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变形监测及其数据预处理 摘要本文的主要内容介绍了变形监测及其数据预处理,变形监测现在主要运用的方法是大地测量方法.摄影测量方法.物理学传感器方法以及GPS技术。这些技术为变形监测注入了新的活力，让变形监测变得更加简单、准确。变形监测介绍了变形监测点及位置的选取和变形监测控制网,变形监测的数据预处理的方法有逻辑检验法、监控模型检验法、关联分析检验法。单个粗差的定位方法和多个粗差的定位方法,单个粗差定位方法主要有莱因达准则法、ESD统计检验、狄克松检验。本文的研究在变形监测及其数据预处理方面有了比较详细的介绍，变形监测及其数据预处理有着很重要的意义。关键词：变形监测 ， 数据预处理， 变形监测控制网 DEFORMATION MONITORING AND DATA PREPROCESSINGABSTRACTThis article introduces the main contents of deformation monitoring and data pre-processing, deformation monitoring, introduced deformation monitoring points and the location of the selection and deformation monitoring network, deformation monitoring, data pretreatment methods are single gross error in the positioning method and multiple gross error of positioning methods, and finally introduced a GPS data pre-processing example of a more comprehensive interpretation of the deformation monitoring of the data pre-processing. At the same time, this study in the deformation monitoring and data pre-processing may also have important significance. KEYWORDS：deformation monitoring，data preprocessing，deformation monitoring network ii目录摘要IABSTRACTII绪论11.1研究意义11.2研究现状11.3研究的主要内容22变形监测点与监测网布设52.1变形监测点位置的选取52.1.1工业与民用建筑物的监测点52.2.2 大坝变形监测点52.2控制点布置62.2.1基准点62.2.2工作基点72.2.3变形点72.3水平变形监测控制网72.3.1变形监测网的特点72.3.2变形监测控制网的建立原则82.3.3导线控制网82.3.4视准线法变形监测控制网82.3.5引张线法控制网82.3.6 三角测量控制网92.4 GPS变形监测网基准设计92.5 GPS变形监测网网型设计93变形监测技术103.1 变形监测的目的103. 2 变形监测的对象和内容103.3 变形监测的方法113.3.1 大地测量方法113.3.2 摄影测量方法123.3.3 物理学传感器方法123.3.4 GPS技术134 变形监测数据预处理144.1变形监测数据的特点144.2异常数据的分类144.3变形监测数据粗差的定位与剔除154.3.1单个粗差的定位方法164.3.2 多个粗差的定位方法185 GPS监测数据预处理195.1 数据的采集195.2数据的误差来源195.2.1 与卫星有关的误差195.2.2 与接收机有关的误差205.3 预处理方法20结论24致谢:25参考文献:2626绪论1.1研究意义变形是指变形体在各种影响因素的作用下,其形状大小及位置在时空域中的变化。自然界存在各种形式的变形，如地壳形变、滑坡、采矿塌陷、隧道收敛、高层建筑的摆动以 及大坝变形等。就地学和工程领域中的变形来说，当变形量不超过一定范围时，不会造成危害,而当变形量超过变形体所能承受的允许范围时，则往往会带来严重的灾难。隧道塌方、岩崩、滑坡、溃坝和桥梁的垮塌等等，都是典型的变形破坏现象。这些灾害的发生严重地危害人类的生命财产的安全，世界各国每年都因此而遭受巨大的损失 监测数据是一组有序的离散型随机数据，是一串随时间变化而又相互关联的动态数据序列，监测数据作为安全监控分析的基础，它的质量与可靠性至关重要，直接影响安全监控分析的结果。如不能有效去除数据中的噪声与粗差，可能会使预报失真，造成灾难性的后果。而监测数据处理的目的就是要恰当地处理变形监测所得到的数据，最大限度地减少测量误差的影响以便给出一个尽可能精确的结果，通过分析，寻找出监测体变形的时空分布情况及其发展规律，掌握变形量与各种内外因素的关系，确定出监测体变形是否属于正常变形范围以内，防止变形向影响建筑物安全的方向发展. 所以说监测数据的预处理是整个监测系统能否发挥作用的保障，没有有效的数据处理方法与手段， 就难以充分发挥监测数据的作用，也就不能为管理人员提供准确、可靠的分析预报结果。可见，变形监测数据的合理及准确处理极为重要网。1.2研究现状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,它是目前变形监测的主要手段。