试谈WXDAS系统在变形观测中的应用
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摘要：在自然现象中，变形属于普遍存在的现象。从建筑工程的角度出发，变形超出一定的范围，则可能引起质的变化甚至是灾害。变形观测作为变形灾害防治的关键技术，在工程上有着广泛的应用前景。笔者结合相关理论知识及实践，就变形观测的一个处理系统-----WX变形观测处理软件wxdas，以及其功能和关键技术进行浅述。
关键词：变形观测处理系统；平差；数据分析；报告
1、变形观测数据特点分析
变形观测数据的特点主要表现在四个方面：一是在时空分析上数据呈序列性；二是序列内相邻数据的变化很小；三是数据累积非常快；四是机验证模型所需的时间较长。在建筑物沉降观测数据试验中，它具有趋势变化和随机变化的特点。
2、变形观测处理系统存在的困难
一般来说，在实际应用中，变形观测处理系统所存在的主要困难有三个方面，一是数据和资料的管理复杂繁琐；二是变形观测的方法、流程及基准很难保持长期一致；三是变形本身的复杂性和物理几何分析的困难。变形观测过程会产生大量原始观测资料。一般一个工程的变形监测处理要求在一个统一基准上做，但在复杂的施工情况下，很难保证工作基准点和观测点长期稳固；在实际工作中，很难长时间保持变形观测实施方法和作业流程不变化。基准、观测方法及规范不统一会造成数据体系混乱，不能进行分析。不同基准之间相互转换过程复杂而且低效，会大大增加系统的冗余。变形分析作为学术界研究的一个热点，新的模型、方法和新的技术不断涌现。
3、 WXDAS系统功能设计及特点
“WX变形观测处理软件”（简称WXDAS），它将变形观测中的常规地面测量方法与计算机技术相结合，对光学水准仪、电子水准仪、经纬仪和全站仪数据特点进行分析，以建筑变形观测等测量工程为对象，实现从外业数据采集、质量检核、数据预处理、平差计算到最后成果报表输出和图形绘制的一体化及自动化作业流程。系统用VisualBaisc6.O（以下简称VB）编写。系统设计数据管理功能使用类数据库表的数据列表，计算和分析结果功能用图表形式表达。从工程实际情况和使用权限设置考虑将WXDAS系统划分为5个主要功能模块：数据传输、预处理、平差、分析、报告。
4、WXDAS系统关键技术
WXDAS系统的所表现功能，是在其背后的关键技术支撑下完成。下面分别阐述各个模块的技术细节，模块1数据转换功能的实现和数据结构的定义；模块2数据列表的设计；模块3秩亏自由网平差程序设计；模块4绘制回归分析曲线图；模块5报告格式的设置。
4.1数据转换
数据转换是WXDAS系统一项重要的功能。一方面不同电子测量仪器的数据记录文件格式差别非常大；另一方面各工程单位使用的记录手簿、观测记录程序没有统一的规范，数据记录格式也不相同。数据格式不统一造成管理和计算的混乱，为了规范数据管理和计算及分析数据需要，必须进行数据转换工作。
WXDAS系统分三个步骤实现数据转换：第一步，利用VB open语句的Input、Append、0utput功能，从数据文件中读、添加或重建一个新的数据文件。第二步，在模块区声明XIJ8heet为一个对象。第三步，定义XLsheet对象为一个电子表格，将各数据块依次填入各单元之中。
4.2数据结构
定义wxWDAS系统数据结构主要考虑三个问题。首先要保持数据序列完整和一致；其次要考虑数据累积问题；第三要为专家分析提供要求的数据和结果文件，为各种平差计算平台提供所需的观测数据和起算数据。
本文在分析converl.exe的源代码后，构建WXDAS系统数据结构模型，模型用XML schema定义。用schema定义数据结构条理清晰，容易理解，层次性非常明显，逻辑模型明确。WXDAS系统的数据结构定义使用全局复合型元素，便于重复使用提高数据结构效率。WXDAS系统数据结构模型描述了完整的变形测量形式。模型为树型结构，根目录下分三个模块：系统相关信息、项目描述、测量。
