【導讀】（構）筑物的技術要求和建設運營管理階段的安全問題。而建（構）筑物沉降觀測為。其安全提供最有價值的沉降數據及信息，同時為建筑物設計及安全維護提供依據。此建筑物沉降觀測內容、方法、沉降分析及沉降趨勢預測的研究非常必要。建（構）筑物沉降觀測是測繪工程領域研究的熱點之一，本文針對建筑物沉。降觀測系統(tǒng)進行了較詳細的分析和研究，討論了建（構）筑物沉降監(jiān)測系統(tǒng)的布設，

　　

【正文】 面尺法， ① 紅黑面讀數差 177。3mm ② h 黑 h 紅 177。5mm 。 圖 水準測量的實施 水準測量記錄表 表 水準測量記錄 測站 點號 水準尺讀數 高差 h 米 平均高 差 改正后 高差 高程 H 米 后視 前視 1 BMA TP1 2 TP1 + TP2 3 TP2 + TP3 4 TP3 + TP4 5 TP4 + BMB ? + 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 19 注意：（ 1）起始點只有后視讀數，結束點只有前視讀數，中間點既有后視讀數又有前視讀數。 （ 2） ??? ?? hba ，只表明計算無誤，不表明觀測和記錄無誤。 （內業(yè)） （ 1） 計算閉合差： 閉合水準路線： ?? 測hfh 附合水準路線： ? ??? ）（ 始終測 HHhf h （ 2） 分配高差閉合差 高差閉合差限差（允許誤差） 對于普通水準測量，有：適用于山區(qū)適用于平原區(qū)允允????????n12f40fhh L 式中， 允hf ——高差閉合差限差，單位： mm L ——水準路線長度，單位： km ； n ——測站數 。 分配原則： 按與距離 L 或測站數 n 成正比，將高差閉合差反號分配到各段高差上。 （ 3） 計算各待定點高程 用改正后的高差和已知點的高程，來計算各待定點的高程。 數字水準儀的構成和測量的基本原理 一個數字水準儀測量系統(tǒng)主要是由編碼 標尺、光學望遠鏡、補償器、 CCD 傳 感器以及微處理控制器和相關的圖象處理軟件等組成。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 20 圖 數字水準儀 工作基本原理是標尺上的條碼圖案經過光反射，一部分光束直接成像在望遠鏡分劃板上，供目視觀測，另一部分光束通過分光鏡被轉折到線陣 CCD 傳感 器的像平面上，經光電轉換、整形后在經過模數轉換，輸出數字信號被送到微處理器進行處理和存儲，并將其與儀器內存的標準碼（參考信號）按一定方式進行比較，即可獲得高度讀數。數字水準儀測量系統(tǒng)的測量原理如圖 所示，它由條碼尺和主機兩部分構成。其中條碼尺由寬度相等或不等的黑白 (黃 )條碼按照某種編碼規(guī)則進行有序排列而成，這些黑白條碼的不同排列方法就構成了目前各數字水準儀生產廠家編碼標尺自主知識產權的核心。數字水準儀主機是在自動安平水準儀的基礎上發(fā)展起來的。從世界上第一臺數字水準儀 NA2020 到當今精度最高的數字水準儀 Dini12，各廠家的數字水準儀主機采用了大體一致的結構，其基本構造由光學機械部分、自動安平補償裝置和電子設備組成，電子設備主要包括調焦編碼器、光電傳感器 (線陣 CCD 器件 )、讀取電子元件、單片微處理機、 CSI 接口 (外部電源和外部存儲記錄 )、顯示器件、鍵盤和測量鍵以及影像、數據處理軟件等。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 21 圖 數字水準測量系統(tǒng)原理圖 各廠家數字水準儀測量系統(tǒng)不僅結構大體一致，其基本測量原理也相似 :即采用編碼標尺，水準儀內裝 CCD 光電傳感器和圖像數據處理系統(tǒng)。