变形监测数据处理1-2课件.ppt

1、 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPS GPS周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 GPS GPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 变形信息变形信息获取获取方法的选择方法的选择取决于变形体的特征、变取决于变形体的特征、变形形监测的目的、监测的目的、变形大小和变形速度等因素。变形大小和变形速度等因素。 在在全球性变形监测全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本最方面，空间大地测量是最基本最适用的技术，它主要包括全球定位系统（适用的技术，它主要包括全球

2、定位系统（GPSGPS）、）、甚长甚长基线射电干涉测量（基线射电干涉测量（VLBIVLBI）、）、卫星激光测距（卫星激光测距（SLRSLR）、）、激光测月技术（激光测月技术（LLRLLR）以及卫星重力探测技术（卫星测以及卫星重力探测技术（卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）等技术手段；高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量）等技术手段； 在在区域性变形监测区域性变形监测方面，方面，GPSGPS已成为主要的技术手段已成为主要的技术手段。近十年发展起来的空间对地观测遥感新技术。近十年发展起来的空间对地观测遥感新技术合合成孔径雷达干涉测量（成孔径雷达干涉测量（InSARInSAR, ,Interf

3、erometric Synthetic Aperture Radar），），在监测地震变形、火山地表移动、在监测地震变形、火山地表移动、冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的冰川漂移、地面沉降、山体滑坡等方面，其试验成果的精度已可达厘米或毫米级，表现出很强的技术优势。但精度已可达厘米或毫米级，表现出很强的技术优势。但精密水准测量精密水准测量依然是高精度高程信息获取的方法。依然是高精度高程信息获取的方法。 在在工程和局部性变形监测工程和局部性变形监测方面，地面常规测量技术方面，地面常规测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段、以及地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段、以及以以

4、GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPS GPS周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 GPS GPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 合理设计合理设计变形监测方案变形监测方案是变形监测的首要工作，对于是变形监测的首要工作，对于监测网监测网设计设计而言，其主要内容包括：确定监测网的质量标准；选择观测而言，其主要内容包括：确定监测网的质量标准；选择观测方法；点位的最佳布

5、设和观测方案的最优选择。在过去三十年里方法；点位的最佳布设和观测方案的最优选择。在过去三十年里，变形监测方案设计和监测网优化设计的研究较为深入和全面，变形监测方案设计和监测网优化设计的研究较为深入和全面，取得了丰富的理论研究成果和实用效益，这一点可从众多文献中取得了丰富的理论研究成果和实用效益，这一点可从众多文献中得到体现。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面，其主要得到体现。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面，其主要发展是发展是监测方案的综合设计和监测系统的数据管理与综合处理监测方案的综合设计和监测系统的数据管理与综合处理。例如，在大坝的变形监测中，要综合考虑外部观测和内部观测设例如，

6、在大坝的变形监测中，要综合考虑外部观测和内部观测设计，大地测量与特殊测量的计，大地测量与特殊测量的观测量观测量（geodetic and geotechnical observations）要进行综合处理与分析。要进行综合处理与分析。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPS GPS周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 GPS GPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 数十年数十年变形监测技术的发展，传统的变形监测技术的发展，传统的地表变形监测方法地表变

7、形监测方法主主要采用的是大地测量法。要采用的是大地测量法。 1）常规地面测量方法常规地面测量方法的完善与发展，其显著进步是全站的完善与发展，其显著进步是全站型仪器的广泛使用，尤其是型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪全自动跟踪全站仪（RTS, Robotic Total Stations），），也称测量机器人（也称测量机器人（Georobot），），为局部工程为局部工程变形的自动监测或室内监测提供了一种很好的技术手段，它可变形的自动监测或室内监测提供了一种很好的技术手段，它可进行一定范围内无人值守、全天侯、全方位的自动监测。进行一定范围内无人值守、全天侯、全方位的自动监测。 例如，在美国加

8、州南部的一个新水库（例如，在美国加州南部的一个新水库（Diamond Valley Lake已安装了由已安装了由8个永久性个永久性 RTS 和和218个棱镜组成的地面自动个棱镜组成的地面自动监测系统。但是，监测系统。但是，TPS（Terrestrial Positional System）的最大的最大缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域范围之内。缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域范围之内。 2）地面摄影测量技术地面摄影测量技术在变形监测中的应用起步较早，但在变形监测中的应用起步较早，但是由于摄影距离不能过远，绝对精度较低，使得其应用受到是由于摄影距离不能过远，绝对精度较低，使得其

