background image

MODELS AND TERMINOLOGY FOR THE 

ANALYSIS OF GEODETIC MONITORING 

OBSERVATIONS

- Official Report of the Ad-Hoc Committee 

of FIG Working Group 6.1 -

Walter M. Welsch

Institute of Geodesy

Bundeswehr University 

Munich

 

Otto Heunecke

Geodetic Institute

University of Hanover

10

th

 FIG International Symposiu

On  Deformation Measurements 

Orange, March 19 through 22 2001

Commission 6

background image

Concern of Deformation 

Measurements

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

2

Engineering Surveying 
is
involved in all phases of 
the lifetime of a 
construction

With respect to this report 
only deformation 
measurements are of 
special interest

background image

3

c

o

n

s

tr

u

c

ti

v

e

a

tt

ri

b

u

te

s

s

u

rv

e

il

la

n

c

e

a

c

ti

v

it

y

 

c

o

n

c

e

p

ts

/

e

m

e

rg

e

n

c

y

 

c

o

n

c

e

p

t

Stability and operational

security of a construction

Stability and operational

security of a construction

c

o

-o

rd

in

a

ti

o

n

  

ir

re

g

u

la

ri

ti

e

s

 

?

qualitative, 
e.g. visual 
inspections

quantitati
ve
- direct
- non 
direct        
  

Meaning of 
deformation 
measurements in this 
interdisciplinary 
context ?

- 1 0

- 2 0

- 3 0

- 4 0

- 5 0

S e t z u n g   in   m m

Concern of Deformation 

Measurements

Security 

concept for 

construction

s

background image

History of FIG Com. 6, WG 6.1 Deformation 

Measurements

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

4

 1

st

 Symposium 

Krakow 

1975

• identification of unstable reference points in geodetic 
networks
 continuous measuring techniques were just at the 
beginning

• 2

nd 

Symposium 

Bonn 

1978

• 

1

st

 Ad-Hoc Committee with the tasks of comparing 

different approaches for the geometrical analysis

• 3

th

 Symposium 

Budapest  1982

• report of the 1

st 

Ad-Hoc Committee

 expansion of deformation analysis into the physical 
interpretation
 increasing importance of automated measuring 
techniques

 4

th

 Symposium 

Kattowice 1985

 5

th 

Symposium 

Frederiction 1988

background image

History of FIG Com. 6, WG 6.1 Deformation 

Measurements

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

5

 6

th

 Symposium 

Hanover  1992

• (partly) confusing terminology of technical terms

 2

nd 

 Ad-Hoc Committee was set to work

  (members: Milev / Pfeufer / Proszynski / Steinberg / 
Teskey / Welsch)

  7

th

 Symposium

Banff 

1993

• 1

st

 progress report of the Ad-Hoc Committee (prepared 

by Pfeufer)

• 8

th 

Symposium 

Hong Kong 

1996

• status report on the topic (prepared by Welsch)

• 9

th

 Symposium 

Olsztyn 

1999

• final report of the committee (prepared by Welsch / 
Heunecke)

 panel discussion and recommendations

• 10

th

 Symposium 

Orange 

2001

• official report includes recommendations and concludes 
the work!

background image

Geodetic Modeling of Deformation 

Processes

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

6

Real Object

Model of the 

Object

Geometr

Domain

The object is a 

continuum

The object is 

dissected by 

characteristic 

points

Time 

Domain

The object is 

(more or less) 

perma-nently in 

motion

The object is 

monitored in 

certain time 

intervals

background image

Conventional Deformation Analysis

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

7

The classical deformation analysis consists in a 
purely geometrical comparison of the state of a 
geodetic network

Main problem: identification of unstable

 

reference points by congruence analysis

background image

Conventional Deformation Analysis

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

8

 

 

.

Cov

,

H

,

E

1

2

0

2

0

0

:

P

Q

l

o

x

H

x

A

l

h

d

Q

d

dd

T

1

0

1

2

0

2

H

|

F

s

P

,

f

,

h

global test of congruence:

The classical deformation analysis consists in a 
purely geometrical comparison of the state of a 
geodetic network

Main problem: identification of unstable

 

reference points by congruence analysis

null-hypothesis:

mean gap:

background image

Kinemat

ic

 

Deform

ation 

Analysis

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

9

Position  x

Velocity  x

Acceleration 
 x

= Finding of suitable 

descriptions of point 

movements by time functions, 

especially by polynomial 

approaches

...

²

2

1

...

