谷 川 楊元偉

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092;2.上海市政工程檢測(cè)中心有限公司，上海 201114)

工程建設(shè)等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)變形監(jiān)測(cè)工作提出了更高的要求，逐漸形成了對(duì)自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。具有自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)功能全站儀的出現(xiàn)和發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化提供了機(jī)遇，基于自動(dòng)化全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)相繼開(kāi)展起來(lái)。

國(guó)外，瑞士Leica公司開(kāi)發(fā)出的自動(dòng)極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)—APS(Automatic Polar System)，為利用大地測(cè)量方法進(jìn)行自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)做出了開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。Leica公司推出的Geomos(Geodetic Monitoring System)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)相對(duì)比較完善。國(guó)內(nèi)也有一些高校、科研單位在積極研究和開(kāi)發(fā)基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。例如，國(guó)內(nèi)中南大學(xué)張學(xué)莊開(kāi)發(fā)研制的“SMDAMS亞毫米級(jí)精度大壩自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，Leica鄭州歐亞測(cè)量系統(tǒng)有限公司與解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的ADMS自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件，武漢大學(xué)張正祿開(kāi)發(fā)研制的測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GRT-DEMOS(Geo-robot Deformation Monitoring System)等［1］。

比較目前國(guó)內(nèi)外已有的基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn):國(guó)外的軟件已經(jīng)相對(duì)比較完善，但是存在的問(wèn)題是功能過(guò)于豐富，針對(duì)性不強(qiáng)，產(chǎn)權(quán)為國(guó)外壟斷，售價(jià)過(guò)高，超出一般企業(yè)的承受范圍，限制了基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用;國(guó)內(nèi)的軟件多針對(duì)某一工程或者某類(lèi)工程開(kāi)發(fā)，主要以大壩等的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)為主，功能比較單一，缺乏針對(duì)橋梁、隧道、基坑等類(lèi)型建筑工程項(xiàng)目的特色軟件。

因此，有必要根據(jù)建設(shè)工程行業(yè)的需求開(kāi)發(fā)一套能夠滿(mǎn)足行業(yè)需求、行業(yè)特色鮮明、基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)軟件。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由棱鏡組、自動(dòng)全站儀、控制電腦、軟件、通訊設(shè)備等組成。

棱鏡布設(shè)在能反映結(jié)構(gòu)體變形特征的特征點(diǎn)位置，并應(yīng)注意加以保護(hù)。全站儀設(shè)立在基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)上，要求點(diǎn)位相對(duì)穩(wěn)定，能輕松找尋目標(biāo)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)?？刂齐娔X放置在工作房?jī)?nèi)，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式與儀器連接，通過(guò)電腦內(nèi)安裝的軟件控制自動(dòng)全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理工作。對(duì)于工程中的特殊要求能夠進(jìn)行特殊考慮。

圖1 全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.2 軟件功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)軟件主界面主要由菜單操作區(qū)域、工程信息操作區(qū)域、觀測(cè)數(shù)據(jù)區(qū)域、日志信息區(qū)域、圖形區(qū)域幾部分組成［2］，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)軟件主界面

操作菜單主要實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的操作，以控制儀器完成各項(xiàng)觀測(cè)任務(wù)，軟件完成各項(xiàng)計(jì)算、分析、繪圖等任務(wù)。工程信息控制區(qū)域主要控制觀測(cè)數(shù)據(jù)區(qū)域和日志信息區(qū)域顯示的內(nèi)容。數(shù)據(jù)顯示區(qū)域主要顯示測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)信息。日志信息區(qū)域主要顯示測(cè)量過(guò)程中的行為和必要的中間計(jì)算結(jié)果，以便于在測(cè)量發(fā)生問(wèn)題時(shí)查找問(wèn)題和追溯原因。圖形顯示區(qū)域主要顯示測(cè)站、觀測(cè)點(diǎn)等的位置信息，可進(jìn)行三維顯示、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等。

