工程测量论文Word文档格式.docx

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变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段，是工程测量学的重要内容。

变形监测的对象是多种多样的，从地表到各种工程的建（构）筑物，一切关系到人们生活、生产的实物对象都有可能成为变形测量的对象。

根据变形体的研究范围，可将变形监测的研究对象划分为这样3类:

一、全球性变形研究，如监测全球板块运动、地极移动、地球自转速率变化、地潮等;

二、区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等:

三、工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动、地下开采引起的地表移动和下沉等。

引起变形体变形的原因很多，主要可分为外部原因和内部原因两方面。

如:

外部原因有使用中的动荷载、振动或风力的影响、地下水位的升降等;

内部原因有设计不够合理、施工质量差、施工方法不当等。

正确分析（可能）引起变形体变形的原因，对变形监测方案的设计、实施，变形监测后期数据的处理及分析预报是非常重要的。

另外，对变形体的变形特征进行合理的分类，也是变形监测工作的内在要求，有利于合理地开展监测工作，更好的理解变形机理。

通常情况下，变形可分为静态变形和动态变形两大类。

静态变形主要是指变形体随时间的变化而发生的变形，这种变形速度较慢，需要长期观测才能发觉。

动态变形主要指变形体在外界荷载的作用下而发生的变形。

通常，荷载的作用使变形即刻发生。

若按变形体的变形特征分类，变形可分为变形体自身的形变和变形体的刚体位移;

按变形速度可分为长周期变形、短周期变形和瞬时变形;

按变形特点可分为弹性变形和塑性变形。

二.变形监测的目的与意义

由于大型建（构）筑物在国民经济建设中的重要性，其安全问题受到普遍关注。

各种工程规模越来越大，造价越来越高，工程要求也越来越精密，而一旦由于某种原因引起工程灾害，其后果将不堪设想。

因此，准确地掌握各类工程的变形状态，实现预测和防治工程灾害的目的，显得十分重要。

对重要建（构）筑物实施变形监测的主要目的及意义体现在以下几个方面。

一、分析和评价建筑物的安全状态

由于工程的地质条件、内部结构、使用中的荷载及振动等内外因素的影响，建（构）筑物及其设备在施工及运营过程中都会产生一定的变形，如建（构）筑物的整体或局部发生沉陷、倾斜、扭曲、裂缝等。

这种变形如果超过了一定的限度，就会影响建（构）筑物的正常使用，可能危及其安全。

因此，在各类工程在施工及运营期间，尤其是大型工程，一般都要进行变形监测，以监视建（构）筑物的安全状态。

二、验证设计原理，反馈施工质量

在国内外，存在不少因设计或施工质量问题而造成的工程事故。

变形监测不仅能监视建（构）筑物的安全状态，而且其结果也是对设计数据的验证，同时起到反馈施工质量的重要作用，为改进设计和科学研究提供重要的资料和依据。

三、研究变形规律，进行合理分析和预报

通过大量的监测数据对变形体的变形规律进行系统的分析研究，更好的掌握变形机理，给出合理的物理解释，建立有效的变形预报模型，是变形监测的中心任务。

总而言之，变形监测有实用上和科学上两方面的意义。

首先是实用上的意义，掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施;

其次是科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型等。

三.变形检测技术的概述

变形监测技术包括常规大地测量技术、特殊变形测量技术、摄影测量技术和GPS技术。

在20世纪80年代以前,变形监测主要是采用常规大地测量和某些特殊测量技术。

常规大地测量,是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值,其优点是:

①能够提供变形体整体的变形状态;

②适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境;

③可以提供绝对变形信息。

但外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。

特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量,它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点,但通常只能提供局部的和相对的变形信息。

摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。

近10余年来,近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝、滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用,其监测精度可达到mm级。

与其他变形监测技术相比较,近景摄影测量的优点是:

①可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位关系;

②可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测;

③相片上的信息丰富、客观而又可长期保存,有利于进行变形的对比分析;

④监测工作简便、快速、安全。

近几年发展起来的数字摄影测量技术,也在建筑物及滑坡等变形监测中得到了成功的应用,并显示出良好的应用前景。

此外,空中摄影测量技术亦在较大范围的地面变形监测中得到了应用。

但由于摄影距离不能过远,且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备,摄影测量技术在变形监测中的应用尚不普及。

GPS技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。

据资料介绍,国外从20世纪80年代开始用GPS进行变形监测。

从90年代以来,世界上许多国家纷纷布设地壳运动GPS监测网,为地球动力学研究和地震与火山喷发预报服务。

例如,日本国土地理院从1993年开始了GPS连续观测网的筹建工作,到1994年日本列岛已建立由210个GPS连续观测站组成的连续监测系统（COSMOS）,目前的观测站总数已发展到1000多个。

