白利鋒,唐利民
(1.長沙理工大學(xué) 橋梁工程湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙410004;2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長沙410004)
伴隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快,對大型建筑物實(shí)施變形監(jiān)測日顯重要。測量儀器不斷的改進(jìn),特別是測量機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用,是局部工程變形監(jiān)測技術(shù)的一大進(jìn)展[1],它實(shí)現(xiàn)了建筑物的全天候無人值守自動跟蹤測量[2]。近年來,測量機(jī)器人越來越多的應(yīng)用于大型工程的變形監(jiān)測[3-8],但該方法對儀器周圍環(huán)境要求很高。在一些工程場地,由于條件限制,無法專門為儀器建造監(jiān)測站房,只能采取撐傘保護(hù)措施,氣象條件的變化對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響尤為嚴(yán)重[9],這種影響不僅僅體現(xiàn)在測距上,而且還體現(xiàn)在角度測值上[10]。若不引起重視,則有可能誤將儀器測量誤差判斷為變形,得出錯誤的結(jié)論 因而研究測量機(jī)器人觀測的誤差影響及改正十分必要。本文主要對全天候監(jiān)測過程中,測量機(jī)器人初始定向方位的偏差及其影響因素、變化規(guī)律進(jìn)行研究和探討,以期為測量機(jī)器人在工程中的應(yīng)用提供借鑒。
工程測量中,多采用的是獨(dú)立的空間直角坐標(biāo)系(見圖1)。測量機(jī)器人在實(shí)施監(jiān)測時,采用的是空間極坐標(biāo)測量系統(tǒng)(見圖2)。這就涉及到空間極坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的確定。通過對儀器進(jìn)行精確整平,并利用對后視點(diǎn)的初始定向,可以初步確定儀器極坐標(biāo)系與工程中使用的空間直角坐標(biāo)系的關(guān)系,進(jìn)而可將極坐標(biāo)測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需的空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。但是,在測量機(jī)器人進(jìn)行全天候連續(xù)監(jiān)測中,這種轉(zhuǎn)換關(guān)系并不是一成不變的,儀器的不穩(wěn)定性偏移可引起初始定向方位的偏移,大氣折光的變化[11]也會使初始定向方位產(chǎn)生相對變化,從而使儀器內(nèi)部的極坐標(biāo)系統(tǒng)處于動態(tài)變化中,其與所需空間直角系的轉(zhuǎn)換關(guān)系也發(fā)生動態(tài)變化。變形監(jiān)測中,儀器一般是固連在強(qiáng)制對中觀測墩上的,其極坐標(biāo)原點(diǎn)O′的偏心誤差很小 基本可以忽略 極坐標(biāo)系的動態(tài)變化主要是極坐標(biāo)軸的偏移,可以理解為極坐標(biāo)縱軸O′Z′繞極坐標(biāo)原點(diǎn)O′的旋轉(zhuǎn)和極坐標(biāo)平面X′O′Y′繞極坐標(biāo)縱軸O′Z′的旋轉(zhuǎn),即體現(xiàn)在角度的測值上。豎直方向上為天頂距θ測值的偏差,轉(zhuǎn)換后主要影響高程的測值;水平方向上為方位角φ測值的偏差,轉(zhuǎn)換后影響平面坐標(biāo)的測值。
圖1 空間直角坐標(biāo)系
圖2 空間極坐標(biāo)系
對于極坐標(biāo)縱軸O′Z′的微小偏移,其對不同水平方向的垂直角測值影響是不同的,因而確定起來存在一定的難度,但它對水平角的測值影響較小,有時也可以忽略不計(jì);而對于極坐標(biāo)平面X′O′Y′,其偏移主要是圍繞極坐標(biāo)縱軸O′Z′的旋轉(zhuǎn),且對不同水平方向方位角測值產(chǎn)生的影響是基本一致的。本文主要研究和探討由于儀器極坐標(biāo)平面旋轉(zhuǎn)引起的初始定向方位與實(shí)際情況不一致的偏差,并將這種偏差稱為定向偏差。
如圖3所示,在空曠場地上建立兩個強(qiáng)制對中觀測墩A,B作為基準(zhǔn)點(diǎn)(距離為665.36 m),在A上設(shè)置測量機(jī)器人(撐傘保護(hù),避免太陽光直接照射),在B上安置反射棱鏡。以B為后視點(diǎn)進(jìn)行初始定向,在另一處穩(wěn)定地面上C點(diǎn)(與點(diǎn)A距離233.30 m)架設(shè)棱鏡作為參考點(diǎn),AC與AB成一定夾角(約100°24′33″)。設(shè)置TCA2003測量機(jī)器人采樣頻率為10 min/次,對強(qiáng)制觀測墩B(后視基準(zhǔn)點(diǎn))和參考點(diǎn)C進(jìn)行連續(xù)觀測;觀測期間內(nèi)采用RC-4溫度記錄儀采集環(huán)境氣溫變化數(shù)據(jù);自動持續(xù)觀測時間自2013年9月13日10:00至9月16日18:50;9月16日19:00重新整平定向,繼續(xù)觀測至19:40。對觀測時段內(nèi)B,C兩點(diǎn)方位角測值的變化進(jìn)行分析。若將強(qiáng)制觀測墩B點(diǎn)視為穩(wěn)定點(diǎn),則其方位角測值相對于初始值的偏差,為儀器初始定向方位在后期測量中所產(chǎn)生偏移量的相反數(shù)。由此,可求得儀器初始定向方位的偏差
