为了解决高精度大坝变形监测存在的诸多问题，本书利用多通道数据融合技术，整合了北斗导航、5G通信等多种传感器监测手段，研发了一套功能齐全、流程清晰、自动化程度高的北斗／GNSS大坝自动化变形监测系统，实现了对大坝监测数据的全面处理、分析和管理，为大坝管理提供了可靠的技术依据和支持，提高了监测数据的精度和可靠性；针对沉降基准点垂向位移观测序列存在的非线性形变问题，本书构建了真实地球物理过程的趋势、周期项改正模型，提出了基于一阶自回归模型和维纳滤波的时变周年、半周年信号建模方法，解决了沉降基准点运动信号与噪声难以分离的问题；针对非线性形变等地球物理过程对沉降基准点站坐标及速度精确估计的不利影响，本书提高了沉降基准点站坐标及速度的确定精度。基于多源数据集的特征约束，本书建立了多尺度变形智能预测模型，实现沉降基准站坐标序列的精确预测，为建立科学的水库大坝预测与预警决策模型、加强系统管理及运营数据提供了科学有效的方法。本书研究成果的推广应用可为高精度大坝变形监测提供新的思路和途径，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。本书注重北斗／GNSS技术与水利工程的交叉结合，强调理论与实际应用的结合，是一本适合测绘工程、土木工程、水利工程、地质工程、采矿工程等专业大类或方向的研究人员、高等院校师生和企业工程技术人员的参考书。

目  录  

 

 

第1章  绪  论  / 1

  1.1  引言  / 1

  1.2  本书研究目的与意义  / 2

  1.3  本书研究内容  / 3

1.3.1  大坝北斗/GNSS完好性监测  / 3

1.3.2  北斗/GNSS自动化大坝变形监测系统  / 3

1.3.3  北斗/GNSS大坝监测站坐标时序精密建模  / 4

1.3.4  地球物理约束下大坝位移智能监测预警研究  / 5

第2章  北斗/GNSS大坝自动化变形监测系统  / 6

  2.1  洋河大坝监测项目背景和意义  / 6

2.1.1  洋河大坝监测项目背景概况  / 6

2.1.2  洋河大坝自动化监测的意义  / 8

  2.2  大坝地表位移监测  / 10

2.2.1  大坝地表位移监测原理   / 10

2.2.2  监测设备选型   / 10

2.2.3  位移监测数据通信  / 13

2.2.4  位移监测防雷设计  / 13

2.2.5  监测设备施工安装  / 16

2.2.6  北斗/GNSS数据调试  / 18

2.2.7  一体化气象监测站  / 18

2.2.8  地下水位监测  / 23

  2.3  大坝自动化监测系统总体设计  / 26

2.3.1  监测系统架构  / 26

2.3.2  系统实现的主要功能  / 27

2.3.3  监测内容  / 29

  2.4  水库大坝自动化监测系统传感器设计  / 30

2.4.1  监测点位  / 30

2.4.2  设备选型  / 33

2.4.3  接收机外观  / 33

2.4.4  施工安装  / 34

  2.5  通信、供电及防雷系统设计  / 35

2.5.1  通信类型介绍  / 35

2.5.2  供电系统  / 35

2.5.3  防雷系统  / 37

  2.6  自动化监测控制中心设计  / 39

2.6.1  控制中心介绍  / 39

2.6.2  设计原则  / 39

2.6.3  总体布局  / 39

2.6.4  软件系统设计  / 44

2.6.5  数据采集软件介绍  / 45

2.6.6  数据处理解析介绍  / 47

2.6.7  自动化监测预警系统平台介绍  / 47

2.6.8  洋河水库自动化变形监测数据分析  / 53

第3章  北斗/GNSS大坝监测站坐标时序精密建模  / 63

  3.1  北斗/GNSS大坝监测站坐标时序函数模型  / 63

  3.2  北斗/GNSS大坝监测站坐标时序随机模型  / 66

3.2.1  经典模型  / 66

3.2.2  分数阶自回归滑动平均噪声模型  / 69

3.2.3  高斯-马尔科夫模型  / 69

  3.3  北斗/GNSS大坝监测站坐标时序线性变化分析方法  / 70

3.3.1  时域分析方法  / 70

3.3.2  频谱分析  / 71

  3.4  北斗/GNSS大坝监测站坐标时序预测精密建模  / 71

3.4.1  顾及噪声影响的北斗/GNSS大坝监测站坐标时序建模  / 73

3.4.2  顾及地球物理因素的北斗/GNSS大坝监测站坐标时序建模  / 74

3.4.3  融合校正函数的机器学习算法优化  / 75

  3.5  等价条件闭合差最小范数分量估计新方法  / 76

3.5.1  等价条件平差模型  / 77

3.5.2  等价条件闭合差的最小范数分量估计  / 78

3.5.3  北斗/GNSS大坝监测站坐标时序建模  / 82

  3.6  北斗/GNSS坐标时序幕式震颤与慢滑移精确修正  / 89

3.6.1  北斗/GNSS坐标时序噪声模型估计  / 90

3.6.2  ETS对北斗/GNSS坐标时序噪声模型可靠性分析  / 92

3.6.3  间歇性震颤与滑移参数对噪声模型估计影响  / 96

第4章  地球物理约束下水库大坝位移智能监测技术  / 99

  4.1  当前水库大坝智能监测存在的问题  / 99

  4.2  顾及地球物理因素的水库大坝智能监测方法现状  / 99

  4.3  地球物理约束下水库大坝位移精密建模方法  / 101

4.3.1  vbICA-XGBoost方法建模  / 102

4.3.2  Prophet预测模型建模  / 106

4.3.3  VMD-XGBoost方法建模  / 112

4.3.4  MVMDLSTM大坝位移时序预测建模  / 115

  4.4  地球物理约束下水库大坝智能监测工程应用  / 120

4.4.1  单模型预测分析  / 120

4.4.2  MVMDLSTM预测精度分析  / 125

4.4.3  VMD组合模型结果分析  / 126

4.4.4  LSTM组合预测模型精度分析  / 130

参考文献  / 139