该系统于1994年10月1日正式起用,10月4日就监测到北海道东部近海8·

1级大地

震,并清晰地记录了地震前后的地壳形变。

此后,又成功地捕捉到三陆远海地震及兵库县南部地震的地壳形变。

1995年1月17日,在日本阪神7·

2级大地震后,该系统在进行快速、准确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大的作用。

GPS技术是监测地壳形变和板块运动的有效手段。

我国在利用GPS进行地壳形变监测方面起步较早。

从1990年开始,先后建立了多个全国性的GPS监测网（包括中国地壳运动观测网络、国家GPSA级网等）和主要活动带的区域性GPS监测网（包括青藏和喜马拉雅山地区、川滇地区、河西和阿尔金地区、新疆和塔里木地区、华北地区和福建沿海地区的GPS监测网等）,进行了多期的复测和连续观测,并利用这些资料首次建立了定量的中国大陆及其周围地区地壳运动的速度场,给出了中国大陆地壳水平运动的基本特征,得到了中国地壳水平运动呈现明显的非均匀性,西强东弱,西部地区的地壳运动受印度板块强烈冲击呈现南北向缩短、东西向伸展、有明显块体特点等重要结论。

在大坝外观变形监测方面,已成功地建立GPS自动化监测系统。

我国在青江隔河岩大坝建立的GPS自动化变形监测系统,由数据采集、数据传输、数据处理与分析3大部分组成。

数据传输部分及时准确地传输观测资料及有关信息（观测值、卫星星历）到控制中心,也能在总控室中对各接收机进行遥控（譬如:

开机、关机、改时段长度、设置采样率、截止高度角等参数）。

数据处理及管理部分主要由总控软件、数据自动处理软件、自动变形分析软件和数据库管理等部分组成。

该系统曾在1998年长江抗洪中发挥了重要作用。

在GPS用于滑坡变形监测方面,DingXL于1999年提出了一机多天线的思想并成功研制了一机多天线GPS变形监测系统,它不改变目前已有的GPS接收机的结构,而通过一个附加的GPS信号分时器来实现一机多天线。

这一思想在设计上是多天线阵列与接收机的连接使用一个时分单通连接开关,即GPS多天线转换开关GMS（GPSMultiOantennaSwitch）,它能与任意多个GPS天线相连。

实践证明,采用一机多天线GPS系统,不仅可大大节省硬件设备费用的投入,而且能够有效地应用于滑坡和大坝等局部变形监测

四.GPS数据处理的方法

1.GPS变形监测网静态平差

GPS变形监测网的静态平差是把各期的外业观测数据分别进行平差，解算时并不考虑相邻两期观测数据之间的动态参数。

在各种变形监测工程中，针对周期性重复测量模式，一般采用静态平差法；

而对于不同的变形体和不同的监测环境，可分别选择经典自由网平差、秩亏自由网平差和拟稳平差进行整网的平差解算。

选择哪种平差方法进行数据解算，主要取决于哪种平差方法中所定义的参考系与实际情况相符合，一般可按下述原则进行：

（1）当变形监测网中存在稳定的固定点时，可以这些固定点为基准，进行经典自由网平差，解算基准为固定基准。

（2）当变形监测网中所有的点位都存在微小的随机变动、不存在稳定的固定点时，应采用秩亏自由网平差。

此时，解算基准为所有网点近似坐标的平均值，即重心基准。

（3）当变形监测网中有相对稳定的点存在时，则平差方法选用拟稳平差，解算基准为相对稳定点近似坐标的平均值，即拟稳点重心坐标，此时基准为拟稳基准。

平差时，3种平差方法的误差方程和基准方程如下：

2GPS监测网变形分析基准的统一

周期性重复测量模式下GPS监测网观测是分期进行的。

由于各种误差源的影响，导致各期基线向量之间可能存在系统性尺度和方位上的差异，如果解算时不考虑这种偏差，就有可能将其当作变形值来处理，从而导致变形分析结果出现错误，也就不能提供正确的决策依据。

因此，解算时必须统一方位基准和尺度基准，常用的方法有多项式拟合法和坐标系统转换法等。

不同坐标系统的转换可采用最为常用的布尔沙模型，又称为七参数转换法，则某点由空间直角坐标系A到空间直角坐标系B的转换关系为：

同时，固定多个已知基准点的变形监测网约束平差，会将已知点的自身误差传递给变形监测点，致使变形分析时误差与变形难以区分，影响分析结果。

如果各期GPS监测网进行无约束平差时都以首期坐标为基准，就已经实现了位置基准的统

一，此时，可采用上述式（6）来实现各期数据在方位基准和尺度基准上的统一。

但在使用该式时需注意，此时已经实现了位置基准的统一，所以要去掉式中的平移参数，而只留下旋转参数和尺度参数，参与计算后续各期监测结果和首期监测结果之间的转换参数，进而求出各期监测结果转换之后的坐标。

由此便统一了GPS监测网各期观测坐标的基准，可据此对监测体作出变形分析。

对于采用首期坐标为基准的GPS监测网平差方法，首期GPS观测数据进行无约束平差时，采用与原来一样的平差方法进行。

以后各期GPS观测数据无约束平差时，使其误差方程与原来的误差方程保持相同，但位置基准均使用第一期的位置基准，进行无约束平差，这样就可以保证两期之间的位置基准统一，也就实现了各期平差结果之间位置基准的统一。

