古塔的变形模型
古塔变形的预测模型
Ｔｈｅ Ｐｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ Ｍｏ ｄｅ ｌ ｏ ｆ Ａｎｃ ｉ ｅ ｎｔ Ｐａ ｇ ｏ ｄ ａ Ｄｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ
平 面 ．且 所 围 图 形 接 近 正 八 边 形 ．这 与 实 际 测 量 情 况 基 本 相
Ｙ坐标 ）的 坐标 图如 图 ｌ 所示 。
《 蚰 。 一 一 一 一 举一 军一 一 ｕ ～ 一
蚪
ｌ
、ｊ
，
符。由 ８ 个 点 构 成 的凸 多 面 体 的 中心 （ 重 心 ）经过 投影 转换 为 求平 面几 何 图形 的 重 心 ．利 用 重 心 推 导计 算公 式并 计算 出古 塔
一
层 的 数 据 导 入 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ软 件 中ｆ ｑ ，得 出 八 个 测 试 点 （ ｘ坐 标 和
（ ３ ） 古塔 将 来 的变 化 趋 势 。对 于 问题 （ １ ） ，资 料 给 出 了 每一 层 ８个 观 测 点 的 坐 标数 据 ，经 过 验 证 发 现 每 组 坐 标 基 本 处 于一 个
Ａ Ｒ Ｔ Ｉ Ｆ Ｉ Ｃ Ｉ Ａ Ｌ Ｉ Ｎ Ｔ Ｅ Ｌ Ｌ Ｉ Ｇ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ａ Ｎ Ｄ Ｉ Ｄ Ｅ Ｎ Ｔ Ｉ Ｆ Ｉ Ｃ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｉ Ｑ Ｕ Ｅ Ｓ
人 工 智 能 及 识 别 技 术
古塔 变形 的预测模型
贺永 会
（ 山东英才学院 ，济南 ２ ５ ０ １ ０ ４ ）
摘 要 ：针 对 某一 古塔 １ ９ ８ ６ — ２ ０ １ １ 年４次 测 量 的 数 据 ，利 用操 作 研 究 的预 测 和优 化 方 法 ，对 该 古 塔 的 变形 进 行 了相
2013数学建模——古塔的变形
承诺书我们仔细阅读了《全国大学生数学建模竞赛章程》和《全国大学生数学建模竞赛参赛规则》（以下简称为“竞赛章程和参赛规则”，可从全国大学生数学建模竞赛网站下载）。
我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛章程和参赛规则的，如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。
我们郑重承诺，严格遵守竞赛章程和参赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。
如有违反竞赛章程和参赛规则的行为，我们将受到严肃处理。
我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等）。
我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： C我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：5339所属学校（请填写完整的全名）：参赛队员(打印并签名) ：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：（论文纸质版与电子版中的以上信息必须一致，只是电子版中无需签名。
以上内容请仔细核对，提交后将不再允许做任何修改。
如填写错误，论文可能被取消评奖资格。
）日期： 2013 年 09 月 16 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：古塔的变形数学模型摘要:本文是研究关于古塔变形类型以及变形分析的模型，用Matlab画出古塔的三维结构可以看出它是近似于正八边形的形状。
因此，问题一我们用每层各个测量点坐标的平均值作为塔每层的中心坐标，再用中心坐标的三个坐标值分别对时间t做回归来得到确定古塔各层中心位置的通用方法。
数学建模古塔的变形
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）日期： 2013 年 9 月 13 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：对古塔变形问题的数学建模摘要中国古语有云，“救人一命胜造七级浮屠”，所谓浮屠也就是大众口中的“塔”。
在中国辽阔的大地上，古塔的踪影随处可见。
它们造型精美、结构巧妙，成为可多得的独特景观。
早起的古塔，主要是阁楼式的建筑，从唐朝经过两宋至辽、金，是我国古塔发展的高峰时期，特别是唐和两宋，古塔的建造达到了空前繁荣度，总量较以前大增，材料也更为丰富，除了木材和砖、石以外，还使用了铜、铁、琉璃等、材料上有木塔为主转为以石塔为主，平面则由四方形逐渐演变为六角和八角形。
关于古塔变形的数学模型
关于古塔变形的数学模型摘 要本文主要研究古塔在自重、气温、风力等因素的影响下产生变形的问题。
采用中垂线求解外切圆圆心的模型以及多次平均除误差的方法，找到了确定古塔中心的通用方法，并用多元线性回归模型及插值拟合等方法对倾斜、弯曲、扭曲等变形情况进行分析，从而通过残差拟合得出预测数据对古塔变形趋势进行描述。
针对问题一：论文采用古塔八个角点中任意三个角点构成的两两连线，取其中垂线的交点得到外接圆圆心，已知正八边形的中心与外接圆圆心一致，但古塔八角点构成的八边形存在轻微不规则，所以我们采用多次取点求外接圆圆心，并用其平均值消除误差，最后对不同取点方式进行了精度分析（答案详见表一）。
