黃程成，趙胤植，劉 曙，戴 維，郭際明，梁明雨

（1.中建鋼構(gòu)武漢有限公司，湖北 武漢 430100；2. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

目前，超高層建筑已越來越多地出現(xiàn)在世界各地［1-5］。超高層建筑施工測量精度要求高，平面控制點向各樓層的精確傳遞是保障其垂直度的關(guān)鍵技術(shù)點，故采用高精度的儀器和合理的控制網(wǎng)測設(shè)方法，通過嚴(yán)密計算，建立高精度測量控制網(wǎng)，為施工測量和變形監(jiān)測提供精確的參考基準(zhǔn)是超高層建筑施工測量的重點［6,7］。國內(nèi)外超高層建筑平面基準(zhǔn)網(wǎng)的建立一般采用GPS靜態(tài)觀測技術(shù)，對于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)以及測量機器人在建立超高層建筑平面控制網(wǎng)方面的可行性分析相對較少。

結(jié)合武漢綠地中心的實際工程案例，重點分析超高層建筑中平面控制網(wǎng)的建立過程，共涉及8個控制點（見圖1），其中TP03與TP02高程較高，位于樓頂?？刂泣c之間由于實際環(huán)境的限制而不能全部通視，采用GNSS技術(shù)能有效克服傳統(tǒng)方法的不足［8］。故而基準(zhǔn)網(wǎng)的建立主要采用了徠卡GM10接收機以及徠卡AR10天線進(jìn)行GNSS靜態(tài)觀測獲取控制點坐標(biāo)及基線信息，基線解算采用中海達(dá)公司的HGO軟件，平差采用武漢大學(xué)測繪學(xué)院研制的CosaGPS6.0軟件。為探究北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（BDS）用于該工程的可行性，對BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析誤差來源，比較處理結(jié)果從而得到具有針對性的BDS數(shù)據(jù)處理策略。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用徠卡TM50測量機器人（Georobot）對于通視良好的邊進(jìn)行測量，用武漢大學(xué)測繪學(xué)院研制的CODAPS進(jìn)行斜距化平等相關(guān)改正并將平距與坐標(biāo)和GNSS觀測結(jié)果對比分析。

1 施測方案及數(shù)據(jù)處理策略

超高層建筑因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工期長、建筑層數(shù)多、測量通視困難等特點，平面基準(zhǔn)網(wǎng)的建立具有特殊性。為了建立高精度基準(zhǔn)網(wǎng)，本文設(shè)計了GNSS與Georobot兩大測量技術(shù)相結(jié)合的施測方案，具體觀測與數(shù)據(jù)處理策略如下：

1）用GNSS接收機對控制點進(jìn)行靜態(tài)同步觀測，用HGO軟件對GNSS數(shù)據(jù)(GPS和BDS載波相位觀測值)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)基線向量，結(jié)合前期資料中部分已知點位坐標(biāo)，用CosaGPS軟件進(jìn)行平差計算，得到其余控制點坐標(biāo)。

2）將BDS單系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)用HGO軟件進(jìn)行基線解算，對于共視衛(wèi)星較少、數(shù)據(jù)噪聲大的基線重點編輯，禁用因遮擋嚴(yán)重而產(chǎn)生較多間斷的觀測值，將平差結(jié)果與GPS結(jié)果對比，分析探究BDS單系統(tǒng)用于該工程平面控制測量的可行性。

3）對于通視的控制點之間的邊用Georobot進(jìn)行測量，得到對應(yīng)邊長及方向觀測值，將經(jīng)過CODAPS改正后的平距結(jié)果與GNSS基線平距對比，分析GNSS和Georobot的一致性，確保控制網(wǎng)成果正確無誤。

2 平面控制網(wǎng)的觀測與數(shù)據(jù)處理

2.1 GNSS靜態(tài)觀測及數(shù)據(jù)處理

2.1.1 GNSS靜態(tài)觀測

由于武漢綠地中心位于城市內(nèi)，周邊建筑物密集，導(dǎo)致部分控制點間不通視，且超高層建筑施工環(huán)境復(fù)雜、衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重［9］，采用能夠接收BDS和GPS信號的GNSS接收機能夠獲得較多的衛(wèi)星觀測值，有利于進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及基線解算。故平面控制網(wǎng)主要通過GNSS靜態(tài)同步觀測方法來建立?；谇捌跍y量工作的相關(guān)資料，部分點位有已知信息，而位于樓頂?shù)腡P02以及TP03是新增的未知點。

靜態(tài)觀測參考工程測量規(guī)范［10］的一級網(wǎng)的精度要求，每次對3～4個測站同步觀測，共5個時段，每個時段約4 h，保證每個測站至少有兩個完整時段數(shù)據(jù)。觀測時段如表1所示，構(gòu)成的網(wǎng)形如圖1所示。

