何 誠,鞏垠熙,馮仲科,劉柯珍,袁進軍

(1.北京林業(yè)大學測繪與 3S技術研究中心,北京 100083;2.中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

超站儀極坐標法的運用及其探討

何 誠1,鞏垠熙1,馮仲科1,劉柯珍2,袁進軍1

(1.北京林業(yè)大學測繪與 3S技術研究中心,北京 100083;2.中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

在顧及基坑工程的復雜性及施工過程中許多不可預見因素,以及極坐標法測量誤差和控制點點位誤差的綜合影響的基礎上,提出利用超站儀進行水平位移觀測的超站儀極坐標觀測法。根據不同的誤差來源,綜合主觀和客觀兩個方面選擇三類比較研究的方法,將超站儀極坐標法與傳統(tǒng)極坐標法進行系統(tǒng)、全面的對比分析,論證超站儀極坐標法的優(yōu)越性。本研究將超站儀極坐標法應用于平面位移監(jiān)測,該方法可提高平面位移監(jiān)測的精度,加快平面位移監(jiān)測的效率,同時使得平面位移監(jiān)測更加可靠。

超站儀;極坐標法;平面位移監(jiān)測;精度分析

邊坡和環(huán)境的變形監(jiān)測已成為基坑施工工程的一項不可或缺的主要內容,根據變形監(jiān)測可隨時調整設計施工方案,控制土體變形,做到動態(tài)設計和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供可靠保障,為施工工作的開展及時提供反饋信息,以確定和優(yōu)化下一步的施工參數(shù)[1]。因傳統(tǒng)極坐標觀測影響因數(shù)過多,所以嘗試把超站儀極坐標法應用于國內安全監(jiān)測領域的平面位移監(jiān)測方面。

一、極坐標法測量原理[2]

水平位移觀測方法有:視準線法、測小角法、前方交會法、極坐標法、方向線偏移法。極坐標法是其中最常見的一種方法,其原理如圖 1所示。在已知點 A安置儀器,后視另一已知點 B,通過測量角度∠BAP以及 A點至 P點的距離 D,計算得出 P點的坐標。設 A點坐標為 (XA,YA),A-B的方位角為αA-B,則 P點的坐標 (XP,YP)計算公式為

由全微分公式可得

方向水平位移中誤差計算公式為

式中,mD為測距中誤差 ;mβ為測角中誤差;αAB為 A到 B的方位角;ρ=206 265。

圖 1 極坐標法

二、方法比較

1.傳統(tǒng)極坐標法和超站儀極坐標法測定待定點的比較

(1)基準點布設

基準點具體定位時會根據現(xiàn)場實際情況,并協(xié)同甲方及監(jiān)理單位,埋設在既不影響施工又便于保護、施測的位置,同時為了消除測站的對中誤差,根據地形情況,基準點采用強制對中的觀測墩形式埋設。基坑邊的基準點采用深埋式強制對中的觀測墩埋設,詳見深埋式水準點的埋設;房頂?shù)幕鶞庶c的埋設先在選定的樓板頂面打孔,然后放置鋼筋骨架后澆筑觀測墩。運用 GPS衛(wèi)星接收機按一級平面控制網精度要求進行測設。采用 GPS進行常規(guī)靜態(tài)模式觀測,觀測時間均大于 90 min[3]。超站儀的衛(wèi)星定位數(shù)據、精密測角、精密測距數(shù)據一體化處理技術,可以克服一般全站儀必須要安置在穩(wěn)定位置點上的約束,即使測站本身位置可能發(fā)生變化,也可以通過超站儀本身自帶的導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)精密測定其當時的位置,從而消除測站本身位置不穩(wěn)定對全站儀自動測量結果帶來的影響。不需要任何控制點即可進行快速測量,并且其精度達到要求。

