高層建筑物變形觀測與預報開題報告

1、畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目: 高層建筑物變形監(jiān)測與預報 院 系 名 稱: 測繪工程學院 專 業(yè) 班 級: 測繪12班 學 生 姓 名: * 導 師 姓 名: * 開 題 時 間: 2016年3月10日 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日一、課題研究的目的和意義任何測量工作都是針對相應對象而言的，例如地形圖測繪是對某區(qū)域進行地物和地貌的測量，地籍及房產(chǎn)測量是精確測定土地權屬界址點的位置。變形監(jiān)測是對變形體上的監(jiān)測點進行測量，亦稱變形觀測或形變測量。變形是自然界普遍存在的現(xiàn)象，它是指變形體在各種荷載作下，其形狀、大小及位置在時間域和空間域的變化。變形體的變形在一定范圍內(nèi)被確認為

2、是允許的，如果超出允許值，則可能引發(fā)災難。自然界的變形危害現(xiàn)象很普遍的，如地展、滑坡、巖崩、地表沉降、火山爆發(fā)、潰壩、橋梁與建筑物的倒塌等。其任務是確定在外力作用下 ，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。變形監(jiān)測的主要目的就是實時的了解高層建筑物的變形情況，監(jiān)測變形體的安全狀態(tài)，驗證有關工程設計的理論和地殼運動的假說，以及建立正確預報變形的理論和方法。變形體的范疇一可以大到整個地球，小到一個工程建(構)筑物的塊體，它包括人工和自然的構筑物。根據(jù)變形體的范圍，可將變形監(jiān)測的研究對象劃分為這樣三類: (1)全球性變形研究，如監(jiān)測全球板塊運動、地極運動、地球自轉(zhuǎn)速率變化、地潮等: (2

3、)區(qū)域性變形研究，如地殼形變監(jiān)測、城市地表沉降; (3)工程和局部性變形研究，如監(jiān)測工程建筑物的三維變形、滑坡體的滑動、地下開采引起的地表移動和下沉等。變形監(jiān)測實用上的意義:保障工程安全，監(jiān)測測各種工程建筑物，機器設備以及與工程建設有關的地質(zhì)構造的變形，及時發(fā)現(xiàn)異常變化，對其穩(wěn)定性、安全性做出判斷，以便采取措施處理，防止事故的發(fā)生?？茖W上的意義:積累變形監(jiān)測的資料，更好的解釋變形的機理，驗證變形的假說，為研究災害頂報的理論和方法服務檢驗工程設計的理論是否正確，設計是否合理，為以后修改設計，制定設計規(guī)范提供依據(jù)。科學、準確、及時地分析和預報工程及工程建筑物的變形情況，對工程建筑物的施工和運營管理

4、極為重要，變形監(jiān)測工作的意義重點表現(xiàn)在兩方面:首先是實用上的意義，主要是掌握各種建筑物和地質(zhì)構造的穩(wěn)定性，為安全性診斷提供必要的信息以使發(fā)現(xiàn)問題并采取措施:其次是科學上的意義，包括更好地理解變形的機理，驗證有關工程設計的理論和地殼運動的假說，進行反饋設計以及建立有效的變形預報模型。對于變形體的安全來說，監(jiān)測是基礎，分析師手段，預報是目的。及時準確的預報分析才能夠保證建筑物結(jié)構的安全，從而促進我國建筑業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。2、 課題研究現(xiàn)狀及分析在變形監(jiān)測過程中能在使用儀器方面提高測量精度，在數(shù)據(jù)處理方面合理的使用適當?shù)哪Ｐ透茏龀鰷蚀_的預測。監(jiān)測技術方而:在全球性的變形監(jiān)測方面，主要是全球定位系統(tǒng)

5、(GPS ).甚長基線射電干涉測量( VLBI)、衛(wèi)星激光測距(SLR),檄光測月技術(LLR)以及衛(wèi)星重力探測技術。在區(qū)域性變形監(jiān)測方面，gps成為主要的技術手段，近10年發(fā)展起來的對地觀測遙感新技術合成孔徑雷達干涉測（InSAR）.在工程和局部性變形監(jiān)測方而，地面常規(guī)測量技術、地面攝影測量技術、特殊和專用的測量手段、以及GPS為主的空間定位技術得到了較好的應用?？v觀國內(nèi)外數(shù)十年變形監(jiān)測技術的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法主要采用是大地測量法和近景攝影測量法。常規(guī)地面測量方法的完善與發(fā)展，其顯著進步是全站型儀器的廣泛使用，尤其是全自動跟蹤全站儀，有時也稱之為測量機器人，為局部工程變形的自動監(jiān)測

