应用DefDPS高效实现变形监测控制网稳定平差基准的筛选.pdf

http:/20233 大坝与安全0 引 言变形监测控制网伴随工程运行全生命周期，具有为工程变形监测提供基准和维持基准长期一致性的重要作用，涉及网形优化设计、长周期观测、数据处理和稳定性分析等，各环节既相互独立，又相互关联，密不可分。优化设计直接指导施测方案，稳定性分析是平差基准筛选的基础，平差基准与平差模型相互关联。另一方面，变形监测是一个周期性精密测量工作，数据量大而繁复，传统控制网数据处理过程与稳定性分析相互独立，缺乏有效协同机制，难以避免主观假设因素的影响，造成目前周期性复测控制网普遍存在参考基准和数据处理模型不统一的弊端，给后续资料分析和综合评价带来困难。精密变形监测网数据处理系统简称DefDPS，是中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司在信息化测绘背景下，充分考虑测量内外业一体化发展趋势，总结多年精密工程测量与变形监测工程实践，自主研制的一套覆盖精密变形监测全生命周期数据处理的一体化软件系统。该系统集成了网形优化设计、质量检验、各类型网平差和多模型协同点位稳定性综合分析等变形监测全过程数据处理功能要素，按照项目集成管理理念，围绕设计建网应用DefDPS高效实现变形监测控制网稳定平差基准的筛选陈 超1，张胜利2，汪 晨1（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京，100024；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西 宜春，330600）摘要：变形监测控制网具有提供监测基准和维护基准长期稳定的重要作用，但涉及大量平差数学模型和稳定性分析统计模型，已远超常规平差软件功能体系。精密变形监测网数据处理系统（DefDPS）集成了完备的控制网全生命周期数据处理功能要素，具有强大的任意基准多模型组合平差计算功能和多模型协同点位稳定性综合分析功能，建立的平差计算与稳定性分析协同机制可高效筛选出稳定平差基准，对变形监测控制网保障基准长期稳定具有实际作用，值得推广到类似工程测量控制网项目中。关键词：DefDPS；变形监测控制网；平差基准；稳定性分析Title:Using DefDPS to efficiently select the stable adjustment datum for deformation monitoring controlnetwork/by CHEN Chao,ZHANG Shengli and WANG Chen/PowerChina Beijing Engineering Co.,Ltd.Abstract:Deformation monitoring control network plays an important role in providing monitoring datum and maintaining long-term stability of the datum,but it involves a large number of adjustment mathematical models and stability analysis statistical models,which is far beyond the functional system ofconventional adjustment software.The DefDPS integrates complete functional elements of data processing through the whole life cycle of control network,and has the multi-model combined adjustment calculation function for any datum and the multi-model comprehensive analysis function for point stability.The established synergy mechanism between adjustment calculation and stability analysis can efficientlyselect the stable