(2)水平位移監(jiān)測點埋設

監(jiān)測點是固定在擬測構筑物上的測量標志,埋設位置應保證施工期間和建筑物竣工后一段時期內能順利進行觀測,并能正確反映構筑物的沉降情況。監(jiān)測點通常采用直徑 16mm的鋼筋預制,一端刻有中心點,并按設計圖紙的位置埋設,周圍澆灌水泥砂漿固定?；鶞庶c及監(jiān)測點埋設好后,會同甲方、施工單位制定保護措施,明確施工單位的保護責任人,嚴防點位的碰動和破壞。超站儀極坐標法的監(jiān)測點位置埋設和通常的選點原則是一樣的,不同的是將直徑16mm帶螺紋的鋼筋上貼上微小反光片,以使超站儀的免棱鏡激光能打到上面,這樣可減少每次棱鏡安在鋼筋上因位移和角度所帶來的誤差。

(3)監(jiān)測點平面坐標檢測

采用經檢定合格的全站儀,按照《建筑變形測量規(guī)程》(JGJ/T8—97)中一級變形觀測的技術要求 (變形點的點位中誤差為 ±1mm)進行施測 ,具體步驟如下:在基準點設站,用極坐標法測量各水平位移觀測點坐標,由固定人員觀測;準確計算出各點的坐標,與第一次和上一次觀測的差值,即為該點的累計位移量和本次位移量。超站儀的 Smart Station在采用 ATR(自動目標照準)技術的同時,為了實現(xiàn)在 360°全周范圍內對測量目標進行快速自動搜索,采用了一項新的目標搜索技術,即 PS(power search)技術。直接運用超站儀免棱鏡技術測出每個監(jiān)測點的坐標,在超站儀中編寫軟件,記錄每次測量監(jiān)測點的坐標,并對其進行詳細的分析。將監(jiān)測數(shù)據與預測值相比較,以判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合預期要求,當累計差值超過預測值時發(fā)出警報,以規(guī)定自動報警功能,并可隨時調整設計施工方案,控制土體變形,做到動態(tài)設計和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供了可靠保障[4-5]。

2.傳統(tǒng)極坐標法精度影響因素

傳統(tǒng)極坐標法精度影響因素有以下四種:①天氣、氣壓、溫度、自然環(huán)境等非人為因素;②架站點與后視基準點的對中整平精度的影響:將棱鏡安裝到直徑 16 mm的預制鋼筋上時因與上次角度不完全相同而引起的誤差;③安裝到預制鋼筋上的棱鏡較大,測量時的瞄準點不完全是棱鏡的中心點;

④棱鏡常數(shù)引起的誤差。

三、實例分析

用超站儀測量技術進行平面位移監(jiān)測,精度一直是關注的焦點之一[6-7]。影響精度的因素除了與硬件有關之外,還與測點的量測精度、基準點的精度和分布、數(shù)據處理方法等密切相關。就超站儀極坐標法進行平面位移變形測量的數(shù)據處理方法而言,可歸納為兩大類:一是利用極坐標法原理在現(xiàn)場采集方位角和距離利用平差軟件進行計算;二是直接利用超站儀得出監(jiān)測點的平面坐標。用方法一進行平面位移監(jiān)測會遇到三方面的干擾因素,首先,觀測人員肉眼的自主性對角度產生的影響很大;其次,由于施工場地的遮擋通常比較嚴重,而不能及時提供監(jiān)測點的形變數(shù)據;最后,處理數(shù)據的過程煩瑣,無法及時得到監(jiān)測結果。而用方法二進行平面位移監(jiān)測,首先,測量過程中始終保持監(jiān)測點的視角清晰,采用自動搜索功能可以消除人為肉眼帶來誤差的影響;其次,通過編寫軟件,記錄每次測量監(jiān)測點的坐標,將監(jiān)測數(shù)據與預測值相比較,以判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合預期要求,并且當累計差值超過預測值時發(fā)出警報,實現(xiàn)了自動報警功能。