2 差分功能算法研究

2.1 斜距差分改正模型

在極坐標(biāo)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，必須考慮大氣條件的變化對(duì)距離測(cè)量的影響。利用基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)量信息，可以在無(wú)需測(cè)量氣象元素，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)備配置的條件下，實(shí)時(shí)進(jìn)行距離的大氣折射率差分改正。

在自動(dòng)極坐標(biāo)的差分測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)站點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)均設(shè)置在穩(wěn)定的位置上，可以認(rèn)為它們之間的距離是穩(wěn)定不變的。設(shè)監(jiān)測(cè)站至某基準(zhǔn)點(diǎn)的已知斜距為，在變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，某一時(shí)刻實(shí)測(cè)的斜距為，兩者之間的差異可以認(rèn)為是由氣象條件變化引起的，按下式可求出氣象改正比例系數(shù)Δsi

為了保證距離氣象改正比例系數(shù)Δsi的可靠性與準(zhǔn)確性，實(shí)際中可以取多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)定的距離氣象改正比例系數(shù)Δsi的平均數(shù)，用于距離測(cè)量的差分氣象改正。

根據(jù)平均氣象改正系數(shù)Δs，分別應(yīng)用于每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，求出基準(zhǔn)點(diǎn)的真實(shí)斜距SJ－i

如果同一時(shí)刻測(cè)得的某變形點(diǎn)的斜距為S'P－i，那么經(jīng)氣象改正差分后的真實(shí)斜距為

2.2 三角高程差分模型

球氣差影響原理如圖3所示。

圖3 球氣差的影響示意

為了準(zhǔn)確測(cè)定變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在極坐標(biāo)的單向測(cè)量中，必須考慮球氣差對(duì)高程測(cè)量的影響。在變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的測(cè)量中，基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)之間的高差是可知的。如上述的距離測(cè)量一樣，如果某一時(shí)刻測(cè)得測(cè)站與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的三角高差h'J－i為

式中，α為垂直角，i為儀器高，l為目標(biāo)高。

將球氣差寫(xiě)在一起，即令

那么根據(jù)下式可求出球氣差改正系數(shù)c

式中，R為地球平均曲率半徑(取6 371 km)。

測(cè)站至基準(zhǔn)點(diǎn)的視線(xiàn)范圍最好能夠覆蓋所有變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可利用基準(zhǔn)點(diǎn)按式(7)求得球氣差改正數(shù)c，能較好地代表變形監(jiān)測(cè)區(qū)域的大氣模型。

在每周期變形點(diǎn)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于測(cè)量時(shí)間較短(約數(shù)分鐘)，可以認(rèn)為c值對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)與變形點(diǎn)的影響是相同的，故按照下式可求出變形點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)之間經(jīng)球氣差改正的三角高差ΔhP

2.3 方位角的差分改正

在長(zhǎng)期的變形監(jiān)測(cè)中，難以保證儀器的絕對(duì)穩(wěn)定。水平度盤(pán)0°00'00.0″方向的變化，對(duì)水平方位角的影響不可忽略［3］。在變形監(jiān)測(cè)中，所求的變形量是相對(duì)第一周期而言的，故可把基準(zhǔn)點(diǎn)第一次測(cè)量的水平方位角作為基準(zhǔn)方位角，其他周期對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量的方位角與基準(zhǔn)方位角相比，有一差異ΔHZ

這一差異主要是由于儀器不穩(wěn)定引起水平度盤(pán)0°00'00.0″方向的變化、大氣水平遮光等對(duì)方位角的影響而引起。此差異對(duì)變形點(diǎn)的測(cè)量有相同的影響，故在變形點(diǎn)每周期的方位角測(cè)量值H'ZP中，實(shí)時(shí)加入由同周期基準(zhǔn)點(diǎn)求得的ΔHZ改正值，可準(zhǔn)確求得變形點(diǎn)的方位角HZP

3 特殊問(wèn)題的考慮

3.1 視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)

視場(chǎng)中出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的問(wèn)題，各個(gè)測(cè)量?jī)x器生產(chǎn)廠(chǎng)家都給予了足夠的重視［4］。