4.3数据列表
设计数据列表目的是简明清晰地表达变形观测数据、精度指标和计算结果。WXDAS系统数据列表格式设计成与外业观测手簿近似格式，符合测量员的操作习惯，另外也可以与仪器记录的数据一一对应，便于查找出错的数据并进行修改、编辑或删除。考虑到测量原始观测数据的特点和《规范》精神的实质，数据预处理模块里设计了插入自动序号功能，电子仪器导人数据与手工输入数据设计了不同的转换界面，并且设置数据修改权限和仪器读数只读属性。
4.4秩亏自由网平差程序
平差计算是WXDAs系统非常重要的功能。在算法筛选和程序设计上，经反复试验和对比。WxDAs系统选用Tme Basic（以下简称TB）编写平差程序，平差方法选用秩亏自由网平差法。
矩阵形式表述秩亏自由网平差算法，清晰简明，是科技论文普遍采用的表达方法。相对其它编程语言，TB在数值计算，尤其在矩阵运算方面有非常明显的优势，所以WXDAS系统使用TB编写秩亏自由网平差程序。
4.5回归分析曲线图
回归分析法是工程上广泛使用的变形分析方法。WXDAS系统可执行线性回归、多项式回归、对数回归、指数回归和乘方回归计算。WXDAS系统使用TB编写绘图程序。主程序调用3个模块：数据计算，绘图界限确定，绘图连线。TB矩阵运算函数计算回归曲线插值点坐标，矩阵绘图功能连线绘制沉降回归曲线。
4.6 报告
变形观测的最终成果是一份内容详实、清晰完整且结论明确的报告。《规范》规定报告应提交的内容、结构和格式，另外对编写报告内容的次序，图表绘制的位置、大小、标注，前人总结了很多宝贵的经验，尤其是一些获奖项目报告，倾注了许多人的心血，这些经验要继承下来，不断改进作为以后工作基准。
WXDAS系统使用TB格式打印函数编写数据报表输出子程序。TB按行打印数据，输出结果排列整齐看起来象一张表格。利用TB行输出的特点，这种特点可以让我们输出一份整齐的数据表格。WXDAS系统还用VB开发了报表生成工具，可以根据数据自动生成一份Excel的错行表格。
5、WXDAS系统性能分析
在WXDAS系统构架和设计时，应事先选择对应的检验和性能分析手段。数据传输、数据转换和预处理模块通过在日常工作流里频繁使用检测其可靠性；平差、数据分析模块通过复算经典算例、特殊数据和大型工程数据，比较分析结果；另外，还要自己进行实验。这里选择两个有代表性的实验：Topcon全站仪数据转换与平差和我市某大厦沉降观测。
Topon系列全站仪是工程单位广泛使用的测量仪器。数据转换实验目的是检验系统计算结果是否准确；数据表达是否完备；转换后数据文件存储效率。转换后数据表达准确，几种文件规模与原始数据处在同一数量级上。
鹏程大厦沉降观测实验主要验证WXDAs系统数据管理、分析能力。以及考察对不同导入数据方法测量员是否适应。鹏程大厦建筑沉降观测过程中，工作基准多次变更，原始数据遭破坏并恢复，数据处理人员调换。图1是鹏程大厦建筑沉降曲线。可以很清晰地看出建筑物正常的沉降，是循着：从缓慢--活跃--缓慢--稳定的过程。变形观测成果图与数据报表，可以得到令人信服的变形观测结论，这些成果应在最后的报告里提交。
6、结语
变形观测作为变形灾害防治的核心技术，在工程上有广泛的应用前景。变形长有其自身复杂程度，变形观测数据处理和分析有一定困难。在变形观测处理系统中进行数据处理，首先建立变形观测数据序列；第二步检查数据质量，包括精度、可靠性指标和数据序列完整性、一致性检查；第三步通过比较和排序在数学模型基础上找出影响变形观测数据质量和变形量的主要因素。变形数据处理的目的是进行变形分析，确定变形规律并预报变形趋势。