1.試驗概況

試驗區(qū)位于北京市亦莊經濟技術開發(fā)區(qū),基坑的平面監(jiān)測網為測邊網。網中 AP1—AP12號點為堤上工作基點,處于基坑四周的圈梁上,其余各點均為岸上基準點。由工程、水文地質資料分析可知,岸上基準點基本上是穩(wěn)定的。所以根據實際情況,以岸上 6個基準點作為擬穩(wěn)點,用擬穩(wěn)平差法對該監(jiān)測網進行平差計算并作擬穩(wěn)點點位的穩(wěn)定性檢驗。

具體觀測方法是:①采用 Topcon GTS602全站速測儀 (測角精度 ±1″,測距精度 ±(2mm+2×10-6D))按極坐標方法施測。觀測同時,量取測站附近溫度、氣壓,并置入全站儀對測量距離自動改正。②采用南方 (SOUTH)超站儀 NTS-82(測角精度 ±2″,測距精度 ±(2mm+2×10-6D))按超站儀極坐標法施測。選取離監(jiān)測點視角最好的位置架設超站儀,對監(jiān)測點直接進行坐標測量,程序將自動對采集的數(shù)據進行分析并與安全值進行比較。

2.影響精度的試驗

試驗由以下幾部分組成:距離對平面位移監(jiān)測產生的影響 (如表 1所示);不同觀測員對精度產生的影響 (如表 2所示)。

表 1 距離對平面位移監(jiān)測產生的影響 mm

實踐證明單臺全站儀用于平面位移監(jiān)測受距離的影響很大。試驗分析表明,一般觀測條件下,保證儀器精度的最佳觀測距離應保持在 100 m以內,特殊觀測條件下,可以此為參考值作相應調整,由于觀測條件復雜多變,調整的幅度有待進一步研究。

表 2 人眼對精度的影響 m

觀測值變化對各點位移的影響分析[8]。

假定觀測值權陣 P=E,并令 (ATA)-=Q,則

由式 (1)可知,每一個邊長變化值ΔLi對位移值分量ΔXs的影響。因此 , 各位移分量受ΔLi影響的差別來自Q陣元素 qsj,不同的 S有不同的 qsj。

四、結 論

1)極坐標法是平面點位測設的方法之一,在實際應用過程中,依據極坐標法的原理又派生出不同的方法和技巧,使超站儀極坐標法成為一種簡單易行、可以靈活應用的測設方法;將超站儀極坐標法與傳統(tǒng)極坐標法進行系統(tǒng)、全面的分析,在此基礎上編寫了極坐標法計算軟件,用于指導測量實際工作。將超站儀極坐標法用于平面位移測量,大大加快了工程進度。

2)變形測量是高精度測量,超站儀的無需控制點和自動搜索目標的功能,可以將儀器架設在與變形點視角最佳位置,以減少視覺誤差;超站儀的免棱鏡功能,可以將檢測點設為一個微小固定的反光點,這樣可以減少安置棱鏡時所帶來的人為誤差和角度誤差。

3)在超站儀中編寫軟件,記錄每次測量監(jiān)測點的坐標,并對其進行詳細的分析,將監(jiān)測數(shù)據與預測值相比較,以判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合預期要求,當累計差值超過預測值時發(fā)出警報,實現(xiàn)了自動報警功能,并可隨時調整設計施工方案,控制土體變形,做到動態(tài)設計和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供可靠保障。

[1]邱志輝.基坑坑壁頂水平位移監(jiān)測探討[J].山西建筑,2010,36(2):161.

[2]王志明.幾種水平位移監(jiān)測方法的分析和比較[J].上海建筑科技,2008(5):75-77.

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Application and Study of Super Total Station’s Polar Coordinates Measurements

HE Cheng,GONG Yinxi,FENG Zhongke,L IU Kezhen,YUAN Jinjun

0494-0911(2011)02-0026-03

TU196

B

2010-05-11

國家 863目標導向精密光電角距測量定位關鍵技術及低成本智能化儀器研制(2009AA12Z327)

何 誠 (1985—),男,安徽馬鞍山人,博士生,主要從事 3S研究工作。