朱書敏，楊雪峰，王 永，劉成龍

(1.廣東省長大公路工程有限公司，廣東廣州 5114311；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756；3.西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川成都 611756)

放樣測量是按照一定的精度要求將樁基、索夾、管線等建筑物或構(gòu)筑物的設(shè)計平面坐標(biāo)和高程標(biāo)注在實地的過程。該項工作貫穿于土木工程建設(shè)的整個期間，作為工程施工建設(shè)的紐帶，將各個環(huán)節(jié)非常緊密地銜接在一起。一旦放樣點位置確定后，即可根據(jù)放樣點位置進(jìn)行填挖、設(shè)備安裝、混凝土澆筑等一系列施工工作。如果放樣點位置出錯或未達(dá)到相應(yīng)的精度要求，即使之后發(fā)現(xiàn)了問題也將難以修正，造成極大的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)放樣測量通常采用全站儀和水準(zhǔn)儀等儀器根據(jù)放樣點設(shè)計坐標(biāo)和高程分別進(jìn)行測設(shè)，人工計算出調(diào)整量和調(diào)整方向，通過反復(fù)地調(diào)整和測量直至放樣點實測平面坐標(biāo)和高程均達(dá)到設(shè)計精度要求。傳統(tǒng)放樣測量方法過程較為繁瑣，并且人工計算容易出現(xiàn)錯誤，如果不能被及時發(fā)現(xiàn)，則會造成不可挽回的嚴(yán)重后果。

現(xiàn)代放樣測量需要自動化觀測和計算，利用掌上電腦[1](PDA)開發(fā)控制測量機器人[2]的測量程序，可以實現(xiàn)放樣點自動搜索和精確照準(zhǔn)、調(diào)整量自動計算、合格放樣結(jié)果自動保存等多種功能。PDA具有體積小、可靠性高、功能強大、價格便宜、操作簡單、適合隨身攜帶、供電時間長等多種優(yōu)點，非常適合測量人員在野外進(jìn)行操控和數(shù)據(jù)結(jié)果的實時處理。采用測量機器人在幾百米的小范圍內(nèi)進(jìn)行高程放樣測量同樣可以達(dá)到很高的精度，這也為基于測量機器人進(jìn)行三維放樣測量研究提供了基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的放樣測量方法相比，采用PDA在線控制測量機器人的現(xiàn)代放樣測量方法可以較大程度提高放樣測量效率且減少人工干預(yù)，將繁雜枯燥的計算工作由軟件自動完成，從而減輕測量人員的勞動強度并避免錯誤的發(fā)生。因此，本文結(jié)合Leica測量機器人二次開發(fā)技術(shù)[3]，基于Leica TS60測量機器人研制了一套適用于二維和三維固定測站和自由設(shè)站[4-5]多種測量模式的自動放樣測量系統(tǒng)ALS(Automatic Lofting System)，下面詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的研制過程。

1 ALS系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)代放樣測量自動化、實時化的發(fā)展需求和特點，ALS應(yīng)滿足工程施工建設(shè)期間多種自動化放樣需求。系統(tǒng)應(yīng)能夠控制測量機器人在固定控制點或自由設(shè)站點進(jìn)行放樣測量，從而解決工程施工過程中因車輛和臨時堆積材料等因素所造成的控制點架站無法直接測定某些點位的視線阻礙問題。并且，根據(jù)二維平面放樣和三維空間放樣的不同需要，自由設(shè)站測量設(shè)站點和放樣點坐標(biāo)的計算方法也應(yīng)不同。ALS應(yīng)實現(xiàn)的具體功能如下：

(1)安裝在PDA上的放樣測量軟件應(yīng)能夠與測量機器人采用串口或藍(lán)牙方式[6]進(jìn)行通信，通過軟件可以方便快捷地對測量機器人進(jìn)行各項操作控制，例如讀取和設(shè)置儀器氣象參數(shù)和測距模式等。

(2)放樣測量開始前，軟件應(yīng)能夠讀取存儲在PDA內(nèi)存中包含控制點和放樣點點名和設(shè)計坐標(biāo)信息的文件，同時軟件還應(yīng)允許外業(yè)測量過程中臨時增加控制點或放樣點坐標(biāo)信息。

(3)放樣測量系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)固定測站和自由設(shè)站多種測量模式下二維或三維放樣測量。

(4)在設(shè)站完成后，應(yīng)采用極坐標(biāo)測量方法進(jìn)行放樣測量。為提高放樣測量效率，放樣測量系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)放樣點和后視點之間的設(shè)計坐標(biāo)位置關(guān)系，實現(xiàn)點選某一放樣點測量機器人即可自動旋轉(zhuǎn)指向到該點設(shè)計位置的功能。