针对问题二：首先是古塔倾斜分析，根据测量学本文取塔尖和塔底的中心连线作为倾斜角计算的倾斜方程，算出塔顶在水平面投影与塔底中心的间距S ∆，引入实测高程数据H ∆，可以得到古塔四次测量的倾斜角（HD∆∆=arctan α），对其倾斜情况经行描述；然后是弯曲情况分析，根据问题一中古塔各层中点坐标，本文对其进行多元回归分析及多项式拟合，得出函数曲线，并将其和倾斜方程进行比较得到最大差值即挠度（材料力学中对弯曲的描述量）；最后是扭曲分析，本文分垂直和水平两个方向进行讨论，垂直方向上涉及高程Z ，即对各层中心点多元线性回归得到的拟合值与实测值进行残差分析，得到扭曲描述量（Ny y r i ∑-=2')(）。
水平方向，本文参考材料力学中扭转角的计算，对古塔各层间的轴向扭转进行分析，得到扭转角对古塔扭曲情况进行描述。
针对问题三：在分析了四次观测值中倾斜、弯曲，扭曲的情况下，本文采用加权平均的方法各产生影响数据进行处理后，进行残差拟合，得到下一次观测的模拟数据，对古塔的变形进行变形趋势描述关键词 多边形中心确定 多元回归分析 多项式拟合 残差分析由于长时间承受自重、气温、风力等各种作用，偶然还要受地震、飓风的影响，古塔会产生各种变形，诸如倾斜、弯曲、扭曲等。
古塔的变形模型与预测
向 上评 价 的 方 法得 出最 终 的 综 合 评 价 结 果 ， 结果表 明， 太 阳能 光 伏 发 电 项 目基 本 良好 ， 评 价 结 果 客
观合理 ， 实例 也 证 明 该 模 型 操 作 简便 可 行 ．
随后呈 下 降 的趋 势 ， 说 明古 塔 的弯 曲程 度 在 未来 几年 中可 能会有 所 好转 ．
３ ． ３ 古 塔 的 扭 曲趋 势
拟合 曲线 ， 很 明显 随着塔 的层 数 的增 加 ， 相对底 层 的扭 曲程 度逐渐 增 大． 对 四年 中每年 的平 均 扭转 角度 作 线 性 拟合 ， 从图 ７ 可 以看 出 ， 拟合直 线呈 下降趋 势 ， 说 明古 塔
［ ４ ］张志涌 ， 杨祖樱 ， Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ教程 Ｒ ２ ０ １ １ ａ Ｆ Ｍ］ ． 北京 ： 北京航空航天大学 出版社 ， ２ ０ １ １ ： １ ９ ３ — ２ １ ９ ． 编辑 ： 文 心
基于商空间理论的太阳能光伏发电项 目评价研究
孙 群 ， 刘 国璧 。 ， 袁 宏 俊 。
的扭 曲程 度逐年 减小 ．
将 表 ４中古 塔 各 层 扭 曲 数 据进 行 线 性 拟 合 ．
图 ４ 倾斜角趋势 图
图 ５ 平均曲率趋势 图
图 ６ 古塔各层扭 曲及其拟合直线
图 ７ 平均扭转角度趋势 图
参 考 文 献
［ １ ］陈 平 ， 姚谦峰 ， 赵冬． 西 安 大雁 塔 抗 震 能 力 研 究 ［ Ｊ ］ ． 建筑结构学报． １ ９ ９ ９ （ １ ） ： ４ ６ — ４ ９ ．
由于长时 间受 气温 、 风力 、 自重等 各种 因素 的
表 １ 各 层 塔 中心 点 坐 标
ｍ
作用 及偶 然还 要受 地震 、 飓 风的影 响 ， 古塔 会产 生 各种 变 形 ， 如倾 斜 、 弯曲、 扭 曲等． 为 保 护古 塔 ， 文
基于古塔变形预测的数学模型
基于古塔变形预测的数学模型陈卫忠;王庆【期刊名称】《苏州市职业大学学报》【年(卷),期】2014(0)2【摘要】对于古塔变形问题，探讨计算古塔各层中心的方法，对古塔倾斜、弯曲、扭曲等变形情况给出明确的定义，并建立基于古塔变形预测的数学模型，预测其变形趋势，给文物管理部门提出有关古塔保护的建议。
%To address the problemof tower deformation, this paper discusses the calculation of each layer centre and defines the sloping, bending,twisting and other forms of deformation of an ancient tower,and a mathematical model is establishedto predict the trends of its deformation in an effort to provide reference and advice for the authorities of cultural relics preservation.【总页数】4页(P29-32)【作者】陈卫忠;王庆【作者单位】苏州市职业大学数理部，江苏苏州 215104;苏州市职业大学数理部，江苏苏州 215104【正文语种】中文【中图分类】O141.4【相关文献】1.基于灰色模型的古塔变形分析预测 [J], 孙强;肖云2.基于改进灰色预测模型的古塔的变形研究 [J], 袁少良3.基于数学模型的古塔变形问题研究 [J], 周千4.基于灰色预测模型的古塔变形趋势分析 [J], 何改平5.基于 Matlab 对古塔变形趋势探究的数学模型 [J], 余国锋;张绍兰;刘家保因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于模型构建的古塔变形研究
曲等一系列变 形情况 ，最后给 出古塔变形趋势 。本 文采用模 型构 建方法研究古塔变 形，计算分析合理 ，提供 了较精
确 的结果，对于维护 古建筑物 的安 全性有着重要 的意义 。
关键 词：古塔变形； Ｍａ ｔ １ ａ ｂ 和Ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ 软件； 模型构建； 夹角模 型 中图法 分类号： ０ ２ ９ 文献标 示码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ２ ３ ２ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ ． － ０ ２ ６ ５ ． － ０ ５
