變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理復習資料

1、立身以立學為先，立學以讀書為本變形監(jiān)測復習資料2010-06-23 21:38:30|分類： 測繪行業(yè) 閱讀160評論0 字號：大中小 訂閱第一章引論1. 變形監(jiān)測的意義、內(nèi)容與目的基本概念：變形是自然界的普遍現(xiàn)象，它是指變形體在各種荷載作用下，其形狀、大小及位置在時空域中的變化變形監(jiān)測就是利用測量與專用儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進行監(jiān)視觀測的工作變形體的范疇：全球性變形研究（空間大地測量）、區(qū)域性變形研究（GPS）、工程和局部性變形研究（地面常規(guī)測量技術(shù)、地面攝影測量技術(shù)、特殊和專用的測量手段、以及以GPS為主的空間定位技術(shù)）外部變形觀測：對于混凝土壩，以混凝土重力壩為例，由于水壓力、外界

2、溫度變化、壩體自重等因素的作用，其主要觀測項目主要為垂直位移、水平位移以及伸縮縫的觀測，這些內(nèi)容通常稱為外部變形觀測。內(nèi)部觀測： 為了了解混凝土壩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，還應對混凝土應力、鋼筋應力、溫度等進行 觀測，這些內(nèi)容通常稱為內(nèi)部觀測。水平位移觀測：主要包括在同一高程面上不同點位在垂直于建筑物軸線方向的水平位移，在同一鉛垂線上的不同高程面上的水平位移，及任意點在任意方向上水平位移。1）變形監(jiān)測的內(nèi)容變形監(jiān)測的內(nèi)容1 ）工業(yè)與民用建筑物：主要包括基礎(chǔ)的沉陷觀測與建筑物本身的變形觀測2 ）水工建筑物：對于土壩，其觀測項目主要為水平位移、垂直位移、滲透以及裂縫觀測。3）地面沉降：對于建立在江河下游沖積

3、層上的城市，由于工業(yè)用水需要大量地吸取地下水，而影響地下土層的結(jié)構(gòu)，將使地面發(fā)生沉降現(xiàn)象。對于地下采礦地區(qū)，由于在地下大量的采掘，也會使地表發(fā)生沉降現(xiàn)象2）變形監(jiān)測的目的和意義變形監(jiān)測的目的和意義:具有實用上的意義，主要是掌握各種建筑物和地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性,立身以立學為先，立學以讀書為本立身以立學為先，立學以讀書為本為安全性診斷提供必要信息，及時發(fā)現(xiàn)問題， 以便采取措施； 具有科學上的意義， 包括更好 地理解變形的機理， 驗證有關(guān)工程設(shè)計的理論和地殼運動的假說， 進行反饋設(shè)計， 以及建立 有效的變形預報模型。2 .變形監(jiān)測技術(shù)及其發(fā)展1) 變形信息獲取方法的選擇決定因素變形體的特征、變形監(jiān)測的目

4、的、變形大小和變形速度等因素。2)地表變形監(jiān)測方法常規(guī)地面測量方法(測量機器人)統(tǒng))，GNSS、地面攝影測量技術(shù)、光機電的組合(光纖傳感器測量系3)Gps周期性變形監(jiān)測和連續(xù)性變形監(jiān)測GPS用于變形監(jiān)測的作業(yè)方式可劃分為周期性和連續(xù)性兩種模式周期性變形監(jiān)測與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測網(wǎng)沒多大區(qū)別，以靜態(tài)相對定位為主，一般采用事后處理模式連續(xù)性變形監(jiān)測指的是采用固定監(jiān)測儀器進行長時間的數(shù)據(jù)采集, 用靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位獲得變形數(shù)據(jù)序列?？刹? .變形分析的內(nèi)涵及其研究進展1) 變性分析的內(nèi)涵：從錯綜復雜的變形現(xiàn)象中找出其內(nèi)在規(guī)律性。2) 變形的幾何分析與物理解釋變形的幾何分析是對變形體的形狀和大小的變