²

)

(

²

²

2

1

)

(

1

1

2

1

2

1

2

t

t

t

t

dt

d

t

t

dt

d

x

x

x

x

x

x

x



View from 

the GOCA 

web-side

System 

equation

X

,

 

Y

,

 H 

[m]

[mm/d]

[mm/d

2]

background image

Advanced Deformation Analysis

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

10

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System input:

 internal forces

 external forces

System input:

 internal forces

 external forces

Causal chain of a dynamic system

background image

Modeling

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

11

Theory

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System input:

 internal forces

 external forces

System input:

 internal forces

 external forces

background image

Measurement

s

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

12

Determination of deter-

ministic input quantities

Determination of deter-

ministic input quantities

     

 Determination of

 strain / stress

 displacements

 other indicators

     

 Determination of

 strain / stress

 displacements

 other indicators

Empirical 

results

Modeling

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System input:

 internal forces

 external forces

System input:

 internal forces

 external forces

background image

Evaluation 

methods

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

13

Deviation between 

computed and measured 

system reaction?

Deviation between 

computed and measured 

system reaction?

- parameter 
matching 

• adaptive

 probabilistic

Measurement

s

Determination of deter-

ministic input quantities

Determination of deter-

ministic input quantities

Modeling

     

 Determination of

 strain / stress

 displacements

 other indicators

     

 Determination of

 strain / stress

 displacements

 other indicators

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

System input:

 internal forces

 external forces

System input:

 internal forces

 external forces

background image

Interpretati

on

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

14

conclusion on limiting

  values of stresses
- prognosis of service 
life

 verification of 
results

 validation of 
model

- model adaptation

Evaluation 
methods

Deviation between 

computed and measured 

system reaction?

Deviation between 

computed and measured 

system reaction?

- parameter 
matching 

• adaptive

 probabilistic

Measurement

s

Determination of deter-

ministic input quantities

Determination of deter-

ministic input quantities

Modeling

System input:

 internal forces

 external forces

System input:

 internal forces

 external forces

     

 Determination of

 strain / stress

 displacements

 other indicators

     

 Determination of

 strain / stress

 displacements

 other indicators

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

Object:

 object geometry

 material parameters

 material behavior 

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

System  reaction:

 rigid body movements

 distortions

background image

Potentiality of Dynamic Models

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

15

u n k n o w n :

o u tp u t q u a n ti tie s

g iv e n :

in p u t q u a n titie s

tr a n s fe r  fu n c tio n

D i r e c t p r o b le m

u n k n o w n :

in p u t q u a n titie s

g iv e n :

tr a n s f e r  f u n c tio n

o u tp u t q u a n ti tie s

In v e r s e  p r o b le m

u n k n o w n :

tr a n s fe r  fu n c tio n

g iv e n :

in p u t q u a n titie s

o u tp u t q u a n titie s

Id e n tifi c a tio n  p r o b l e m

X

G iv e n  a n d  u n k n o w n  q u a n titie s  o f  d y n a m ic  s y s te m s

X

„design 

problem“

during the 

planning of a 

construction

„back analysis“

often used in 

geotechniques

“system 

identification”

 regular case

background image

Hierarchy of Models in Deformation 

Analysis

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

16

C o n g r u e n c e   M o d e l s

K i n e m a ti c   M o d e l s

D e s c r i p ti v e   M o d e l s

S ta ti c   M o d e l s

D y n a m i c   M o d e l s

C a u s e - R e p o n s e   M o d e l s

X

D e f o r m a t i o n  A n a l y s i s  M o d e l s

X

Deformati

on

 

Models

Congruen

ce

Models

Kinematic

Models

Static 

Models

Dynamic

Models

Time

no

modeling

movement

s as a 

function of 

time

no

modeling

movement

s as a 

function of 

time

Acting

Forces

no

modeling

no

 modeling

displaceme

nts

 as a 

function of 

loads

and 

loads

background image

Methods of System Identification

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

17

 
 

 White box modeling:

 Some basic considerations of the  

monitored 

system to be verified by measurements are 

demanded 

(„model approach“)

 Black box modeling:

 Knowledge about the transfer 

function is achieved only  by measurements

   

(„operational approach“)

background image

Causal Chain of a Dynamic System

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

18

Input signal:

Causative forces

Transmission 

through the object

Output signal:

Deformation

  

System equation

 determination of deter-
  ministic input quantities

 formulation of transfer
  behavior e.g. by FEM

     

Observation 

        equation

 determination of the geo-
   metrical reaction

     

