變形監測技術和方法正在由傳統的單一監測模式向立體交叉的空間模式發展。高精度測量儀器的地面監測技術、近景數字攝影測量方法、三維激光掃描技術以及GPS監測系統等手段應用于工程建筑物空間位置數據的采集,受到了研究人員的重視,且已成為行之有效的現代變形監測方法。監測數據的分析處理技術也在不斷發展創新。

1變形監測方法
1. 1　變形監測非大地測量方法用于變形監測的非大地觀測儀器,需要固定于變形體上或者附近,必須直接接觸觀測部位。一類儀器的觀測結果是相鄰觀測標志間平面位置或高程位置的相對位移;另一類儀器則是直接測定物理量進而間接求算幾何量。這類儀器類型較多,大致分為物理類、機械類和電測類等,這里不再詳細介紹,讀者可參考相關資料[1]。
1. 2　變形監測傳統大地測量方法大地測量方法所測得觀測結果的幾何意義既明確又直觀,故從古到今廣泛用于各類工程建筑物的變形觀測。例如,用于沉降觀測的幾何水準測量、液體靜力水準測量、微水準測量和三角高程測量;用于位移觀測的三角測量、三邊測量、邊角測量、精密導線測量、交會測量和基準線測量;用于傾斜觀測的縱橫距投影測量和交會測量;用于撓度觀測的交會測量和精密水準測量等。盡管近20年來空間定位技術、激光三維掃描技術、數字攝影測量技術在建筑物變形觀測中得到一定程度的應用,但在大多數情況下,傳統的常規大地測量方法仍然是進行橋梁變形觀測的主要手段。在某些觀測項目上常規大地測量方法與現代的空間定位技術相比具有顯著的優勢。例如在建筑物基礎沉降觀測、橋梁的撓度觀測等方面,精密水準測量目前仍然是精度最高、成果最可靠且簡便易行的方法。但傳統的大地測量監測方法也存在一定的缺點,如外業工作量大,布點受地形條件制約,不易實現自動化監測等。
1. 3　變形監測現代測量方法傳統的大地測量方法,無法直接測得各種荷載狀態下的變形觀測點的三維坐標,而只能觀測一些間接的觀測值,通過進一步解算才能得到變形量。現代測量技術則為直接測定觀測點在各種荷載狀態下的三維坐標提供了可能。
1. 3. 1　基于全站儀的變形監測全站儀變形監測以其自動化、高精度、三維監測的技術優勢,在變形監測中得到了普遍應用。全站儀正在向全能型和智能化方向發展。帶馬達驅動和程序控制的全站儀結合激光、通訊及CCD技術,可實現測量過程的全自動化,被稱作測量機器人[2-3]。測量機器人可自動搜尋觀測目標,在很短的時間內完成一目標點的觀測,并可以對多個目標作持續和重復觀測。測量機器人與測量數據處理分析軟件系統相結合完全可以實現變形監測的自動化。測量機器人作為多傳感器集成系統在人工智能方面的進一步發展,使其在建筑物變形監測中必將得到進一步應用。
1. 3. 2　基于GPS的變形監測GPS的應用是測量技術的一項革命性變革。有定位精度高、連續性、實時性、提供三維坐標、全天候作業等優點。尤其是實時動態測量技術(RTK)是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS測量技術。實時地計算并顯示出用戶站的三維坐標。GPS與計算機技術、數據通訊技術及空間分析技術進行集成,實現了從數據采集、傳輸、管理到變形分析及預報的自動化,以實現遠程在線網絡實時監控[4]。在該領域的研究,開始重視建立實用的、低成本的GPS實時在線監測系統以推動其在變形監測領域的應用范圍;重視研究有效提取變形體動態變形特征的變形分析方法;重視研究GPS垂直位移監測精度,使之能與水平位移監測精度匹配,發揮其測定三維位移的優越性。
1. 3. 3　基于數字攝影測量的變形監測攝影測量作為一種遙感式數據采集方法,可用于各種目的的測量,以前,由于存在設備專業化,價格昂貴,所需工作環境的限制、數據處理技術復雜,處理周期長,信息反饋慢等原因難以推廣。近年來,隨著計算機技術的飛速發展,攝影測量已經進入了數字攝影測量時代。被攝物體的數字影像的獲取變得越來越容易。利用數字影像處理技術和數字影像匹配技術獲得同名像點的坐標,就可以計算出對應物點的空間坐標。整個處理過程是由計算機完成的,因此也稱為“計算機視覺的攝影測量”[5]。數字近景攝影測量技術應用于變形監測與其他測量手段相比具有顯而易見的優點。通過攝影測量的方法,建立變形體的三維立體模型,通過模型的量測,以測定監測點乃至整個變形體的空間位置及其變化。其監測精度已經達到了mm級[6]。顯然,變形監測的攝影測量方法,不僅圓滿地解決了觀測的同時性、觀測點的連續性、動態監測等問題,而且可以對一些無法到達的變形體進行監測。

1. 3. 4　基于三維激光掃描技術的變形監測激光雷達通過發射紅外激光直接測定雷達中心到地面的角度和距離信息以獲取監測點的三維坐標數據。激光雷達屬于無合作目標主動遙感測量技術,事先不需要布置任何測量標志,直接對變形體掃描,能夠快速獲取變形體上高密度的三維坐標數據[7]。根據遙感平臺不同,三維激光掃描可分為機載型、車載型、站載型,其中車載型和站載型屬于地面遙感系統,是工程建筑物變形監測的主要平臺。三維激光掃描技術對變形體監測數據采集采用高密度、高速度的面采集方式,具有很強的數字空間模型信息的獲取能力。測程根據儀器種類,從幾米到2km以上。單點測量精度在幾毫米到數厘米之間,模型的精度要遠高于單點精度,可達2-3 mm。三維激光掃描技術已經在橋梁、文物保護、滑坡監測等領域進行應用。激光掃描系統得到的是海量數據,點云具有一定的散亂性、沒有實體特征參數,直接利用該數據比較困難。必須建立針對三維激光掃描技術的整體變形監測概念[8],研究三維激光掃描變形監測理論和數據處理方法。研究無監測點的監測對象測量方法;研究監測對象三維表面模型的建立;研究基于三維監測對象模型的變形分析理論及方法;建立基于三維掃描技術的監測數據和模型精度的評價體系等。由于三維掃描系統價格昂貴,該方法用于建筑物的變形監測投入較大,目前普及應用還有相當的難度。
