宋 軍

(深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計院有限公司，廣東 深圳518000)

一、引 言

20世紀(jì)80年代，測量機(jī)器人的出現(xiàn)給數(shù)據(jù)采集及處理方式帶來了革命性的變化，特別是在變形監(jiān)測領(lǐng)域，由于存在大量的重復(fù)觀測，測量機(jī)器人的應(yīng)用極大地提高了作業(yè)效率和數(shù)據(jù)精度，減輕了測繪人員的勞動強(qiáng)度。

在國外自動化監(jiān)測系統(tǒng)的帶動下，國內(nèi)測繪行業(yè)針對該系統(tǒng)的軟件開發(fā)也取得了不少成果，各測繪院校、專業(yè)公司都推出了不同的解決方案。通過多年來在不同監(jiān)測項目使用各種軟件系統(tǒng)，筆者對目前的全站儀自動化監(jiān)測軟件提出幾點改進(jìn)意見。

二、系統(tǒng)現(xiàn)狀

測量機(jī)器人是在全站儀的基礎(chǔ)上集成驅(qū)動馬達(dá)、CCD傳感器、激光及人工智能技術(shù)，通過CCD傳感器識別目標(biāo)并對接收的電磁波強(qiáng)度進(jìn)行探測判斷，計算機(jī)控制驅(qū)動馬達(dá)實現(xiàn)目標(biāo)的自動識別和精確照準(zhǔn)，自動采集和記錄測量數(shù)據(jù)。測量機(jī)器人自動監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

1．硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由3部分組成:①測站:當(dāng)采用無人值守自動化模式時，測站由測量機(jī)器人、觀測墩、通信模塊、供電系統(tǒng)及氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，部分特殊區(qū)域如軌道交通運(yùn)營線路，還有震動探測控制系統(tǒng)，半自動觀測模式則不需要供電及通信模塊;②基準(zhǔn)點:也稱參考點，設(shè)置在變形區(qū)域外的穩(wěn)固處，作為監(jiān)測系統(tǒng)的方位參考或為數(shù)據(jù)處理時的距離及高差差分提供計算基準(zhǔn)，一般在3個以上;③監(jiān)測點:監(jiān)測點由布置在變形體上的棱鏡或反射膜片組成。

2．軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要由3部分組成:①數(shù)據(jù)采集控制:通過學(xué)習(xí)測量確定觀測點位，設(shè)置各項觀測限差和測回數(shù)，自動觀測時間控制;②數(shù)據(jù)處理分析:數(shù)據(jù)平差處理，繪制圖表及曲線，分析及預(yù)估;③信息發(fā)布傳輸:向測量機(jī)器人發(fā)布采集指令，接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理成果傳輸給指定位置。

3．系統(tǒng)特點

目前的軟件系統(tǒng)按照載體不同有兩種形式:①分離式系統(tǒng):測量機(jī)器人安裝機(jī)載數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，計算機(jī)安裝后處理系統(tǒng)，兩者既可通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行實時化監(jiān)測，也可單獨采集數(shù)據(jù)，下載到計算機(jī)中進(jìn)行后處理;②一體化系統(tǒng):所有軟件模塊均安裝在計算機(jī)上，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制測量機(jī)器人，采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，實時處理。

國內(nèi)軟件主要研發(fā)方向在于數(shù)據(jù)采集控制方式和數(shù)據(jù)處理形式，而數(shù)據(jù)采集精度受制于硬件系統(tǒng)，只能在抗干擾方面進(jìn)行改進(jìn)，如加裝震動探測器，在外部震動強(qiáng)烈時控制儀器暫停測量;氣象數(shù)據(jù)采集器，可以將采集的氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?，實時改正邊長測量值。

三、改進(jìn)方向

針對市面上流行的軟件，結(jié)合實際工作中的使用情況，提出一點看法和建議，更好地為工程監(jiān)測服務(wù)。

1．初始值

按照相關(guān)測量規(guī)范，初始值應(yīng)該采集兩次，未超限的情況下取其平均值作為初始值。在實際工作中，由于工程施工環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測點損毀的情況時有發(fā)生，在及時補(bǔ)點的同時，需要在學(xué)習(xí)測量的環(huán)節(jié)中加入新增點位，同時在數(shù)據(jù)庫中應(yīng)將該點損毀前的累積變化值與新增點位初始值疊加，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2．基準(zhǔn)點

在每期測量后，首先應(yīng)該對基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性作出評價，即對基準(zhǔn)點間的空間相對關(guān)系與初始值進(jìn)行比較，判斷各基準(zhǔn)點是否穩(wěn)定可靠。若有基準(zhǔn)點相對位置的變化值超出限差的情況，在無法自動改正處理時，應(yīng)自動報警由人工進(jìn)行處理，在解算監(jiān)測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)時屏蔽該基準(zhǔn)點(本次測量誤差造成超限)，或賦予該點新值(點位發(fā)生位移造成超限)，避免將基準(zhǔn)點的粗差帶入監(jiān)測點數(shù)據(jù)中，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3．采集控制