9、应用受到局限，仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸、边坡体等局限，仅大量应用于高塔、烟囱、古建筑、船闸、边坡体等的变形监测。的变形监测。后来发展起来的后来发展起来的数字摄影测量和实时摄影测量数字摄影测量和实时摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广为地面摄影测量技术在变形监测中的深入应用开拓了非常广泛的前景。泛的前景。地面三维激光扫描系统地面三维激光扫描系统将是变形监测领域的一种将是变形监测领域的一种重要技术。重要技术。 3）光、机、电技术光、机、电技术的发展，研制了一些特殊和专用的监的发展，研制了一些特殊和专用的监测仪器可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量测仪器

10、可用于变形的自动监测，它包括应变测量、准直测量和倾斜测量。采用和倾斜测量。采用光纤传感器测量系统光纤传感器测量系统将信号测量与信号传将信号测量与信号传输合二为一，具有强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境输合二为一，具有强的抗雷击、抗电磁场干扰和抗恶劣环境的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。的能力，便于组成遥测系统，实现在线分布式监测。 4 4）GNSSGNSS作为一种全新的现代空间定位技术，已逐渐在许作为一种全新的现代空间定位技术，已逐渐在许多领域取代常规光学和电子测量仪器，在变形监测领域也不多领域取代常规光学和电子测量仪器，在变形监测领域也不例外。例外。 自从上世纪自从上世纪808

11、0年代以来，尤其是进入年代以来，尤其是进入9090年代后，年代后，GPSGPS卫星卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用面引起了革命性的变化。用GPSGPS同时测定三维坐标的方法将测同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度扩处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝

12、对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽了它的应用展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。范围和在各行各业中的作用。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPS GPS周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 GPS GPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 数据通讯技术、计算机技术和以数据通讯技术、计算机技术和以GPS为代表的空间定位技术的为代表的空间定位技术的日益发展和完善，使得日益发展和完善，使得GP

13、S法由原来的周期性观测走向高精度、法由原来的周期性观测走向高精度、实时、连续、自动监测成为可能。实时、连续、自动监测成为可能。 GPS用于变形监测的作业方式可划分为用于变形监测的作业方式可划分为周期性周期性和和连续性连续性两种两种模式（模式（episodic and continuous mode）。）。 1）周期性变形监测周期性变形监测与传统的变形监测网没有多大区别，因为与传统的变形监测网没有多大区别，因为有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内可以认为是稳定的有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内可以认为是稳定的，其监测频率可以是几个月，有的长达几年，此时，采用，其监测频率可以是几个月，

14、有的长达几年，此时，采用GPS静静态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后的。经过态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后的。经过十多年的努力，十多年的努力，GPS静态相对定位数据处理技术基本成熟，在周静态相对定位数据处理技术基本成熟，在周期性监测方面，其最大屏障还是变形基准的选择与确定，已成为期性监测方面，其最大屏障还是变形基准的选择与确定，已成为近几年研究的关键近几年研究的关键 。 GPS在工程中的应用在工程中的应用清江隔河岩大坝清江隔河岩大坝GPS自动监测系统自动监测系统 清清江江隔隔河河岩岩大大坝坝 清江隔河岩大坝清江隔河岩大坝GPS自动监测系统自动监测系统 5.1.4

15、 实际应用实际应用 清江隔河岩大坝清江隔河岩大坝GPS自动监测系统自动监测系统 清江隔河岩大坝清江隔河岩大坝GPS自动监测系统自动监测系统 隔河岩大坝隔河岩大坝GPS监测点位分布图监测点位分布图 GPS用于桥梁的安全监测用于桥梁的安全监测GPS在工程中的应用在工程中的应用武汉长江二桥武汉长江二桥GPS变形监测网变形监测网 2）连续性变形监测连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据序列。虽然连续性监测模式也是对测点进行采集，获得变形数据序列。虽然连续性监测模式也是对测点进行重复性的观测，但其观测数据是连续的，具有较高的重复性的观

16、测，但其观测数据是连续的，具有较高的时间分辨率时间分辨率。根据变形体的不同特征，。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用连续性监测可采用静态相对定位静态相对定位和动态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性，它为数据解算和分析提出了更高要求。比如，的实时性，它为数据解算和分析提出了更高要求。比如，大坝大坝在在超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实时的数据传输和数据处理与分析能力。当然，有的监测对象虽然时的数据传输和数据处理与分析能力。当然，有