2　變形監測的粗差探測技術變形監測中,為了獲得正確的變形分析結果,必須在監測數據的預處理階段將觀測數據中的粗差予以識別和剔出。目前有關粗差檢驗和可靠性理論的研究成果,可概括為兩種粗差處理模型,即期望移動模型和方差擴大模型。期望移動模型是假定含有粗差的觀測值l服從期望值為E(l) +ε(ε為觀測值的粗差,稱為期望移動量)、方差為σ2l的正態分布,在平差函數模型中,將粗差視為模型誤差。在使用該模型時,首先要解決好粗差定位問題。方差擴大模型則是將含有粗差的觀測值視為服從期望為E(l)、方差為異常大(記為a2σ2l,a2 1)的正態分布,其實質是將粗差歸入隨機模型,這種模型是通過定權來消除粗差觀測的影響。近些年來,也有人將模式識別理論和方法引入了粗差識別問題的研究。另外,對于監測數據中的粗差和系統誤差的可區分性研究也是一個很重要的研究方向[9]。
3　變形監測分析與預報建模隨著變形監測技術的發展,監測數據的采集方法日趨成熟。然而,從大量的監測數據中挖掘信息,依然是近年來變形監測領域重點關注的熱點問題之一。在變形監測數據處理中,人們總希望能通過恰當方法提取或挖掘出正確反映變形體變形規律的有用信息,為工程設計和災害防治提供科學依據[10]。變形分析與預報的數學模型變形分析建模是采用數學模型來逼近、模擬和揭示變形體的變形規律和動態特征,旨在理解和預測變形體的動態變形規律及特征,為工程設計和災害防治提供科學依據。變形分析模型根據分析目的的不同,可分為變形體幾何分析模型和物理解釋模型。許多學者提出并研究了各種模型。FIG變形分析專門委員會進行了變形模型的分類,如圖1所示。

圖1　變形模型分類
3. 2　變形監測數據處理的幾種典型建模分析方法近年來,變形分析與預報建模成為工程測量領域倍受關注的研究方向,其中比較典型的、代表性的數學模型及分析方法有以下幾種[11-12]: (1)回歸分析模型,回歸分析模型是依據實測數據用最小二乘法確定回歸方程系數,所建模型屬于經驗模型。這種模型建模過程簡單,使用方便,它是迄今為止研究最多,也是最為流行的變形觀測分析方法。該模型又分為以下兩種:①曲線擬合,該方法是趨勢分析法中的一種,又稱曲線回歸或趨勢曲線分析,用各種光滑的曲線來近似描述變形體的變形發展的基本趨勢。比較典型的多項式趨勢模型為:Yt=a0+a1t+…+antn。②多元線性回歸分析,它是研究一個變量與多個因子之間非確定關系的最基本方法。其數學模型是:yt=β0+β1xt1+β2xt2+…+βpxtp+εt　　　　　　(t=1,2,3,…n)　　　　　　　εt~N(0,σ2)式中,下標t表示觀測值變量,共有n組觀測數據,p表示因子個數。多元線性回歸分析應用于變形觀測數據處理與變形預報中主要包括兩方面的內容,其一是變形成因分析,上式中自變量xt1,xt2…xtp為因變量的各個不同影響因子時,則該模型可以用來分析和解釋變形與變形原因之間的因果關系;其二變形的預測預報,當上式中的自變量xt1,xt2…xtp在t時刻的值為已知值或可觀測值時,則可用該模型預測變形體在同一時刻的變形大小。(2)時間序列分析模型,回歸分析法是假設觀測數據在統計上獨立或不相關的,是一種靜態的數據處理方法。時間序列分析方法是一種動態的數據處理方法,該方法的特點在于:逐次觀測值通常是不獨立的,且分析必須考慮到觀測資料的時間順序,當逐次觀測值相關時,可根據過去的觀測值預測變形體未來的變形趨勢,可以利用觀測數據之間的自相關建立相應的數學模型來描述變形的動態特征。某些隨機過程與另一些變量取值之間的隨機關系往往根本無法用函數關系式來描述。這時,需要采用這個隨機過程本身的觀測數據之間的依賴關系來揭示這個隨機過程的規律性。ARMA(n,m)模型是時間序列分析中最具代表性的一類線性模型。(3)灰色系統分析模型,系統分析的經典方法是用概率統計的方法,從大量的歷史期數據中尋找統計規律,這對于統計數據量少的貧信息系統的分析較為棘手,灰色系統理論提供了貧信息情況下解決系統問題的新途徑。它把一切隨機過程看做是在一定范圍內變化的、與時間有關的灰色過程,用數據生成的方法將雜亂無章的原始數據整理成規律性較強的生成數列再作研究。(4)卡爾曼(Kalman)濾波模型,Kalman濾波技術是一種遞推式濾波算法,它是一種對動態系統進行實時數據處理的有效方法。借助于系統本身的狀態轉移矩陣和觀測資料,實時最優估計系統狀態,并且能對未來時刻系統狀態進行預報,可用于動態系統的實時控制和快速預報。(5)人工神經網絡模型,神經網絡有多種不同類型,在變形觀測中最常用的是誤差反向傳播(Back Propagation)神經網絡,簡稱BP網絡。BP模型用于變形預測是用變形體若干天的實測位移量作為訓練樣本集,輸入網絡進行學習,經過多次迭代學習,神經網絡模型就能較好地模擬觀測點未來位移量。