6、或室內(nèi)監(jiān)測提供了一種良好的技術手段，它可進行一定范圍內(nèi)無人值守、全天候、全方位的自動監(jiān)測。實際工程實驗表明，測量機器人監(jiān)測精度可以達到mm級。但是TPS最大的缺陷就是受測程限制，測站點一般都處在變形區(qū)域的范圍內(nèi)。地面攝影測量技術在變形監(jiān)測中的應用起步比較早，但是由于攝影距離不能過遠，加上絕對精度較低，使得其應用受到局限，過去僅大量應用于高塔、煙囪、邊坡體等變形監(jiān)測。近幾年發(fā)展起來的數(shù)字攝影測量和實時攝影測量技術在變形監(jiān)測中的深入應用開拓了非常廣泛的前景。光、機、電技術的發(fā)展，研制出了一些特殊和專用于變形的自動監(jiān)測，它包括準直測量、應變測量、傾斜測量。GPS作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術，已逐漸

7、在越來越多的領域取代了常規(guī)光學和電子測量儀器。自從20世紀80年代以來，尤其是進入90年代后，GPS衛(wèi)星定位和導航技術與現(xiàn)代通信技術的相結(jié)合，在空間定位 技術方面引起了革命性的變化。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與預測是一項涉及到多門學科的工作，對于變形預測方面的研究，國外從五六十年代已經(jīng)開始了，并在法律上給予了保證。在我國對于一該項的研究從60年代初期開始起步，到80年代伴隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，變形預測開始在我國得到推廣，一些新的觀點、新的理論、新的技術和方法相繼出現(xiàn)。當前，越來越多的數(shù)據(jù)處理與預測模型出現(xiàn)在了變形預測領域，由于建筑物本身所具有的復雜性和引發(fā)建筑物沉降眾多因素的不確定性，想要建立合適的分

8、析預測模型比較困難。在目前基于實測數(shù)據(jù)的沉降變形數(shù)據(jù)處理與預測研究工作中，運用各種預測方法建立數(shù)據(jù)處理與預測模型，受到了從事研究建筑物沉降相關領域?qū)W者的高度重視。其中具有代表性的模型有:回歸分析模型、時間序列分析預測模型、卡爾曼濾波模型、灰色預測模型、馬爾可夫預測模型、神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型、小波分析預測模型等，下面分別加以介紹。(1)回歸分析模型回歸分析是研究一個變量與多個因子之間非確定關系的最基木的方法?；貧w分析模型是一種“后驗”性的分析模型，它在進行預測時充分考慮了系統(tǒng)過去的變化規(guī)律，它是一種應用比較廣泛的分析方法。陳曉鵬考慮時效、溫度和降雨等對邊坡變形的影響，并將其作為邊坡變形的影響因子，建

9、立邊坡變形統(tǒng)計回歸分析模型，對邊坡變形回歸與預測川。朱友聰在模擬拱壩變形監(jiān)測中變形發(fā)展趨勢時采用了多元逐步回歸分析的方法，對拱壩變形性態(tài)是否符合正常工作狀態(tài)進行了評價，從而為拱壩控制運用提供了科學決策依據(jù)。回歸分析模型在進行變形分析時，同樣存在著自身的不足:.回歸分析模型在進行分析時需要大量的原始數(shù)據(jù)，當采用較少原始數(shù)據(jù)量進行分析時，所得到的分析效果不會太理想。.在回歸分析模型中，有些對因變量影響重要的因素一般很難量化，所以影響了建模的準確性。.由于人為因素，我們不可能對影響因素做出精確的判斷，常常會忽略到一些影響因素，這樣就造成了分析的不準確。 (2)時間序列分析 時間序列分析，也叫時間數(shù)列