5、形作幾何描述，其任務在于描述變形體變形的空間狀態(tài)和時間特性。變形物理解釋的任務是確定變形體的變形和變形原因之間的關(guān)系，解釋變形的原因變形幾何分析： 參考點的穩(wěn)定性分析，觀測值的平差處理和質(zhì)量評定,變形模型參數(shù)估計變形模型參數(shù)估計：直接法是直接用原始的重復觀測值之差計算應變分量或它們的變化率;位移法是用各測點坐標的平差值之差計算應變分量。立身以立學為先，立學以讀書為本3）變形的統(tǒng)計分析法、確定函數(shù)法與混合模型法統(tǒng)計分析法：以回歸分析模型為主，是通過分析所觀測的變形（效用量）和外因（原因量）之間的相關(guān)性，來建立荷載-變形之間的關(guān)系的數(shù)學模型，它具有后驗的性質(zhì)，是目前應用比較廣泛的變形成因分析法。確

6、定函數(shù)法： 以有限元法為主， 它是在一定的假設(shè)條件下，利用變形體的力學性質(zhì)和無力相知，通過應力與應變關(guān)系建立荷載與變形的函數(shù)模型，然后利用確定函數(shù)模型預報在荷載作用下變形體可能的變形。具有先驗的性質(zhì)，比統(tǒng)計模型物理意義明確，但計算工作量較大，并對用作計算的基本資料有一定的要求。混合模型法：對于那些與效用量關(guān)系比較明確的原因量（如水質(zhì)分量） 用有限元法德計算值,而對于另一些與效用量關(guān)系不是很明確或采用相應的物理理論計算成果難以確定他們之間函數(shù)關(guān)系的原因量則仍采用統(tǒng)計模型，然后與實際值進行擬合而建立的模型4）變形分析的發(fā)展1. 數(shù)據(jù)處理與分析將向自動化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，更注重時空模

7、型和時頻 分析（尤其是動態(tài)分析）的研究，數(shù)字信號處理計算將會得到更更好的應用2. 會加強對各種方法和模型的實用性研究，變形監(jiān)測軟件的開發(fā)不會局限于某一固定模式， 隨著變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，變形分析新方法研究將會不斷涌現(xiàn)。3. 由系統(tǒng)論、控制論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)論、相同論、突變論、分形與混沌動力學所構(gòu)成的 系統(tǒng)科學與非線性科學的應用將得到加強4. 幾何變形分析和無力解釋的綜合研究將深入發(fā)展，以知識庫、方法庫、數(shù)據(jù)庫和多媒體庫 為主體的安全監(jiān)測專家系統(tǒng)的建立時未來發(fā)展的方向，第二章數(shù)理統(tǒng)計的有關(guān)理論隨機過程：通常把自變量為時間t的隨機函數(shù)叫做隨機過程隨機函數(shù)：對于自變量的每一個給定值，它是一個隨機變

8、量，這種函數(shù)就叫做隨機函數(shù)隨機過程的作用：可以對幾何量和物理量進行動態(tài)實時檢測，能夠進一步分析動態(tài)監(jiān)測中的特殊現(xiàn)象（運動速度，頻率響應。幅值）。隨機過程的特征量：概率密度函數(shù);均值、方差和均方值；自相關(guān)函數(shù)；譜密度函數(shù)自相關(guān)函數(shù)：除均值和方差外，用另一特征量反映隨機過程內(nèi)不同時刻之間的相關(guān)程度，這種特征量就叫做自相關(guān)函數(shù)平穩(wěn)隨機過程：若隨機過程 x(t)，的所有特征量與t無關(guān)，即其特征量不隨t的推移而變化，則稱x(t)為平穩(wěn)隨機過程各態(tài)歷經(jīng)隨機過程：從單個觀測得到的時間經(jīng)歷來求特征量的平穩(wěn)過程稱為各態(tài)歷經(jīng)隨機過程第三章變形監(jiān)測技術(shù)1. 變形監(jiān)測技術(shù)變形監(jiān)測技術(shù)：地面監(jiān)測方法與測量機器人；地面攝