(6)動態變形頻譜分析法,變形按其時間特性可分為靜態模式、運動模式和動態模式三種。動態模式變形的顯著特點是周期性,分析這類觀測數據時,變形的頻率和幅度是主要參數。頻譜分析是動態觀測時間序列研究的一個途徑。該方法是將時域內的觀測數據序列通過傅立葉級數轉換到頻率域內進行分析,它有助于確定時間序列的準確周期并判別隱蔽性和復雜性的周期數據。(7)小波分析理論。近幾年來迅速發展起來的小波分析理論也被用于動態變形的幾何分析。通過對變形觀測序列的多分辨分析可發現動態變形特征參數的變化時刻,或在對變形信號作的小波分解后再重構來實現強噪聲下的變形趨勢提取[13-14]。(8)基于數據場和云模型的變形監測數據挖掘技術。有學者[15-16]根據云模型和數據場,在發現狀態空間中研究了寶塔滑坡監測的空間數據挖掘技術和方法。在寶塔滑坡監測數據挖掘中得到了微觀、中觀和宏觀三個認識層次的可視化空間知識,并和寶塔滑坡區的自然現象和變化十分吻合。數據場刻畫了每個監測數據對滑坡監測任務的不同作用,云模型實現了精確的定量數據和不確定的定性思維概念之間的相互轉換,二者在發現狀態空間中的共同作用,則把每個定量的精確監測數據的作用,在不同的認識層次上濃縮到定性的決策思維中。因此,基于數據場和云模型的空間數據挖掘方法在變形體監測中的應用是一個新的、重要的研究方向。

4　結　語 

工程變形監測技術發展方向是通過多傳感器,包括幾何類傳感器、物理類傳感器、環境變量傳感器的集成系統對變形體進行實時動態的監測。實現內外業一體化,數據處理的自動化,監測過程的智能化,輸出結果的數字化,監測信息管理的可視化,變形監測信息共享和傳播的網絡化。變形分析與預報的發展,除了傳統方法程序化、自動化、可視化發展外,主要向數據處理的現代算法、多時相數據的實時處理、數據挖掘和計算智能技術方面發展。目前,國內已經開展工程安全監測、分析與預報綜合信息系統的研究工作。另外,用現代系統論為指導進行變形分析與預報也是目前研究的一個重要方向。該方向涉及到許多非線性學科的知識,如系統論、控制論、信息論、突變論、協同論、分形、混沌理論、耗散結構等[17]。如在自然災害的預測預報研究方面,人們已經開始用突變理論進行滑坡危險性判斷和預測,用分形理論研究地震發生前后的維數變化等。總之,隨著現代測量技術的發展和計算機應用水平的提高,各種理論和方法為變形分析和變形預報提供更加堅實的技術支持和廣泛的研究途徑。

參考文獻:[1]　白迪謀.工程建筑物變形觀測和變形分析[M].成都:西南交通大學出版社, 2002. 衛建東.基于測量機器人的自動變形監測系統[J].測繪通報, 2006(12): 41-44.[3]　梅文勝,張正祿,黃全義.測量機器人在變形監測中的應用研究[J].大壩與安全, 2002(5): 3-6.[4]　胡友健,梁新美,許成功.論GPS變形監測技術的現狀與發展趨勢[J]. 2006, 31(5): 155-157.[5]　張祖勛.從數字攝影測量工作站(DPW)到數字攝影測量網格(DPGrid) [ J].武漢大學學報•信息科學版,2007, 32(7): 565-571.[6]　楊化超,鄧喀中,郭廣禮.相似材料模型變形測量中的數字近景攝影測量監測技術[ J].煤炭學報, 2006, 31(3): 292-295.[7]　衛建東.現代變形監測技術的發展現狀與展望[J].測繪科學, 2007, 32(6): 10-13.[8]　羅德安,朱光,陸立.基于3維激光影像掃描技術的整體變形監測[J].測繪通訊, 2005(7): 40-42.[9]　王曉華,胡友健,柏柳.變形監測研究現狀綜述[J].測繪科學, 2006, 31(2): 130-132.[10]　吳繼忠,潘慶林,花向紅.工程建筑物變形的動態特性分析[J].工程勘察, 2008(5): 64-66.[11]　黃聲享,尹暉,蔣征.變形監測數據處理[M].武漢:武漢大學出版社, 2003.[12]　陳永奇,吳子安,吳中如.變形監測分析與預報[M].北京:測繪出版社, 1995.[13]　張正祿,黃全義,文鴻雁等.工程的變形監測分析與預報[M].北京:測繪出版社, 2007.[14]　王欣,吳侃,高樹磊.基于小波變換的礦區地表變形監測數據處理[J].礦山測量, 2007(4): 65-67.[15]　Wang S. L. et a.l, 2003. Cloud model-based spatialdatamining. Geographical Information Science, 9(2): 67-78.[16]　李德仁,王樹良,李德毅.空間數據挖掘理論與應用[M].北京:科學出版社, 2006.[17]　張正祿.論精密工程測量及其應用[ J].測繪通報,2006(5): 17-20.　　　　　　