以MATLAB实现沉降监测数据程序化处理

　　摘要：程序化处理变形监测数据是测量单位的目标。基于MATLAB编制了沉降监测数据处理程序，通过某建筑物的监测数据试算，验证了该程序的正确性，并通过程序运行结果对该算例进行讨论，最后提出几点建议。
　　关键词：沉降监测，数据分析，自动处理
　　
　　1沉降监测数据处理的意义和方法
　　对建筑物安全性进行诊断意义重大，而变形监测是必须手段。对建筑物进行必要的变形监测不但可以发现该建筑的变形，而且通过变形分析，可以总结变形的规律，最终对建筑的安全性提供预报或预警。建设部制定了《建筑变形监测规范》[1]，为建筑的变形监测提供了具体标准，利于监测的有效实施。
　　工程建筑物变形监测的方法很多，数据处理的方法也很多[2]。沉降监测的总体技术路线是，通过周期性地采集变形点的高程求取建筑物的高程变化量，然后对该高程变化量进行分析，以期获得该楼沉降量的大小及其变化规律。
　　
　　2自动处理程序设计与实现
　　2.1程序设计思想与流程
　　数据处理的目的是获得监测点的沉降量，并判断该沉降量的大小是否位于建筑物变形许可范围内。在数据进行处理前必须进行数据质量检查，剔除粗差，并对粗差剔除后的剩余误差进行必要的检验。
　　数据质量检查之后，从三个方面对监测点数据进行处理和分析：一是高程观测数据，如果该数据走势平缓，则说明沉降量小甚至没有明显沉降；二是高差累计量，即以第一次观测数据为起算点，其后各次数据与第一次数据作差值计算，通过该差值可以发现高差变化趋势，如果不存在沉降，那么该差值应该在一个小范围的数值区域内随机跳动，否则判断为存在沉降或者上升；三是逐次高差，即相邻两次监测高程作差值计算(后次高程减去前次高程)，通过该差值可以发现高差突变，可以定位沉降发生时间。
　　对以上三个量值进行程序化处理后，综合判断是否存在明显沉降。按照以上思路，该程序的流程如图1。
　　2.2程序实现
　　借助MATLAB强大的数值计算和图形显示功能，按照流程定制模块，各模块功能用对应的函数实现。总体划分为以下六个模块：数据读取、数据质量检查(粗差探测、剔除，误差分布检验)、数据分析、误差推导与精度评定及结果显示。各程序模块的调用关系如图2，其中箭头方向表示执行顺序。
　　
　　图2函数调用关系
　　
　　
　　图1程序流程
　　
　　图3布点示意图(图中黑框意义参见下文)
　　3算例
　　3.1项目概况
　　对某住宅区的一栋7层居民楼进行了竖向位移监测，该楼建在市区小型山地之顶，地基为碎石土与砂土混合类型。将山顶整平后实施基坑工程(开挖、桩基、回填和夯实)，总体建筑面积约1000m2，以砖石混凝土为基本建筑材料，具有钢筋混凝土承力支柱结构，于主体竣工后开始进行垂直位移监测，监测频度为1次/月。共完成了13期数据采集，每期对同一个监测点测量三次。共布设了1、2、3、4、5、6号共六个监测点，这六个监测点都是固定布设在该楼的重力承载支柱上，另外在大楼南北两向分别布设工作基点BM1、BM2和BM3。工作基点和监测点的平面位置示意图见图3。数据采集按照文献[1]的规定完成。
　　3.2数据处理结果
　　在MATLAB环境下，调用函数Data_monitor.m，运行结果为：
　　result=[11111]zc_FitMAX=-0.095lc_FitMAX=-0.35
　　vertical=[-3.71-3.18-4.25-4.53-3.01-2.38]
　　vertical_speed=[-0.0095-0.0082-0.0109-0.0116-0.0077-0.0061]
　　w_MAX=0.9mmerror_MAX=0.24mm
　　并显示以下图形：
　　
　　图4数据处理结果显示1
　　
　　图5数据处理结果显示2
　　其中，result序列中5个元素全为1，说明观测数据中不存在粗差；zc_FitMAX表示逐次高差中一次线性拟合得到的最大斜率，为0.095，负号表示沉降；Lc_FitMAX表示累计高差线性拟合得到的最大斜率,为0.035，负号表示沉降；vertical表示6个监测点垂直方向的绝对变化量(单位mm)，负号表示沉降；vertical_speed表示各监测点的沉降速度(单位mm/天)；w_MAX表示监测时符合水准路线的闭合差最大值，为0.9mm；error_MAX表示各期符合水准测量的测站中误差最大值，为0.24mm。
　　
　　4结果讨论与建议
　　4.1关于算例
　　从程序运行结果知道，6个监测点绝对沉降量不相等，即存在微小的不均匀沉降，但其最大沉降速度为0.0116mm/d、介于规范规定的0.01~0.04mm/d，说明该建筑总体趋于稳定。放大图4观察，工作基点高程曲线(第一行图中底部竖点线与圈点线)走势严格水平，说明工作基点稳定；变形点高程曲线走势基本水平，但第10次监测前后发生微小沉降，结合第二行与第三行图发现最大沉降发生在4号监测点(4.49mm)，同时，沉降时间与实际加载情况相符(此时该楼基本装修完毕，荷载达到最大)。从数据处理结果判断，该楼稳定，建议坚持监测的同时可以适当延长监测间隔。
　　4.2关于程序
　　图形走势与数据相符，运算结果与手算结果吻合。对变化最大的逐次高差拟合得到的斜率为-0.095，该数值微小，在考虑观测误差情况下，可以认为逐次高差具有较强的随机性，围绕0轴上下波动；对变化最大的累计高差拟合得到的斜率为-0.35，说明累计高差数值上有微弱的增大趋势，证明该建筑由微小沉降；得到的水准测量测站中误差最大值为±0.24mm，该数值小于规范规定的垂直位移监测二等精度要求(站中误差),结果达到要求且可信。
　　
　　参考文献
　　[1]JGJ/T8-2007，建筑变形监测规范[S]，中国建筑工业出版社，北京，2008
　　[2]吴子安，工程建筑物变形观测数据处理[M]，测绘出版社，北京，1989

《以MATLAB实现沉降监测数据程序化处理》

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文章名称： 以MATLAB实现沉降监测数据程序化处理

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