武汉大学测绘学院变形监测数据处理考试知识点总结

变形： 变形是自然界普遍存在的现象,它是指变形体在各种荷载作用下,其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化;

变形监测：就是利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作;其任务是确定在各种荷载和外力作用下,变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征;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;

变形体：变形体的范畴可以大到整个地球,小到一个工程建构筑物的块体,它包括自然和人工的构筑物;

变形监测对象： ①全球性的变形研究,如监测全球板块运动、地级移动、地球自转速率变化、地潮等；②区域性变形研究,如地壳形变监测、城市地面沉降等；③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;

变形监测的内容

应根据变形体的性质与地基情况来定;要求有明确的针对性,既要有重点,又要作全面考虑,以便能正确反映出变形体的变化情况,达到监视变形体的安全、了解其变形规律之目的;有工业与民用建筑物,水工建筑物,地面沉降

以水工建筑物为例：对于土坝,其观测项目主要为水平位移、垂直位移、渗透以及裂缝观测；对于混凝土坝,以混凝土重力坝为例,由于水压力、外界温度变化、坝体自重等因素的作用,其主要观测项目为垂直位移从而可以求得基础与坝体的转动、水平位移从而可以求得坝体的扭曲以及伸缩缝的观测,这些内容通常称为外部变形观测;此外,为了了解混凝土坝结构内部的情况,还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测,这些内容通常称为内部观测;虽然内部观测一般不由测量人员进行,但在进行检测数据处理时,特别是对变形原因作物理解释时,则必须将内、外部观测的资料结合起来进行分析;

变形监测的目的和意义：对于工程建筑来说,确保安全,验证设计,灾害防治;①实用上的意义,主要是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,即便及时发现问题并采取措施；②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;

.变形监测的方法：取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形大小和变形速度

全球性变形监测：空间大地测量GPS,VLBI,SLR,LLR,卫星重力探测技术;区域性变形监测：GPS,InSAR,精密水准测量;工程和局部性变形监测：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GPS为主的空间定位技术;传统的地表变形监测方法采用的是大地测量法和近景摄影测量法;

变形监测的特点：1周期性重复观测；2精度要求高；3多种测绘技术的综合应用；4监测网着重研究点位的变化;

1.随机现象：在同样条件下进行同样的观察或实验,却可能发生种种不同结果的现象,称为随机现象或偶然现象;

2.统计规律性：表面上看来,随机现象的发生,完全是随机的、偶然的,没有什么规律可循;但是,如果我们在相同的条件下进行多次重复的实验或大量的观察,就会发现随机现象结果的出现,也具有一定的规律性;在自然界和人类社会中,这种现象是普遍存在的,看起来毫无规律的随机现象,却有着某种规律性的东西隐藏在它的后面;我们称这种规律性为随机现象的统计规律性;

3.偶然误差分布特点：①就误差的绝对值而言,小误差比大误差出现的机会多,故误差的概率与误差的大小有关；②大小相等,符号相反的正负误差的数目几乎相等,故误差的密度曲线是对称于误差为0 的纵轴；③极大的正误差与负误差的概率非常小,故绝对值很大的误差一般不会出现;

4.随机过程函数：在动态监测中,对某一个不断变化的监测点进行观察,每一个观察结果是一个确定的随时间或空间变化的函数例如一条记录曲线,对于观察时间间隔内的每一瞬时,这一函数都有一个确定的数值;但由于随机误差的存在,多次的重复观测会得到不完全相同的函数结果例如一组记录曲线;这种函数,对于自变量时间或空间的每一个给定值,它是一个随机变量,我们称这种函数为随机函数;通常把自变量为时间t的随机函数叫做随机过程;

5.研究随机过程的意义：随着现代变形监测自动化需求和科学研究的发展,越来越迫切地需要了解监测对象过程的变化,这时监测点可能是随时间或空间而连续变化的;因此,监测过程和监测结果也是随时间或空间而连续变化的;在近代物理学、无线电技术、自动控制、空间技术等学科中,都大量应用随机过程理论;变形的几何量和物理量的监测,过去以静态监测为主;如今,随着仪器设备的进步和自动监测要求提高,对几何量和物理量的动态实时监测日益增加;显然,用过去静态测量精度评定方法是不能正确地评定动态测量结果的,而且也不能进一步地分析动态监测中的特殊现象;因此,有必要研究随机过程理论;

6.假设检验的一般步骤：1.提出原假设H0；2.选择一个合适的检验统计量U,并从样本子样观测值求出统计量U的值u；3.对于给定的显著水平α,查U的分布表,求出临界值u0,用它划分接受域W0和拒绝域W1,使得当H0为真时,有P{U∈W1}=α；4.比较u统计量U的值和u0,若u落在拒绝域W1中,就拒绝H0,若u落在接受域W0中,就接受H0;

7.随机变量的特征量：概率分布函数、算数平均值、标准差;

随机过程的特征量：①概率密度函数②均值、方差和均方值；③自相关函数；④谱密度函数;

8.自相关函数：均值和方差是表征随机过程在各个孤立时刻的统计特性的重要特征量,但不能反映随机过程不同时刻之间的关系;因此,除均值和方差外,我们还要用另一个特征量来反映随机过程内不同时刻之间的相关程度,这种特征量叫相关函数或自相关函数;

9.频谱分析法：在实用上,我们不仅关心作为随机过程的数据的均值和相关函数,而且往往更关心随机数据的频率分布情况,也就是研究随机过程是由哪些频率成分所组成,不同频率的分量各占多大的比重等;这种分析方法就是所谓的频谱分析法;