10、分析或動態(tài)數(shù)列分析，是預測要素的數(shù)據(jù)按照時間順序變動排列而形成的一種數(shù)列，它反映了要素隨時間變化的發(fā)展過程。時間序列分析是一種動態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，它建立在輸出等價的基礎上，揭示出其本身的結(jié)構和規(guī)律。將時間序列方法運用到變形預測是近年來的一個熱點。時間序列分析方法在發(fā)揮其優(yōu)點的同時也存在著一些不足:.時間序列分析預測需要大量的觀測數(shù)據(jù)，但是大部分的變形體并沒有大量的觀測數(shù)據(jù)，這就給預測帶來了一定的麻煩;.時間序列模型在進行預測時，要求輸入的數(shù)據(jù)必須是白噪聲，當輸入的數(shù)據(jù)不能夠滿足要求時，需要對原始觀測數(shù)據(jù)進行一定的處理。.由于時間序列模型是一種參數(shù)模型，因此數(shù)據(jù)計算量較大。.相對于回歸分析模型，時

11、間序列難以描述隨機變量與其他變量之間的相關關系。針對以上的一些不足，使得時間序列分析模型應用范圍比回歸模型要小得多，使其在變形頂測中有一定的局限性。 (3)灰色系統(tǒng)模型灰色系統(tǒng)理論的創(chuàng)始人是我國著名的學者鄧聚龍教授，他提出了一種新的途徑用來解決少數(shù)據(jù)、貧信息條件下的系統(tǒng)建模問題。相對于其他的預測方法，灰色系統(tǒng)理論在處理信息量少、規(guī)律性不強的難度問題時，顯示出了一定的優(yōu)越性，灰色系統(tǒng)在預測時并不需要太多的原始數(shù)據(jù)即可建模，很多變形監(jiān)測數(shù)據(jù)都存在樣本少、信息貧的情況，因此，采用灰色GM(1,1)模型進行預測是一個不錯的選擇。在利用灰色系統(tǒng)理論進行沉降預測方面，國內(nèi)許多學者己經(jīng)進行過相關研究:郭宗陽

12、論述了灰色模型GM(1,1)的建立和模型檢驗理論，并應用灰色模型GM(1,1)對建筑物監(jiān)測點的變形量進行了分析，將得出的預測值與觀測值進行比較，結(jié)果表明這種分析方法精確可靠。胡發(fā)秋，巫志輝利用灰色預測模型對西安市某辦公樓和住宅樓進行沉降預測，并將預測值與實際觀測值進行了對比，取得了良好的效果。黃紅軍在對宜昌均瑤國際廣場進行沉降預測時，分別構建了灰色模型和回歸分析模型，通過對比分析，GM(1,1)模型能較好地預測出該建筑物的沉降趨勢。張志勇在對建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)進行處理時，運用灰色系統(tǒng)理論建立了灰色動態(tài)GM(1,1)模型，對建筑物沉降作出預測，并獲取了滿意的結(jié)果。尹志政通過建立灰色GM(1,1)

13、模型，對大壩進行監(jiān)測預報，結(jié)果表明，灰色模型可以較準確地預測大壩的變形量。劉欽等人以具體工程為例，對緊鄰建筑物的沉降變形進行數(shù)值模擬，并將模擬值與實際沉降監(jiān)測值進行對比分析。敖斌等人以GM(l,l)作為預測模型，采用相對誤差檢驗預測模型的精度并編制了MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的算法，通過實例驗證了建筑物沉降過程?；疑Ｐ屯瑯哟嬖谄淙秉c，由于灰色模型預測結(jié)果的幾何圖形是一條極為平滑的曲線，因而對于波動性較大的數(shù)據(jù)序列擬合較差，預測精度較低。近年來，隨著各種變形分析與預測相關科學知識的推廣，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與預測模型也變得更加豐富了。與此同時，考慮到單個模型難以全面地反映變形體的變化規(guī)律，所以很多學

14、者在進行變形預測研究時，都結(jié)合實際情況建立相關的組合模型，并且取得了不錯的預測效果。例如，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型與多元回歸方法相結(jié)合，研究既有線性趨勢又有指數(shù)增長趨勢的序列;將灰色理論與人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法對灰色理論模擬值誤差建模預測;將時間序列與灰色理論相結(jié)合，構建了灰色一時間序列組合模型，在預測其發(fā)展趨勢時采用灰色模型、在預測其隨機部分時采用時間序列;把小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡組合預報模型，用來對線性和非線性系統(tǒng)進行變形預報。未來變形監(jiān)測技術將向多種傳感器、數(shù)字近景攝影全自動跟蹤全站儀和GPS的綜合應用，實現(xiàn)實時、連續(xù)、高效、自動化、動態(tài)的監(jiān)測。數(shù)據(jù)處