9、影測量方法；GPS變形監(jiān)測及自動化系統(tǒng)；特殊測量手段地面監(jiān)測方法的基本特點：能夠直接提供測點的變形狀態(tài)，監(jiān)控面積較大；布網(wǎng)式的觀測量可以相互校核和精度評定；靈活、簡便，可適應于不同的精度要求。測量機器人是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并獲取角度、距離、 三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀地面攝影測量方法及其特點:可以同時測定變形體上任意點的變形;提供完全和瞬時的三維空間信息； 大量減少野外的測量工作量;可以不需要接觸被測物體；通過攝影底片，可以觀測到變形體以前的狀態(tài)。GPS變形監(jiān)測的特點：測站間無需通視；同時提供監(jiān)測點的三維位移信息；全天候監(jiān)測；監(jiān) 測精度高；操縱簡便

10、，易于實現(xiàn)監(jiān)測自動化；GPS大地高可直接用于垂直位移測量 變形監(jiān)測中特殊測量手段：應變測量、準直測量、傾斜測量 特點：測量過程簡單；容易實現(xiàn)自動化觀測和連續(xù)監(jiān)測；提供的是局部的變形信息2. 變形監(jiān)測方案變形監(jiān)測方案的制定：變形監(jiān)測內(nèi)容的確定；監(jiān)測方法、 儀器和監(jiān)測精度的確定；監(jiān)測部位和測點布置的確定；變形監(jiān)測頻率的確定3 . 變形監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計測量控制網(wǎng)包括：測圖控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)測量控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計有兩個方面的含義：1 ）在人、財、物的條件下，控制網(wǎng)具有最好的精度、靈敏度和可靠性；2）在滿足精度、靈敏度和可靠性的條件下，控制網(wǎng)的成本最低。控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計問題的分類：零類設(shè)計（基準設(shè)

11、計），一類設(shè)計（結(jié)構(gòu)圖形設(shè)計），二類設(shè)計（觀測值權(quán)的分配），三類設(shè)計（網(wǎng)的改造或加密方案設(shè)計）控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法：解析設(shè)計法，機助設(shè)計法。解析法：通過建立優(yōu)化設(shè)計的問題的數(shù)學模型，包括目標函數(shù)和約束條件，選擇一種恰當?shù)膶?yōu)解法，求出問題的嚴格最優(yōu)解；機助法：將電子計算機的計算能子和判別能力同設(shè)計者的知識和經(jīng)驗結(jié)合起來，通過對一個憑經(jīng)驗擬定的初始設(shè)計方案，進行分析、計算，求出各項質(zhì)量指標，并對設(shè)計方案進行不斷的修改，直到設(shè)計者滿意的一種設(shè)計方案?？刂凭W(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量標準：精度、可靠性、靈敏度、經(jīng)濟機助法優(yōu)化設(shè)計的基本原理：1 ）初步方案 2 ）數(shù)學模型3）顯示、人機對話4 ）調(diào)整方案5 ）成果輸

12、出第四章變形監(jiān)測資料的預處理1 .監(jiān)測資料檢核的意義與方法1） 意義：確保觀測值的質(zhì)量（精度、可靠性），為變形分析做準備，這里所指的觀測值既可以是原始實測值，也可以是經(jīng)一定處理后的觀測值2） 方法：野外檢核（限差要求），室內(nèi)檢核（校核、統(tǒng)計分析、邏輯分析）室內(nèi)檢核工作，具體有：1）原始記錄的校核；）原始資料的統(tǒng)計分析，如粗差檢驗法；3）原始資料的邏輯分析：根據(jù)監(jiān)測點的內(nèi)在物理意義來分析原始實測值的可靠性，包括：-致性分析：時間 -效應量、原因-效應量 相關(guān)性分析：空間點位的相關(guān)性3）大偏差問題誤差與突變：誤差引起（大誤差或粗差）、真實變形（突變）2 . 一元線性回歸分析法進行資料的檢核應用一元