圖3 點(diǎn)位分布
圖4 ~圖5顯示,在81 h的觀測中,強(qiáng)制對中觀測墩點(diǎn)B和參考點(diǎn)C的方向測值均發(fā)生較大幅度的變化 并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性 且參考點(diǎn)C的方向測值變化與強(qiáng)制對中觀測墩點(diǎn)B的測值變化趨勢、幅度基本上一致;在重新進(jìn)行定向后,兩個測點(diǎn)的方向測值均重新接近于初始測值。
圖4 基準(zhǔn)點(diǎn)B的方向測值變化曲線
圖5 參考點(diǎn)C點(diǎn)方向測值變化曲線
對參考點(diǎn)C和強(qiáng)制對中觀測墩點(diǎn)B方位角測值求差,分析其夾角測值的變化,見圖6。
通過圖6可以看出,參考點(diǎn)C、強(qiáng)制對中觀測墩點(diǎn)B間的方向夾角并沒有隨兩個方向的方位角測值的規(guī)律性變化而發(fā)生大幅的變化;而且最后時刻的重新定向并沒有引起夾角測值的明顯異動;其變化主要表現(xiàn)為隨機(jī)性的波動。這表明方向測值中確實(shí)存在著很大的系統(tǒng)誤差,而在求取夾角后得到較好的消除。
圖6 參考點(diǎn)C、基準(zhǔn)點(diǎn)B方向夾角測值變化曲線
由強(qiáng)制對中觀測墩點(diǎn)B的方位角測值變化,可得定向偏差的算式為
式中:ΔAi為定向偏差;Fi為直接由儀器輸出的i時刻后視基準(zhǔn)點(diǎn)方位角測值;F0為后視基準(zhǔn)點(diǎn)初始定向方位。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可求得定向偏差的變化曲線,見圖7。
如圖7所示,通過TCA2003對后視基準(zhǔn)點(diǎn)的連續(xù)觀測,得到初始定向偏差的變化曲線??梢钥闯龃似畹淖兓嬖谥?guī)律性
1)4:00~7:00,定向偏差值保持相對穩(wěn)定,變化較小。
2)7:00~9:00,定向偏差值開始逐漸向負(fù)方向增大;
3)9:00~16:00,定向偏差向負(fù)方向迅速增大,最大幅度達(dá)-26.5″;
4)16:00~18:00,定向偏差達(dá)到谷底后,保持穩(wěn)定一段時間
5)18:00~20:00,定向偏差急劇回升變小;
6)20:00~4:00,定向偏差緩慢回升變小;
7)4:00~7:00,定向偏差回升至峰頂后,保持穩(wěn)定一段時間;
8)1~7循環(huán)為一個周期。
由此發(fā)現(xiàn),儀器定向偏差呈現(xiàn)出周日視變化,那么有必要研究其與環(huán)境溫度間的關(guān)系。
圖7 實(shí)驗(yàn)期間TCA2003定向偏差變化曲線
圖8顯示,定向偏差與環(huán)境溫度變化曲線相關(guān)性很強(qiáng):當(dāng)溫度上升時,定向偏差向負(fù)方向增長;溫度降低時,定向偏差回升變?。粶囟茸兓絼×?,定向偏差變化越劇烈;溫度變化緩慢時,定向偏差變化平緩。
圖8 定向偏差與環(huán)境溫度的相關(guān)曲線
圖7中的定向偏差曲線并不是平滑的,這其中還包含一定的隨機(jī)偶然誤差的影響。應(yīng)用小波包變換的信噪分離功能[12-13],可以實(shí)現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的消噪擬合[14]。本文采用Matlab小波工具箱[15],對測量機(jī)器人定向偏差曲線進(jìn)行擬合,見圖9。
圖9 定向偏差擬合曲線
1)定向偏差是一個相對概念,需將儀器后期實(shí)際測量時的定向方位偏移與初始定向方位進(jìn)行比較得到。若選擇不同的時刻進(jìn)行初始定向,后期定向偏差的大小也會不同,但不影響定向偏差的變化規(guī)律。
2)在全天候測量中,測量機(jī)器人定向方位將產(chǎn)生偏差。究其原因,主要是因?yàn)榇髿庹酃?、儀器構(gòu)件受熱不均等因素引起,使得儀器的初始定向方位產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)。而這些因素均與太陽熱輻射導(dǎo)致的環(huán)境溫度的變化有關(guān)。
3)定向偏差呈現(xiàn)周日視變化,其值在4:00~7:00最為穩(wěn)定;在9:00~16:00、下午18:00~20:00期間的變化最為劇烈;其他時段變化較為緩慢。
4)定向偏差對方位角測值的影響非常大,實(shí)驗(yàn)中最大達(dá)到32.85″,其對平面坐標(biāo)測值的影響不容忽視,因而必須進(jìn)行改正。在利用測量機(jī)器人實(shí)施變形監(jiān)測時,必須設(shè)置對后視基準(zhǔn)點(diǎn)的連續(xù)觀測,進(jìn)行定向方位的改正。
5)測量機(jī)器人定向偏差的研究結(jié)論,同樣適用于普通全站儀。在進(jìn)行工程測量中,應(yīng)盡可能避開不利于觀測的時段(定向偏差變化劇烈的時段),并迅速完成測量;施測時間較長時,每間隔一定時間必須重新定向,以削弱定向誤差的系統(tǒng)性影響。
6)本文通過實(shí)驗(yàn)的方法研究測量機(jī)器人定向偏差及其變化規(guī)律,但是實(shí)驗(yàn)期間的氣候特征并不能表征其他各種復(fù)雜的氣象條件。當(dāng)氣象條件不同時,定向偏差的變化規(guī)律會有所不同,需根據(jù)實(shí)際情況討論。
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