其优点是:(1)能够提供变形体整体的变形状态,监测面积大,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)适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的外界条件;缺点是外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。在大多数国家中,传统的常规大地测量方法仍然是人类进行工程建筑物变形监测的主要手段。而且在一些有关的技术领域内,其他技术尚无法替代传统的常规大地测量方法。精密水准测量目前仍然是精度例如在工程建筑物的沉降方面最高、成果最可靠且简便易行的方法。所以传统的测量方法,在国民经济建设中仍有巨大的作用。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。地面测量技术发展方向的代表是测量机器人,其在工程测量和三维工业测量以及变形监测等领域正越来越广泛地得到应用。比如在小浪底、二滩、贵州普定等大坝外部变形监测中的应用,其试验成果明显优于常规方法。近10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,其监测精度可达到毫米级。与其它变形监测技术相比较,近景摄影测量的优点是:可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位关系。在变形监测方面,与传统方法相比较,GPS技术不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点,而且利用GPS和计算机技术、数据通信技术及数据处理与分析技术进行集成,可实现从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化,达到远程在线实时监控的目的.其特点主要有:(1)测站间无需通视;(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;(6)GPS大地高可用于垂直位移监测。 近些年来随着GPS卫星定位技术的发展和精度的提高,使GPS技术在变形监测方面得到了广泛的应用,特别是在板块运动、地表沉降、大坝自动化监测、陆海垂直运动监测、滑坡监测等方面,获得了令人满意的结果和精度,为管理和决策提供了重要的依据。随着技术的进步,GPS技术在变形监测方面将有更长远的发展。1.3研究的主要内容变形是自然界的普遍现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时空域中的变化。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，它包括自然的和人工的构筑物。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象划分为这样三类：、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；、区域性变形研究，如地壳形变监测、城市地面沉降等；、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、地下开采使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。（1）工业与民用建筑物：主要包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。就其基础而言，主要观测内容是建筑物的均匀沉陷与不均匀沉陷。对于建筑物本身来说，则主要是观测倾斜与裂缝。对于高层和高耸建筑物，还应对其动态变形（主要为振动的幅值、频率和扭转）进行观测。对于工业企业、科学试验设施与军事设施中的各种工艺设备、导轨等，其主要观测内容是水平位移和垂直位移。（2）水工建筑物：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，其主要观测项目主要为垂直位移（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。（3）地面沉降：对于建立在江河下游冲积层上的城市，由于工业用水需要大量地吸取地下水，而影响地下土层的结构，将使地面发生沉降现象。对于地下采矿地区，由于在地下大量的采掘，也会使地表发生沉降现象。这种沉降现象严重的城市地区，暴雨以后将发生大面积的积水，影响仓库的使用与居民的生活。有时甚至造成地下管线的破坏，危及建筑物的安全。因此，必须定期地进行观测，掌握其沉降与回升的规律，以便采取防护措施。对于这些地区主要应进行地表沉降观测。变形监测所研究的理论和方法主要涉及到这样三个方面：变形信息的获取；变形信息的分析与解释；以及变形预报。对于工程建筑物，变形监测的意义重点表现在：确保安全、验证设计、灾害防治（1）具有实用意义，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信息，及时发现问题，以便采取措施；（2）具有科学上的意义，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。