地位。通过对 云南地区 跨断层形变 过去 20 多年观测 数据 (从 1982年 2月 ~ 2005年 7月 )进行处理与分析, 得出了相应地形区 域的跨 断层地 应力积累 情况, 并与 过去二十 多 年云南当地地震情况联系在一起分析, 得出了其间的相互影响。 关键词: 变形监测; 变形观测数据; 数据处理和分析; 地应力 中图分类号: TD 842
1 变形观测
1 1 变形观测的概念及目的 在测量工程的实践和科学研究活动中, 变形观
测占有重要的位置。其在测量工程的实践上主要用 于检查各种工程建筑物和地质构造的稳定性, 及时 发现问题, 以便采取措施; 在科学研究活动上用于包 括更好理解变形的机理, 验证有关工程设计的理论 和地壳运动的假说, 以及建立正确的预报变形的理 论和方法。
变形观测技术-PPT文档资料
对于同一变形观测工程，变形观测点能够达到的精度，除取决于监测网对观
测点的测量精度m测，也受监测网本身的精度影响。最不利情况是监测网中
的最弱点m弱施测观测点，则观测点的观测中误差：
m = 观
m m 测 2
2 弱
当m观由允许变形值确定后，就可以选择观测点的测量精度m测和监测网的精
度m弱：
m = 弱
m m - 2
93 《工程测量规范》将变形测量划分为四个等级，并规定了相应的精度指 标，见表2-1，其精度指标为：变形点水平位移中误差；变形点垂直 位移中误差；相邻点高差中误差。
表2--1 变形测量的等级划分及精度要求
对于同类工程建筑物，根据其结构、形状不同，要求的精度也有差 异。即使同一建筑物，不同的部位的精度要求也不不同。普通的工业与 民用建筑，变形监测的主要内容是基础沉陷和建筑物本身的倾斜。一般 来讲，对于有连续生产线的大型车间（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2mm的沉陷量，因此，对于观测点高 程的精度，应在1mm以内。特种工程设备，要求变形观测的精度高达 0.1mm。
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 于允许变形值的1/10~1/20；如果观测目的是为了研究其变形的过程，则 其中误差应比这个值少的多”
工程类型众多，要求各异，很难规定一个统一的精度标准。小于允 许变形值的1/10~1/20的要求取值灵活，易被人们接受，对于很重要的工 程人们还是愿意当时能够达到的最高精度为标准进行观测。GB·50026-
变形观测分为变形监测和变形检测
一、变形监测方案制定的主要内容
变形监测方案的制定必须建立在对工程场地的地质条件、施工方案、 施工周围环境详尽调查了解基础之上，同时还需与工程建设单位、施工 单位、监理单位、设计单位以及有关部门进行协调。由于变形监测方案 的制定将影响到观测的成本、成果的精度和可靠性，因此，应当认真、 全面的考虑。
《变形观测成果整》PPT课件_OK
17
回归分析
假设P有个自变量x1, x2 ,, xp ，n是观测值的个
数，因变量的观测值、观测值的均值及回归值分 别用符号 y、y、yˆ 表示。
总离差平方和，表示观测值与均值之差的平方
和，它反映了数据总的波动情况：
n
n
Lyy ( yi y)2 yi2 ny 2
i 1
i 1
18
回归分析
13
回归分析的基本原理
变量之间的关系分为两类，一类是变量之间存 在着完全确定的函数关系，称为函数相关；另一 类是变量之间存在统计上相关，称为统计相关， 即既存在一定的制约关系，又不能由一个（或几 个）变量精确地求出另一个变量的值来。使用统 计方法研究变量之间统计相关的规律就是回归分 析，它利用建立的经验公式处理连续型随机变量 之间的相关关系。
20
2 ．理论上，变行体的变形场是惟一的客观存在。 由于观测误差和模型误差的存在，无法获取客观存在 的变形场。因此，在外业数据采集过程中，在内业数 据处理和变形分析中，均应采用合适的方法和程序排 除误差干扰，以便获取客观变形场的最佳描述。
3
平差过程