13、線性回歸分析方法進行變形監(jiān)測資料空間相關(guān)性檢核的基本思路和過程處理兩個變量之間關(guān)系的回歸分析。兩個變量之間的關(guān)系為線性時,則稱一元線性回歸分析3 .監(jiān)測網(wǎng)觀測資料的數(shù)據(jù)篩選1) 數(shù)據(jù)篩選的基本原理與檢驗步驟1. 超限誤差的整體檢驗2. 超限誤差的局部檢驗；F檢驗法；B檢驗法(u檢驗法)t檢驗法；t檢驗法c計算3. 超限誤差的檢驗步驟：a組成誤差方程與法方程式，b解法方程式，求V和Qvv,局部檢驗統(tǒng)計量與假設(shè)檢驗。2) 超限誤差局部檢驗中,u檢驗法，t檢驗法，T檢驗法的本質(zhì)區(qū)別4 . 監(jiān)測資料的奇異值檢驗與插補1)自動化檢測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的奇異值檢驗方法方法一：方法二：2) 監(jiān)測資料的插補原因和方法

14、實測資料出現(xiàn)斷鏈，數(shù)據(jù)處理要求等時間間隔監(jiān)測資料插補的方法:按內(nèi)在物理聯(lián)系進行插補；按數(shù)學方法進行插補(線性內(nèi)插法格朗日內(nèi)插計算多項式曲線擬合周期函數(shù)的曲線擬合多面函數(shù)擬合)5 .小波變換用于信噪分離1) 變形分析中應用小波變換的原因小波變換概念立身以立學為先，立學以讀書為本小波：小波就是小的波形，所謂“小”是指它具有衰減性，比如是局部非零的；所謂“波” 是指它的波動性，即其振幅呈現(xiàn)正負相間的震蕩形式。小波變換：用一族函數(shù)去表示或逼近一信號或函數(shù)小波變換在變形分析的作用：觀測數(shù)據(jù)濾波，變形特征提取，不同變形頻率的分離，觀測精度估計小波變換對觀測數(shù)據(jù)序列進行消噪的基本步驟：小波分解：小波分解高頻

15、系數(shù)的閾值量化處理；小波重構(gòu)： 對于復雜變形信息的分離，采用小波包進行分解和重構(gòu)，可以得到各個相應頻段的變形信息6 .變形監(jiān)測成果的整理1）以“工作基點位移對變形值的影響”為例，說明變形監(jiān)測成果整理的重要性2） 觀測資料的整編（變形過程線的定義與繪制、建筑物變形分析分布圖、*值的統(tǒng)計規(guī)律及其成因分析）觀測點變形過程線：以時間為橫坐標，以積累變形值為縱坐標繪制成的曲線。繪制過程：（1）根據(jù)觀測記錄填寫變形數(shù)值表（2）繪制觀測點實測變形過程線（3）實測變形過程線的修勻。建筑物變形分布圖：作用：能夠全面的反映建筑物的變形狀況。變形值剖面分布圖平剖和建筑物沉陷等值線圖以大壩為例引起變形的原因：靜水壓力

16、，壩體的溫度變化，時效變化：建筑材料的變形以及基礎(chǔ)巖層在荷載的作用下英氣的變形所產(chǎn)生的變形監(jiān)測資料管理的分類：人工管理處理；計算機輔助人工處理；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（監(jiān)測資料的管理、監(jiān)測資料的處理、監(jiān)測資料的解釋）立身以立學為先，立學以讀書為本第五章監(jiān)測網(wǎng)的參考系及其穩(wěn)定性分析2 .監(jiān)測網(wǎng)的參考系絕對網(wǎng)：絕對網(wǎng)中，固定基準位于變形體之外，在各觀測周期中認為是不變的，以作為測定變形點絕對位移的參考點，這種監(jiān)測網(wǎng)平差采用經(jīng)典平差方法便可實現(xiàn)。相對網(wǎng)：相對網(wǎng)中，由于全部網(wǎng)點均位于變形體上，沒有必要的起算基準，是一種自由網(wǎng)變形參考系是運動的參照物，是用來描述物體的運動和相對運動關(guān)系的。1）監(jiān)測網(wǎng)平差的基準（