（3）在全球性变形监测方面，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（GPS）、甚长基线射电干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、激光测月技术（LLR）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；（4）在区域性变形监测方面，GPS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合成孔径雷达干涉测量（INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar），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。但精密水准测量依然是高精度高程信息获取的方法。(5）在工程和局部性变形监测方面，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、以及以GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。合理设计变形监测方案是变形监测的首要工作，对于监测网设计而言，其主要内容包括：确定监测网的质量标准；选择观测方法；点位的最佳布设和观测方案的最优选择。目前，在变形监测方案与监测系统设计方面，其主要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。GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性两种模式：（1）周期性变形监测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，其监测频率可以是几个月，有的长达几年，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。经过十多年的努力，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 。（2）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。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性，它为数据解算和分析提出了更高要求。 在动态监测方面，过去一般采用加速度计、激光干涉仪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。GPS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20Hz）GPS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特的优越性。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GPS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； 变形监测的时空采样率会得到大大提高，变形监测自动化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，要求在恶劣环境下长期稳定可靠地运行； 实现远程在线实时监控，在大坝、桥梁、边坡体等工程中将发挥巨大作用，网络监控是推进重大工程安全监控管理的必由之路。2变形监测点与监测网布设2.1变形监测点位置的选取变形监测点设置在变形体上，变形体的变形通过监测点的变形值来表达，因此监测点位置的选取应具有代表性。监测点与变形体之间的关系类似于样本与母体，对变形监测点的观测如同是对变形体的一次抽样，监测点布置的合理与否直接关系到变形监测成果的准确与否。在设置监测点时，应遵循如下基本原则：（1）监测点应有足够的数量；（2）监测点所处的位置应便于观测；（3）监测点在选取须包含变形体的关键部位和最具代表性的部位，应最能反映其变形情况；（4）监测点与变形体之间的相对位置应确保牢固，便于观测，并尽量保证在整个变形观测期间不受损伤； （5）应同时顾及变形体的规范、型式、结构特征以及变形体所处的工程地质、水文地质等条件。下面就不同的变形监测对象，简要说明监测点布置时应注意的问题。2.1.1工业与民用建筑物的监测点（1）对于民用建筑物，通常在其四角点、中点、转角处布置监测点，并沿着建筑物的周边每隔1020米布置一个，设置有沉降缝的建筑物，或者在新建与原有建筑物的连接处，应在其两侧或伸缩缝的任一侧布置监测点。对于宽度大于15米的建筑物，若其内部有承重墙或支柱，应尽可能地布置监测点。为了查明建筑基础纵横向的弯曲和曲折，在其纵横线上也应埋设监测点。（2）对于一般的工业建筑物，监测点应布置在柱子基础上，另外，在主要设备基础的四周，以及动载荷四周和地质条件不良的地方，也要布置监测点。（3）对于高层建筑物，鉴于其层数多、载荷大、重心高、基础深等特点，除了进行基础沉降观测之外，还要进行建筑物上部的倾斜于风振观测。在开挖基坑过程中为了监测地基的回弹情况，还应在施工之前布设地基回弹监测点，布设位置要根据基坑的形状及开挖规模，力求均匀地控制地基土的回弹量和变化规律，一般沿基坑纵横中心轴线及其他重要位置成对称布置，并在基坑外一定范围内布设部分测点。点距一般为10-15米，也可根据需要而定。2.2.2 大坝变形监测点大坝变形观测点布置时应视大坝类型和观测内容来确定。钢筋混凝土构筑的大坝为重力坝；而由土石堆成面上浇注混凝土的大坝，称为土石坝。通常要进行垂直位移和水平位移两项观测垂直位移监测点的布置应依据大坝基础的地质条件、坝体结构、内部应力的分布情况以及便于观测等因素，将基础沉降监测点布置在基础廊道的中心线与每个坝段中心线的交点处，原则上每一个坝段布设一点。