全站儀自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)

谷 川 楊元偉

(1.上海市政工程設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備等組成。

棱鏡布設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)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(shù)和棱鏡開關(guān)技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)了多個棱鏡，儀器架設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)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(shù)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(shè)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(shè)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