10.各态历经随机过程：对于平稳过程,为求特征量,需作大量实验,获得多个随机过程的现实,然后在各t时刻上求特征量估计;而在测量实践中,对某一时刻t要取得大量的现实是十分困难的,甚至是不可能的;但是,可以从一个现实即单个观测得到的时间历经来求特征量;许多平稳随机过程都可以这样做,我们把这一类的平稳过程称为各态历经随机过程;

GPS的作业方式分为周期性和连续性：周期性变形监测：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,其监测频率有的是几个月,有的甚至长达几年,此时,采用GPS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;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,具有较高的时间分辨率;

变形分析的内涵：透过现象看本质,从杂乱无章中找出其内在规律,然后遵循规律办事;

变形分析的研究内容：变形的几何分析和变形的物理解释;几何分析是对变形体的形状和大小的变形作几何描述,其任务在于描述变形体变形的空间状态和事件特性;变形物理解释的任务是确定变形体的变形和变形原因之间的关系,解释变形的原因;

几何分析：参考点的稳定性分析、观测值的平差处理和质量评定以及变形模型参数估计等

.变形物理解释的方法可分为统计分析法、确定函数法和混合模型法;

统计分析法：以回归分析模型为主,是通过分析所观测的变形效用量和外因原因量之间的相关性,来建立荷载-变形之间的关系的数学模型,它具有后验的性质,是目前应用比较广泛的变形成因分析法;

确定函数法：以有限元法为主,它是在一定的假设条件下,利用变形体的力学性质和无力相知,通过应力与应变关系建立荷载与变形的函数模型,然后利用确定函数模型预报在荷载作用下变形体可能的变形;具有先验的性质,比统计模型物理意义明确,但计算工作量较大,并对用作计算的基本资料有一定的要求;

混合模型法：对于那些与效用量关系比较明确的原因量如水质分量用有限元法德计算值,而对于另一些与效用量关系不是很明确或采用相应的物理理论计算成果难以确定他们之间函数关系的原因量则仍采用统计模型,然后与实际值进行拟合而建立的模型

变形体：对可能产生变形的各种自然或人工的建筑物或构筑体我们可以统称为变形体;

变形观测：对变形体在运动中的空间和时间域内进行周期性的重复观测,就称为变形观测;

地面监测方法：主要是指用高精度测量仪器如经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等测量角度、边长和高程的变化来测定变形,它们是目前变形监测的主要手段;常用的地面监测方法主要有两方向或三方向前方交会法、双边距离交会法、极坐标法、自由设站法、视准线法、小角法、测距法及几何水准测量法,以及精密三角高程测量法等;常用前方交会法、距离交会法监测变形体的二维X,Y方向水平位移；用视准线法、小角法、测距法观测变形体的水平单向位移；用几何水准测量法、精密三角高程测量法观测变形体的垂直Z方向位移;

地面监测方法的优点：①能够提供变形体的变形状态,监控面积大,可以有效地监测确定变形体的变形范围和绝对位移量；②观测量通过组成网的形式可以进行测量结果的校核和精度评定；③灵活性大,能适用于不同的精度要求、不同形式的变形体和不同的外界条件;

测量机器人：是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪;

固定式变形监测优缺点：优点 高效、全自动、准确、实时性强、结构简单、操作简便等特点,特别适用于小区域内的变形监测,可实现全自动的无人守值的形变监测;

缺点①没有多余的观测量,测量的精度随着距离的增长而显著地降低,且不易检查发现粗差；②系统所需的测量机器人、棱镜、计算机等设备因长期固定而需要采取特殊的措施保护起来；③这种方式需要有雄厚的资金作保证,测量机器人等昂贵的仪器设备只能在一个变形监测项目中专用;

移动式半自动监测：在各观测墩上安置整平仪器,输入测站点号,进行必要的测站设置,后视之后测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数,全自动地寻找目标,精确照准目标、记录观测数据,计算各种限差,作超限重测或等待人工干预等;完成一个测点的工作之后,人工将仪器搬到下一个施测的点上,重复上述的工作,直至所有外业工作完成;这种移动式网观测模式可大大减轻观测者的劳动强度,所获得的成果精度更好;

8.根据摄影时摄影机内外方位元素是否已知,摄影测量的数据处理方式分为空间前方交会发,空间后交-前交法,严密解法以及直接现行变换法

地面摄影测量方法：就是在变形体周围选择稳定的点,在这些点上安置摄影机,并对变形体进行摄影,然后通过内业量测和数据处理得到变形体上目标点的二维或三维坐标,比较不同时刻目标点的坐标得到它们的位移;

优点：① 可以同时测定变形体上任意点的变形；②提供完全和瞬时的三维空间信息；③大量减少野外的测量工作量；④可以不需要接触被测物体；⑤有了摄影底片,可以观测到变形体以前的状态;

方式：①固定摄站的时间基线法；②立体摄影测量法;时间基线法是把两个不同时刻所拍的像片作为立体像对,量测同一目标像点的左右和上下视差,这些视差乘以像片比例尺即为目标点的位移;立体摄影测量分为正直摄影、等偏摄影、交向摄影和等倾摄影;

GPS变形监测的特点：①测站间无须通视；②可同时提供监测点的三维位移信息；③全天候监测；④监测精度高；⑤操作简便,易于实现监测自动化；⑥GPS大地高用于垂直位移测量;

GPS变形监测分为：周期性监测模式和连续性监测模式;

GPS变形监测自动化系统组成：数据采集,数据传输,数据处理、分析和管理等部分;

地面三维激光扫描仪组成：扫描仪、控制器计算机、电源供应系统;

三维激光特点：快速、不接触、穿透、实时、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化