(5)當(dāng)放樣結(jié)果滿足設(shè)計精度要求后，放樣測量系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)细駭?shù)據(jù)進(jìn)行實時保存，從而保證測量數(shù)據(jù)安全可靠，避免造成測量數(shù)據(jù)丟失。

2 ALS系統(tǒng)軟件研制

由于放樣測量往往不能在同一位置完成，需要經(jīng)常搬站。因此采用便攜式PDA在線控制測量機器人進(jìn)行自動化放樣測量是一種合理的方式。ALS以Leica測量機器人二次開發(fā)技術(shù)和計算機開發(fā)工具和語言[7]為基礎(chǔ)，以Leica TS60測量機器人和PDA等硬件為支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式設(shè)站、放樣點自動照準(zhǔn)測量、放樣點調(diào)整量實時計算、合格放樣數(shù)據(jù)自動保存等功能，下面將詳細(xì)介紹ALS軟件研制的實現(xiàn)過程。

2.1 軟件實現(xiàn)流程

ALS軟件設(shè)計的基本思路為：

(1)設(shè)置測量機器人與PDA的通信參數(shù)一致以完成聯(lián)機通信。

(2)設(shè)置測量機器人的測距模式和氣象參數(shù)，并選擇相應(yīng)的設(shè)站模式。

(3)將存儲在PDA內(nèi)存中的測量文件建立的后視點和放樣點設(shè)計坐標(biāo)信息導(dǎo)入軟件。

(4)測量后視點并通過軟件自動計算設(shè)站點坐標(biāo)和精度以完成自由設(shè)站或固定測站后視定向。

(5)當(dāng)設(shè)站點坐標(biāo)精度符合要求后，點選某放樣點完成放樣點自動測量及調(diào)整量的實時計算。

(6)將滿足放樣精度要求的放樣點實測坐標(biāo)自動保存在PDA內(nèi)存中以便于后續(xù)導(dǎo)出查看和管理，ALS軟件功能實現(xiàn)流程框圖如圖1所示。

圖1 ALS軟件功能實現(xiàn)流程

2.2 軟件功能設(shè)計

依照圖1中 ALS軟件功能實現(xiàn)流程，并以簡便、實用為原則，設(shè)計了ALS軟件的4個功能模塊，分別為參數(shù)設(shè)置、導(dǎo)入設(shè)計、儀器設(shè)站、放樣測量。

2.2.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置PDA串口通信參數(shù)，如端口名、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等與測量機器人一致；設(shè)置測量機器人的測距模式和氣象參數(shù)；選擇二維或三維固定測站和自由設(shè)站中的一種模式。

2.2.2 導(dǎo)入設(shè)計

將存儲在PDA內(nèi)存中由測量文件建立的后視點和放樣點設(shè)計坐標(biāo)信息導(dǎo)入軟件。同時，軟件還允許用戶臨時增加后視點和放樣點設(shè)計坐標(biāo)信息。

2.2.3 儀器設(shè)站

固定測站測量模式需首先進(jìn)行后視定向，即將儀器大致照準(zhǔn)某一后視點并進(jìn)行自動照準(zhǔn)測量；自由設(shè)站測量模式需觀測至少2個以上的后視點以完成自由設(shè)站點坐標(biāo)和精度的平差計算，若設(shè)站精度不合格，還應(yīng)重新架設(shè)儀器或觀測其他后視點再次進(jìn)行設(shè)站。

2.2.4 放樣測量

儀器設(shè)站完成后，通過點選某一放樣點，軟件即可控制測量機器人望遠(yuǎn)鏡自動旋轉(zhuǎn)到該放樣點設(shè)計位置的方向。測量機器人自動照準(zhǔn)并測量該放樣點后，軟件可以自動計算該放樣點實測坐標(biāo)相對于其設(shè)計坐標(biāo)的調(diào)整量。當(dāng)放樣結(jié)果滿足要求后，可將合格的放樣數(shù)據(jù)保存到PDA內(nèi)存中，避免傳統(tǒng)手工記錄容易出錯和繁瑣的缺點，同時提高放樣測量數(shù)據(jù)處理的工作效率。

2.3 軟件功能實現(xiàn)

結(jié)合ALS軟件實現(xiàn)流程與功能設(shè)計，下面介紹ALS軟件界面設(shè)計和功能模塊的編程實現(xiàn)。

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

首先，配置PDA與測量機器人的通信參數(shù)一致，從而通過數(shù)據(jù)電纜或藍(lán)牙方式建立PDA與測量機器人之間的物理連接數(shù)據(jù)鏈；然后，讀取或設(shè)定測量機器人的測距模式和氣象參數(shù)；最后，選擇一種設(shè)站模式即完成全部參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。