編碼標尺用不同寬度的條碼組合來表征尺面的不同 位置，人工完成照準及調焦后，標尺條碼一方面被成像在望遠鏡分劃板上，供目視觀測，另一方面經過分光鏡的反射又被成像在 CCD 器件上，隨后轉化成電信號，經整形后進入模數轉換系統(tǒng) (A/D)，從而輸出數字信號送入微處理器進行處理和存儲，并將其與內存的標準碼 (參考信號 )按一定的方式進行比較，即可獲得編碼標尺的高程讀數。 各廠家標尺編碼的條碼圖案不同，不能互換使用。各公司標尺的編碼方式和電子讀數求值過程僅僅是由于專利權的原因而完全不同。目前照準標尺和調焦仍需人工目視進行。如果使用傳統(tǒng)水準標尺，數字水準儀又可以象普通 自動安平水準儀一樣使用，但是由于其沒有光學測微器，若用作普通自動安平水準儀使用時，測量精度低于電子測量的精度。 數字水準儀的編碼及讀數方法 雖然各廠家數字水準儀測量系統(tǒng)結構大體一致，基本測量原理也相似，但是各廠家在測量算法上有較大的差別。當前數字水準儀測量系統(tǒng)主要有三種原理上相差較大的測量算法，三種測量算法與其相應的編碼標尺的編碼法則相關聯。 徠卡公司的 NA2020/A3003 系列數字水準儀條碼標尺編碼采用了偽隨機碼，讀數 使用了相關法。為便于理解，先介紹一 下有關偽隨機碼和相關的知識。 在現代數字通信技術中，廣泛使用二進制數 (即 “0”和 “1”及其組合 )來表示各種信 息。這些表達不同信息的二進制數及其組合，便稱為碼，它是一組二進制的數碼序 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 22 列，又可以表達成以 0 和 1 為幅度的時間函數。一組碼序列 ul(t)，對某一時刻來說，碼元是 0 或 1 完全是隨機的，但其出現的概率均為 1/2。這種碼元幅度的取值，是完全無規(guī)律的碼序列，通常稱為隨機碼序列。隨機碼的特性是其自相關性好。將隨機碼序列 ul(t)平移 k個碼元，由此便得到一個新的隨機序列 ，設為 u2(t)。如果兩隨機序列 ul(t)和 u2(t)所對應的碼元中，相同的碼元數 (同為 0 或 1)為 Au，相異的碼元數為 Bu，則隨機序列 ul(t)的自相關系數 R(t)定義為 : ??uuuu BA BAR ???t （ ） 很明顯，當平移的碼元數 k=0 時，說明這是兩個結構相同的隨機碼序列，其相應的碼元均相互對齊，即 Bu=0，則自相關系數 R(t)=l；而當 k≠0時，說明這是兩個結構不同的隨機碼 序列。由于碼序列的隨機性，當序列中的碼元數充分大時，便有 Au≈Bu，則自相關系數 R(t)≈ 0。于是根據碼序列自相關系數的取值，我們便可以判斷兩個隨機碼序列的相應碼元是否已經相互對齊。 雖然隨機碼具有良好的自相關特性，但由于它是一種非周期性的序列，不服從任何編碼規(guī)則，所以實際上無法復制和利用。為了實際的應用，由一種稱為 “多極反饋移位寄存器 ”的裝置產生一種偽隨機碼，它的主要特點是，不僅具有類似隨機碼的良好自相關特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。它是周期性的，可以容易地復制。 徠卡公司的數字水準儀存儲器的個數與存 儲器能夠表達的狀態(tài) (條碼的總數 )M 之間存在下述關系 : Mr?2 （ ） 徠卡公司數字水準儀的條碼標尺選用的基本碼元為 毫米，各條碼的標稱長度為基碼寬度的整數倍，條碼結構 “黑 +白 ”，其中黑條碼和白條碼各有 15 種寬度，共可以組成 225 種類型的條碼。由式 ()得知 :r 的最小值為 11，這時有 2048 個基本碼元信息可以利用。 相關法讀數原理 徠卡數字水準儀的數值處理以相關原理為基礎，這就是事先將代表水準標尺偽隨機碼的圖像存儲在數字水準儀中，作為參考信號或基準信號；標尺條碼經過望遠鏡系統(tǒng)后成像在 CCD 探測器上形成測量信號，讀數時將兩信號進行比較，即按一定步距移動參考信號直至兩個信號獲得最大相關系數，由此獲得標尺讀數和視距，這就是相關過程，此方法稱為相關法。