表1 靜態(tài)觀測時段情況

圖1 GNSS控制網(wǎng)網(wǎng)形

2.1.2 數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計

基線解算后將重復(fù)基線長度差、同步環(huán)、異步環(huán)閉合差統(tǒng)計如表2～4。

表2 GNSS解算重復(fù)基線長度差/mm

表3 GNSS 解算同步環(huán)閉合差/mm

表4 GNSS 解算異步環(huán)閉合差/mm

所有基線經(jīng)過處理后滿足各項限差要求，將結(jié)果導(dǎo)入CosaGPS6.0進(jìn)行平差。基于前期部分已知信息，采用兩種方式平差：一種是固定點D001，固定D001-TP01方向；一種是固定6個GNSS控制點（即D001-D004、BD06和TP01）進(jìn)行二維約束網(wǎng)平差，最弱點為TP03，點位中誤差為3.3 mm；最弱邊為D003-TP03，其相對中誤差為1/72 000，滿足規(guī)范中1/20 000的要求［10］。

用兩種方式平差，可以分析控制點的穩(wěn)定性。固定前期的6個控制點，將解算得到的點位坐標(biāo)與固定一個點及一個方向的結(jié)果對比，若差值較小則可以認(rèn)為施工過程中6個已知控制點較為穩(wěn)定，控制網(wǎng)的可靠性較強。

表5統(tǒng)計了兩種方式得到的各個控制點的坐標(biāo)分量的差值，X方向最大偏差的點為D004，差值為2.7 mm；Y方向上最大偏差的點為BD06，差值為4.5 mm。該次觀測之后得到的坐標(biāo)與已有坐標(biāo)差值較小，主要是觀測誤差所引起，說明施工過程中6個已知控制點未發(fā)生變化，可繼續(xù)使用之前相關(guān)資料的坐標(biāo)信息。

2.2 BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

對BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算及平差，部分基線殘差較大，特別是與TP03相關(guān)的基線，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)主要原因是共視衛(wèi)星較少或者部分衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)間斷較多且噪聲較大。在禁用不連續(xù)的時段后，數(shù)據(jù)有所改善但質(zhì)量仍不佳。對于這幾條基線加入GPS觀測數(shù)據(jù)再進(jìn)行解算，有效地改善了處理結(jié)果，可滿足規(guī)范的要求。將BDS單系統(tǒng)與GPS解算得到的基線與二維坐標(biāo)互差如表6、7所示。

表5 控制點坐標(biāo)與已知坐標(biāo)比較

表6 基線互差/mm

表7 二維坐標(biāo)互差

分析表6、7可知，BDS單系統(tǒng)與GPS得到的基線及坐標(biāo)結(jié)果整體差距不大，對于基線情況，兩者在N和E方向差值在8 mm以內(nèi)，U方向上有少數(shù)幾條基線差值大于10 mm，最大值為20.9 mm。對于平面坐標(biāo)，兩者的二維坐標(biāo)分量差值均在4 mm以內(nèi)，可以認(rèn)為兩者得到的坐標(biāo)信息較為一致。結(jié)合以上分析，可認(rèn)為BDS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)對于少部分殘差較大的基線需要進(jìn)行特殊處理，比如加入GPS數(shù)據(jù)、禁用觀測數(shù)據(jù)間斷較多的時段、在觀測衛(wèi)星足夠的情況下提高高度角，對于觀測數(shù)據(jù)噪聲較大的衛(wèi)星也可將其禁用［11］，最終得到滿足精度要求的成果。

2.3 Georobot測量數(shù)據(jù)及計算

控制網(wǎng)中有部分控制點之間可相互通視，對于這部分控制點采用Georobot進(jìn)行觀測并將處理的結(jié)果與GNSS觀測結(jié)果對比，圖2反映了所有可以相互通視的控制點。

圖2 Georobot工作基點及后視點

Georobot觀測得到的數(shù)據(jù)有各邊的斜距、垂直角以及水平方向觀測值［12］，通過CODAPS軟件對觀測邊進(jìn)行了斜距化平的改正。往返測所測得的邊長及垂直角統(tǒng)計如表8。

表8 Georobot觀測邊往返測比較

表8的數(shù)據(jù)由于對向觀測時間不同步，受大氣垂直折光及其他客觀因素影響，垂直角觀測在往返測時有一定差值。對于平距，經(jīng)過CODAPS斜距化平改正后得到的平距在往返測時差值的大小表現(xiàn)出與高差和邊長一定程度的相關(guān)性，位于地面上的控制點在進(jìn)行觀測時平距差值較小，差值較大之處表現(xiàn)在與控制點TP02、TP03相關(guān)的邊上。

保持與GNSS控制網(wǎng)建立時的固定點一致，即選用D001作為起始已知點，已知方向選為D001-D002，已知方位角由前期資料中D001與D002的坐標(biāo)解算出來，利用Georobot的邊長和方向觀測值計算出控制網(wǎng)中各點位坐標(biāo)如表9所示。