2.3.2 導(dǎo)入設(shè)計

在參數(shù)設(shè)置完成后，即可將后視點和放樣點設(shè)計坐標(biāo)信息導(dǎo)入軟件。設(shè)計坐標(biāo)信息的導(dǎo)入有兩種方式，一種是點擊導(dǎo)入按鈕，將存儲在PDA內(nèi)存中按照指定格式編輯的設(shè)計坐標(biāo)信息文件直接導(dǎo)入軟件；另一種是在增加設(shè)計坐標(biāo)信息的數(shù)據(jù)錄入框中輸入需要增加的點名和設(shè)計坐標(biāo)，點擊增加按鈕逐點逐行地增加設(shè)計坐標(biāo)信息，三維設(shè)站導(dǎo)入設(shè)計坐標(biāo)信息界面分別如圖3所示。

2.3.3 儀器設(shè)站

儀器設(shè)站分為固定測站和自由設(shè)站兩種測量模式，通過點擊軟件底部標(biāo)簽可以進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)站界面。固定測站測量模式首先應(yīng)選擇測站名和后視點名(三維固定測站測量模式還應(yīng)在觀測后視點之前輸入儀器高)，然后旋轉(zhuǎn)測量機器人大致照準(zhǔn)所選后視點方向，點擊測量按鈕測量機器人即可完成后視點自動照準(zhǔn)和測量，并將觀測數(shù)據(jù)顯示在軟件中。自由設(shè)站測量模式需測量2個以上的后視點進(jìn)行設(shè)站，首先應(yīng)輸入設(shè)站名并逐一選擇后視點進(jìn)行觀測(三維自由設(shè)站測量模式還應(yīng)在觀測后視點之前輸入后視點目標(biāo)高)，后視點觀測數(shù)據(jù)顯示在軟件表格中。當(dāng)所有后視點觀測完成后，點擊設(shè)站按鈕，軟件即可自動計算并顯示自由設(shè)站點約束平差后的坐標(biāo)和精度。如果設(shè)站精度不滿足要求，還應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)站。固定測站測量和自由設(shè)站測量界面分別如圖4、圖5所示。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

圖3 三維設(shè)站導(dǎo)入設(shè)計坐標(biāo)信息界面

圖4 固定測站測量界面

圖5 自由設(shè)站測量界面

2.3.4 放樣測量

在儀器設(shè)站完成后，可以開始進(jìn)行放樣測量。選擇某一放樣點名，測量機器人望遠(yuǎn)鏡即可自動旋轉(zhuǎn)到該放樣點設(shè)計位置方向。點擊測量按鈕(三維放樣還應(yīng)輸入放樣點目標(biāo)高)，測量機器人自動照準(zhǔn)測量該放樣點并將放樣點實測坐標(biāo)和調(diào)整量計算結(jié)果顯示在軟件中。當(dāng)放樣點實測坐標(biāo)滿足要求后，點擊保存按鈕，即可將放樣點實測坐標(biāo)和調(diào)整量的最終結(jié)果以文本形式保存在PDA內(nèi)存中。放樣測量界面和放樣結(jié)果文件格式分別如圖6、表1所示。

3 主要結(jié)論

(1)本文首先根據(jù)現(xiàn)代放樣測量自動化、實時化的發(fā)展需求和特點，分析了自動放樣測量系統(tǒng)應(yīng)滿足的工程施工建設(shè)期間的自動化放樣需求，并提出了放樣測量系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的具體功能。

(2)結(jié)合放樣測量系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的具體功能和相關(guān)算法研制了安裝在PDA上的自動放樣測量軟件，實現(xiàn)了多種模式設(shè)站、放樣點自動照準(zhǔn)測量、放樣點調(diào)整量實時計算、合格放樣數(shù)據(jù)自動保存等功能。

圖6 放樣測量界面

點名X/mY/mZ/mΔX/mmΔY/mmΔZ/mmFYD1-1.710613.44971-0.547000.29-0.090.10

(3)通過比較不同模式下放樣測量軟件計算的自由設(shè)站點和放樣點坐標(biāo)與控制點已知坐標(biāo)之間的差異，驗證了自動放樣測量系統(tǒng)運行的可靠性及軟件計算的正確性。

本文研制的自動放樣測量系統(tǒng)(ALS)在虎門二橋樁基施工放樣和東、西兩個高大索塔各個節(jié)段的施工放樣測量中進(jìn)行了實際應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)放樣結(jié)果正確，運行可靠，而且測站位置選擇靈活，放樣效率高，值得在土木工程施工放樣測量中推廣使用，同時本文對同類系統(tǒng)的開發(fā)具有借鑒作用。