KALMAN-Filter

 innovation

 system identification

Theoretical results

Empirical results

background image

Load Trials on a Shell Structure Made of Bricks

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

19

Project in cooperation with architectures at the 
University of Hanover, see Hesse et al. 2000

• prototype made of bricks was built in 1996 
 dimensions 10,0 x 2,0 m, height 2,50 m
 steel bands between abutments for clamped 
support

(Parametric identification, integrated 

evaluation)

steel bands

background image

Load Trials

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

20

service load 
1,0 kN/m

2

expected load for 
break down approx. 
1,9 kN/m

2

maximum load 
brought 
up: 4,0 kN/m

2

24 load 

steps

(March 24 1999)

semi lateral surface 
loading

FE grid

13

33

background image

Comparison 

of computed

and measured 

settlements 

of points 

No. 13 and 33

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

21

Standard deviations:

ANSYS   

 0,05 mm/step

Levelling   

 0,05 mm

Extensometer 

 0,01 mm

1
3

3
3

0,2 

mm

1,0 

mm

background image

Results 

of the adaptive 

KALMAN-filtering

process

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

22

1
3

levelling

extensomet

er

filtered

0,5 

mm

prediction

background image

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

23

1
3

3
3

0,5 

mm

0,5 

mm

Results 

of the adaptive 

KALMAN-filtering

process

background image

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

24

1
3

3
3

0,5 

mm

0,5 

mm

Global test of innovation,  

= 5%

Results 

of the adaptive 

KALMAN-filtering

process

No. 33

No. 13

square sum 

of residuals

background image

Ground Subsidence at the Sparwood Coal 

Fields

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

25

(Parametric identification, integrated 

evaluation)

• movements caused by coal extraction, up to 2.5 m  in 
1980 / 1982
 suspicious discontinuity in the rock mass (fault), FE 
modeling
 findings led to  the closing of the mining operation

Project in British Columbia, details see 

Chrzanowski et al.

faul
t

background image

 Non-Parametric Models 

I

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

26

)

(

N

)

(

R

 

 

  

+

  

 

  

  

0

 

=

1

=

y

x

y

b

x

a

x

k

k

k-j

j

p

j

k-i

i

q

i

k

A

uto

R

egressive 

M

oving 

A

verage-

model:

recursive 

part

non-

recursive 

part

y

b

dt

dy

b

dt

y

d

b

dt

y

d

b

x

a

dt

dx

a

dt

x

d

a

dt

x

d

a

p

p

p

p

p

p

q

q

q

q

q

q

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

...

...

ordinary       

differential 

equation

most general description of a 

 

S

ingle 

I

nput - 

S

ingle 

O

utput 

model:

 system identification means the estimation of 
a

k

 and b

k

 

 time series requested, no physical meaning

            

(‘behavior or black 

box model’)

background image

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

27

Non-Parametric Models II

y ( t )

y ( t )

g  (   )

t -

t

x ( t )

x ( t )

t

E

in

fu

ß

gr

öß

e

D

ef

or

m

at

io

n

zurückliegende Werte einer

Gewichtsfunktion für zeitlich

Einfußgröße

t

t

single input y

single output 
x

weight 
function

non-

recursive 

part

x

b y

y

k

j

k j

j

p

k

0

N ( )

0

)

(

)

(

)

(

d

t

y

g

t

x

SISO

 approach based 

on a convolution 

integral:

background image

Non-Parametric modeling of a turbine 

plant

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

28

1 ,6 0

1 ,2 0

0 ,8 0

0 ,4 0

0 ,0 0

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

tim e   [d a y s ]

d

e

fo

rm

a

tio

n

 [

m

m

]

(

Project at the Bundeswehr University Munich, see 

Ellmer 1987

 behavior of foundation pillars due to temperature 
variations
 SISO identification, estimation of 30 significant 
coefficients b

k

 diagnosis only symptom based, no physical 
interpretation

measure
d

modeled

reaction caused by  a unit impulse 

of 1 K

background image

Conclusion

Welsch, Heunecke: Models and 

Terminology

29

We should make use of these 

developments

!

 not all aspects of models and terminology are 

treated in this presentation, more details can be 

found in the paper
 orientation and classification on the basis of 

system theory is recommended, system 

identification is the tool for  advanced analysis
 separation between models and methods is 

important
 a commonly acknowledged terminology is a  

requirement for an interdisciplinary approach to 

problem solutions 
 finally, during the last two decades, a significant 

progress has been made from conventional 

geometric descriptions of deformation processes 

to highly sophisticated integrated models. 


Document Outline