17、的监测对象虽然要求较高的时间采样率，但是数据解算和分析可以是事后的。比要求较高的时间采样率，但是数据解算和分析可以是事后的。比如，如，桥梁桥梁的静动载试验和的静动载试验和高层建筑物高层建筑物的振动测量，的振动测量，其监测的目的其监测的目的在于获取变形信息，数据处理与分析可以事后进行在于获取变形信息，数据处理与分析可以事后进行。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPSGPS周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 GPS GPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的

18、未来 GPS在工程中的应用在工程中的应用GPS动态动态监测监测监测方案监测方案 GPS用于桥梁的安全监测用于桥梁的安全监测GPS在工程中的应用在工程中的应用GPS用于桥梁的安全监测用于桥梁的安全监测GPS在工程中的应用在工程中的应用武汉长江二桥武汉长江二桥GPS动态监测动态监测GPS在工程中的应用在工程中的应用武汉长江二桥武汉长江二桥GPS动态监测动态监测00.20.40.60.240.260.280.30频率f/Hz幅值A/mmu 监测点监测点( (WH02) WH02) 相对于基准站相对于基准站( (WH01)WH01)在在H H方向的频谱图方向的频谱图 GPS在工程中的应用在工程中的应用

19、武汉长江二桥武汉长江二桥GPS动态监测动态监测u监测点监测点( (WH02) WH02) 相对于参考点相对于参考点( (WH03)WH03)在在H H方向的频谱图方向的频谱图 00.20.40.60.240.260.280.30频率f/Hz幅值A/mmGPS在工程中的应用在工程中的应用武汉长江二桥武汉长江二桥GPS动态监测动态监测u参考点参考点( (WH03) WH03) 相对于基准站相对于基准站( (WH01)WH01)在在H H方向的频谱图方向的频谱图 00.20.40.60.240.260.280.30频率f/Hz幅值A/mm在在动态监测动态监测方面，过去一般采用方面，过去一般采用加速度

20、计、激光干涉仪加速度计、激光干涉仪等测量设等测量设备测定建筑结构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高，以备测定建筑结构的振动特性，但是，随着建筑物高度的增高，以及连续性、实时性和自动化监测程度的要求加强，常规测量技术及连续性、实时性和自动化监测程度的要求加强，常规测量技术已越来越受到局限。已越来越受到局限。GPS作为一种新方法，由于其硬件和软件的作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达20Hz）GPS接收接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出

21、其独特的优越性。近几年来，一些学者已开展了卓有成效的特的优越性。近几年来，一些学者已开展了卓有成效的GPS动态动态监测实验与测试工作。监测实验与测试工作。目前，目前，GPS动态监测数据处理主要采用动态监测数据处理主要采用OTF方法，同时，方法，同时，GPS变形监测单历元求解算法及其相应软件开变形监测单历元求解算法及其相应软件开发的研究也在发展之中。发的研究也在发展之中。令人鼓舞的是，正如令人鼓舞的是，正如Loves等（等（1995）所言，随着所言，随着GPS动态变形监测能力的进一步证实，这一技术可望动态变形监测能力的进一步证实，这一技术可望被采纳为测量结构振动的标准技术。被采纳为测量结构振动的

22、标准技术。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPSGPS周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 GPSGPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来 展望变形监测技术的未来：展望变形监测技术的未来： 多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和多种传感器、数字近景摄影、全自动跟踪全站仪和GPS的的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的应用，将向实时、连续、高效率、自动化、动态监测系统的方向发展；方向发展； 变形监测的变形监测的时空采样率会得到大大

23、提高，时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化变形监测自动化可为变形分析提供极为丰富的数据信息；可为变形分析提供极为丰富的数据信息； 高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在高度可靠、实用、先进的监测仪器和自动化系统，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行；恶劣环境下长期稳定可靠地运行； 实现远程在线实时实现远程在线实时监控，监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程中在大坝、桥梁、边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程安全监控管理的监控是推进重大工程安全监控管理的必由之路。必由之路。 本节重点为：本节重点为： 变形信息变形信息获取的获取的手段手段 变形监测方案设计变形监测方案设计问题问题 地表变形监测方法地表变形监测方法 GPS GPS周期性周期性和和连续性变形监测连续性变形监测问题问题 GPS GPS动态监测动态监测 变形监测技术的未来变形监测技术的未来