表9 Georobot推算得到的控制點坐標(biāo)/m

2.4 GNSS與Georobot測量結(jié)果對比分析

當(dāng)采用Georobot對GNSS邊長對比時，需將Georobot所測得的斜距進(jìn)行投影，讓其投影到與GNSS統(tǒng)一的高程面上進(jìn)行比較［13,14］，同時對兩種技術(shù)得到的點位坐標(biāo)也進(jìn)行對比，對比結(jié)果統(tǒng)計如表10及圖3所示。

表10 GNSS基線平距與Georobot平距比較

TP03、TP02相關(guān)邊由于往返測時間不同步，大氣條件變化、垂直折光對往返測垂直角影響值不同，同時高差較大，使得對應(yīng)的平距在往返測有cm級的差別。在往返測取平均后，仍有TP03-BD06這條觀測邊與GNSS平距差值為1.89 cm，原因可能是在高程較高的點向地面點進(jìn)行觀測時，大氣折光對垂直角影響較大，導(dǎo)致觀測誤差較大，應(yīng)采用同時對向觀測消除大氣折光影響。

圖3 Georobot與GNSS坐標(biāo)差值

從圖3可發(fā)現(xiàn)，位于較高樓頂?shù)腡P03，GNSS與Georobot得到的點位坐標(biāo)差值較大，達(dá)到了1～2 cm，其他點坐標(biāo)分量差值小于7 mm，原因與前文所述類似，可能是由于Georobot在觀測高差較大或邊長較長的站點時由于未采用同步對向觀測導(dǎo)致垂直角測量誤差大，直接影響了平距結(jié)果，造成解算的坐標(biāo)差值與GNSS較大。

3 結(jié) 語

GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)的建立過程可靠，與前期資料符合度高，施工過程中點位未發(fā)生變化，精度滿足要求。BDS單系統(tǒng)用于此類工程基準(zhǔn)網(wǎng)的建立，在數(shù)據(jù)處理時應(yīng)注意共視衛(wèi)星是否足夠、高軌衛(wèi)星的選用、間斷數(shù)據(jù)的選擇和殘差較大基線的特殊處理方式。

在使用Georobot進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)的建立時，為保證測量精度，應(yīng)盡量同步對向觀測以消除大氣折光的影響，避免垂直角測量的不準(zhǔn)確性。另外，往返測之間的差值與兩點間高差和距離也有一定的相關(guān)性。

實測數(shù)據(jù)表明，GNSS與Georobot兩種技術(shù)的平距測量結(jié)果以及得到的坐標(biāo)整體而言差值較小，特別是在高差不大距離不長的情況下，平距測量差值能保持在5 mm以內(nèi)，坐標(biāo)差值在X、Y兩個方向上均能控制在7 mm以內(nèi)，證明兩者測量結(jié)果無誤、精度較高且相符程度較好，但在高差較大、觀測邊過長和點間通視困難時，GNSS技術(shù)更具優(yōu)勢。將GNSS與Georobot相結(jié)合，可為超高層建筑施工建立滿足要求的高精度平面控制網(wǎng)。

[1] GB／50016-2014． 建筑設(shè)計防火規(guī)范[S]．

[2] GB／50352-2005． 民用建筑設(shè)計通則[S]．

[3] 趙小陽,劉業(yè)光． 超高層建筑平面控制網(wǎng)豎向傳遞實踐與研究[J]．測繪信息與工程,2010,35(4):28-29

[4] 蔣利龍． 超高層建筑施工基準(zhǔn)傳遞方法探討[J]．廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,27(4):1-3

[5] 蔣利龍． 測量機器人用于超高層建筑豎向投測的可行性[J]．測繪科學(xué),2010,35(1):24-25

[6] 張具林,葉玉芹,談虎,等． 超高層建筑施工測量控制系統(tǒng)的建立與實施[J]．施工技術(shù),2013,42(5):107-110

[7] 焦俊娟,張勝良,陸靜文,等． GNSS技術(shù)在平安金融中心項目的應(yīng)用[J]．測繪通報,2015(增刊):78-80

[8] 王坤． 融合北斗與GPS的超高層建筑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析研究[D]．北京:北京交通大學(xué),2016

[9] 王勇,林財榮,郭際明,等． BDS+GPS技術(shù)支持下的超高層建筑施工投點監(jiān)測分析[J]．測繪通報,2017(6):5-8

[10] GB ／ 50026-2007． 工程測量規(guī)范 [S]．

[11] 趙胤植,郭際明,邸國輝． BDS/GPS在鄂北水資源配置工程中的應(yīng)用與分析[J]．測繪地理信息,2017,42(2):109-113

[12] Hu H． Online Near Real-time Mine Disaster Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks[J]．International Journal of Online Engineering,2016,12(3):64-69

[13] 鄭先東． 測量機器人與GPS綜合應(yīng)用的兼容性分析[J]．山西建筑,2015,41(26): 205-206

[14] 潘元進(jìn),何美琳,孫昌瑜,等． GPS_RTK結(jié)合測量機器人在高鐵CPIII網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用[J]．測繪信息與工程,2012,37(1):27-29