山东农业 大学学报（ 自然科学版） ． ， ２ ０ １ ５ ， ： ４ ６ （ ２ ） ： ２ ６ ５ ． ． ２ ６ ９ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ａｇ ｒ ｉ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎａ ｔ ｕ ￣ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ
ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ Ｍａ ｌａ ｆ ｂ ， ． ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ． ｈ ｅ Ｔ ａ ｃ ｃ ｕ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ
摘 要 ：根据在 １ ９ ８ ６ 年、１ ９ ９ ６ 年、２ ０ ０ ９ 年、２ ０ １ １ 年对 古塔 的实际观测数据 ，通过Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ 作图、编程等功能 ，以及Ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ
软件 计算分析相关数据 ， 给 出数 据分析的结果并作 出了相应 的图形。首先利用Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ 软件 绘制出１ ９ ８ ６ ： 年与２ ０ １ １ 年古塔 形 状的 图形 ，然 后利用模型构建 并求解 ，累加模 型确定古塔各层 次中心位置 ，夹角模 型描绘古塔的倾斜 、弯 曲、扭
古塔变形的模型及预测
古塔变形的模型及预测吉耀武【摘要】Pagodas are the key protected cultural relics of our country. In order to protect pagodas ,the cultural relics department surveies progodas to get all kinds of deflections and to draft the necessary protective measures ,by means of four observation data of the cultural relics department,the author firstly supplements the missing data in 1986 and 1996. With the complete data fitting in each layer,each point can be projected on to the flat surface,and the universal model of the center coordinates in each layer is obtained. Linear fitting the center points ,the measurement tilted model is obtained by using the angle of the central axis and the horizontal plane. Cubic spline fitting the center points is carried out,and the measuring bending model is obtained by using the fitted curve curvature at every point,and the measuring distorted model is obtained by using rotation angle of fitting adjacent planes. Finally using MATLAB programming the deformation data of model are calculated ,and the deformation of each layer can be detected,then the reliable basis for the cultural relics departments corresponding measures is established. The model can also be extended to the other structure deformation measurement.%古塔是我国重点保护文物，为保护古塔，文物部门对古塔进行观测，了解各种变形量，以制定必要的保护措施，借用文物部门的4次观测数据，首先对1986年和1996年缺失数据进行补充，利用完整的数据拟合每层各测量点所在平面，将各点投影到平面上，得到每层各中心点坐标的通用模型。
学生论文(1)古塔变形
古塔变形摘要根据题目所给出的坐标数据，由于部分数据缺失，我们根据所给的其他数据确定等差数列,更可能的接近实际数据,并复值缺失的数据，将数据全部整理出来。
我们用最小二乘法的方法确定中心坐标。
由于古塔长时间承受外界的影响，古塔会产生各种变形，诸如倾斜、弯曲、扭曲，根据中心坐标解释古塔的变化，及分析它的形变趋势。
用合理的数学定义来解决问题。
在问题一中，我们先用图形拟合让八个点尽可能在一个平面上，再用最小二乘法拟合找到中心点。
用拟合、最小二乘法及MATLAB编程解决问题在问题二中，根据每个阶层的中心点，链接起来,塔尖与底层中心的水平距离与塔高的比值既塔的倾斜度α;根据弯曲形变,我们定义弯曲率为K，利用参数方程和二次拟合出的空间曲线的曲率，来描述古塔的弯曲率。
总的来说我们用拟合、最小二乘法、空间曲线拟合、MATLAB编程等常用的方法来解决实际问题，具有较好的推广性。
关键词拟合、最小二乘法、空间曲线拟合、空间曲线参数方程1问题重述由于长时间承受自重、气温、风力等各种作用，偶然还要受地震、飓风的影响，古塔会产生各种变形，诸如倾斜、弯曲、扭曲等。