圖 表示了這種讀數方法的原理。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 23 圖 相關法讀數原理 由一于儀器到標尺的距離不同，條碼在探測器上成像的寬窄也將不同，即圖 中片段條碼的寬窄會變化，隨之電信 號的 “寬窄 ”也將改變。這將會引起相關的困難。NA 系列儀器采用二維相關法來解決這個問題，也就是根據精度要求以一定步距改變儀器內部參考信號的 “寬窄 ”，與探測器采集到的測量信號相比較，如果沒有相同的兩信號，則再改變，再進行一維相關，直到兩信號相同為止，可以確定讀數。參考信號的 “寬窄 ”與視距相對應， “寬窄 ”相同的兩信號相比較是求視線高的過程，因此二維相關中，一維是視距，另一維是視線高。 為了找到相關函數的最大值，必需在整個測量范圍內進行系統(tǒng)搜索，在參考信號同測量信號重合的位置上會出現明顯突出于其它相關系數的峰值，也 就是要在距離一高度格網的每一個交點上都進行相關系數計算，這個計算量是相當大的，使得讀數時間過長。為了縮短讀數時間 (二維相關時間 )， NA 系列儀器內部設計有調焦移動量傳感器，它用來采集調焦的移動量，由此可以反算出視距，初步可以確定物像比例，對儀器內部參考信號的 “寬窄 ”進行縮放，使其接近探測器采集到的測量信號的 “寬窄 ”，然后再進行二維相關。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 24 本章 介紹了沉降觀測用到的主要儀器 ——水準儀。通過對水準測量的原理與操作的介紹，進一步 分析了數字水準儀的工作原理、讀數方法及誤差來源；數字水準儀具有讀數客觀， 精度高，速度快，效率高，儀器重量輕，操作簡便，減輕作業(yè)員的勞動強度，易于實現測量內外一體化等優(yōu)點， 從而為沉降觀測提供有力的技術方法。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 25 第 4章 沉降 監(jiān)測數據處理及 沉降 分析 沉降 觀測的數據整理和分析 沉降 觀測的最終目的是保證建筑物安全運行提供可靠詳盡的 沉降 數據，因此，要使 沉降 觀測充當其施工、運營管理的耳目，起到指導安全使用和充分發(fā)揮其效益的作用。要達到 沉降 觀測的目的，我們就不能停留在野外觀測這個初始階段。我們還必須對觀測數據作進一步的內業(yè)工作，采用科學的方法對大量的零亂的數據進行整理， 削弱偶然誤差的影響，找出包括判斷形變是否發(fā)生在內的真正的形變信息。更進一步講，我們還應建立起形變與其它幾何、物理因素之間的關系，找出 沉降 產生的內在機制和發(fā)展的規(guī)律，以便采取適當的措施。 沉降 觀測的數據整理 通過野外觀測，我們獲得了有關 沉降 體形變信息的原始數據。但是，這些數據還難以直接反映出形變的本質。這是因為：一方面數據中存在著難以避免的偶然誤差或其它非固定系統(tǒng)誤差的影響，它們有可能掩蓋了真實的形變信息；另一方面， 沉降 觀測的數據量大，在未經整理前，顯得很零亂，這就使我們很難直接從這些數據 中發(fā)現沉降 的本質性規(guī)律。 觀測資料的整理、分析，主要包括以下具體內容： 觀測資料的整理。這一階段的主要工作是對現場觀測所取得的資料加以整理 將數據進行平差計算 、編制成圖表和說明，使它們成為便于使用的成果。 觀測資料的分析，亦稱 沉降 分析。這一階段是分析、歸納建筑物 沉降 過程、 沉降 規(guī)律、 沉降 幅度及分析 沉降 的原因，找出 沉降 值與引起 沉降 因素之間的關系，進而判斷建筑物工作情況是否正常。