(1)采取一定的物理方法或数学模型消除系统误差的 影响，获得仅包含偶然误差的观测值空间向量。如采 取一定的观测程序和方法消除仪器的误差，将系统误 差作为未知参数进行解算等。
对于第一个问题，主要运用专业的知识来确定，然后利用 统计检验的方法对因子的显著性进行检验，以使回归方程中只 保留影响显著的因子，剔除影响不显著的因子。
n
y b0 bi xi v
i 1
第二个问题：利用最小二乘法由观测资料计算回归系数的 估值，实际上就是测量中的间接平差问题。
16
回归分析
逐步回归的基本思想是在众多的自变量中，根 据这些自变量对回归方程影响程度的大小，逐次 地选入到回归方程中，在这个过程中，先前被选 入回归方程的变量，有些由于其后新引入的变量 而失去了重要性，这时就应从回归方程中将它们 淘汰掉。持续上述过程，直到回归方程中不在有 可淘汰的变量，也没有再可引入的变量为止，最 后所得的结果就是选定的回归方程。
回归分析
假设P有个自变量x1, x2 ,, xp ，n是观测值的个
数，因变量的观测值、观测值的均值及回归值分 别用符号 y、y、yˆ 表示。
总离差平方和，表示观测值与均值之差的平方
和，它反映了数据总的波动情况：
n
n
Lyy ( yi y)2 yi2 ny 2
i 1
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回归分析
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回归分析的基本原理
变量之间的关系分为两类，一类是变量之间存 在着完全确定的函数关系，称为函数相关；另一 类是变量之间存在统计上相关，称为统计相关， 即既存在一定的制约关系，又不能由一个（或几 个）变量精确地求出另一个变量的值来。使用统 计方法研究变量之间统计相关的规律就是回归分 析，它利用建立的经验公式处理连续型随机变量 之间的相关关系。
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2 ．理论上，变行体的变形场是惟一的客观存在。 由于观测误差和模型误差的存在，无法获取客观存在 的变形场。因此，在外业数据采集过程中，在内业数 据处理和变形分析中，均应采用合适的方法和程序排 除误差干扰，以便获取客观变形场的最佳描述。
3
平差过程
(1)采取一定的物理方法或数学模型消除系统误差的 影响，获得仅包含偶然误差的观测值空间向量。如采 取一定的观测程序和方法消除仪器的误差，将系统误 差作为未知参数进行解算等。
对于第一个问题，主要运用专业的知识来确定，然后利用 统计检验的方法对因子的显著性进行检验，以使回归方程中只 保留影响显著的因子，剔除影响不显著的因子。
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y b0 bi xi v
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第二个问题：利用最小二乘法由观测资料计算回归系数的 估值，实际上就是测量中的间接平差问题。
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回归分析
逐步回归的基本思想是在众多的自变量中，根 据这些自变量对回归方程影响程度的大小，逐次 地选入到回归方程中，在这个过程中，先前被选 入回归方程的变量，有些由于其后新引入的变量 而失去了重要性，这时就应从回归方程中将它们 淘汰掉。持续上述过程，直到回归方程中不在有 可淘汰的变量，也没有再可引入的变量为止，最 后所得的结果就是选定的回归方程。
变形观测与数据处理PPT课件
电信号后以便进行测定的器件，它是变形测量中 的一种有效的方法，它的最大优点是能自动化、 远距离操纵和连续记录。 • 光、机、电技术的发展，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、准直测量和倾斜测量。例如，遥测垂线坐 标仪，采用自动读数设备，其分辨率可达到 0.01mm；采用光纤传感器测量系统将测量与信 号传输合二为一，具有很强的抗雷击、抗电磁场 干扰和抗恶劣环境能力，便于组成遥测系统，实 现在线分布式监测。