为保护古塔，文物部门需适时对古塔进行观测，了解各种变形量，以制定必要的保护措施。
某古塔已有上千年历史，是我国重点保护文物。
管理部门委托测绘公司先后于1986年7月、1996年8月、2009年3月和2011年3月对该塔进行了4次观测。
请你们根据附件1提供的4次观测数据，讨论以下问题：1. 让我们讨论出古塔各层中心位置的通用方法，根据给出数据，并列表给出各次测量的古塔各层中心坐标。
2. 分析该塔倾斜、弯曲、扭曲等变形情况。
3. 分析该塔的变形趋势。
2模型假设1、由于中国古代建筑追求对称、规则，我们假设古塔为八边形。
2、假设每次测量数据的点都是固定的。
3、假设古塔只受倾斜、弯曲、扭曲这三个因素影响，不受长时间承受自重、气温、风力、地震、飓风等的影响。
3变量说明i 为观测层数，j 为观测点，000i i i X Y Z 为中心点坐标 j=(1,2,3,﹒﹒﹒8); i=(1,2,3,﹒﹒﹒13) K 为观测次数（1,2,3,4）821min (()()()()())(1,2,3...13;1,2,3,4)i ij i ij i ij j A K X k B K C K Z K i k =++-==∑（K)Y82222220001min ()()()ij i ij i ij i j X X Y Y Z Z =-+-+-∑j=(1,2,3,﹒﹒﹒8); i=(1,2,3,﹒﹒﹒13)222111()()()x t at bt c c y t a t b t c z t t ⎧⇒++⎪=⇒++⎨⎪⇒⎩；第k 次测量古塔各层中心拟合曲线。
2013数学建模——古塔的变形
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如有违反竞赛章程和参赛规则的行为，我们将受到严肃处理。
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我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： C我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：5339所属学校（请填写完整的全名）：参赛队员(打印并签名) ：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：（论文纸质版与电子版中的以上信息必须一致，只是电子版中无需签名。
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）日期： 2013 年 09 月 16 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：古塔的变形数学模型摘要:本文是研究关于古塔变形类型以及变形分析的模型，用Matlab画出古塔的三维结构可以看出它是近似于正八边形的形状。
因此，问题一我们用每层各个测量点坐标的平均值作为塔每层的中心坐标，再用中心坐标的三个坐标值分别对时间t做回归来得到确定古塔各层中心位置的通用方法。
古塔变形研究
（ ４ ） ｘ 一ｘ ｉ 一 １ ＜ ０ ， Ｙ ｉ －Ｙ ｉ ～ １ ＜ Ｏ ，古塔第 ｉ 层发生逆时 针方 向扭 曲 ； （ ５ ） Ｘ ｉ －Ｘ ｉ 一 ＝ ０ ， 一） ， ｉ 一 ＝ Ｏ ，古 塔第 ｉ 层未 发生 扭
曲。
由上面两个表格 ， 依据弯曲分析标准 ， 可以判断 古塔随时间不断由北往东弯曲， 且呈现楼层越高， 弯
ｘ ６ — — ｘ ０ ｘ ７ 一 ｘ ０ ｘ ８ － ｘ ０ ｘ ９ ～ ｘ ０ Ｘ１ ０ 一 ｘ ０ Ｘ１ ｌ － ｘ ０ ｘ１ ２ 一ｘ ０
０ ． ２ ８ ７ １ ０ ． ３ １ ９ ６ ０． ３ ５ ２ ６ ０ ． ３ ８ ２ ６ ０ ． ４ ３ ６ ３ ０ ． ４ ９ ０ ２ ０ ． ５ ３ ６ ６
＋ （ ｚ 一 ｃ ） 一 Ｒ 】 为 目标函数 ，通过最小二乘法对
数 据进行 拟 合 ， 可得 到未 知参 数半 径 Ｒ 的值 。代入
［ １ ］ 梁 海奎 ． 古 塔变 形测 量方 法探 讨 ［ Ｊ ］ － 城 市勘 测
２ ０ １ １ ， （ ０ ３ ） ： １ １ ３ — １ １ ４ ， １ １ ８ ．
不复杂 ， 可为保护 、 修缮古塔提供有利依据 ， 具有较 强 的应用 背景 。
参 考文献
令 ｆ （ ｚ ， ｂ ， ｃ ， Ｒ） ＝（ Ｘ ｉ —ａ ） （ Ｙ ｉ —ｂ） ２ ＋ （ ｚ ｉ —ｃ ） 一
Ｒ ｚ ， 以ｍ ｉ ｎ ∑． 厂 （ ， ｃ ， ） － Ｆ １ （ ｘ ， － ａ ） ＋ 一 ６ ）
针 方 向扭 曲 ；
ｘ 方向
Ｘ１ － ｘ ０ ｘ ２ － ｘ ０
差值
０ ． ０ ５ ７ ５ ０ ． １ １ ３ ６
古塔变形分析模型
古塔变形分析模型李静;张媛;顾忠;贺欣;王鹏【摘要】根据2013年全国大学生数学建模比赛C题中某古塔4年的观测数据，给出了确定古塔各层中心位置的通用方法，建立了最优化模型，用Lingo软件求得4次测量的古塔的各层中心坐标。
以斜率、曲率、投影、均方差、拟合等知识为基础，对倾斜度、弯曲度、扭曲度三个指标进行定义，结合使用Excel和Matlab软件对古塔变形情况进行量化分析，最后根据得到的数据对古塔的变形趋势进行预测。
