1、第十章 变形监测分析与预报的发展展望测量仪器的发展：光学经纬仪电子经纬仪激光经纬仪 全站仪测量机器人测量仪器的发展：手持测距仪激光测距仪机载激光扫描仪地面激光扫描仪 多传感器如各种几何量（位置、长度、角度等)传感器、物理量(应力、应变等传感器、气象元素以及环境变量传感器的集成系统会成为变形监测的发展主流。如GPS技术就包括了从静态到动态、从一机一天线到一机多天线、从流动到持续监测等发展，电子全站仪发展到测量机器人，激光类仪器从激光经纬仪、激光测距仪发展到激光跟踪仪、地面和机载激光扫描仪。其发展和工程测量学的发展一样。仍可概括为“六化”和“十六字”。“六化”包括：变形监测内外业作业的一体化；变形
2、监测数据获取及处理的自动化；变形监测测量过程控制和系统行为的智能化；变形监测测量成果和产品的数字化；变形监测测量信息管理的可视化；信息共享和传播的网络化。十六字包括：精确、可靠、快速、简便、实时、持续、动态、遥测 远程位移监测系统就是灾害预防多传感器集成监测系统的代表，该系统由GPS接收机、激光测距仪和其它转换器构成。图10-1是一个监测站的构成，各测站构成的网络通过GSM调制解调器与控制中心相连，实现远程监控、监测和报警。图10-1：远程位移监测系 统的一个监测站 图16-2所示的滑坡多传感器集成自动化监测系统也代表了工程的变形监测技术的发展趋势，其中许多方面还处于研究之中：如滑坡灾害长、中
3、、短期监测报警，监测系统的设计、监测方法技术的综合运用，群测群防与专业监测的配合，人员紧急疏散依据和决策支持系统，等等。对于滑坡灾害乃至所有的工程来说，监测是手段，预警防灾减灾是目的。目前的监测手段和方法虽然很多，但集成性不够，长期连续自动遥测遥传仍然是滑坡灾害监测的瓶颈。图16-2 滑坡多传感器集成自动化监测系统 我国与欧盟的合作研究项目“滑坡预警系统集成与优化”的工作阶段和主要研究工作可从另一角度说明工程变形监测技术的发展。工作阶段一：项目状态报告；工作阶段二：选择试验场地；工作阶段三：硬件的研制；工作阶段四：制定多尺度观测方案；工作阶段五：选定试验场地；工作阶段六：数据库结构设计及数据管
4、理；工作阶段七：风险分析和预警；工作阶段八：向公众发布信息；工作阶段九：标准化。工程变形或工程安全平面监测网一般布设为地面全边角网，网由三角形、大地四边形构成坚强图形；网点埋设有带强制对中装置的观测墩；平面监测网同时也作高程监测网，一般都采用一等边角网的精度和一、二等几何水准精度施测。今后的发展将同时采用地面边角网和GPS网，不必边、角全测，特别是测角的工作量较大，受大气折光影响大，可以放弃一些方向的测角工作，最好是根据边、角精度匹配原则进行网的优化设计和模拟计算，确定观测方案，对网的图形强度要求可降低。GPS基线与地面边长构成的混合网有发展优势。基线间、地面边之间的长度比可以大一些，对通视要
5、求可放低一些，一些点作为基准点可布设在变形区外。10.2.1 监测网布设和变形分析水准网边角网GPS网 监测网的数据处理属于变形的几何分析范畴。由于采用GPS技术后,作为基准的点可布设在变形区外，所以监测网周期观测数据处理（稳定点的确定）将变得简单，秩亏自由网平差或拟稳平差已变得没有必要。确定相对或绝对变形量大小也容易一些。10.2.1 监测网布设和变形分析 发展特点可归纳为：传统方法和现代方法并存，传统方法已比较成热，应向程序化、自动 化、可视化方向发展。要加强对各种现代数据处理方法和算法的研究，还有多传感器多时相数据的实时处理，海量监测数据处埋、数据挖掘技术、计算智能技术等的研究。现代数据
6、处理方法如系统论方法、灰色理论、模糊数学、卡尔曼滤波、时间序列分析、人工神经网络、小波理论、混沌理论、突变理论、临界态理论、分形理论以及演化计算、粗糙集法、聚类方法、遗传算法和统计分析法等要与计算机技术、数据库技术、机器学习、专家系统等相结合。下面对 主要方法作简要说明。10.2.2 变形分析和预报方法 1.回归分析法 取变形(称效应量，如各种位移值）为因变量，环境量（称影响因子，如水压、温度等）为自变量。根据数理统计理论建立多元线性回归模型，用逐步回归法可得到效应量与环境量之间的函数模型，用这种方法可作变形的物理解释和变形预报，是一种非常成熟而有效的方法。10.2.2 变形分析和预报方法一元