ENGLISH ABSTRACTS OFMAIN ARTICLES IN THIS ISSUEAnalysis ofMining Deformation Features ofRailway BridgesandCultverts inWutongzhuangCoalMine———It isa difficultproblem to protect railway bridge and culvert for the miningunder railway. According to the design ofmining under rail-way inWutongzhuang coalmine ofFengfengmining area, thepaper analyzes the deformation featuresofbridgesand culvertswhich are influenced by surface subsidence, inclination, hori-zontalmovementand horizontaldeformation caused bymining.Furthermore, the paper predicts the deformation of everybridge and culvert resulted from mining in the second andthirdworking area. Through the analysis of the influence ofbridges and culverts, the corresponding protection measureshas been provided in the present study, which are used toguide the safe mi plementation ofmining under railway. (LiuCunyu eta.l )Analysis ofBasicFeatures ofGroundMovementandDeforma-tion ofFullyMechanizedWorkingFace in11-2CoalSeam inGuoqiaoCoalMine———Based on the introduction to the o-verview of the firstexploiting face subsidence observation sta-tion in Guqiao CoalMine, the present paper introduces thebasic parametersof the surfacemovementand deformation ob-tained from themeasured data in detai,l and summarizes thebasic law and the periods of the surface movement and de-formation. These analyses provide references for the miningunder smi ilargeologicalandmining conditions. (YuXuexiangeta.l )TrialApproxmi ation Method on Inner Side Line CoordinateCalculation ofBroadenedRoad———According to the fact thatthere is no formula on computing inner side line coordinatewhen centerline and side line ofthe broadened road are shownwith spiral line, the paper puts forward trial approxmi ationmethod which is rigorous in theory and useful in practice.Thismethod can solve actualengineeringproblems such asac-curate calculation of inner side line coordinate and checkingmeasure. (GaoPinghe eta.l )Method ofHighwaySideLine andCrossSectionsMeasurewithSteelTape———The present paper discusses the method ofmeasuringhighway side line and cross sectionswhich, as anadditionalmethod, provides a reference for engineering sur-veying. (Yan Zhmi ing eta.l )Study on CGCS2000———The officialopening ofCGCS2000 (the 2000NationalChinaGeodeticCoordinate System) on July1, 2008marks a new era ofgeocentric coordinates from refer-ence-ellipsoid-centric coordinate system. CGCS2000 is agreatachievementofdecadesofhardwork