谷 川 楊元偉

(1.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092;2.上海市政工程檢測中心有限公司，上海 201114)

工程建設等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對變形監(jiān)測工作提出了更高的要求，逐漸形成了對自動化變形監(jiān)測的實際需求。具有自動目標照準功能全站儀的出現(xiàn)和發(fā)展，為實現(xiàn)變形監(jiān)測自動化提供了機遇，基于自動化全站儀的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)相繼開展起來。

國外，瑞士Leica公司開發(fā)出的自動極坐標測量系統(tǒng)—APS(Automatic Polar System)，為利用大地測量方法進行自動變形監(jiān)測做出了開創(chuàng)性的貢獻。Leica公司推出的Geomos(Geodetic Monitoring System)自動監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)相對比較完善。國內(nèi)也有一些高校、科研單位在積極研究和開發(fā)基于自動全站儀的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)。例如，國內(nèi)中南大學張學莊開發(fā)研制的“SMDAMS亞毫米級精度大壩自動變形監(jiān)測系統(tǒng)”，Leica鄭州歐亞測量系統(tǒng)有限公司與解放軍信息工程大學測繪學院聯(lián)合開發(fā)的ADMS自動變形監(jiān)測軟件，武漢大學張正祿開發(fā)研制的測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)GRT-DEMOS(Geo-robot Deformation Monitoring System)等［1］。

比較目前國內(nèi)外已有的基于自動全站儀的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn):國外的軟件已經(jīng)相對比較完善，但是存在的問題是功能過于豐富，針對性不強，產(chǎn)權(quán)為國外壟斷，售價過高，超出一般企業(yè)的承受范圍，限制了基于自動全站儀的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)的推廣應用;國內(nèi)的軟件多針對某一工程或者某類工程開發(fā)，主要以大壩等的自動化變形監(jiān)測為主，功能比較單一，缺乏針對橋梁、隧道、基坑等類型建筑工程項目的特色軟件。

因此，有必要根據(jù)建設工程行業(yè)的需求開發(fā)一套能夠滿足行業(yè)需求、行業(yè)特色鮮明、基于自動全站儀的自動化變形監(jiān)測軟件。

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 系統(tǒng)組成

基于自動全站儀的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)由棱鏡組、自動全站儀、控制電腦、軟件、通訊設備等組成。

棱鏡布設在能反映結(jié)構(gòu)體變形特征的特征點位置，并應注意加以保護。全站儀設立在基準點或工作基點上，要求點位相對穩(wěn)定，能輕松找尋目標點并實現(xiàn)實時觀測。控制電腦放置在工作房內(nèi)，通過有線或無線方式與儀器連接，通過電腦內(nèi)安裝的軟件控制自動全站儀進行數(shù)據(jù)采集，并且自動進行數(shù)據(jù)分析與處理工作。對于工程中的特殊要求能夠進行特殊考慮。

圖1 全站儀自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.2 軟件功能設計

自動化變形監(jiān)測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 自動化變形監(jiān)測軟件主界面

操作菜單主要實現(xiàn)對軟件的操作，以控制儀器完成各項觀測任務，軟件完成各項計算、分析、繪圖等任務。工程信息控制區(qū)域主要控制觀測數(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)域主要顯示測點觀測數(shù)據(jù)信息。日志信息區(qū)域主要顯示測量過程中的行為和必要的中間計算結(jié)果，以便于在測量發(fā)生問題時查找問題和追溯原因。圖形顯示區(qū)域主要顯示測站、觀測點等的位置信息，可進行三維顯示、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

在極坐標變形監(jiān)測系統(tǒng)中，必須考慮大氣條件的變化對距離測量的影響。利用基準網(wǎng)的測量信息，可以在無需測量氣象元素，簡化系統(tǒng)設備配置的條件下，實時進行距離的大氣折射率差分改正。

在自動極坐標的差分測量系統(tǒng)中，測站點與基準點均設置在穩(wěn)定的位置上，可以認為它們之間的距離是穩(wěn)定不變的。設監(jiān)測站至某基準點的已知斜距為，在變形監(jiān)測過程中，某一時刻實測的斜距為，兩者之間的差異可以認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的可靠性與準確性，實際中可以取多個基準點測定的距離氣象改正比例系數(shù)Δsi的平均數(shù)，用于距離測量的差分氣象改正。