五.GPS的发展趋势

GPS用于变形监测的发展趋势根据对国内外GPS变形监测的现状分析和对变形监测的客观要求,可将GPS变形监测的发展趋势概括为以下几个方面:

1）建立GPS变形监控在线实时分析系统

对于大坝、大型桥梁、高层建（构）筑物、滑坡和地区性地壳变形监测,研究建立技术先进而又实用的GPS变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。

这种系统由数据采集、数据传输和数据处理与分析等几个主要部分组成,可以使监测数据得到及时地分析和处理,从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势,为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据,这对处于活跃阶段的滑坡体变形及断层的相对运动监测具有特别重要的意义。

由于建立连续运行的GPS网络系统进行大坝和滑坡等变形监测,成本较为昂贵,因此,研究低成本的GPS一机多天线变形在线实时监测分析系统也一个颇有实际意义的研究方向。

2）建立“3S”（GPS、GIS、RS）集成变形监测系统

随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展,“3S”（GPS、GIS、RS）技术已从各自独立发展进入相互集成融合的阶段[20,21]。

“3S”技术集成,可为分析、研究包括变形信息在内的各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑,特别是时态GIS（TemporalGIS,简称TGIS）技术的应用,它可以描述四维空间的地质现象,除具有一般GIS的功能外,还能够记载研究区域内各种地质现象随时间的演绎过程,这对滑坡等地质灾害的监测预报具有非常重要的作用。

因此,研究“3S”集成变形监测系统,也是变形监测技术的重要发展趋势之一。

3）建立GPS与其他变形监测技术集成组合的综合变形监测系统

为克服GPS技术用于变形监测的不足和局限性,根据变形监测的对象和目的,将GPS与其他变形监测技术（如IN2SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等）集成组合形成综合变形监测系统,可实现不同监测技术之间的优势互补。

例如,将GPS与INSAR集成组合成GPS/INS变形监测系统,可从离散点位测定进入到四维形变场（x,y,z,t）的整体动态精确测定,使GPS变形监测技术应用范围更加广阔。

现在

GPS等空间测地技术不仅可以应用于水库大坝及各种滑坡的精密外观形变监测,而且已经用于研究板块运动、亚板块运动等问题,这在过去是不敢想象的。

GPS等空间测地技术集成组合应用于大范围、整体性的地壳运动监测,将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力方面得到极大地提高,这也为GPS等空间测地技术用于大型工程的变形监测带来了新的机遇,为推进高精度变形监测的研究注入新的活力。

4）将小波分析理论用于GPS动态变形分析

为了克服经典Fourier分析不能描述信号时频特征的缺陷,可将小波变换用于GPS动态变形分析,即利用小波变换的多分辨率特性,实现GPS动态监测数据的滤波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离。

通过小波变换提取变形特征的研究工作已经起步,但尚未取得实质性的研究成果。

在第21届国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）大会上,国际大地测量协会（IAG）将“小波理论及其应用”确定为大地测量新理论的研究方向之一。

在1999年召开的第22届IUGG大会上,“小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用”再次被IAG确定为GIV分会（大地测量理论与方法）的新的研究课题。

由此可见开展小波理论及其应用研究的重要性。

小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具,可解决其他方法无法解决的难题,对非平稳信号消噪有着其他方法无法比拟的优点。

因此,小波分析理论在GPS动态变形监测的数据处理与分析方面将可发挥重要作用。

六.结束语

GPS以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,在地壳形变和工程及灾害监测中的应用将越来越广泛。

GPS用于变形监测,其总的发展趋势是针对不同的监测对象和监测目的,研究建立技术先进而又实用的GPS在线实时监测分析系统和基于GPS与其他技术（GIS、RS、IN2SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等）集成组合的综合性的变形在线实时分析系统。

GPS应用于大坝和滑坡体等的外观变形监测,与传统的地面测量技术相比有其独特的优越性,但是成本亦较为昂贵。

因此,研究低成本的GPS一机多天线变形在线实时监测系统有其实际意义。

诞生于20世纪80年代的小波分析理论,是一种最新的时频局部化分析方法,被认为是自Fourier分析之后的突破性进展。

将小波分析方法用于GPS动态变形分析,可望有效地提取动态变形特征,是一个值得重视的研究方向。

此外,应当重视研究如何提高GPS垂直位移的监测精度,使之能与水平位移的监测精度相匹配,从而使GPS可以同时测定三维位移的优越性得到更有效的发挥。

参考文献

[1]过家春.GPS术在桥梁变形监测中的应用研究[J].合肥工业大学出版社.2010.

[2]胡友健.梁新美.许成功，论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J],测绘科学，2006.

[3]王博.GPS变形监测网数据分析探讨[J].科技情报开发与经济.2010

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