%According to the 2013 national college students' mathematical modeling competition problem C a pa-goda four years of observation data, gives the general method of the ancient towers layers center position, the optimi-zation model is established, using Lingo software, obtained four times while hiking in the measurement of each layer center coordinates;And by slope, curvature, projection, the mean square error, fitting, such as knowledge, slope, bending and torsion degrees "define" the three indexes and combined with using Excel and Matlab software, the quantitative analysis of the deformation of the tower, and according to the data to predict the deformation trend of tower.【期刊名称】《郑州铁路职业技术学院学报》【年(卷),期】2016(028)004【总页数】6页(P15-20)【关键词】倾斜度;弯曲度;扭曲度;均方差;优化模型;曲率;拟合【作者】李静;张媛;顾忠;贺欣;王鹏【作者单位】郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052;郑州铁路职业技术学院，河南郑州 450052;郑州铁路职业技术学院，河南郑州 450052;郑州铁路职业技术学院，河南郑州 450052;郑州市金水区教育体育局，河南郑州 450008【正文语种】中文【中图分类】O29由于古塔长时间受自身或外界因素影响，会发生各种变形，包括倾斜、弯曲、扭曲。
古塔变形模型分析
古塔变形模型分析摘要本文研究的是古塔变形的相关问题，根据给出的1986年、1996年、2009年、2011年不同的观测数据，应用垂直投影法计算出了各次测量古塔的中心坐标；在分析古塔的倾斜程度时，我们采用的是空间直线拟合的方法，对比了中心点与其余几个观测点的倾斜程度，发现该古塔经过多年洗礼，215年里并为倾斜；古塔的弯曲我们主要从古塔是否发生沉降变形来分析考虑，发现古塔有沉降迹象，在1mm～2mm之间。
在分析古塔扭曲情况时，我们将每年的中心坐标做了均值处理，假设其为定点，进而分析了每年底层同一观测点的夹角变化，由此来分析该古塔的扭曲情况，发现4年间古塔的偏移角度在0.6°左右。
关键词古塔的变形；垂直投影法；空间直线拟合；matlab计算1 问题分析古塔的变形问题在建筑学中已经是个很成熟的问题了，中国是个文明古国，各式古塔是先人遗留给我们的宝贵遗产，千年以来，未了保护好他们，很多人献出了生命；在这个科技发达的和平年代，国家越来越重视对其的保护，更是有很多学者多年来一直致力于古塔的变形原因研究及保护措施研究。
本文给出的数据只是一个个例，数据来源于2013年全国大学生数学建模竞赛C题，根据给出的四组数据确定古塔各层中心位置的通用方法，并计算出各次测量的古塔各层中心坐标，然后分析该塔倾斜、弯曲、扭曲等变形情况、最后对塔的变形趋势做详细的分析。
在文中分析很多方法也是借鉴于其他优秀学者的研究成果，结合实际数据对此做出的分析。
2 模型假设1）不考虑古塔地基的影响，假设各种自然条件包括地震、飓风等对古塔地基无影响；2）假设此古塔建筑材料为砖；3）忽略古塔本身的形制结构的影响。
3 模型的建立与求解3.1各层中心坐标的模型与求解由于文中附件1给出的数据1986年、1996年古塔的13层第5个观测点的数据缺失，我们做了均值化处理，将该层其余观测点的均值做其坐标，计算得出1986年第5个观测点的坐标为（566.916，522.886，52.88），1996年第5个观测点的坐标为（569.9704，523.1144，52.796）。
古塔变形的数学模型
古塔变形的数学模型摘要古塔被誉为中国古代杰出的高层建筑物，历史悠久，值得并需要我们的保护。
本文研究了关于古塔变形的问题，古塔的变形与塔身的中心紧密相关，具体分析了古塔倾斜、弯曲、扭曲的变形情况及趋势。
对于问题一，建立中心位置模型，采用多边形组合形心的算法，求的结果是表6，7，8，9中的数据；对于问题二，我们将古塔的倾斜、弯曲和扭曲等变形情况，分别给予合理的数学描述。
对于倾斜变形，我们定义了倾斜角，即塔尖与底层中心的水平距离与塔高的比值；对于弯曲变形，我们定义了弯曲率K ，即用中心点所拟合出的空间曲线的曲率来描述古塔各处弯曲率；对于扭曲变形，我们定义了相对扭曲度，利用坐标的旋转变换角度描述古塔的扭曲变形情况。
利用空间曲线拟合、坐标变换等方法以及MATLAB 程序，分别求出了三个变形刻画量的量化指标。
对于问题三，我们考虑通过古塔的倾斜、弯曲及扭曲程度来分析古塔的变形趋势，由于数据较少，我们利用灰色预测法来分析这三种变形，利用matlab得到的数据来分析古塔的变形趋势关键词：关键词：组合图形的形心拟合中心变形曲线灰色预测一．问题重述古塔由于长时间承受自重、气温、风力等各种作用，偶然还要受地震、飓风的影响会产生各种变形，诸如倾斜、弯曲、扭曲等。
为保护古塔，文物部门需适时对古塔进行观测，了解各种变形量，以制定必要的保护措施。
现有一古塔已上千年历史，是我国重点保护文物。
管理部门委托测绘公司先后于1986年7月、1996年8月、2009年3月和2011年3月对该塔进行了4次观测。
请根据题目提供的4次观测数据，讨论以下问题：1. 给出确定古塔各层中心位置的通用方法，并列表给出各次测量的古塔各层中心坐标。
2. 分析该塔倾斜、弯曲、扭曲等变形情况。
3. 分析该塔的变形趋势。
二、模型假设1，参照中国古塔的塔身样式假设塔身水平面是正八角形；2，假设古塔是均质物体，形心就是中心；3，以地平面为X轴，建立空间直角坐标系X，Y，Z；4，假设塔尖面积极小，近视为一个点；5，假设模型4中古塔所在地不存在地震等这种偶然事件；6，假设古塔所在的地平面是水平面。