adjustment datum,which has a practical role in ensuring the long-term stability of datum for deformation monitoring control network.Thus,its worth popularizing to similar engineering survey control network projects.Key words:DefDPS;deformation monitoring control network;adjustment datum;stability analysis中图分类号：TV698.1文献标志码：B文章编号：1671-1092（2023）03-0031-06陈 超，等：应用DefDPS高效实现变形监测控制网稳定平差基准的筛选31Dam and Safety 20233http:/和运维复测各个阶段的实际需求，实现了对任意网形和规模的原始观测数据读取、观测质量及限差检验、电子手簿生成、多模型组合平差、多模型协同点位稳定性判定的全面支持，具有完整数据流图文报告报表一键输出等一体化功能，对精密变形监测工程流程化、标准化数据处理和管理具有较好的实用价值。DefDPS软件总体架构如图1所示，系统主界面如图2所示。项目管理网形优化设计数据处理与平差点位稳定性检验实用计算工具GNSS 基线向量网高程网平面网三维网椭球构造、投影类坐标转换类观测值改算类概率计算类精密变形监测网数据处理系统（Def DPS）图 1 DefDPS 总体架构Fig.1 Overall architecture of DefDPS精密变形监测网数据处理系统（DefDPS）By CHEN Chao:Using DefDPS to efficiently select the stable adjustment datum图1 DefDPS总体架构Fig.1 Overall architecture of DefDPS图2 DefDPS主界面Fig.2 Main interface of DefDPS1 变形监测控制网数据处理1.1 平差基准设计在变形监测控制网平差数据处理过程中，平差基准设计不仅要满足未知参数的求解，更重要的是需提供持续稳定的参考基准，不随测点的位移变形而发生改变，保证变形监测多期复测所得变形量相对于首期是一种“绝对”或近似“绝对”的变形1。因此，变形监测控制网平差首先要解决的问题就是如何合理设计平差基准，以及与其相适应的平差计算方法。众所周知，平差基准由起算数据给出，如位置、尺度和方位基准等，当认为网中只有必要（而不是多余）起算数据时，采用固定基准（如“一点一方向”基准），进行经典自由网平差计算；当认为网中所有点均具有相同或相似变形特征时，采用全网重心基准，进行秩亏自由网平差计算；当认为网中只有部分网点具有较强稳定性时，采用该类网点的重心组成拟稳重心基准，进行自由网拟稳平差计算。对于建造在河流峡谷、水库环库山体上的变形监测控制网，其网点稳定性受地形地质、水位长期频繁升降变幅的影响较大，每个网点的变形情况均有不同。因此，要找出网中相对稳定的点构成某种平差基准，需通过反复的基准设计和稳定性分析。因此，合理选择接近实际情况的平差基准是变形监测网建立的关键2-3。1.2 平差计算为避免已知点空间位置误差导致平差网形的扭曲，变形监测控制网一般采用自由网的平差计算方法。从理论角度，自由网拟稳平差可作为自由网平差的一般理论，经典自由网平差和秩亏自由网平差都是其特例4。从数学角度，对秩亏方程施加若干约束条件，即提供平差基准，就可求出一组特定的解5。从这一基本观点出发，可构建变形监测网不同平差基准的统一平差模型附加带权基准方程的变形监测网平差模型：32http:/20233 大坝与安全Vn1=Bnuxu1-ln1GTduPxuuxu1=0（1）式中：V为观测值残差；B为系数阵；x为未知参数改正数；l为误差方程常数项；n为观测值个数；u为未知参数个数；d为秩亏数（在自由网平差中，基准方程个数等于秩亏数d）；G为基准权的附加矩阵，满足Rank()G=d，BG=0，文献13列出了常用的各类网形G阵；Px为基准权阵，Px的不同取值代表了不同平差基准定义。当Px=10 01时，为秩亏自由网平差结果，平差基准为全网重心基准；当Px=0u1u100Iu2u2且u2d时，为经典自由网平差结果，平差基准为固定基准；当Px=0u1u100Iu2u2且u2d时，为自由网拟稳平差结果，平差基准为网中u2个拟稳点的重心基准，即网中有相对稳定点u2个、不稳定点u1个，u2满足uu2d，且uu1u2。