对于重点坝段，除了在基础廊道内每个坝段增加一个监测点外还应在横向廊道或宽缝内增设一些监测点，以便同时测定基础的沉降量和转动变形量。为测定坝体上下游两侧点的高差变化情况，应沿某些坝段的中心线在距上下游面1米处的坝面上，各埋设一个监测点。水平位移观测内容通常包括如下3个方面：（1）大致在同一高程面上不同点位在垂直于坝的纵向轴线方向上的水平位移；（2）在同一铅垂线的不同高程面上的水平位移；（3）任意点在任意方向上的水平位移。对于直线型坝段的混凝土坝和土石坝的轴线水平位移观测，通常在坝顶面上采用视准线法和激光准直法。混凝土重力坝多在不同高处的廊道里采用引张线法，土石坝很少设有廊道，所有观测线均设在坝面上，而且将水平位移与垂直位移的观测标志设置在一起。非直线型坝段和坝的其他部位的坝段，多采用前方交会法测定水平位移。将观测点设在基础差、构造单薄的坝段及下游面得不同高度处。混凝土坝受水的水平推力及压力，除了使大坝相对坝轴线向下游水平位移之外，在铅垂方向不同高度也产生水平位移，使坝体产生挠度。2.2控制点布置控制点根据功能不同，分为基准点、工作基点和变形观测点。2.2.1基准点要求建立在变形区以外的稳定地区，同大地测量点相比较，要求具有更高的稳定性。其平面控制一般有强制归心装置。选择基准点的关键是要求其“固定”，即它本身没有位移。工程建筑物兴建后，其周围地区的受力情况是：随着离开它的水平距离和垂直距离的改变而变化：离开建筑物越远，深度越大，地基受力越小，直至一定的范围以外，这种影响完全消失。应此，从理论上讲，由工程建筑物的兴建而产生的变形时有一定范围的。只要将其基准点选择在这种范围之外，即可满足固定的要求。应此，为了达到使基准点稳定的要求，可有两种方法：一是远离建筑物，二是深埋。然而在实际工作中，基准点的布设应根据具体的实际情况，全面地考虑。因为如果采用远设的方法，会使得观测路线增长或网的规模加大，这样就会加大了测量工作量，扩大了误差的累积效应，所测得的位移值的可靠程度就小，这对于变形监测来说是致命的，因为变形监测的基本特点是重复观测的精度要求高：如果采用深埋，则会增加人力和物力的耗费。在变形监测的实践中，有时在观测点与基准点之间需增加工作基点作为种过渡点。2.2.2工作基点要求这些点在观测期间稳定不变，测定变形点时可作用高程坐标的传递点。同基准点一样，其平面控制宜强制归心。工作基点布设应遵循的基本原则：变形速度小，且与观测点之间的距离较近。另外，还应顾及便于观测以及与固定基点的联测，即工作基点的承上启下作用。在实际工作时，可以用工作基点作为过渡性的基点来测定测点相对于工作基点的位移，我们称之为“测点观测”。在计算时，则利用基点观测的成果对测点观测的成果加以改正，最终求出观测点相对于固定基点的位移。采用增设工作基点的方法可以克服深埋和远设带来的不利影响，因为：一方面由于变形速度小，则基点观测的间隔可以相对地拉长，从而减少了工作量，工作量的 减少又可以对基点观测施以较高的精度：另一方面，由于它离观测点近，测点观测的工作量和误差累积都较小。2.2.3变形点直接埋设在变形体上，点位应设在能反映变形体特征的特征部位，不但要求牢固便于观测而且要求形式美观，结构合理，不破坏变形体的外观与使用。 变形点直接布设在变形体上，用以测定变形体变形值的点。在整个观测与分析过程中，其位置变化被看成是变形体形变的真实反映，可以说监测点与变形体的关系如同样本与母体的关系。对监测点的观测实际上是对变形体的一次抽样。在统计理论中，对于样本的最基本的要求是它应具有充分的代表性。具体到监测点布设，应遵循以下几个基本的原则：（1）有足够数量的点数；（2）应考虑特征点，即能控制整个建筑物变化的点和重要部位上的点；（3）应与变形体紧密结合在一起；2.3水平变形监测控制网2.3.1变形监测网的特点工程测量控制网建立时，保证网点之间的相对精度至关重要。而变形监测网的布网目的是为了测定网点的变形，网点之间的相对精度不是最重要的。由于布网的目的不同，影响网质量的因素也就不同，比如大气折光和系统误差对工程测量控制网的影响很大，而对变形网的影响不是最重要的。在变形观测中只要保证监测仪器和人员相对不变，计算过程中上述影响可以相互抵消，使变形不受这些误差影响。首级网的精度相对较高，基准点一般应建立在变形体以外的稳定区域，特别是网址的起算点一点要建立在基岩基础上，以便于发现其他点位移，工作基点可以布设在变形区。变形网的网址应在现有的人力、物力、财力的基础上尽可能的具有发现监测点位移的精度、灵敏度和可靠性，看其指标能否满足变形监测相应的要求。变形网的边长一般较短，但精度高，一般情况下需要强制归心；变形网要求通视条件好，而不过于要求网形的构成；对变形网来说，多余观测冗余多。2.3.2变形监测控制网的建立原则首先应根据设计单位和用户对实施监测物的精度要求，结合施工单位的仪器设备，制定平面测量的等级。然后充分考虑工程各部施工放样需要，点位不与工程建筑物发生冲突，使用方便，点位便于长期保存等方面情况下交替进行图上和实地选点，构造网形，确定点位测量的实方案。其次，点位确定后，可以根据点与点之间的通视情况构成网形，拟定图中的角度和边长观测量，进而可以用专有的软件进行精度的估算和观测量优化，通常是边角全测网开始优化计算，若计算结果的冗余过大，删掉一些通视条件不好的，边长过长，竖直角过大的边和相应的角度，再进行估算。直至点位精度满足要求，工作量又相对较小。2.3.3导线控制网精密导线测量是一种最常见的变形监测控制方法，广泛应用于工矿区和城镇区的建筑物、水利水电工程的大坝等变形监测中。导线控制网具有点位分布均匀、便于加密控制重要变形部位、施测方法简便等优点。但是量边工作量较大，角度观测也容易受旁折光的影响。