古塔变形
古塔变形摘要本文主要通过对倾斜、弯曲、扭曲三个角度研究，来分析古塔的变形趋势。
针对问题一，由于观测数据缺失现象，本文先进行数据的预处理，再采用空间圆的拟合方法，建立空间球体和斜平面所组成的方程组来求解。
同时结合运用MATLAB软件，计算出4次测量的古塔各层中心坐标，并以列表形式给出。
针对问题二，本文假设古塔的第一层是水平的，首先过古塔的塔顶的中心点作第一层的垂线，作出射影，构建直角三角形，得到射影和垂线的比值作为衡量古塔倾斜程度的指标。
发现随着年份增加，古塔倾斜程度越大，但1986年—1996年、2009年—2011年的变化幅度不大，1996年—2009年的变化幅度较大。
对于研究弯曲度，将各层的中心连线向X-Z平面及Y-Z平面进行投影，分别比较两者的方差得出向X-Z平面投影的研究价值更大。
通过曲线拟合求得4年曲线对应的方程，利用曲率公式求得曲线上各点的曲率值来分析古塔的弯曲程度，得出从1968年到1996年，各层的曲率有增长趋势，从1996年-2011年各层的曲率逐渐递减。
最后，将相邻两层的中心连线投影到第一层中，得到的夹角大小来确定古塔的扭曲情况，得到各年各层的扭曲率不存在明显的递变规律。
针对问题三，本文从倾斜、弯曲、扭曲三个方面采用灰色预测模型GM(1,1) 进行拟合与预测，并得出各因素相对于各层的时间响应函数，经检验得出扭曲程度最容易预测，其次是倾斜程度，而弯曲程度不易预测。
关键词：古塔变形；空间圆拟合；投影；灰色预测模型GM(1,1)一．问题重述塔，作为一种古代高层建筑，不但标志着古代人们征服自然的胜利，同时也记录了当时的历史和工艺。
塔的挺拔高耸的姿态，对佛寺组群甚至城市轮廓面貌都起着一定的美化作用，也成为今天的地标性建筑。
塔采用多种结构，也有变化多端的造型，在中国建筑史上独树一帜，是我国古代优秀的文化遗产。
但是这类建筑物由于长细比大、重心高，且由于长时间承受自重、气温、风力等各种作用，偶然还要受地震、飓风的影响等。
(完整word版)古塔变形分析
古塔变形的分析摘要：文物部门需要适时的对古塔进行观测，了解各种变形量，以制订必要的保护措施。
附件1给出了对古塔的四次测量数据,是每层八个测量点的三个坐标值，但1986年和1996年对塔的第13层的测量点5的数据值是缺失的，为了对塔的变形进行准确的分析研究,我们首先应用MATLAB7。
0工具箱的数据拟合功能，取1986年和1996年每层观测点5的测量数据x 和y 坐标值，用这些已知数据值对第13层的测量点5的x 和y 坐标值进行二次曲线拟合,假设塔的每层高度是相同的，用第13层的z 的平均值来预测点5的z 坐标，则1986年和1996年第13层点5的坐标分别是x=567.992，y=519。
727,z=52。
83429和x=567。
992，y=519。
737，z=52。
83对所给测量点坐标应用MATLAB7.0做3维线图，直观看出测量点在每层为均匀分布的8个点，各层为正八边形，且随着楼层的增高每层边长逐渐减小，可以推测该古塔为上小下大的八角塔。
进一步通过对测量得到的各层的相邻两点间的坐标值应用空间两点间的距离公式：221221221)()()(z z y y x x d -+-+-=计算边长，每层边长近似相等,可以进一步看出该古塔是一个八角形塔。
对第一问：因为该塔是一个正八边形塔，对于中心坐标我们认为是每层的中心，就是该层的坐标中心位置，我们取各层8个测量点坐标的平均值作为该层的平均值,并计算出了该塔每层的中心坐标。
对第二问：以第一层中心坐标为起始点向上一层的中心坐标做向量计算各向量与X 、Y 、Z 轴的夹角来判断古塔的倾斜、弯曲、扭曲,根据4次各层中心向量与X 、Y 、Z 轴的夹角的变化我们得出1986和1996年塔的倾斜、弯曲、扭曲等变形情况不明显，2009和2011年情况基本相同，但是在第5层到第7层发生扭曲,第8到11层发生弯曲、扭曲，第12到13层发生倾斜，最后倾向于X 轴。
对于第三问：由第二问的分析情况可以得出该塔发生扭曲、弯曲、倾斜等情况，所以该塔会随着时间的推移第12到13层会发生倾倒.关键词：曲线拟合；空间两点间距离公式；空间物体几何中心；MATLAB7。
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由于长时间承受自重、气温、风力等各种作用，偶然还要受地震、飓风的影响，古塔会产生诸如倾斜、弯曲、扭曲等各种变形。
为保护古塔，文物部门需适时对古塔进行观测，了解各种变形量，以制定必要的保护措施。
管理部门委托测绘公司先后于1986年7月、1996年8月、2009年3月和2011年3月对该塔进行了4次观测。
基于附件1提供的4次观测数据：对于问题1，1986年和1996年的观测数据中都缺少13层一个点的数据（因MATLA B程序中用的是循环语句，所以计算时赋予0值），其它各层均给出8个点的观测值，为使所得数据更具真实性，确定古塔各层中心位置的方法更具适用性，本文将每层所给8点构成的图形看做不规则八边形，用中垂线求交点法求得古塔各层中心坐标。
对于问题2，结合问题1的分析，采用垂直投影法[1]求古塔的倾斜度，根据所得数据，分析古塔的倾斜程度（因1986年和1996年13层赋予值后所得数据偏差较大，为使所得数据更具真实性，所以本问题起1986年和1996年13层数据予以舍弃）；弯曲是建立在二维平面上的一条曲线，通过截取古塔过x轴、z轴的界面，求出每层古塔的倾斜度，从而分析得出古塔塔身在x轴、z轴的界面的弯曲程度。
同理，也可分析y轴、z轴的界面的弯曲程度；扭曲同样是采用垂直投影法[1]求古塔每层的倾斜度，建立三维立体空间，根据所得数据，分析古塔塔身的扭曲程度。
对于问题3，利用问题1、2所得数据，进行合理的分析与猜想，进而分析出古塔塔身的倾斜、弯曲、扭曲等变化趋势。
本文的模型解决了题目给出的问题，计算过程中充分尊重观测数据，给出更符合实际的结果。
本文所得结果大部分由图表给出，结合图像，较为直观地表现出古塔变形情况。
