高層建筑物變形觀測與預(yù)報分析開題報告

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告設(shè)計（論文）題目:高層建筑物變形監(jiān)測與預(yù)報院系名稱:測繪工程學(xué)院專業(yè)班級:測繪12班學(xué)生姓名:*導(dǎo)師姓名:*開題時間:2016 年3月10日指導(dǎo)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(yīng)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(quán)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)被確認為是允許的，如果超出允許值，則可能引發(fā)災(zāi)難。自然界的變形危害現(xiàn)

2、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(wù)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(guān)工程設(shè)計的理論和地殼運動的假說，以及建立正確預(yù)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(gòu))筑物的塊體，它包括人工和自然的構(gòu)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)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

3、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(shè)備以及與工程建設(shè)有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)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。科學(xué)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(zāi)害頂報的理論和方法服務(wù)檢驗工程設(shè)計的理論是否正確，設(shè)計是否合理，為以后修改設(shè)計，制定設(shè)計規(guī)范提供依據(jù)?？茖W(xué)、準確、及時地分析和預(yù)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

4、意義，主要是掌握各種建筑物和地質(zhì)構(gòu)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(xué)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(yù)報模型。對于變形體的安全來說，監(jiān)測是基礎(chǔ)，分析師手段，預(yù)報是目的。及時準確的預(yù)報分析才能夠保證建筑物結(jié)構(gòu)的安全，從而促進我國建筑業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。二、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(yù)測。監(jiān)測技術(shù)方而 :在全球性的變形監(jiān)測方面，主要是全球定位系統(tǒng)(GPS )甚.長基線射電干涉測量 ( VLBI)、衛(wèi)星

5、激光測距 (SLR),檄光測月技術(shù) (LLR)以及衛(wèi)星重力探測技術(shù)。在區(qū)域性變形監(jiān)測方面， gps 成為主要的技術(shù)手段， 近 10 年發(fā)展起來的對地觀測遙感新技術(shù)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(shù)、地面攝影測量技術(shù)、特殊和專用的測量手段、以及GPS為主的空間定位技術(shù)得到了較好的應(yīng)用?？v觀國內(nèi)外數(shù)十年變形監(jiān)測技術(shù)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)測或室內(nèi)監(jiān)測提供了一種良好的技術(shù)手段，它可

6、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(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)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(yīng)用受到局限，過去僅大量應(yīng)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(shù)在變形監(jiān)測中的深入應(yīng)用開拓了非常廣泛的前景。光、機、電技術(shù)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(yīng)變測量、傾斜測量。GPS作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術(shù)，已逐漸在越來越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)光學(xué)和電

7、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(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了革命性的變化。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與預(yù)測是一項涉及到多門學(xué)科的工作，對于變形預(yù)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，變形預(yù)測開始在我國得到推廣，一些新的觀點、新的理論、新的技術(shù)和方法相繼出現(xiàn)。當前，越來越多的數(shù)據(jù)處理與預(yù)測模型出現(xiàn)在了變形預(yù)測領(lǐng)域，由于建筑物本身所具有的復(fù)雜性和引發(fā)建筑物沉降眾多因素的不確定性，想要建立合適的分析預(yù)測模型比較困難。

8、在目前基于實測數(shù)據(jù)的沉降變形數(shù)據(jù)處理與預(yù)測研究工作中，運用各種預(yù)測方法建立數(shù)據(jù)處理與預(yù)測模型，受到了從事研究建筑物沉降相關(guān)領(lǐng)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(yù)測模型、卡爾曼濾波模型、灰色預(yù)測模型、馬爾可夫預(yù)測模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型、小波分析預(yù)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(guān)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(yù)測時充分考慮了系統(tǒng)過去的變化規(guī)律，它是一種應(yīng)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，建立邊坡變形統(tǒng)計回歸

9、分析模型，對邊坡變形回歸與預(yù)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(xué)決策依據(jù)?；貧w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)列分析或動態(tài)數(shù)列分析，