Leica自動(dòng)化全站儀識(shí)別CCD視場(chǎng)中出現(xiàn)多個(gè)棱鏡的方法是縮小視場(chǎng)，但是如果縮小后的視場(chǎng)內(nèi)仍有2個(gè)以上的棱鏡，就不能再正常測(cè)量了。

Sokkia自動(dòng)化全站儀解決視場(chǎng)內(nèi)有多個(gè)棱鏡的識(shí)別方法為“就近法則”。即通過(guò)特別的數(shù)學(xué)計(jì)算規(guī)則，查看視場(chǎng)內(nèi)距離望遠(yuǎn)鏡十字絲中心最近的棱鏡是哪一個(gè)，全站儀就自動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸系照準(zhǔn)該棱鏡。

Trimble自動(dòng)全站儀則采用選擇目標(biāo)模式的方法:主動(dòng)目標(biāo)或被動(dòng)目標(biāo)。

比較和分析:

(1)徠卡小視場(chǎng)技術(shù)和索佳就近原則能夠解決一部分視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)棱鏡的情況，但是，不能從根本上解決問(wèn)題，該方法可認(rèn)為是軟件方法。

(2)天寶全站儀通過(guò)棱鏡編碼技術(shù)和棱鏡開(kāi)關(guān)技術(shù)可以從根本上解決該問(wèn)題，該方法可認(rèn)為是硬件方法，但是，其高昂的價(jià)格也是一般企業(yè)難以承受的。

一般而言，在設(shè)置測(cè)站時(shí)可盡量避免該情況的出現(xiàn)。實(shí)在不可避免時(shí)，可考慮采用硬件方法或軟件方法輔助克服。

3.2 棱鏡被遮擋的處理

棱鏡遮擋是自動(dòng)化測(cè)量過(guò)程中常發(fā)生的現(xiàn)象，在軟件中進(jìn)行了如下的處理:

第1次測(cè)量被遮擋，則跳過(guò)該點(diǎn)進(jìn)行下一點(diǎn)的測(cè)量，一輪測(cè)量完成后，對(duì)未能觀測(cè)到的點(diǎn)進(jìn)行新一輪搜索，如果新一輪搜索仍未找到，則彈出對(duì)話(huà)框由人工決定是繼續(xù)尋找或放棄測(cè)量該點(diǎn)，并且開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，缺省設(shè)置為放棄該點(diǎn)，倒計(jì)時(shí)時(shí)間為10 s。

3.3 測(cè)站不穩(wěn)定處理

很多情況下，例如橋梁、基坑等工程的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)中，由于布設(shè)了多個(gè)棱鏡，儀器架設(shè)在基坑或者橋梁中間附近的位置往往是最方便觀測(cè)的。但是，由于儀器架設(shè)在變形影響區(qū)域內(nèi)，很有可能會(huì)發(fā)生位移。而如果架設(shè)在變形影響范圍之外，則由于儀器的輻射角度變小，容易發(fā)生視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)棱鏡和目標(biāo)被遮擋的情況。因此，采用變形場(chǎng)外控制點(diǎn)將所有變形點(diǎn)控制在同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)是一個(gè)好的解決方法。

測(cè)站不穩(wěn)定時(shí)的處理，主要有以下幾種方法:

方法(1):通過(guò)后方交會(huì)或者測(cè)邊、邊角交會(huì)求得測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)，然后計(jì)算各觀測(cè)邊方位角并取方位角均值作為定向數(shù)據(jù)。

方法(2):直接測(cè)量2個(gè)或以上控制點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)和理論坐標(biāo)求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將測(cè)站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)后，修正測(cè)站以及定向數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。

方法(3):直接測(cè)量2個(gè)或以上基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)以及所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)和理論坐標(biāo)求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系下。

3種方法相比較而言，都可以解決測(cè)站不穩(wěn)定的問(wèn)題，第3種方法相對(duì)而言更加自由，程序?qū)崿F(xiàn)也更加方便。

針對(duì)該問(wèn)題的解決，還研究了多種三維和二維直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，參見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。