量、航空摄影测量等。单相片摄影测量只能测定 平行于摄影机承片框平面上的变形。地面立体摄 影测量可测定物体空间位置的移动和变形，这两 种方法最适于近距离单体建筑物的变形测量。 • 由于计算机技术的广泛应用，使非地形解析摄影 测量方法有了很大的发展，因此在近景摄影变形 测量中不但可用带有框标与定向设备的测量摄影 机，而且可广泛使用非量测用普通摄影机，这就 为摄影测量方法在变形测量中的应用开辟了更广 阔的前景，如数字化摄影测量和实时摄影测量系 统的应用。
最新课件
2
1.1 变形监测的内容、目的与意义
• 1.1.1 对象
• 1）地表变形
• 自然原因：地壳板块运动、地球内部岩浆活动等
• 人为原因：人类的技术经济、生产活动引起各类 变形。
• 地下开采引起地表的移动变形；露天矿山开采及 公路、铁路等地表工程所形成的人工边坡可能的 滑坡；人工地下抽水或灌水引起的地表沉降和回 弹；岩溶地区可能产生地面塌陷等。
最新课件
7
• 变形测量就是针对这些问题进行研究与测量的一 个学科分支，因此变形测量的内容主要有：沉降 测量、位移测量、倾斜测量、裂缝测量和挠度测 量等。
• 从历次测量结果的比较中了解变形随时间发展的 情况。
• 变形测量的周期常随单位时间内变形量的大小而 定。当变形量较大时，测量周期宜短；当变形量 减小，建（构）筑物趋于稳定，测量周期可相应 放长。
量、航空摄影测量等。单相片摄影测量只能测定 平行于摄影机承片框平面上的变形。地面立体摄 影测量可测定物体空间位置的移动和变形，这两 种方法最适于近距离单体建筑物的变形测量。 • 由于计算机技术的广泛应用，使非地形解析摄影 测量方法有了很大的发展，因此在近景摄影变形 测量中不但可用带有框标与定向设备的测量摄影 机，而且可广泛使用非量测用普通摄影机，这就 为摄影测量方法在变形测量中的应用开辟了更广 阔的前景，如数字化摄影测量和实时摄影测量系 统的应用。
最新课件
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1.1 变形监测的内容、目的与意义
• 1.1.1 对象
• 1）地表变形
• 自然原因：地壳板块运动、地球内部岩浆活动等
• 人为原因：人类的技术经济、生产活动引起各类 变形。
• 地下开采引起地表的移动变形；露天矿山开采及 公路、铁路等地表工程所形成的人工边坡可能的 滑坡；人工地下抽水或灌水引起的地表沉降和回 弹；岩溶地区可能产生地面塌陷等。
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• 变形测量就是针对这些问题进行研究与测量的一 个学科分支，因此变形测量的内容主要有：沉降 测量、位移测量、倾斜测量、裂缝测量和挠度测 量等。
• 从历次测量结果的比较中了解变形随时间发展的 情况。
• 变形测量的周期常随单位时间内变形量的大小而 定。当变形量较大时，测量周期宜短；当变形量 减小，建（构）筑物趋于稳定，测量周期可相应 放长。
变形监测数据处理
变形监测数据处理1.变形的类型(了解):按变形性质可以分为周期性变形和瞬时变形;按变形状态则可分为静态变形和动态变形静态变形:是指变形监测结果仅表示为时间的函数;动态变形:是指在外力作用下产生的变形，它是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的变化，其观测结果是表示建筑物在某个时刻的瞬时变形。
2.变形监测的主要任务(了解):周期性地对拟定的观测点进行重复观测，求得其在两个观测周期间的变化量;或采用自动遥测记录仪监测建(构)筑物的瞬时变形。