1.3 稳定性分析点位稳定性分析多采用数据统计方法，主要有极限中误差法、变形误差椭圆法、t检验法及综合分析法。1.3.1 极限中误差法极限中误差法基本思想是假定控制网中各个点都是等概率变形点，利用自由网平差方法求得各点坐标和点位中误差，根据两期网点坐标之差可得各 点 坐 标 差(dxij,dyij)及 其 中 误 差()xi,yi(mxi2+mxj2,myi2+myj2)，如果点位坐标差大于其中误差2倍或3倍（极限误差，一般取2倍），则认为该点不稳定，反之则认为该点稳定。1.3.2 变形误差椭圆法变形误差椭圆描述了同一点两期坐标差在各个方向上的误差分布规律。对于任意网点，在两期平差后，可计算网点位移矢量(x,y)及变形误差椭圆，根据该点位移矢量是否落入极限误差椭圆内，判断网点位移是否显著5。椭圆相关元素如下：1=12()Qxx+Qyy+K2=12()Qxx+Qyy-KK=()Qxx-Qyy2+4Q2xytan2=2QxyQxx-QyyE=01F=02（2）式中：Q为协方差阵；0为总体单位权中误差；1、2为协方差阵Q的特征值。取椭圆长、短半径2E、2F和主轴方向作极限变形误差椭圆，并在相同比例下展绘位移矢量。若点的位移矢量落入极限椭圆内，则认为该点稳定，反之则认为该点不稳定，即位移显著。1.3.3t检验法两期点位坐标差并不一定反映位移变形，也可能是随机误差引起的，可进行显著性检验判定点位变形情况4,6-7。根据数理统计理论，坐标差异量（dx，dy）是正态变量，且服从正态分布N（j-i，20（Qii+Qjj）。一般情况下，两期网形观测精度是一致的，即各期单位权方差均来自同一母体总体单位权中误差。按照t分布的变量定义，构造统计量：t=N(0,1)2(f)f=dx-(j-i)0Qii+Qjjfi 20i+fj 20j20(fi+fj)=dx-(j-i)0Qii+Qjj（3）式中：为点位坐标期望值；f为自由度，即多余观测量；2（f）为总体单位权方差。需先采用F检验法4,6对两期网形观测精度的一致性进行检验。构造统计量F=2i2j（较大者作为分子，假设2j2i），一般选定显著水平=0.05，查F分布表。若FF()fi,fj，则认为两期精度一致，反之则认为两期精度不一致，不能采用t检验法。由式（3）可知，t检验法实际上是检验两期坐标期望值是否相等，即j-i是否为0。包括原假设H0：x=j-i=0；备选假设H1：x0。若H0成立，则点位坐标差异量中仅包含偶然误差。陈 超，等：应用DefDPS高效实现变形监测控制网稳定平差基准的筛选33Dam and Safety 20233http:/t=dx 0Qii+Qjj（4）一般选定显著水平=0.05，查 t 分布表得t 2，并根据式（4）计算某点t值，若|t t 2，则认为位移不显著，反之则认为位移显著。1.3.4 综合分析法极限中误差法是一种简单经验法，缺少统计学理论基础；变形误差椭圆法较直观，将两期观测的位移向量视为误差，但由于不稳定点的位移场具有倾向性，观测误差向量的随机性被相对减弱；t检验法适合变形监测网中有一个变形点的情况。因此，上述方法都有其适用范围，在实际工作中，一般会结合点位所处地形地貌和网点状况，并考虑山坡网点位移场的倾向性特点，进行多模型协同点位稳定性综合分析8，以消除模型判定结果不一致、观测误差导致位移判定与实际不相符的情况。1.4 DefDPS稳定平差基准的筛选变形监测控制网稳定基准的筛选需先进行平差计算，而平差模型又与平差基准设计相关。分析计算之初，并不了解网点变形情况，不可能马上正确筛选出与实际情况相符的稳定平差基准，只有通过反复的平差基准设计、平差计算和稳定性分析，才能逐渐实现。考虑到上述基准筛选的困难和特点，DefDPS设计了一种平差基准设计、平差计算和稳定性分析相结合的循环筛选方案，以尽可能选出符合实际情况的稳定或相对稳定网点。DefDPS稳定平差基准循环筛选方案流程见图3。2 实例分析江西洪屏抽水蓄能电站上水库平面监测控制网由7个点（TN01TN07）构成，环上水库库周布置于沿岸山体，如图 4 所示。按照 NB/T 350292014 水电工程测量规范9，专用二级控制网精度由TM30全站仪每年施测1次，历年观测网形保持不变。