10、是預(yù)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(chǔ)上，揭示出其本身的結(jié)構(gòu)和規(guī)律。將時間序列方法運用到變形預(yù)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(yù)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(yù)測帶來了一定的麻煩;.時間序列模型在進行預(yù)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， 時間序列難以描述

11、隨機變量與其他變量之間的相關(guān)關(guān)系。針對以上的一些不足，使得時間序列分析模型應(yīng)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(xué)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(yù)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(yù)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(yù)測是一個不錯的選擇。在利用灰色系統(tǒng)理論進行沉降預(yù)測方面，國內(nèi)許多學(xué)者己經(jīng)進行過相關(guān)研究:郭宗陽論述了灰色模型G

12、M(1,1)的建立和模型檢驗理論，并應(yīng)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(yù)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(yù)測模型對西安市某辦公樓和住宅樓進行沉降預(yù)測，并將預(yù)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(yù)測時， 分別構(gòu)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(yù)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(yù)測，并獲取了滿意的結(jié)果。尹志政通過建立灰色GM(1,1)模型，對大壩

13、進行監(jiān)測預(yù)報，結(jié)果表明，灰色模型可以較準確地預(yù)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(yù)測模型， 采用相對誤差檢驗預(yù)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(yù)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(yù)測精度較低。近年來，隨著各種變形分析與預(yù)測相關(guān)科學(xué)知識的推廣，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與預(yù)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(xué)者在進

14、行變形預(yù)測研究時，都結(jié)合實際情況建立相關(guān)的組合模型，并且取得了不錯的預(yù)測效果。例如，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)相結(jié)合，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對灰色理論模擬值誤差建模預(yù)測;將時間序列與灰色理論相結(jié)合，構(gòu)建了灰色一時間序列組合模型，在預(yù)測其發(fā)展趨勢時采用灰色模型、在預(yù)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(luò)相結(jié)合，建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)報模型，用來對線性和非線性系統(tǒng)進行變形預(yù)報。未來變形監(jiān)測技術(shù)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(yīng)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)處理和

15、分析方面將實現(xiàn)自動化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)將會得到很好的應(yīng)用。高層建筑物的出現(xiàn)對變形監(jiān)測技術(shù)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(shù)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(yīng)用。相信未來各種新技術(shù)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(xué)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(shè)計2.1 變形監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)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)定性檢驗4.

16、監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理5.變形預(yù)測常用測量方法依據(jù)觀測數(shù)據(jù)進行未來變形的預(yù)測是非常重要的內(nèi)容，目前主要是以數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用為主。先進的數(shù)學(xué)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(yù)測模型，預(yù)測模型的優(yōu)化將得到重視與應(yīng)用。采用不同的組織形式會得到不同的預(yù)測精度，為了得到理想的預(yù)測精度，應(yīng)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(yù)測模型。四、課題研究技術(shù)路線或研究方法（1）收集并參考相似工程的設(shè)計書和技術(shù)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(shù)設(shè)計方案；（5）參加測區(qū)的

17、踏勘、選點及控制網(wǎng)布設(shè)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(shè)計（論文）階段內(nèi)容2015 年 12月2016 年 3 月收集相關(guān)資料及相關(guān)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(xué) M. 武漢 :武漢大學(xué)出版社， 2005.2黃聲享，尹暉，蔣征 .變形

18、監(jiān)測數(shù)據(jù)處 M. 武漢 :武漢大學(xué)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(xué)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(yù)報J.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 :自然科學(xué)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(yù)測J.測繪科學(xué)，2012,37(3):96一 98.6 王正旭，獨知行，單瑞. CPS 技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)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(yīng)用研究D.河南理工大學(xué),2011.9張振勇 .灰色一時序組合模型在建筑物變形預(yù)測中的應(yīng)用研究D.天津大學(xué)， 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(yīng)用 D.河南理工大學(xué)， 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(yù)報J，河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(yīng)用.山