17、固定基準一經(jīng)典平差，重心基準一自由網(wǎng)平差，局部重心基準一擬 穩(wěn)平差）2 ）基準方程（公式）3 ）相似變換（公式）3 .平均間隙法平均間隙法的基本思想（間隙的方差估值，觀測值的綜合方差）首先應用統(tǒng)計檢驗的方法對變形監(jiān)測網(wǎng)作幾何圖形一致性檢驗，以判明該網(wǎng)在兩期觀測之間是否發(fā)生了顯著性變化。 如果檢驗通過， 則認為所有參考點是穩(wěn)定的。否則，就采用嘗試法,依次尋找動點，直到圖形一致性通過檢驗為止。整體檢驗 定點搜索 4 . Gps變形監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理1）gps監(jiān)測網(wǎng)的經(jīng)典自由網(wǎng)平差2）gps監(jiān)測網(wǎng)的秩虧自由網(wǎng)平差3）gps監(jiān)測網(wǎng)的擬穩(wěn)平差4）gps監(jiān)測網(wǎng)變形分析基準的統(tǒng)一（七轉(zhuǎn)換參數(shù)：位置、方位、尺度

18、等基準）GPS變形監(jiān)測網(wǎng)平差方法可以分為靜態(tài)平差和動態(tài)平差兩種。靜態(tài)平差是把各期的觀測數(shù)據(jù)分別進行平差處理，而不考慮兩期之間的動態(tài)參數(shù)，通過統(tǒng)一的基準進行變形分析；動態(tài)平差是將檢測網(wǎng)作為動態(tài)系統(tǒng)，納入監(jiān)測點的變形參數(shù)，將各期觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合進行平差處理。第六章變形分析與建模的基本理論與方法 1.回歸模型逐步回歸計算過程:1.選第一個因子。由分析結(jié)果，對每一影響因子 著性檢驗來接納因子進入回歸方程。x與因變量 y建立一元線性回歸方程。由顯2. 選第二個因子。對一元回歸方程中已選入的因子，加入另外一個因子，建立二元線性回 歸方程進行檢驗。3. 選第三個因子。根據(jù)已選入的二個因子，依次與未選入每一因子，

19、用多元回歸模型建立三元線性回歸方程，進行檢驗來接納因子。在選入第三個因子后，應對原先已選入回歸方程的因子重新進行顯著性檢驗。4. 繼續(xù)選因子。2 .時間序列模型時間序列分析的特點：逐次的觀測值通常是不獨立的，且分析必須考慮到觀測資料的時間順序，當逐次觀測值相關(guān)時，未來數(shù)值可以有過去觀測資料來預測，可以利用觀測數(shù)據(jù)之間的自相關(guān)性建立相應的數(shù)學模型來描述客觀現(xiàn)象的動態(tài)特征。時間序列的基本思想：對于平穩(wěn)、正態(tài)、零均值的時間序列Xt，若Xt的取值不僅與前 n步的各個取值 X (t-1 )，X (t-2 )，X (t-n )有關(guān)，而且還與前 m步的各個干擾 a (t-1 )，a(t-2 )，a (t-m

20、 )有關(guān)(n、m=1，2，)則按多元線性回歸的思想， 可得最一般的 ARMA 模型3 .灰色系統(tǒng)分析模型灰色系統(tǒng)：部分信息已知、部分信息未知的系統(tǒng)?；覕?shù)：信息不完全的數(shù)，即只知大概范圍而不知道確切值的的數(shù)，灰數(shù)是一個數(shù)集。灰元：指信息不完全的元素?；谊P(guān)系：指信息不完全的關(guān)系?；疑到y(tǒng)的生成函數(shù)：累加生成：對原始數(shù)據(jù)序列中各時刻的數(shù)據(jù)依次累加，從而形成新的序列。累減生成：為累加生成的逆運算,即對序列中前后兩數(shù)據(jù)進行差值運算?；疑５幕舅悸罚簩﹄x散的帶有隨機性的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行生成處理，達到弱化隨機性、增強規(guī)律性的作用；然后由微分方程建立數(shù)學模型；建模后經(jīng)過“逆生成”還原后得到結(jié)果數(shù)據(jù)。關(guān)聯(lián)度