根據(jù)平均氣象改正系數(shù)Δs，分別應用于每個基準點，求出基準點的真實斜距SJ－i

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

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

為了準確測定變形點的三維坐標，在極坐標的單向測量中，必須考慮球氣差對高程測量的影響。在變形監(jiān)測網(wǎng)的測量中，基準點與測站點之間的高差是可知的。如上述的距離測量一樣，如果某一時刻測得測站與基準點之間的三角高差h'J－i為

式中，α為垂直角，i為儀器高，l為目標高。

將球氣差寫在一起，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)。

測站至基準點的視線范圍最好能夠覆蓋所有變形監(jiān)測點，可利用基準點按式(7)求得球氣差改正數(shù)c，能較好地代表變形監(jiān)測區(qū)域的大氣模型。

在每周期變形點的監(jiān)測過程中，由于測量時間較短(約數(shù)分鐘)，可以認為c值對基準點與變形點的影響是相同的，故按照下式可求出變形點與測站點之間經(jīng)球氣差改正的三角高差ΔhP

2.3 方位角的差分改正

在長期的變形監(jiān)測中，難以保證儀器的絕對穩(wěn)定。水平度盤0°00'00.0″方向的變化，對水平方位角的影響不可忽略［3］。在變形監(jiān)測中，所求的變形量是相對第一周期而言的，故可把基準點第一次測量的水平方位角作為基準方位角，其他周期對基準點測量的方位角與基準方位角相比，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0°00'00.0″方向的變化、大氣水平遮光等對方位角的影響而引起。此差異對變形點的測量有相同的影響，故在變形點每周期的方位角測量值H'ZP中，實時加入由同周期基準點求得的ΔHZ改正值，可準確求得變形點的方位角HZP

3 特殊問題的考慮

3.1 視場內(nèi)出現(xiàn)多個目標

視場中出現(xiàn)多個目標的問題，各個測量儀器生產(chǎn)廠家都給予了足夠的重視［4］。

Leica自動化全站儀識別CCD視場中出現(xiàn)多個棱鏡的方法是縮小視場，但是如果縮小后的視場內(nèi)仍有2個以上的棱鏡，就不能再正常測量了。

Sokkia自動化全站儀解決視場內(nèi)有多個棱鏡的識別方法為“就近法則”。即通過特別的數(shù)學計算規(guī)則，查看視場內(nèi)距離望遠鏡十字絲中心最近的棱鏡是哪一個，全站儀就自動驅(qū)動軸系照準該棱鏡。

Trimble自動全站儀則采用選擇目標模式的方法:主動目標或被動目標。

比較和分析:

(1)徠卡小視場技術和索佳就近原則能夠解決一部分視場內(nèi)出現(xiàn)多個棱鏡的情況，但是，不能從根本上解決問題，該方法可認為是軟件方法。

(2)天寶全站儀通過棱鏡編碼技術和棱鏡開關技術可以從根本上解決該問題，該方法可認為是硬件方法，但是，其高昂的價格也是一般企業(yè)難以承受的。

一般而言，在設置測站時可盡量避免該情況的出現(xiàn)。實在不可避免時，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

棱鏡遮擋是自動化測量過程中常發(fā)生的現(xiàn)象，在軟件中進行了如下的處理:

第1次測量被遮擋，則跳過該點進行下一點的測量，一輪測量完成后，對未能觀測到的點進行新一輪搜索，如果新一輪搜索仍未找到，則彈出對話框由人工決定是繼續(xù)尋找或放棄測量該點，并且開始倒計時，缺省設置為放棄該點，倒計時時間為10 s。