结果表明，采用MATLAB数学软件可得出可靠结论。
关键词：古塔变形监测MATLAB垂直投影法倾斜度一、问题的重述由于长时间承受自重、气温、风力等各种作用，偶然还要受地震、飓风的影响，古塔会产生各种变形，诸如倾斜、弯曲、扭曲等。
为保护古塔，文物部门需适时对古塔进行观测，了解各种变形量，以制定必要的保护措施。
某古塔已有上千年历史，是我国重点保护文物。
管理部门委托测绘公司先后于1 986年7月、1996年8月、2009年3月和2011年3月对该塔进行了4次观测。
请你们根据附件1提供的4次观测数据，讨论以下问题：1. 给出确定古塔各层中心位置的通用方法，并列表给出各次测量的古塔各层中心坐标。
2. 分析该塔倾斜、弯曲、扭曲等变形情况。
3. 分析该塔的变形趋势。
二、问题的分析2.1问题的背景某古塔是我国重点保护文物。
已有上千年历史，由于长时间承受自重、气温、风力等各种作用，偶然还要受地震、飓风的影响，古塔会产生诸如倾斜、弯曲、扭曲等各种变形。
对现存历史文物古塔的保护，掌握古塔的形变，显得尤为重要，文物部门需适时对古塔进行观测，了解各种变形量，以制定必要的保护措施。
管理部门委托测绘公司先后于1986年7月、1996年8月、2009年3月和2011年3月对该塔进行了4次观测。
2.2问题的分析基于附件1提供的4次观测数据：2.2.1问题一的分析本题建立模型是利用中垂线（即中垂线相交于一点为中点)法，求解古塔各层中心的坐标，以确保古塔中心坐标的准确性。
2.2.2问题二的分析根据层与层之间的中心点，塔体倾斜变化采用垂直投影法[1](即垂线法，利用相对位移量进行监测)；弯曲是建立在二维平面上的一条曲线，通过截取古塔过x轴、z 轴的界面，求出每层古塔的倾斜度，从而分析得出古塔塔身在x 轴、z 轴的界面的弯曲程度。
同理，也可分析y 轴、z 轴的界面的弯曲程度；扭曲同样是采用垂直投影法求古塔每层的倾斜度，建立三维立体空间，根据所得数据，分析古塔塔身的扭曲程度。
2.2.3问题三的分析我们在对古塔进行安全性监测方面要满足两个方面：①塔体的倾斜变化；②塔身各段的变化[1]。
针对上述几个方面就采取对应的监测方法。
三、问题的假设1.假设求解古塔各层中心坐标时纵坐标先不予以考虑；2.假设古塔的地基土抗压能力强、韧性大、不易收缩，对古塔的变形不产生任何影响；3.假设对古塔观测数据的缺失可忽略不计；四、符号及文字说明x 表示建立古塔坐标轴的横坐标i x 表示古塔各层的第i (i =1,2,...,8）个点的横坐标y 表示建立古塔坐标轴的纵坐标i y 表示古塔各层的第i （i =1,2，...,8)个点的纵坐标z 表示建立古塔坐标轴竖坐标i z 表示古塔各层的第i (i =1,2,...,8)个点的竖坐标 i k 表示古塔的第i l 条直线的斜率'x 表示两个x 点之间的中点'y 表示两个y 点之间的中点 H 表示古塔中心点到水平面的距离 D 表示古塔中心点的位移量Q表示古塔的倾斜度j表示古塔的第j(j=1,2,...,13)层数（MATLAB程序中）i表示古塔各层的第i(i=1,2,...,8）个点（MATLAB程序中）X表示关于横坐标的813⨯矩阵（MATLAB程序中）Y表示关于纵坐标的813⨯矩阵（MATLAB程序中）K表示各层每两点之间中垂线的斜率（MATLAB程序中）xx表示每层8条中垂线两两相交所得交点的关于横坐标的813⨯矩阵（MATLAB程序中）yy表示每层8条中垂线两两相交所得交点的关于纵坐标的813⨯矩阵（MATLAB程序中）五、模型的建立与求解（一）问题一的模型建立与求解1.通过中垂线的方法对古塔各层中心坐标进行求解，根据附件1表格数据，1986年和1996年的观测数据中都缺少13层一个点的数据计算时赋予0值。
然后观察数据，古塔的每i层八个点的高度变化不大，假设把古塔的每一层的点看作是在一个平面上，求解古塔各层中心坐标时纵坐标先不予以考虑，之后用平均值的方法计算出。
分析过程如下图1-1：（用MATLAB软件作图（附件1，程序1））1-1 根据上图，做出任意两边的中垂线，交与一点O，如下图所示1-2（在上图上用画图工具作图）：1-2由图可知，'A 点坐标为()','y x ，'B 点坐标)","(y x 。
根据公式2'21x x x +=，得:2'21x x x +=，2'21y y y +=；2"32x x x +=，2"32y y y += ① 根据直线的斜率公式，求出直线AB l 的斜率A k 。
同理，求出直线BC l 的斜率B k 。
1212x x y y k A --=2323x x y y k B --= 再根据中垂线定理1'-=kk ，求出中垂线1l ，2l 的斜率1k ，2k ； 122111y y x x k k A --=-=233221y y x x k k B --=-= ② 设中垂线的直线方程1l 为：)'('1x x k y y -=- ③ 设中垂线的直线方程2l 为：)"("2x x k y y -=- ④ 通过方程③、④建立方程组:⎩⎨⎧-=--=-)"(")'('21x x k y y x x k y y解得： 2121"''"k k x k x k y y x -+--=； ''21y x k x k y +-= ⑤再把①、②式中所求的数据代入⑤中，即可解出两中垂线交点O 坐标。
同理，通过数学软件MATLAB 编程求解（附录1，程序2）可得出每层八条中垂线两两相交的八个交点坐标，得出数据并对这八个中垂线的交点求平均值，因1986年和1996年的观测数据中都缺少13层一个点的数据计算时赋予0值得出的数据偏差太大，此时予以舍弃。
塔顶数据是塔顶的四个点求平均值而得。