为此，可布设成类似于高能物理加速器工程中的测高直伸环形网，通过测量狭长三角形的边长和高的途径，间接提高测角精度。为了提高观测精度，除了应尽量加大视线长度外，还要注意避免视线过于接近建筑物，以减弱旁折光的影响。该方法的精度显然取决于量边的精度。2.3.4视准线法变形监测控制网这种监测控制网一般在规整的建筑区和直线型短坝变形监测时使用，其布网工程量和野外观测工作量都比较小，在坝面或坝顶上所布设的视准线的延长线上，选择地基稳定的地方设置观测墩和照准目标，可以加强对测站及后视点稳定性的检验。监测点间隔应根据需要确定，一般在10-20之间。且在布设监测点时，应使各排视准线上的点位相互错开，以便进行全面监测。2.3.5引张线法控制网对于直线型混凝土大坝坝体廊道内布设的监测点，可采用引张线法进行水平位移观测。与坝面上的视准线类似，廊道内的引张线业需要测定端点的位移值。以便在引张线端点不稳定的情况下，对监测点的位移值加以改正。 在廊道内测定引张线端点的位移值，一般是在其附近设置倒垂线，在坝体上钻孔直到稳定的基岩上。然后在孔底锚以下不锈钢丝，在上部使用浮托装置，将钢丝垂直扎紧。这样，在廊道内就建立了基准点，根据此点测定引张线端点的位移值。2.3.6 三角测量控制网三角测量控制网事大面积变形监测的最有效的控制方法。鉴于变形监测控制网的边长较短，控制范围较小，精度要求较高，所布设的三角测量控制网的网形结构应力求少而精。一般以大地四边形或中点多边形最为常用，有时由于条件限制也可以采用单三角锁。2.4 GPS变形监测网基准设计GPS技术用于变形测量，所解算出的基线向量是属于wgs-84坐标系的三维坐标差。实际需要的点位坐标可以是wgs-84坐标系的坐标，也可能是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。所以，在GPS变形监测网的基准设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS变形监测网所采用的基准。GPS网的基准与常规测量的基准一样包括位置基准、方位基准和尺度基准。位置基准由起算的GPS点的坐标确定，而方位基准和尺度基准分别由GPS基线向量的方位和距离确定。GPS测量的结果是三维坐标，位置基准有3个，方位基准有三个，尺度基准一个。如果以固定的基准点作为GPS网的起算数据，则在基准设计时，至少应当选择3个稳定的基准点。为了增加GPS变形监测网的可靠性，一般应选择4-5个稳定的基准点。对于GPS变形监测网坐标系的选择，如果选择wgs-84坐标系，在进行GPS网设计时，最好能联测附近的高精度的国家GPS点，如果附近没有高精度的国家GPS点，则每期的GPS观测结果进行数据处理时，都应以第一期的基准点的坐标为基准。如果选择国家坐标系或地方独立坐标系，则基准点应同时具有国家坐标系或地方独立坐标系的坐标值，以便将GPS观测结果进行坐标转换，将各点的wgs-84坐标转换为国家坐标系或地方独立坐标系。GPS测量所得的高程为wgs-84坐标系中的大地高。在实际变形监测工作中可以按大地高进行变性分析。如果实际应用中采用水准高程，在GPS网的基准点应同时测定其水准高程，以便将GPS高程通过曲面拟合准换为水准高程。2.5 GPS变形监测网网型设计由于GPS同步观测不要求点间通视，故GPS网设计具有较大的灵活性。根据不同的精度要求，GPS网的网型布设通常有点连式、边连式及边点混合连接等几种基本方式。GPS观测中，3台或3台以上接收机同步观测获得的基线向量构成同步环。固所谓点连接、边连接等方式都是指同步环之间的连接。点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接，而边连式的同步图形之间由一条公共基线连接。显然，边连式有较多的重复边和非同步图形闭合条件，网型几何强度和可靠性比点连式要高，故GPS变形监测网多采用边连式的网型。对于设计出的GPS网型，要依据接受机的观测精度和网型结构，进行精度预计，同时给出该网形的可靠性指标，求出最弱点点位中误差。考虑到观测时段数，最后优化出精度能满足要求、工作量最省的方案。3变形监测技术所谓变形监测， 就是利用测量仪器及其他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。通常，变形监测的对象分为全球性或区域性的变形研究，以及工程和局部性变形研究。其中对重要建(构)筑物在各种应力作用下的变形监测是判别结构是否安全的重要手段，其成果也是验证设计理论和检验施工质量的重要资料。由于工程测量学是研究工程建设在勘测、施工和管理阶段所进行的各种测量工作的学科，因而在工程领域，也常把变形测量作为工程测量的一个重要组成部分。 随着科学技术与工业化大生产的发展，以及人口的急剧增长，必然要求加速物质和能源的生产，导致各种工程规模越来越大，工程费用越来越高，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，其所造成的损失程度也将越来越严重，因此，准确地了解这种变形显得越来越重要。同时人类为了实现预测和防治工程灾害的目的。3.1 变形监测的目的变形监测的目的，在于获得被研究对象在变形过程中有关变形大小的一切资料，分析研究这些资料可以监视地表变形和工程建(构)筑物的运营状况。根据变形监测资料，还可检验设计理论是否正确，提供设计并修改所需的经验数据,如岩体地下工程监测，是实现信息化施工的重要手段。促使变形监测的理论、方法和仪器手段得了快速发展。3. 2 变形监测的对象和内容变形监测对象是多种多样的，大致可概括为三类:地表变形、工程建 (构)筑物变形和大型精密设施的变形。