21、：對于兩個系統(tǒng)或系統(tǒng)中兩個因素之間隨時間變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度。GM（1,N）建立：將關(guān)聯(lián)度分析所確定的變形影響原因量（N-1 ）個序列和效應量序列一起構(gòu)成N個序列，每個序列有n個數(shù)值，作一次累加生成，建立白化形式的微分方程，就是1階N個變量的微分方程模型，記為GM（1,N）GM（1,1）: 一次累加，建立一階微分方程，最小二乘求系數(shù)，代入解得微分方程，累減4. Kalman濾波模型遞推式Kalman濾波的應用實例： 1）由變形系統(tǒng)的數(shù)學模型關(guān)系式（狀態(tài)方程和觀測方程）確定系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、動態(tài)噪聲矩陣和觀測矩陣；2）利用組觀測數(shù)據(jù)中的第一組觀測數(shù)據(jù)，確定濾波的初值，包括：狀態(tài)向量的初值及其相

22、應的協(xié)方差陣、觀測噪聲的協(xié)方差陣和動態(tài)噪聲的協(xié)方差陣；3）讀取組觀測數(shù)據(jù)，實施Kalman濾波；4）存儲濾波結(jié)果中最后一組的狀態(tài)向量估計和相應的協(xié)方差陣；5）等待當前觀測時段的數(shù)據(jù)；6 ）將上述組觀測數(shù)據(jù)中的第一組觀測數(shù)據(jù)去掉，把當前新的一組觀測數(shù)據(jù)放在其最后位置，重新構(gòu)成組觀測數(shù)據(jù)，回到上述的第1 ）步，重新進行Kalman濾波。如此遞推下去，達到自動濾波的目的。5 .人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡的特點：（1 ）以分布式方式存儲知識。知識不是存儲在特定的存儲單元中，而是分布在整個系統(tǒng)中；（2 ）以并行方式進行處理，即神經(jīng)網(wǎng)絡的計算功能分布在多個處理單元中。大大提高了信息處理和運算的速度；（3

23、）有很強的容錯能力，它可以從不完善的數(shù)據(jù)和圖形中學習做出判斷；（4）可以用來逼近任意復雜的非線性系統(tǒng)。（5）有良好的自學習、自適應、聯(lián)想等智能。能適應形同復雜多變的動態(tài)特性。BP網(wǎng)絡的學習過程：正向傳播、誤差反向傳播、重復過程。BP網(wǎng)絡的一般學習步驟：1）產(chǎn)生隨機數(shù)作為節(jié)點間連接權(quán)的初值；2）計算網(wǎng)絡的實際輸出Y； 3）由目標輸出 D與實際輸出 Y之差，計算輸出節(jié)點的總能量E； 4）調(diào)整權(quán)值；5）進行下一個訓練樣本，直至訓練樣本集合中的每一個訓練樣本都滿足目標輸出6 .頻譜分析及其應用頻譜分析是動態(tài)觀測時間序列研究的一個途徑。該方法是將時域內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)序列通過傅立葉級數(shù)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)進行分析，它有助于確定時間序列的準確周期并判別隱蔽性和復雜性的周期數(shù)據(jù)。頻譜分析算例求解過程：1.確定基頻f=1/T。將觀測資料的整個時間作為看成一個周期振動，周期為T=19.36年。2.確定N值。將 T分為N等份，可取 N為觀測值的個數(shù)，N=2363.由觀測資料確定水平位移值i=1.2.3.44.計算 AO,an ,bn n=1,2,3,4,N/2 5.確定主頻，計算 An ©n最小二乘響應分析是根據(jù)頻譜分析法所確定的輸入信號的主頻率，利用最小二乘原理來模擬輸入和輸出信號，對系統(tǒng)的響應作分析。第七章變形的確定性模型和混合模型1 .彈性力學的有關(guān)知識應變：彈性體