3.变形监测分类(了解):(1)按监测范围分类:全球性变形监测:如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化等;区域性变形监测:如地壳形变监测、城市地面沉降等;工程和局部性变形监测:如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采使引起的沉陷变形等。
(2)按监测地点分类:内部变形监测:内容主要有工程建筑物的内部应力、温度变化的测量，动力特性及其加速度的测定等;外部变形监测:又称变形观测，其主要内容有建(构)筑物的沉降观测、位移观测、倾斜观测、裂缝观测、挠度观测等。
(工程建筑物的内外部变形观测之间有着密切的联系，一般应同时进行，以便互相验证和补充)4.测量点分类:(1)水准基点:垂直位移监测的基准点。
一般3~4个点构成一组，形成近似正三角形或正方形，为保证其坚固与稳定，应选埋在变形区以外的岩石上或深埋于原状土上，也可以选埋在稳固的建构筑物上。
普通混凝土标;地面岩石标;浅埋钢管标;井式混凝土标;深埋钢管标;深埋双金属标 (2)工作基点:用于直接测定监测点的起点或终点。
应在变形区附近相对稳定的地方，其高程尽可能接近监测点的高程。
工作基点布置:工作基点埋设:一般采用地表岩石标，当建筑物附近的覆盖层较深时，可采用浅埋标志，当新建建筑物附近有基础稳定的建筑物时，也可设置在该建筑物上。
工作基点观测:应经常与水准基点进行联测，通过联测结果判断其稳定状况，保证监测成果的正确可靠。
变形观测与数据处理共82页PPT
变形观测与数据处理
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
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变形分析的研究内容： ➢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。——回答规律是什么？
➢变形的物理解释：其任务是确定变形体的变形和 变形原因之间的关系，解释变形的机理。——产生 规律的原因
4.2.2 变形分析的主要方法
传统的变形几何分析，主要包括：
1、序号为观测次数，括 号内数字为观测时间 2、曲线图由激光铅直仪 直接测量的激光中心轨 迹反转而成
某电视塔顶部日照变形图
某大坝多期位移矢量
某滑坡体上的位移和沉降矢量图
地表沉降的三维表达
大坝水平位移立体表达
4.2 变形分析理论与建模方法
4.2.1 变形分析的内涵 4.2.2 变形分析主要方法 4.2.3 变形监测成果
合已知的变形规律和特征？主要用于工程建筑物变形的原
始实测值。
4
原始实测值的逻辑分析 ➢一致性分析：从时间概念出发来分析连续积累的资料，在 变化趋势上是否具有一致性； 一致性分析的主要手段是绘制时间—效应量的过程线图和原 因-效应量的相关图。
➢相关性分析：从空间概念出发来检查一些有内在物理意义 联系的效应量之间的相关性。 即将某点某一效应量本测次的原始实测值与同一点（或条件 基本一致的邻近点）的前、后、左、右、上、下邻近部位各 测点的本测次同类效应量或有关效应量的相应原始实测值进 行比较，看其是否符合它们之间应有的物理力学关系。
式中，δ2为光滑因子，称为正双曲面型函数
2.1.3 观测资料的整编
整编工作的主要内容是将变形观测值绘制成各种便于分析的图表。 观测点变形过程线 ➢以时间为横坐标，以累积变形值（位移、沉陷、倾斜、挠度等） 为纵坐标绘制成的曲线。观测点变形过程线可明显地反映出变形 的趋势、规律和幅度。
9
实测变形过程线的修匀
土层的荷载沉降量深度(P--S--Z)曲线图
某基坑回弹的纵横断面图
某桥墩的荷载变化及沉降过程曲线(99%的置信域))
建筑物某一断面上的沉降线图
坡度
某大坝铅直线上水平位移曲线
某 大 坝 由 测 倾 仪 得 到 的 挠 度 曲 线 图
内容：（1）不同时间挠度；（2）水位； （3）不同高度、不同位置挠度
22
4.2.1 变形分析的内涵