15、理和分析方面將實現(xiàn)自動化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，更注重時空模型和動態(tài)分析的研究，數(shù)字信號處理技術將會得到很好的應用。高層建筑物的出現(xiàn)對變形監(jiān)測技術提出了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法己經(jīng)不能滿足需要，隨著測繪新儀器與技術的出現(xiàn)，己經(jīng)在高層建筑物變形監(jiān)測中得到了一定應用。相信未來各種新技術將不斷更新升級，向著相互融合，相互集成的方向發(fā)展。使得測量方法更科學先進，操作更簡單，而測量成果的精度也越來越高。三、課題基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1.變形監(jiān)測的目的及意義 2.高層建筑物變形監(jiān)測方案設計 2.1變形監(jiān)測網(wǎng)的布設 2.2變形監(jiān)測精度和頻率的確定 2.3監(jiān)測方案編制 3.監(jiān)測網(wǎng)平差及參考點穩(wěn)定

16、性檢驗 4.監(jiān)測數(shù)據(jù)的預處理 5.變形預測常用測量方法依據(jù)觀測數(shù)據(jù)進行未來變形的預測是非常重要的內(nèi)容，目前主要是以數(shù)學模型的應用為主。先進的數(shù)學方法，將補充和完善傳統(tǒng)監(jiān)控模型的不足，同時，這些理論與傳統(tǒng)方法有機結(jié)合，將使傳統(tǒng)的監(jiān)控模型更為完善?；诓煌A測模型，預測模型的優(yōu)化將得到重視與應用。采用不同的組織形式會得到不同的預測精度，為了得到理想的預測精度，應根據(jù)工程的實際J情況，分析試驗可能的組織形式，最終確定最優(yōu)預測模型。四、課題研究技術路線或研究方法 （1）收集并參考相似工程的設計書和技術總結(jié)資料； （2）收集并參考相似工程的論文資料； （3）測區(qū)資料的收集整理； （4）編寫項目技術設計方

17、案； （5）參加測區(qū)的踏勘、選點及控制網(wǎng)布設和觀測； （6）直接參加各期沉降觀測工作，加強實踐環(huán)節(jié)； （7）參與內(nèi)業(yè)平差計算、成果分析及資料整理； （8）參加檢查驗收五、進度安排起 止 日 期 設計（論文）階段內(nèi)容2015年12月2016年3月 收集相關資料及相關知識，撰寫開題報告，完成 開題報告，并進行開題答辯2016年04月2015年05月 進行數(shù)據(jù)采集2016年05月2016年06月 撰寫論文初稿、修改、完成論文終稿2016年06月2016年06月 做答辯演示文稿，準備答辯六、主要參考文獻1張正祿等.工程測星學M.武漢:武漢大學出版社，2005.2黃聲享，尹暉，蔣征.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處M.武

18、漢:武漢大學出版社2003.3華錫生，田亞林.安全監(jiān)測原理與方法M.南京:河海大學出版社，2007.4趙立中，黃強，房華樂，等.高層建筑物基坑變形的綜合監(jiān)測與預報J.山東農(nóng)業(yè)大學學報:自然科學版,2012,43:539一542.5高寧，崔希民，高彩云.高層建筑物沉降變形的灰線性預測J.測繪科學，2012,37(3):96一98.6王正旭，獨知行，單瑞. CPS技術在高層建筑變形監(jiān)測中的應用研究J.城市勘測,2009(3):102-1057建筑變形測量規(guī)程(JGJ/T8-97 ) S.8朱云.小波分析在建筑物動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和變形分析中的應用研究D.河南理工大學,2011.9張振勇.灰色一時序組合模型在建筑物變形預測中的應用研究D.天津大學，2009.10張俊中.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析方法的研究和應用D.河南理工大學，2012.11蘭孝奇，楊永平，黃慶，等，建筑物沉降的時間序列分析與預報J，河海大學學報(自然科學版)2006, 34(4):426-42912黃紅軍.GM(1,1)模型在高層建筑物沉降監(jiān)測中的應用.山西建筑.2008，34 (14) :102-103.13JeffreyLam,C.SusanY.Vasana.NoiseFilteringofPhysiologicalSignalsUsingW