3.3 測站不穩(wěn)定處理

很多情況下，例如橋梁、基坑等工程的自動化變形監(jiān)測中，由于布設了多個棱鏡，儀器架設在基坑或者橋梁中間附近的位置往往是最方便觀測的。但是，由于儀器架設在變形影響區(qū)域內(nèi)，很有可能會發(fā)生位移。而如果架設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)生視場內(nèi)出現(xiàn)多個棱鏡和目標被遮擋的情況。因此，采用變形場外控制點將所有變形點控制在同一坐標系統(tǒng)內(nèi)是一個好的解決方法。

測站不穩(wěn)定時的處理，主要有以下幾種方法:

方法(1):通過后方交會或者測邊、邊角交會求得測站點的坐標，然后計算各觀測邊方位角并取方位角均值作為定向數(shù)據(jù)。

方法(2):直接測量2個或以上控制點的坐標，通過基準點實測坐標和理論坐標求得坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，將測站坐標轉(zhuǎn)換為目標坐標系下的坐標后，修正測站以及定向數(shù)據(jù)，然后進行監(jiān)測點的測量。

方法(3):直接測量2個或以上基準點的坐標以及所有監(jiān)測點的坐標，通過基準點實測坐標和理論坐標求得坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，將監(jiān)測點坐標轉(zhuǎn)換到目標坐標系下。

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

針對該問題的解決，還研究了多種三維和二維直角坐標轉(zhuǎn)換模型，參見文獻［2］。

4 工程實際應用效果評價

4.1 工程概況和測點布置

浦東大道9號橋臨時便橋為9號橋原位改建時所建立的臨時交通通道，臨時便橋為下承式桁架橋，車行道便橋上部結(jié)構(gòu)為多跨連續(xù)方案。

圖4為縱向觀測斷面布置。

圖4 縱向觀測斷面布置

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)布設了棱鏡，對應在自動化變形監(jiān)測軟件中的編號為P1～P10，見圖2。

4.2 現(xiàn)場測量結(jié)果

在該工程中，共計進行了初始值觀測和邊跨加載、邊跨卸載、中跨加載、中跨卸載共計4個工況下的撓度測量。表1為4個工況下的10個觀測點的垂直位移人工觀測(采用同樣的設備和方法)和自動化觀測的觀測結(jié)果比較。

表1 人工觀測和自動化觀測結(jié)果比較mm

圖5為4個工況下的10個觀測點的垂直位移人工觀測和自動化觀測的觀測結(jié)果比較，相對于表格，圖形的比較更加直觀。

圖5 人工觀測和自動化觀測結(jié)果比較

4.3 應用結(jié)果比較和分析

從表1和圖5的比較可以看出，4個工況下10個點垂直位移的人工和自動觀測數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，誤差基本都在1 mm以內(nèi)，最大誤差為1.3 mm。

由此可以認為，對于范圍不太大(不超過幾百米)，變形量為亞cm級別及更大的變形測量項目，可以采用自動化變形監(jiān)測軟件控制自動全站儀完成，可取得與人工測量基本一致的測量成果。自動化變形測量在儀器、發(fā)射目標(一般為棱鏡)布設完成后，其余工作由1人操作儀器即可完成。類似工作如由人工操作，則至少需要3人(觀測、記錄、司鏡，夜間可能還另需照明人員)才可完成。每測量一個周期，人工測量手段約需要15～20 min左右的時間，而自動化測量僅需要10 min不到的時間即可完成。相比較而言，自動化變形測量手段具有明顯的技術優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

分析了當前全站儀自動化變形監(jiān)測技術的研究背景，國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了研究該系統(tǒng)的必要性。研究了自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)的功能設計，提出了極坐標測量斜距、三角高程、方位角差分改正的必要性和方法，探討了自動化監(jiān)測過程中存在的實際問題和解決方法，主要有市場內(nèi)出現(xiàn)多個目標、目標被遮擋以及測站不穩(wěn)定等問題。

在一個鋼桁架連續(xù)梁橋承載力評估的工程實踐中應用自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)和人工手段同時進行了測試和比較。結(jié)果表明，自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)能夠取得和人工測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，證明了自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢所在。

［1］張海玲．基于TCA2003全站儀的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的研制［D］．濟南:山東科技大學，2005

［2］谷 川．基于自動全站儀的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)研究報告［R］．上海:上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，2011

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