➢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。 ➢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。
变形分析的内涵就是从错综复杂的变形现象中找出其内 在规律性。
5
4.1.2 观测资料的插补
当由于各种主、客观条件的限制，实测资料可能出现漏测、 测点损坏等，或在数据处理时需要利用等间隔观测值时，则可 利用已有的相邻测次或相邻测点的可靠资料进行插补工作。
按内在物理联系进行插补
➢按照物理意义，根据对已测资料的逻辑分析，找出主要 原因量之间的函数关系，再利用这种关系，将缺漏值插补 出来。
4.1.1 原始数据可靠性分析
观测资料的整理
➢原始记录、计算的检核；
➢各种变形观测数据表的填写；
➢各种变形过程曲线、建筑物变形分布图的绘制。
原始资料的分析
➢对观测资料进行分析，是否具有规律性？如果有，说明 数据是正确的，如果没有，需要寻找原因？
原始实测值的逻辑分析
➢从内在物理意义上来分析原始实测值的可靠性，是否符
按数学方法进行插补
➢线性内插法；
y
yi
t ti ti1 ti
( yi1yi )来自式中：y、yi、yi为效应量
1
t1、ti、ti
为时间
1
6
➢拉格朗日内插：
y
n i 1
yi
n
j 1i
x xj xi x j
式中，y为效应量；x为自变量
➢多项式曲线拟合： y f (x) a0 a1x a2 x 2 an x n
u
s(x, y) a jQ(x y x j y j ) j 1
式中，u为所取结点的个数，Q(x y xj yj)为核函数，aj为待定 函数。核函数可以任意选用，为了简单，一般采用具有对称性 的距离型，例如
1
Q(x y x j y j ) (x x j )2 ( y y j )2 2 2
由于变形监测在时间和空间上往往是不连续的，因此得到的变
形过程线为折线，需对折线进行修匀，一般采用三点法完成。
三点法：
1、将（i-1）和(i+1)相连，求取此线与过i点的纵坐标轴平行
线之交点K 2、在直线iK上求取I点，使
IK
pi iK [ p]
则I为i的修正位置
式中：[p]=pi-1+pi+pi+1，而分别为点（i-1）、i、(i+1)根据 实际情况决定的权
变形与沉陷工程学
环境与测绘学院 郭广礼 电话：15351632038
邮箱：GUOGL65@
1
第4章 变形观测的数据处理
4.1 变形观测资料检核和整理 4.2 变形分析理论与建模方法
2
4.1 变形观测资料检核和整理
4.1.1 原始数据可靠性分析 4.1.2 观测资料的插补 4.1.3 观测资料整编
➢周期函数的曲线拟合：
yt a0 a1 cos wt b1 sin wt a2 cos 2wt b2 sin 2wt an cos nwt bn sin nwt
➢多面函数拟合： 多面函数拟合曲面的方法是美国Hardy教授1977年提出并用于 地壳形变分析，任何一个圆滑的数学表面总可用一系列有规则 的数学表面的总和以任意的精度逼近，一个数学表面上点（x， y）处速率s（x，y）可表达成
▪ 参考点的稳定性分析 ▪ 观测值的平差处理和质量评定 ▪ 变形的成因分析 ▪ 变形模型及变形预报
参考点的稳定性分析
变形监测通过基准点、参考点和变形点构成网形进行变形 点变形监测，而参考点作为变形监测的基准，如果参考点 稳定，那么所求的位移才是真实位移。同时，变形监测网 进行周期性观测，两次观测点位差异是由观测误差和点位 真正的变形组成，必须对它们进行区分，这就是点位稳定 性分析问题。另外，点位稳定性分析还可为监测网提供稳 定或相对稳定的基准信息，以便选取固定基准或拟稳基准。
w i
I i+1
i-1
k
x
当当ppii-＝1＝2，pi＝pip-i1+＝1时pi，+1＝[ppi] 113时，[ppi]
1 2
当pi＝4，pi－1＝pi+1＝1时，[ppi]
2 3
变形分布图
变形值剖面分布图、变形等值线分布图。变形分布图能够全
面地反映工程的变形状况。
等 值 线 图
某 大 楼 沉 降