7、线性回归多元线性回归 2.时间序列分析法 在工程的变形观测中，监测点上的观测量组成一个离散的随机时间序列，可以采用时间序列分析理论与方法。在时序分析中，一般是针对单测点，若顾及各测点间的相关性进行多点的关联变形分析，则可能取得更好的效果。10.2.2 变形分析和预报方法原始数据图数据拟合图 3.频谱分析法 对于具有周期性变化的变形时间序列，可采用傅里叶变换将时域信息转为频域信息进行分析，通过计算各谐波频率的振幅，找出最大振幅所对应的主频，可揭示变形的变化周期。10.2.2 变形分析和预报方法预测误差表拟合曲线图 4.卡尔曼滤波法 将变形体视为一个动态系统，系统的状态可用卡尔曼滤波模型即状态方程
8、和观测方程描述，状态方裎中若含监测点的位置、速率和加速率等状态向量参数，则为典型的运动模型。这种模型特別适合滑坡监测数据的动态处理。10.2.2 变形分析和预报方法结果对比表结果对比图 5.有限元法 该法不需要做任何变形监测，是一种采用确定函数模型且具有先验性质的直接求解的方法。10.2.2 变形分析和预报方法边坡最大剪应变速率云图 边坡计算模型 6.人工神经网络法 工程的变形与影响因子之间是一种非线性、非确定性的复杂关系，模糊人工神经网络法将生物特征用到工程中，用计算机解决大数据情况下的学习、识别、控制和预报等问题，是新近发展起来的一种行之有效的方法，对于具有大量监测资料的工程安全分析与预报
9、尤其适合。10.2.2 变形分析和预报方法变形监测数据BP神经网络和逐步回归模型的预报残差比较 7.小波分析法 小波理论作为多学科交叉的结晶在科研和工程中被广为研讨和应用。小波变换被誉为“数学显微镜”，它能从时频域的局部信号中有效地提取信息。利用离散小波变换对变形观测数据逬行分解和重构，可有效地分离误差，能更好地反映局部变形特征和整体变形趋势。10.2.2 变形分析和预报方法变形监测数据小波处理后与原始图像对照图8.系统论方法 变形体是一个复杂的系统，是一个多维、多层的灰箱或黑箱结构，具有非线性、耗散性、随机性、外界干扰不确定性、对初始状态敏感性和长期行为混沌性等特点。系统论方法包括两种建模方
10、法：一种是输入-输出模型；另一种是动力学方程法。系统论方法还涉及变形体运动稳定性研究，这种稳定性在数学上可转化为微分方程稳定性的研究，主要采用李亚普诺夫提出的判别方法。系统论方法涉及到许多非线性科学学科的知识，如系统论、控制论、信息论、突变论、协同论、分形和耗散结构等。10.2.2 变形分析和预报方法 工程安全监测获取的海量数据需要采用数据库技术进行管理，变形分析和灾害预报需要采用各种模型 和方法进行处理，对处理的结果需要进行综合分析、评价和决策。如果不对各类观测资料进行及时（最好是实时处理，不对处理成果进行及时分析，则不可能监控和指导工程的安全运行,若不能及时发现隐患，则可能会造成巨大损失。
11、因此，建立工程安全监测、分析与预报综合信息具有非常重要的意义。系统总体设计主要应包括：总控部分、输入系统、输出系统、数据库及管理系统、模型库及管理系统、应用程序库及管理系统、知识库及管理系统等。系统的数据管理核心是一个分布式数据库，系统的数据处理灵魂是各种数学模型和程序化处理。系统的安全评价和决策支持是基于知识库的专家系统，灾害预报和三维可视化采用仿真与虚拟现实技术，而整个系统则采用分级管理或网络管理模式。要将前述的各种变形分析与预报方法以程序的形式实现并放到综合信息系统，再加上专家系统的实现及其与变形分析与预报相结合，从原始数据、生成数据和处理结果中去挖掘和发现知识，对于同一组数据采用不同方法处理，对结果的比较分析和评价等无疑是一件相当困难的事。对于一个工程来说，需要实现数据获取的自动化、数据处理的模型化、分析评判的智能化、图表和结果输出的可视化、数据传输和管理的网络化等。