地表变形，可以是自然原因产生，即板块运动、地球内部岩浆活动等，也可能是人工的原因。而工程建(构) 筑物有各种不同类型，如:水利水电枢纽工程、桥梁、高层建筑、冶炼设施、精密输送带、尾砂坝、井塔和井架、架空索道、挡土墙、地下井巷、隧洞等等。大型精密设施，如: 射电望远镜、粒子加速器等科学设施以及军事设施中的各种设备、导轨等往往也是变形监测的重要对象。地表及各种工程建 (构) 筑物，由于地质、力学原因，往往会产生移动与变形.这种变形有多大?变形的机理是什么?变形有什么规律?移动与变形会不会导致工程灾害?由于工程建(构) 筑物都允许有一定的变形而不影响其正常使用和造成损害，因此要求能准确地估计和观测到各种移动与变形值，并能判定工程建(构)，筑物的允许变形值。变形测量就是针对这些问题进行研究与测量的一个学科分支，因此变形测量的内容主要有:沉降测量、位移测量、应变测量、倾斜测量、裂缝测量和挠度测量等。从历次测量结果的比较中了解变形随时间发展的情况。变形监测的周期常随单位时间内变形量的大小而定。当变形量较大时，测量周期宜短;而当变形量减小，工程建(构)筑物趋向稳定时，测量周期则可相应放长。3.3 变形监测的方法 观测对象的变形过程一般都是动态过程，只不过有的变形速度很快，有的则很慢。通常是通过对被研究对象的不同离散时刻点进行观测，这时把对象作静态系统看待， 然后由多个时刻的观测结果，再来研究其运动的动态过程。变形监测方法的选择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等因素. 在全球性变形监测方面，空间大地测量是最基本且最适用的技术，它主要包括全球定位系统 (GPS) 、甚长基线射电干涉测量 (VLBD、卫星激光测距(SLR)、激光测月技术 (LLR) 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。 在区域性变形监测方面，GPS已成为主要的技术手段。近10年发展起来的空间对地观测遥感新技术 合成孔径雷达干涉测量，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，其试验成果的精度可达cm或mm级，表现出了很强的技术优势，但精密水准测量依然是高精度高程信息获取的主要方法。 在工程和局部性变形监测方面，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，以及以GPS为主的空间定位技术等均得到了较好的应用。根据对象的不同，变形测量方法大体上可分为下列几类。3.3.1 大地测量方法在这类方法中，视被观测对象的形状、范围以及测量精度等要求的不同，测定平面位置的变形有三角网、三边网、边角网、导线网、激光准直测量及交会等各种测量方法:测定沉降变形有精密水准测量、连通管测量(静水压力水准测量)等;由于高精度全站仪的出现，使这种变形测量方法成为一种最有效、直观的方法，并主要用于对地表的变形测量。如地震监测、边坡监测，也可用于公路大型构筑物的测量，如水坝、码头等。 全站仪是一种集测角、测距于一体的测量仪器，并在仪器内固化了一些应用软件，实现自动记录和处理数据，并可以与计算机通讯，功能完备，性价比高，操作简单，备受测量界人士的青睐，特别是在通视、中短距离时测量具有突出的优势。全站仪作为数据采集的重要工具，应用于边界测量、现场布控、地形测量、施工测量和区域勘察等方面，可以大大提高了测量工作效率，减轻了测量人员的内、外业工作强度，采集的数据可靠性高，应用前景广阔。随着计算机技术、空间技术、信息处理技术的发展与广泛应用， 全站仪的研发也有了长足的进步，特别是在中央处理单元(CPU)、内置软件上，并且出现了高精度智能型全站仪，即所谓的“ 测量机器人”，它能够自动跟踪测量目标，自动测量，自动记录数据。利用测量机器人进行工程建筑物的自 动化变形监测，一般可根据实际情况采用两种方式:一种是固定全自动持续监测方式:一种是移动周期性网观测方式。3.3.2 摄影测量方法摄影测量方法包括地面单张相片摄影测量、地面立体摄影测量、航空摄影测量等。单相片摄影测量只能测定平行于摄影机承片框平面上的变形。地面立体摄影测量则可测定物体空间位置的移动和变形，这两种方法最适于近距离单体建筑物的变形测量。由于计算机的广泛应用，使非地形解析摄影测量方法有了很大发展，因此在近景摄影变形测量中不但可用带有框标与定向设备的测量摄影机，而且可广泛使用非量测用普通摄影机，这就为摄影测量方法在变形测量中的应用开辟了更广阔的前景，如数字化摄影测量和实时摄影测量系统的应用。航空摄影测量一般只适于大面积的地表变形测量。1974 - 1978年在西德鲁尔煤矿区为了研究地下开采引起的大面积地表移动，曾进行了飞行高度375米，像比例为1:2500的航空摄影， 通过1:1000图，试验得出横坐标误差土1. 2 cm ，纵坐标误差土3.o cm ，位置误差士3.2 cm，高程误差士5.8cm摄影测量方法具有很多优点，如:可于同一时刻对建 (构)筑物和对象(如边坡面)的很大范围进行观测，并可测定任意数量的点，其中包括不能直接测量的点，外业工作量少，效率高;能够将观测得到的全部资料贮存，并可随时恢复其空间模型;而且对观测快速变形具有其他方法所不可及的优点。 摄影测量作为一种遥感式数据采集方法，虽然具有很多优点，但在实际应用中也受到一些条件限制。(1)设备过于专业化、价格昂贵; (2)所需工作环境在工程中往往难以满足， 如地下空区测量难于设置摄站;(3)数据处理技术复杂;(4)数据处理周期长、信息反馈慢等原因，因而该法难于推广。为首选的自动化测量技术设备。