现取该电站2016年首期与2019年、2021年三期网形数据进行点位稳定性分析，平差时按照先验方向中误差0.5、测距中误差1.0 mm+1.0 ppm定权。由于网点TN04在2018年被破坏，因此采用除TN04外的全部点位重心基准进行拟稳平差计算，多模型协同点位稳定性综合分析判定结果见表1，图3 DefDPS稳定平差基准循环筛选流程Fig.3 DefDPS cyclic screening process for stable adjustmentdatum稳定平差基准循环筛选过程见表2。由表1可知，网点TN03多年来坐标差异量小，在多种稳定性分析模型中均被判定为稳定。网点TN01、TN02、TN05、TN06 在纯数理统计分析模型中，稳定性判定结果不一致，且个别网点坐标变化方向与点位地形理论位移方向不一致，甚至成反向（如TN02），这是由于纯数学统计模型未考虑网点的较大位移变形而导致平差坐标配赋失真，单一、纯数学模型检验极有可能导致判定结果的不合理。而DefDPS软件的多模型协同点位稳定性综合分析法有效规避了纯数学模型检验的偏差，并结合点位实际情况，找出了位移场具有倾向性特点的不稳定网点TN01和TN07。由表12可知，网点TN02和TN05若只采用单一的变形误差椭圆法进行位移显著性检验，而不结合网点实际位移场特点，极有可能被判定为不稳定。而DefDPS软件结合平差基准设计、平差计算是观测值预处理两期网形分别作自由网秩亏或拟稳平差平差模型正确检验（后验方差检验）两期网形精度一致性检验t 检验法变形误差椭圆法结合点位实际位移场具有倾向性特点的多模型协同点位稳定性综合分析相对稳定点的筛选以相对稳定点组构建拟稳基准进行自由网拟稳平差相对稳定点筛选结束网点变形是否符合实际位移场？否极限中误差法确定最终平差基准多模型协同点位稳定性综合分析By CHEN Chao:Using DefDPS to efficiently select the stable adjustment datum34http:/20233 大坝与安全表1 不同年份与2016年多模型协同点位稳定性对比分析结果Table 1 Results of multi-model comparative analysis of point stability between 2016 and the other years点名TN01TN02TN03TN04TN05TN06TN07年份/年20192021201920212019202120192021201920212019202120192021坐标差异量X/mm-2.98-2.940.900.78-0.04-0.031 745.291 745.370.750.87-1.73-1.623.083.13Y/mm0.190.202.662.650.480.36-237.60-237.69-2.08-2.14-0.78-0.87-0.47-0.59合差异量/mm2.992.952.812.760.480.361 761.391 761.482.212.311.901.843.123.19合差异量方向17617671739494352352289292204208351349实际地形可能位移方向范围100226247337213330点位破坏，原址附近重建4619430117055、297360极限中误差法显著显著显著显著显著显著显著显著变形误差椭圆法显著显著显著显著显著显著显著显著显著显著显著t检验法显著显著显著显著显著显著显著显著显著是否符合实际情况是是否否是是否否否否是是位移显著可信度可信可信不可信不可信可信可信不可信不可信不可信不可信可信可信次序第1次第2次第3次拟稳平差基准TN01、TN02、TN03、TN05、TN06、TN07TN02、TN03、TN05、TN06TN02、TN03、TN05、TN06位移显著点TN01、TN04、TN07TN01、TN04、TN07TN01、TN04、TN07备注剔除TN04作拟稳平差剔除TN01、TN04、TN07作拟稳平差剔除TN01、TN04、TN07作拟稳平差表2 稳定平差基准循环筛选过程Table 2 Cyclic screening process for stable adjustment datum和稳定性分析的循环筛选方案，可有效克服各观测向量在平差过程中的相关性引起的位移向量转移问题，获得具有基准稳定性和一致性的稳定网点。