自動化監(jiān)測軟件的工作模式一般是每期對基準(zhǔn)點和監(jiān)測點全部觀測后，以基準(zhǔn)點為固定點解算所有監(jiān)測點的坐標(biāo)。但是在實際工作中，并不是每期觀測均能夠完整測量全部監(jiān)測點，施工圍擋的變化和施工機(jī)械的位置都會對測站視線造成影響，無法在一個固定測站上采集到所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)。

建議在半自動觀測模式下引入分組觀測的方式，當(dāng)無法在一個測站上完成本期觀測時，首先采集大部分監(jiān)測點數(shù)據(jù)作為第一組，然后移動測站，第二組觀測被遮擋的監(jiān)測點及部分第一組中的點位作為公共點，由于間隔時間極短，可以認(rèn)為在本期觀測內(nèi)公共點的位置是未發(fā)生變化的。同理可進(jìn)行第三組或更多組數(shù)的觀測，后期處理由軟件將所有分組數(shù)據(jù)合并進(jìn)行，以保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性。

4．成果輸出

變形監(jiān)測雖然作為一個多學(xué)科匯聚的專業(yè)，但在數(shù)據(jù)采集方面還是應(yīng)遵循測繪專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前的很多國產(chǎn)軟件只注重了最終成果的處理與輸出，而在各類原始記錄，如各測回邊長和角度數(shù)據(jù)的處理與輸出方面則未作要求，建議在軟件中設(shè)置相關(guān)記錄和輸出模塊，以便于人工檢查和驗證。

變形觀測采集的各點空間位置，目前大多數(shù)軟件只進(jìn)行單點的變化趨勢比較，點間相對關(guān)系和變化未作處理。因此，增加相關(guān)處理功能，可以對斷面收斂、差異沉降等變化值更好地進(jìn)行統(tǒng)計。

5．?dāng)?shù)據(jù)處理

在特殊情況下，測站會設(shè)置在變形區(qū)域，一般采用后方交會的方法進(jìn)行觀測，但是受交會角的影響較大，在通視困難，基準(zhǔn)點設(shè)置條件差，交會圖形不好時精度很難達(dá)到要求。目前有采用多臺儀器聯(lián)合作業(yè)的解決方案，但是工作量和成本均有增加，筆者嘗試改進(jìn)目前使用的后方交會算法，在實際工作中有較好效果，還需在理論上進(jìn)一步論證，也希望各位同行在這方面給出較好的解決方法。

四、工程實例

某基坑開挖面積6600 m2，深度11 m，其中一項監(jiān)測內(nèi)容為圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移，采用全站儀自動化監(jiān)測方式，監(jiān)測點使用小棱鏡固定在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，由于現(xiàn)場通視條件限制，測站只能布置在基坑周邊，處于不穩(wěn)定區(qū)域，因此在基坑影響范圍外的建筑物上布置4個棱鏡作為基準(zhǔn)點，采用后方交會法進(jìn)行觀測。所有觀測、計算及成果輸出均使用軟件自動進(jìn)行。

為驗證軟件處理成果，所有自動觀測數(shù)據(jù)均提取角度和邊長觀測數(shù)據(jù)，采用人工驗算方法進(jìn)行檢測。由于測站位于不穩(wěn)定區(qū)域，首先使用極坐標(biāo)法解算出所有基準(zhǔn)點和監(jiān)測點的假定坐標(biāo)，然后以基準(zhǔn)點作為公共點，以首期觀測值為基準(zhǔn)，采用六參數(shù)仿射變換法解算各監(jiān)測點坐標(biāo)，與自動化觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，符合情況良好。

1．基準(zhǔn)點問題

在該項目監(jiān)測中期，出現(xiàn)監(jiān)測點變形較大的情況，而根據(jù)現(xiàn)場巡視及施工現(xiàn)況，并無異常，采用人工驗算后發(fā)現(xiàn)六參數(shù)中的尺度因子較大，初步判斷應(yīng)是基準(zhǔn)點問題，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，其中一個基準(zhǔn)點被碰動，刪除該點后重新計算，監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常。

2．遮擋問題

隨著施工階段的進(jìn)行，各種施工機(jī)械和構(gòu)筑物對監(jiān)測點的影響非常大，初期一個測站即可對所有監(jiān)測點完成觀測，在施工中后期基本無法滿足該觀測條件，采用換站測量公共點，同時觀測被遮擋監(jiān)測點的方法，很好地解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性問題。

五、結(jié)束語

國內(nèi)的自動化監(jiān)測雖然起步較晚，但在最近10年來發(fā)展的步伐很快，與國際一流軟件的差距越來越小，且在用戶體驗方面有較大優(yōu)勢，隨著在工程實踐中不斷應(yīng)用與改進(jìn)，將在變形監(jiān)測工作中發(fā)揮更大的作用。

［1］ GB 50026—2007工程測量規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2002．

［2］ JGJ 8—2007建筑變形測量規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．