4 工程實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

4.1 工程概況和測(cè)點(diǎn)布置

浦東大道9號(hào)橋臨時(shí)便橋?yàn)?號(hào)橋原位改建時(shí)所建立的臨時(shí)交通通道，臨時(shí)便橋?yàn)橄鲁惺借旒軜颍?chē)行道便橋上部結(jié)構(gòu)為多跨連續(xù)方案。

圖4為縱向觀測(cè)斷面布置。

圖4 縱向觀測(cè)斷面布置

由于我單位只有10只可用的棱鏡，因此，僅在2、3、4、5、6、7、8、10、11、12 斷面單側(cè)布設(shè)了棱鏡，對(duì)應(yīng)在自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)軟件中的編號(hào)為P1～P10，見(jiàn)圖2。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

在該工程中，共計(jì)進(jìn)行了初始值觀測(cè)和邊跨加載、邊跨卸載、中跨加載、中跨卸載共計(jì)4個(gè)工況下的撓度測(cè)量。表1為4個(gè)工況下的10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的垂直位移人工觀測(cè)(采用同樣的設(shè)備和方法)和自動(dòng)化觀測(cè)的觀測(cè)結(jié)果比較。

表1 人工觀測(cè)和自動(dòng)化觀測(cè)結(jié)果比較mm

圖5為4個(gè)工況下的10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的垂直位移人工觀測(cè)和自動(dòng)化觀測(cè)的觀測(cè)結(jié)果比較，相對(duì)于表格，圖形的比較更加直觀。

圖5 人工觀測(cè)和自動(dòng)化觀測(cè)結(jié)果比較

4.3 應(yīng)用結(jié)果比較和分析

從表1和圖5的比較可以看出，4個(gè)工況下10個(gè)點(diǎn)垂直位移的人工和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，誤差基本都在1 mm以?xún)?nèi)，最大誤差為1.3 mm。

由此可以認(rèn)為，對(duì)于范圍不太大(不超過(guò)幾百米)，變形量為亞cm級(jí)別及更大的變形測(cè)量項(xiàng)目，可以采用自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)軟件控制自動(dòng)全站儀完成，可取得與人工測(cè)量基本一致的測(cè)量成果。自動(dòng)化變形測(cè)量在儀器、發(fā)射目標(biāo)(一般為棱鏡)布設(shè)完成后，其余工作由1人操作儀器即可完成。類(lèi)似工作如由人工操作，則至少需要3人(觀測(cè)、記錄、司鏡，夜間可能還另需照明人員)才可完成。每測(cè)量一個(gè)周期，人工測(cè)量手段約需要15～20 min左右的時(shí)間，而自動(dòng)化測(cè)量?jī)H需要10 min不到的時(shí)間即可完成。相比較而言，自動(dòng)化變形測(cè)量手段具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了當(dāng)前全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究背景，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了研究該系統(tǒng)的必要性。研究了自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，提出了極坐標(biāo)測(cè)量斜距、三角高程、方位角差分改正的必要性和方法，探討了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在的實(shí)際問(wèn)題和解決方法，主要有市場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)、目標(biāo)被遮擋以及測(cè)站不穩(wěn)定等問(wèn)題。

在一個(gè)鋼桁架連續(xù)梁橋承載力評(píng)估的工程實(shí)踐中應(yīng)用自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工手段同時(shí)進(jìn)行了測(cè)試和比較。結(jié)果表明，自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠取得和人工測(cè)試手段基本一致的數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是在投入的人力物力和工作效率上都有顯著優(yōu)勢(shì)，證明了自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢(shì)所在。

［1］張海玲．基于TCA2003全站儀的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制［D］．濟(jì)南:山東科技大學(xué)，2005

［2］谷 川．基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)研究報(bào)告［R］．上海:上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，2011

［3］谷 川，秦世偉．南京長(zhǎng)江四橋南錨碇深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)［J］．鐵道勘察，2010，36(2):1－4