各层中心坐标如下表：表一： 古塔层次各层中心坐标),(i i i y x Oi xi y 1 566.664514 522.7091368 2 566.7215137 522.6721729 3 566.7773312 522.6360299 4 566.821135 522.607225 5 566.8683524 522.5760928 6 566.9173327 522.5455899 7 566.9505701 522.5283882 8 566.9835974 522.5115552 9 567.0181737 522.4949434 10 567.0509921 522.4813031 11 567.1072922 522.4414325 12 567.1630598522.401326713 --- --- 塔顶 567.24725522.24375而每层古塔都有一定的高度差，因此，假设每层古塔的中心高度为每层八点的平均高度，即：),,(i i i i z y x O ，因此，古塔每层的中心坐标是： 表二：1986年 古塔层次古塔各层中心坐标()i i i i z y x O ,,i xi y i z 1 566.664514 522.7091368 1.787375 2 566.7215137 522.6721729 7.32025 3 566.7773312 522.6360299 12.75525 4 566.821135 522.607225 17.07825 5 566.8683524 522.5760928 21.7205 6 566.9173327 522.5455899 26.235125 7 566.9505701 522.5283882 29.836875 8 566.9835974 522.5115552 33.350875 9 567.0181737 522.4949434 36.854875 10 567.0509921 522.4813031 40.172125 11 567.1072922 522.4414325 44.440875 12567.1630598522.401326748.71185713 --- --- --- 塔顶 567.24725 522.24375 55.123525表三：1996年 古塔层次古塔各层中心坐标()i i i i z y x O ,,i xi y i z 1 566.664714 522.7088368 1.783 2 566.7224008 522.6712321 7.314625 3 566.7789381 522.634408 12.75075 4 566.8233162 522.6050197 17.075125 5 566.8710945 522.5732208 21.76 6 566.9207197 522.5421644 26.2295 7 566.9543744 522.5245028 29.836875 8 566.9877018 522.5073211 33.350875 9 567.0229012 522.4899727 36.854875 10 567.0561171 522.47609 40.167625 11 567.1130185 522.4356821 44.440875 12 567.1690607522.39518248.707375 13 --- --- --- 塔顶 567.25435522.2366555.11975表四：2009年 古塔层次古塔各层中心坐标()i i i i z y x O ,,i xi y i z 1 566.7448287 522.7001717 1.7645 2 566.7794913 522.6717696 7.309 3 566.8123971 522.6450678 12.73225 4 566.839279 522.6225762 17.06975 5 566.8672333 522.5991397 21.709375 6 566.9573958 522.5522863 26.211 7 566.991 522.5309222 29.824625 8 567.0440874 522.5004085 33.339875 9 567.0968128 522.469119 36.84375 10 567.1524056 522.4153501 40.161125 11 567.1963122 522.3745082 44.432625 12567.2399861522.333937148.6997513 567.2901509 522.2874247 52.818375 塔顶 567.336 522.2148 55.091表五：2011年 古塔层次古塔各层中心坐标()i i i i z y x O ,,i xi y i z 1 566.7449676 522.7000432 1.76325 2 566.7796914 522.6715196 7.2905 3 566.81276 522.6453927 12.726975 4 566.8396637 522.6220928 17.025 5 566.8678429 522.5985264 21.703875 6 566.9580489 522.5514853 26.2045 7 566.9918 522.5301222 29.817 8 567.044881 522.4995201 33.336625 9 567.0977815 522.4681716 36.82225 10 567.1534953 522.4142346 40.144125 11 567.1974118 522.3733937 44.424875 12 567.2412861 522.3326371 48.683875 13 567.2914636 522.2859839 52.813125 塔顶 567.3375522.213555.087（二）问题二的模型建立与求解1，根据问题一求出的每层的中心坐标数据，通过分析古塔的倾斜、弯曲、扭曲及层与层之间的中心点，确定了塔体倾斜变化采用垂直投影法[1](即垂线法，利用相对位移量进行监测);弯曲、扭曲即为塔身各段的变化采用求倾斜度的方法。