摄影测量方法适用范围包括如下几个方面:(1)变形测量，包括房屋、桥梁、井筒、井架、隧道及各种工业构筑物和地下工程的变形测量;(2)文物考古中发掘现场测绘等; (3)露天矿、隧道断面验收测量，物料(如煤堆)体积测量，露天边坡及取土场稳态监测;(4)塌陷区测量;(5)交通事故和刑事案件现场的测绘:(6)复杂机械零件的测绘;(7)森林调查，测定树位、树径、树冠、树高等。3.3.3 物理学传感器方法 所谓传感器就是将观测对象的各种物理量(如位移、应变、温度、应力等)转变为电信号以便进行测定的器件，如光纤传感监测技术、智能弦式数码应变计等。它是变形测量中的一种行之有效的方法，能监测到变形体内部变形和受力状况，它的最大优点是能自动化、远距离操纵和连续记录。3.3.4 GPS技术 GPS作为一种全新的现代空间定位技术，已逐渐在越来越多的领域得到应用。自从20世纪80年代以来，尤其是进入90年代后，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS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，绝对和相对精度扩展到，米级、厘米级乃毫米级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。 GPS 用于短距离变形监测的精度可达毫米级，从而为公路大型构筑物(如大坝、桥梁、大型厂房等)及滑坡崩塌等高精度变形监测提供了一种新的手段。早在1988年9月，美国工程兵测绘研究所就已经将GPS用于大坝的形变监测，研制了一种利用GPS载波相位观测值近似实时监测的连续监测系统CDMS。在我国，清江隔河岩大坝外观GPS监测系统也是一次成功的应用。 GPS用于变形监测的作业主要方法有经典静态测量方法和动态测量方法。经典静态测量方法用于缓慢变形场合，如地壳板块运动，城市地表沉降等。对于缓慢变形场合，常用静态基线解算方法。对于动态变形监测常用OTF ( on The Fly ) 方法或模糊度函数法求解整周模糊度. 有关的研究表明:将GPS用于动态变形监测的水平精度不低于常规方法，但高程分量比常规方法低，不过其效率是常规方法无法比拟的。 在目前的GPS变形监测系统中，一般都是利用双频GPS接收机，采用IGS的精密星历和高质量的数据处理软件，根据电离层组合来进行差分计算，得出高精度的变形监测成果。由于受到各种条件的限制(稳定的数据链路、复杂的软件系统以及昂贵的硬件设备等)，目前的GPS系统一般为非实时的监测系统，并且利用多历元的观测数据进行解算和后处理。随着GPS 硬、软件的发展，测量精度的提高，GPS变形监测系统越来越向数据采集自动化、内外业处理一体化的方向发展。变形监测的技术和方法正在由传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展。在实际的变形监测中，根据变形监测的目的、变形体的实际情况不同，常常是大地测量方法、摄影测量方法、物理学传感器方法和GPS技术等测量技术共存与互补，利用它们各自优势，共同完成监测数据的采集。比如采用GPS和高精度全站仪进行平面控制网测量，进行联合平差。利用精密水准测量资料和GPS测量成果，以较高精度来确定测点的高程。4 变形监测数据预处理监测数据是一组有序的离散型随机数据，是一串随时间变化而又相互关联的动态数据序列，监测数据作为安全监控分析的基础，它的质量与可靠性至关重要，直接影响安全监控分析的结果。如不能有效去除数据中的噪声与粗差，可能会使预报失真，造成灾难性的后果。而监测数据处理的目的就是要恰当地处理变形监测所得到的数据，最大限度地减少测量误差的影响以便给出一个尽可能精确的结果，通过分析，寻找出监测体变形的时空分布情况及其发展规律，掌握变形量与各种内外因素的关系，确定出监测体变形是否属于正常变形范围以内，防止变形向影响建筑物安全的方向发展.所以说监测数据的预处理是整个监测系统能否发挥作用的保障，没有有效的数据处理方法与手段，就难以充分发挥监测数据的作用，也就不能为管理人员提供准确、可靠的分析预报结果。可见，变形监测数据的合理及准确处理极为重要。4.1变形监测数据的特点监测数据是所有监控工作的基础。以前，由于获取数据手段和技术落后，使得数据的获取工作非常困难，即使获取少量的数据也需要大量的人力、物力及时间。但随着现代测绘仪器及测绘方法的发展，数据获取的手段和方法也更加多样化、自动化。与传统获取的监测数据比较，现代监测数据主要有以下几个特点:(1)数据获取自动化:随着测绘仪器的发展，全站仪、GPS 等现代化测量仪器的应用，使得测量数据的获取更加简单、便捷，基本实现了数据的半自动化、自动化采集。(2)数据处理的实时或准实时化:现代一些测绘仪器可以实时获取大量的监测数据，通过相应的软件实现数据的实时或准实时的处理，就可以较真实地反映建筑物在某一时刻的真实运营状态，对事故的预报效率明显提高。(3)监测数据海量化:由于安全监测数据获取的自动化水平逐步提高，一般的监测数据量都比较庞大，靠传统的数据处理手段已经很难完成监测数据处理工作。随着计算机的发展，数据处理技术与方法也有了很大发展，基本上脱离了手工处理数据的时代。由于现代监控数据的自动化、实时化、海量化的特点，使得传统的数据处理技术与方法不能完全满足数据处理的要求，因此必须研究适合于现代监控数据特点的处理方法，对数据进行合理的分析与处理，为建筑物的安全运营提供可靠的保障困。4.2异常数据的分类在精密监测工作中，一些学者通过对大量数据的研究和分析发现，由于对监测条件要求更高，有时会产生5%-10%的异常数据，这种现象是正常且不可避免的。