在積累了大量觀測數據后，又可以進一步找出建筑物沉降 的內在原因和規(guī)律，從而修正設計的理論和采用的經驗系數。 由此可知，所謂 沉降 分析就 是對野外觀測所得到的數據進行科學的整理、分析，找到真正的形變信息和形變規(guī)律的過程。 沉降 觀測的目的可以是實用的，也可以是科研的。 沉降 分析為實現這些目標起著重要的作用。 沉降 分析 沉降 分析的內容主要有幾何分析與物理解釋。 幾何分析：其目的是得到 沉降 體的幾何狀態(tài)及其變化。它要解決的主要問題是 :沉降 是否發(fā)生，如果發(fā)生的話，在幾何分析的基礎上，求出 沉降 的速度與加速度。幾何分析采用的方法一般是統(tǒng)計檢驗中的有關方法。同時，也通過繪制一定的 沉降 圖、黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 26 表來描述建筑物的運營狀態(tài)。 物理解釋：它的目的是在幾何分 析確認存在 沉降 的基礎上進一步確定 沉降 與各種物理因素的關系。例如大壩 沉降 與水位、溫度、地質情況等因素的關系。物理解釋采用的方法一般有作過程曲線圖、回歸分析和確定函數模型法。過程曲線圖一般是在同一張圖上同時繪制形變過程線和其它物理因素的變化過程線。回歸分析法則是以觀測數據為基礎，統(tǒng)計地建立形變與物理因素的關系，由于該法利用的是已經獲得的觀測數據，故具有后驗的性質，且要求觀測的數據不能太少。確定函數模型法則是以彈性理論為基礎，解析地建立形變與物理因素的關系，和回歸分析法相似，確定函數法也具有后驗的性質。 實際工作 中，上述內容及采用的各種方法都不應截然分開，而應有機地結合、互為補充。 作為研究建筑物 沉降 而布設的 沉降 觀測系統(tǒng)，一般為固定基點 —工作基點 —觀測點的形式。固定基點和工作基點一般被納入一個統(tǒng)一的 沉降 網 (有時又稱為監(jiān)測網 )內。由于 沉降 網的觀測周期、精度及觀測方法與測點觀測完全不同，所以二者的 沉降 分析一般也是分開進行的。 對于 沉降 網的 沉降 分析，其主要內容是尋找穩(wěn)定點和確定工作基點位移的大小。前者是為 沉降 分析提供可靠的基準，后者是為了給測點觀測的成果加以適當的改正。在 沉降 網的 沉降 分析中，一般要用到自由網平差和線性假設 檢驗的有關理論。當 沉降網內含有不同類觀測數據時，還要采用平差隨機模型驗后估計的有關方法。同時，為了提高 沉降 分析成果的可靠性，排除粗差及其它模型誤差對 沉降 分析成果的干擾，在網的設計和平差過程中，一般要利用誤差處理與可靠性的有關理論和優(yōu)化設計的有關方法。 對于測點觀測的 沉降 分析，其主要內容是 :繪制有關 沉降 過程圖表，描述 沉降 狀態(tài)以及尋找或確定 沉降 與其他因素的關系。 監(jiān)測網 沉降 分析方法 一般我們把固定基點和工作點納入同一個控制網之內，并要求網形具有一定的圖形強度以保證基點觀測的精度和可靠性。這種由固定基點和 工作基點構成的控制網通常稱為 沉降 網 (監(jiān)測網 )。 沉降 監(jiān)測網一般分為參考網 (又稱絕對網 )和相對網。相對網的所有點都在 沉降 體上，通過測量網點之間的相對移動來確定 沉降 體的幾何 沉降 狀態(tài)。參考網所有的點一般設在 沉降 體外，其目的是用于測量 沉降 體上觀測點的 “絕對 ”沉降 。參考網測量的目的是驗證參考網本身的穩(wěn)定性。參考網是一個基準網，只有在參考網本身穩(wěn)定的情況下，才能對 沉降 體進行 沉降 觀測和位移計算，因此在 沉降 分析中應首黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 27 先對參考網點的穩(wěn)定性進行分析。 