bygeodetic survey-ors. Based on the relative study the authorsummarizes the in-formation aboutCGCS2000. Furthermore, the papermakes acomprehensive analysis of it on the basis of the overview ofgeocentric coordinate system both athome and abroad. (LongWenxing eta.l )Application ofaNovelGreyModel toTraffic Flow PredictionatNon-detector Intersection———There are three stages ofthe traffic flow, that is the pas,t the present and the future.The future traffic flow is the extremely mi portant technical in-dicators in the road traffic and transportingplan. Also it is theindispensable foundation conditions to determine road section,structural forms and standards. GM (1,1)model is commonlyused todo the traffic flow prediction and the resultsare appro-priate. However, when the original sequence shows strong vi-latility, the forecastaccuracywillbe poor. The presentpapermodifiesGM (1,1)modelbased on the usage of first-orderdifferential equationsmethod of curve fitting and shows thevolatility of the data series about the consequences can be re-duced by the usage of trigonometric polynomial function.Combinedwith the trail-errormethod and least-squares al-gorithm, all the parameters can be calculated. And the exper-mi ental analysis shows that the results of thismethod ismoreaccurate than those of conventionalGM (1, 1) mode.l (MaJian)Study onHandling andApplication of theData throughThreeDmi ension Laser Scanning System———Three dmi ention laserscanning system, as amassive information gathering and non-contactmethod with high accuracy, has been widely usedboth athome and abroad. How to use and handle those dataalso becomes a hot issue. The paper addresses the problemsby handling the data in Cyclone, AutoCAD andMicroStationthrough the following aspects: petro-pipelinemodeling, ac-curate surveying of forecas,t accurate modeling of buildingand reverse engineering. (Qian Jianguo eta.l )Reflection on the Construction ofSurveying andMappingEn-gineeringMajorwith the focusofMineSurveyingunderDigitalMine Background———Digitalmine has been covered in Chi-nas' mining industry, which brings a serious and urgent issueto the construction ofSurveying andMappingEngineering thatfocuses on themajor ofmining surveying