在安全监控中，观测值的异常包含两个方面:第一种是指在观测中，由于观测者的不仔细，或者环境条件突变、仪器不稳定等因素，使观测误差不符合某种统计分布的规律，这类异常数据称为粗差。总体上而言，尽管粗差出现的机会相对较小，但是由于量值较大，所以它的不良作用是十分显著的。以含有粗差的监测值来进行安全预报，必将对预报的结果产生一定程度的歪曲和失真。因此，对于监测成果的粗差处理是十分重要的。第二种异常是指由于被观测体本身的显著变化，使观测结果不符合被观测体正常的变化规律，使观测结果产生异常，这类异常数据称为异常值。异常值不是测量原因产生的，它对安全测控工作极为重要，通过对异常值的准确判断和分析，可获得监测体的不安全信号并引起监控人员的注意，采取预防措施，因此这类异常值特别重要应予保留。粗差和异常值同为异常数据，从数据外观上来看，两者均表现为在数值上与正常监测数据相比有较大的差异。很多处理粗差或异常值的方法并没有明显的区分界限，可以通用，这就产生了不能区分粗差和异常值的问题。若主观地将异常值判定为粗差而剔除，这样虽然可得到一组分散性较小的数据，但这是虚假的，与实际情况并不一致的数据，也就失去了安全监测的作用和意义。只有从粗差和异常值的本质区别入手，才能找到区别粗差和异常值的有效方法。粗差和异常值最本质的区别是:粗差在数值上具有偶然性和孤立性的特点，在相邻监测数据中通常是以单个不连续的形式出现，含有粗差的数据序列在数理统计表现为污染正态分布。而异常值则具有多个数值上接近的测值连续出现的特点，在均值位置摆幅增大，并且形成一定的趋势性。这种趋势性在多次监测中，表现为同一测点从时间的关联性来分析其在变化趋势是否具有一致性，即分析任一测点本次原始实测值与前一次(或前几次)原始实测值的变化关系。而在一次监测中，这种趋势性实际就是从空间的关联性出发来检查一些有内在物理联系的效应量之间的相关性，即将某点本测次某一效应量的原始实测值与邻近部位(条件基本一致)各测点的本测次同类效应量或有关效应量的相应原始实测值进行较，视其是否符合它们之间应有的力学关系。4.3变形监测数据粗差的定位与剔除在测量过程中，由于外界环境、人为因素等多方面的影响，会使得测量结果中都不可避免地含有误差。按照误差的性质及产生原因可将其分为偶然误差、系统误差和粗差三大类。偶然误差是由一些偶然的、不确定的因素引起的，因此偶然误差在测量工作中是不可避免的，在数据处理中，能有效地消除其影响。系统误差是由于测量仪器自身的原因、气象条件和测量基准的变化等原因造成的，例如:全站仪测距的固定误差、全站仪测距时的温度、气压改正等。系统误差具有累积作用，会对之后的测量值也造成影响，但系统误差一般来说都有一定的规律性，通过一定的观测程序或改正的办法可以得到消除或减弱。而在测量工作中，由于一些原因，如仪器、观测人员的不注意，或环境条件的突变等，会使观测数据存在粗差。这种误差的分布，将不服从通常观测误差的分布,粗差是一种大量级的观测误差，它是测量上的错误，毫无规律性可言，造成监测结果的歪曲、参数估计的不准确及所建预报模型的失真，从而对后续的变形分析和解释带来困难，甚至得出错误结论。因此在数据预处理阶段我们必须对观测数据进行处理，找出粗差并剔除。粗差能严重影响数据处理的结果，并干扰对建筑物的监控和安全评价，因此，有效地识别并剔除粗差，是数据分析处理的基础，对建筑物的安全监控具有重要的意义。下面就目前常用的几种检验方法作一概要介绍:(1) 逻辑检验法被监测物体的测值一般应有一个逻辑合理范围，当观测值超出其逻辑合理范围时，认为测值含有粗差，并判断该次测值无效。(2 )监控模型检验法桥梁、大坝等水工建筑物经一定时间的变形监测后，可得到一系列监测量的测值，据此，可建立预报数学模型。目前常用的数学模型有统计模型、确定性模型和混合模型，由于各模型的建立方法有一定的差异，其预报效果亦不相同，但三类预报模型的基本形式是基本相同的，目前，以统计模型使用最为普遍。运营 期 的 桥梁索塔变形主要是由于气温、日照、风力以及车流量荷载等因素共同影响的结果。设被监测量的预报模型为: (4.1)式中:C为车流量因子;T为温度因子:u为风速因子;t为时效因子。并设 该 模 型的模型标准差为5，则根据预报原理，该监测量的预报值可表示为: (4.2)式中: 为观测时的车流量、温度、风速、时效性。当观测值文与预报值之差大于KS时，则认为测值异常。即: (4.3)式中:k为系数，它与置信水平及样本数m有关。(3)关联分析检验法在安全监测中为监测某一工程部位的安全情况，一般要布置许多测点，由于测点布置在同一建筑体上，因此，各测点的测值之间存在某种联系，即如果建筑物工作状态正常，则测数据一般应处于正常状态，而当建筑物的结构发生变化时，则相关测点的监测数据都应发生相应变化。相反，如果某一测点的测值发生异常，而其相关测点的测值正常，则认为建筑物的结构正常，监测系统可能发生了异常或监测数据含有粗差。因此，可以利用这种相关性，来相互检核各塔段监测数据的可靠性。4.3.1单个粗差的定位方法粗差的探测是数据处理的一个重要内容。设是正态总体)的一个随机样本，是该样本的顺序统计量。检验粗差的一般方法是：原假设:观测值中不存在粗差，则对于所组成的某种统计量，找出临界值，使P()=。若 ，就认为存在粗差;若r(n，a)时，即表明最大值(或最小值)异常。相对于ESD统计检验，狄克松检验中根据不同的n值，选用极差或似极差等来估计。此外，当n10时，考察最大值与第三大值的间距来判断是否异常，对避免多个粗差的污染，提高检验功效有一定的作用。4.3.2 多个粗差的定位方法上述的 ESD 统计检验及狄克松检验作为单个粗差探测的方
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