图4 洪屏电站上水库变形监测控制网Fig.4 Deformation monitoring control network of upper reservoir of Hongping power station3 结 语变形监测控制网数据处理是一个具有严密处理流程的逻辑系统，通过上述分析例证，得出以下结论：（1）稳定性分析数理统计法是一种纯数学模型，未考虑点位实际情况，可能会得到与实际不相符的结果。本研究提出考虑山坡网点位移场倾向性特点的多模型协同点位稳定性综合分析法，可弥补数理统计法判定结果不一致的不足，有效消除观测误差的影响，获得与实际情况相符的稳定性判定结果。（2）洪屏抽水蓄能电站基准网点TN01和TN07陈 超，等：应用DefDPS高效实现变形监测控制网稳定平差基准的筛选35Dam and Safety 20233http:/有3.0 mm以上的朝向山坡下临空面的位移变形，网点TN02、TN03、TN05和TN06多年来具有较强的稳定性，可作为后期变形监测控制网平差基准，以保持历年控制网平差基准的稳定，维持监测基准的一致性。（3）DefDPS结合平差基准设计、平差计算和稳定性分析的稳定基准循环筛选方案，建立了平差计算与稳定性分析的协同机制，可高效筛选出稳定平差基准，对维持监测基准稳定和长期一致具有实际作用，值得推广到类似工程测量控制网项目中。参考文献：1 黄声享,尹晖,蒋征.变形监测数据处理M.武汉:武汉大学出版社,2010.2 陈俊勇.建设我国现代大地测量基准的思考J.武汉大学学报信息科学版,2003,28（特刊）:1-6.3 黄立人.GPS观测结果分析的参考框架及其合理性J.测绘学报,2001,30(1):16-20.4 陶本藻.自由网平差与变形分析M.武汉:武汉测绘科技大学出版社,2000.5 黄立人.带权基准方程平差及转换J.地壳形变与地震,1986,6(3):199-208.6 刘定威.变形监测网点稳定性分析方法研究D.成都:西南交通大学,2016.7 葛文,何文峰,王英林,等.大坝平面变形控制网观测及稳定性分析J.城市勘测,2018(2):123-127.8 陈超,尚金光.抽水蓄能电站运行期平面控制网复测及稳定性分析J.大坝与安全,2020(1):17-21.9 NB/T 350292014,水电工程测量规范S.北京:中国电力出版社,2014.10 李鹏岳,巴仁基,倪化勇,等.库水位升降速率对雅安双家坪堆积体滑坡稳定性影响模拟分析J.地质力学学报,2017,23(2):288-295.11 邓成进,王孔伟,袁秋霜,等.库水长期升降作用下库岸边坡稳定性研究J.长江科学院院报,2015,32(4):96-100.12 吴杰,余腾,潘庆林.工程控制网的稳定性研究J.测绘科学,2011,36(5):31-33.13 马下平,张勇.自由网基准转换的概括模型研究J.测绘科学,2013,38(6):13-15.收稿日期：2022-11-01；修回日期：2023-02-04作者简介：陈 超（1986），男，四川都江堰人，高级工程师，注册测绘师，主要从事水电水利工程精密测量与变形监测工作。作者邮箱：长江流域控制性水库群完成年度消落任务据水利部长江水利委员会 截至2023年6月10日，长江流域纳入联合调度的控制性水库，共腾出正常蓄水位以下约870亿m3库容，可用于调蓄洪水，较设计防洪库容多165亿m3，总体完成年度消落任务。去年11月今年5月，长江流域来水持续偏枯，电站发电和中下游供水、航运需水较大，长江委统筹多方需求，调度长江上游控制性水库群有序消落，累计补水约386亿m3，平均增加中下游流量约2 200 m3/s，抬高中下游水位0.52.5 m，有效保障了流域供水、航运、生态、发电等用水安全。结合水库消落，长江委调度三峡、白鹤滩、溪洛渡、丹江口等水库开展了12次生态调度试验，取得良好效果。三峡水库自5月初逐步加大下泄流量至1万m3/s以上，并在5月底结合生态调度逐步加大至1.8万m3/s，抬高沙市站水位超过5.5 m。6月初，断流超过9个月的荆南三口虎渡河、藕池河东支恢复通流，解决了荆江河段、荆南三口地区水稻插秧用水难问题。长江委有关负责人介绍，综合考虑今年主汛期旱重于涝的趋势预测，以及水库群可调蓄洪水库容大、中下游干流及两湖水位偏低等情况，为应对可能发生的旱情和支持电网迎峰度夏，三峡、向家坝、金沙江中游梯级等水库适度留存了超过30亿m3水量，提前做好水资源储备。By CHEN Chao:Using DefDPS to efficiently select the stable adjustment datum36