inmining universi-ties. Based on  the comprehensive analysis of the digitalmin-ing and its features, the present paper points out the its mi-pacton themajorsofmining surveying and puts forward perti-nentmeasures for reference. (ZhaoXijiang)Discussion onHow to Improve the TeachingQuality ofEngi-neering www.51lunwen.comSurvey———As an mi portant professional basiccourse, major of engineering surveying possesses morestudents and covers wide professional fields. The teachingquality of thismajor affects the follow-up professional cour-ses. And the employment opportunities and working capacityof the graduates will also be influenced. The present paperdemonstrates some opinions to the point of mi proving theteaching quality about engineering surveying from the follow-ing three aspects: teacher, students and practical teaching.(ZhaoWeicheng eta.l )Research onHeightSystem Transformation of theGPSDatumNetwork in Guoqiao CoalMine———According to the heightanomalys of the level joint points, the paper analyzes heightanomaly curve and establishes the mathematic model on thebasis of the multi-curve function for the height anomalycurve, based on the introduction to the overviews of the dataprocessing and accuracy assessing forGPS plan datum networkand the third order levelheightdatum network inGuqiaoCoalMine. And therefore, the height system transformation is a-chieved. All the results show that the selective mathematicmodel fits for the whole surveying area and that the trans-formedGPS levelmeets the accuracy requirementof the thirdorder leve.l (Chen Shaojie eta.l )Synthetic Study on DeformationMonitoringMethod ofBuild-ings———With the developmentofmodern surveying technolo-gy and computer application, a wide variety of theories andapproaches have provided more technical supports and re-searchmethods fordeformation analysis and prediction. Fromthe perspective ofdeformationmonitoringmethod, errordetec-tion and data exploratory analysismodeling, the paper pres-ents an overview of the application of deformationmonitoringtechnology, analyzes the characteristics to applymodern sur-veying technology to the deformationmonitoring of the build-ings and then introduces the latestmethods of exploratory a-nalysismodeling.