在 沉降 觀測中， 沉降 體的位移是相對于參考點的。如果參考點是穩(wěn)定的，那么所求的位移 是真正的位移，利用所求位移及其精度可以進行 沉降 體的趨勢的估計?？梢钥闯?，參考點的穩(wěn)定性檢驗是至關重要的。可以用逐次定權迭代法鑒別不穩(wěn)定的參考點。 沉降物理解釋的方法 沉降 的幾何分析僅對 沉降 體的形狀和大小的變化作幾何描述，還不能對 沉降 的原因作出解釋。確定 沉降 體的 沉降 和 沉降 原因之間的關系，是 沉降 觀測物理解釋的任務。 沉降 體的 沉降 往往是由多方面的因素引起的。例如，高層建筑物的 沉降 可能是由建筑物本身的重量、日照、風荷載等作用產生的?；炷链髩蔚?沉降 是由水庫水壓的作用、壩體內溫度的變化、建筑材料的蠕變、基礎地 質的塑性 沉降 所造成的。 確定 沉降 體的 沉降 和 沉降 原因之間的關系有兩種基本方法 :統(tǒng)計分析法 (或回歸分析 )和確定函數模型法。 多元線性回歸 我們知道，描述自然界事物之間的關系大致有兩種 :一種是確定性關系，另一種是相關性關系。確定性關系說明變量之間存在一種顯示的制約，在己知自變量的情況下，即可求出因變量。例如圓的周長與直徑的關系。相關關系則只能說明變量之間存在著一種趨勢，例如身高與體重的關系?；貧w分析就是一種以統(tǒng)計理論為基礎來確定這種相關關系 (或者說使上述趨勢定量化 )的數學方法。 在進行回歸時 變量有自變量和因變量之分，且假定自變量為非隨機變量，因變量是正態(tài)變量，其方差是固定值。同時還要求不同的觀測數據都是獨立觀測得到的。 在 沉降 分析時，結合有關知識，我們往往知道 沉降 量與某些因素之間可能存在著一定的相關關系。如大壩在垂直于壩軸線方向上的位移與水位之間就存在相關關系。然而，我們不能僅停止在這種定性的結論上。還希望解決如下的問題 : 就分析的實際問題而言， 沉降 量到底與哪類因素相關、與哪些因素無關或關系不大，相關程度怎樣 ?解決了這個問題就可以從眾多的因素中找出主要的因素，以便有的放矢地采取措施。 沉降 量與各種相關的因素之間關系怎樣 ?或者說，根據實際問題找到 沉降 量與有關因素之間的定量化關系。有了這種關系，就可以對未來某種情況下的 沉降 量作出具有一定統(tǒng)計意義的預報，以便采取預防措施?；貧w分析法是通過分析觀測的 沉降 和外因之間的相關性，來建立 沉降 與荷載之間關系的數學模型。統(tǒng)計分析法利用過去的沉降 觀測數據，因此具有 “后驗 ”的性質?；貧w分析法目前用得比較廣泛，回歸分析方黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文 28 法有線性與非線性回歸之分，很多非線性回歸可以通過變量變換轉化成線性回歸。 在實際問題中，多元線性回歸模型只是我們對問題初步分析所得的一種假設，故在 求得多元線性回歸方程后，還需對其進行統(tǒng)計檢驗。檢驗分兩步，即回歸方程顯著性 (有效性 )檢驗與回歸系數 (因子 )顯著檢驗。通常包括回歸方程顯著性檢驗和回歸系數顯著檢驗。 非線性回歸 在 沉降 觀測的實踐中， 沉降 值與 沉降 因素之間的關系并非都是線性的，常常會出現非線性關系。解決這類非線性回歸問題，一般是通過變量的代換化為線性回歸問題 :即將自變量和因變量進行適當的變換，把非線性方程化為線性方程。進行非線性回歸分析的方法是 :先根據專業(yè)經驗或散點圖確定函數類型，即配上合適的曲線，再把它化為直線，使之變成直線回歸。 灰色系統(tǒng)理論 回歸分析法盡管是目前國內外廣泛采用的 沉降 物理解釋方法，但在實際應用中它存在如下不足： 由于多元回歸具有 “后驗 ”的性質，它需要累積一定量的 沉降 資料后才能對建筑物的 沉降 做出預報 。當建筑物發(fā)生以往未曾發(fā)生的情況時，多