應用GeoNMOS實現高效自由設站變形監測的方法研究

尚金光，莫春，羅國康，張獻州

(1.成都市勘察測繪研究院，四川成都 610081； 2.西南交通大學測繪工程系，四川成都 610031)

應用GeoNMOS實現高效自由設站變形監測的方法研究

尚金光1?，莫春2，羅國康1，張獻州2

(1.成都市勘察測繪研究院，四川成都 610081； 2.西南交通大學測繪工程系，四川成都 610031)

變形監測的特點是測點多、頻率高、周期長，因而改善某一個作業環節，對于長遠的周期性變形監測來說，都可能提高作業效率。網絡化移動勘測辦公系統(GeoNMOS)具有強大的內外業一體化功能，并在常規自由設站法變形監測的基礎上，改進了變形監測作業方法，降低了粗差出現的概率，提高了內外業工作效率。

GeoNMOS；變形監測；自由設站；高效

1 引 言

隨著測繪新儀器、新理論、新技術的不斷發展，對工程實施變形監測的方法也越來越多。諸如衛星定位、全站儀自動觀測、三維激光掃描、近景攝影測量等。但綜合考慮效率和成本，依托智能全站儀的邊角全測自動測量技術的實際應用更為普遍[1]。近幾年應用智能全站儀進行自由設站變形監測的方法受到測繪工作者的青睞。常規的自由設站變形監測方法，首先要學習目標點位，然后進行多測回觀測。考慮到很多工程體上點位分布密集，且有的時候多個測點分布在同一條直線上，容易記錯或輸錯點號。因而考慮盡量利用已知信息，設計自由設站變形監測新方法，少學習點位，減少外業輸入信息，降低出錯概率，提高作業效率。

圖1 GeoNMOS軟件系統結構

如圖1所示，GeoNMOS，全稱為網絡化移動勘測辦公系統，系西南交通大學地球科學與環境工程學院自主研發的工程測繪內外業一體化軟件。GeoNMOS設計為4個模塊，分別為測量數據勘測采集GeoNMOS_ Col(負責數據采集)、控制網設計與平差GeoNMOS_ Pro(負責數據處理)、控制網數據管理GeoNMOS_Man (負責數據管理)、變形分析評估GeoNMOS_Def(負責數據分析)。該系統已成功將測量機器人自動化外業數據采集與內業處理結合起來，實現了大型工程快速海量觀測與管理的內外業一體化。

2 自由設站變形監測新方法

2.1 利用首期觀測計算監測網三維坐標

變形監測網中的基準點、工作基點和監測點的位置一般都是固定的，他們各自代表著所在位置的空間幾何屬性，即所有點位的空間分布是相對確定的。因而，當獲取到監測網各點的三維近似坐標后，對監測網進行每一期的觀測，都是在這個固定的三維空間中進行的。當某個點位發生較大變動(至少分米級)或增加/減少點位時，則重新更新該監測網的三維坐標。獲取監測網三維近似坐標的方法一般都是通過首期觀測實現，即采用常規學習點位自由設站方法獲取外業數據，然后將觀測數據進行平面和高程整體三維平差(可只計算三維近似坐標)。也可以分別進行平面網平差和高程網平差。這樣的話，首期觀測完后，每個監測點和設站點都有了空間三維坐標。

推算監測網的三維近似坐標可通過極坐標法、空間后方交會、前方交會等方法來實現。如果想要得到更加準確的三維坐標，則可以通過平面高程整體三維平差的方法來實現。

2.2 自由設站在線解算自動周期監測

(1)固定設站

如果變形監測網每期的設站位置都是固定的，則可對各設站點進行標記，以后每期對中該點，形成固定設站。則每期測站點的坐標就和首期是相同的。此時只需要輸入儀器高，后視某個已知點(控制點或監測點)進行定向即可。由于測站點S(xS，yS，zS)和后視點B(xB，yB，zB)的坐標都在上節已計算出來，那么每個待測點P(xP，yP，zP)都可以自動放樣出來。原理如下:

首先計算測站點與后視點的方位角αSB。

同理可以計算測站點與待測點的方位角αSP。假設后視方向(定向角)為LSB，則測站點與待測點的盤左方向值LSP為:LSP=LSB+(αSP-αSB)

測站點與待測點的斜距SSP計算公式為:測站點與待測點的豎直角vSP計算公式為:

式中，hS為測站高，hB為覘標高。

有了待測點的盤左方向值、斜距和盤左天頂距，則給儀器輸入相應的指令，則儀器會自動尋找到目標點。

(2)自由設站

很多時候我們是完全自由設站，即每一期的測站點都是隨意的。這種情況下，測站點的坐標是未知的，此時可以通過學習兩個已知點來交會出測站位置。這里的已知點是指已知三維坐標的點位，既可以是控制點也可以是監測點。邊角后方交會的觀測值是邊長和角度，如圖2所示，通過測量A、B來求解測站S的近似坐標的計算原理如下[3]:

圖2 兩點交會示意圖

通過A、B兩點的坐標可以反算出AB的距離SAB和坐標方位角αAB。

又知SA和SB的夾角為:

α=LSB-LSA

然后通過余弦定理求解:

求AS的坐標方位角αAS時，需要判斷SA和SB的夾角α跟180°的關系。

①若α＜180°則:αAS=αAB-∠SAB

②若α＞180°則:αAS=αAB+∠SAB

則測站的三維近似坐標為:

3 GeoNMOS高效作業步驟

3.1 人工學習點位觀測首期

監測網的首期觀測，監測點的坐標是未知的，且已知點的高程也可能是未知的。因此，觀測首期監測網還是要采用常規的方法，通過學習目標點來確定目標點的位置。應用GeoNMOS實施常規自由設站觀測，與常見的自由設站采集軟件是相同的，需要將每個點進行逐個學習。

3.2 計算監測網三維近似坐標

GeoNMOS具有各種網形坐標計算的功能，可以計算GPS網、三維網、平面網以及高程網。將采集得到的觀測文件(?.DAT)導入軟件中，輸入已知點的三維坐標，即可解算出各點的三維坐標。倘若已知點的高程信息未知，則可將三維網拆分為平面網和高程網，平面網仍然通過輸入至少兩個已知點坐標(可假定)解算，高程網輸入至少一個高程已知點(可假定)即可推算出其他點的高程。將各點的平面坐標和高程坐標進行匹配，同樣可得出監測網三維坐標。

3.3 兩點交會設站自動觀測

將監測網的三維近似坐標導入到GeoNMOS的數據采集手簿中。架設好觀測站時，點擊“自由設站”，即可進入設站坐標解求界面，通過學習兩個目標點，即可完成設站點坐標解算和后視定向兩個步驟[4]。完成定向后，輸入本站的所有測點點號，GeoNMOS則根據點號匹配坐標，自動計算出所有測點的盤左方向、距離、和天頂距，即可完成本站觀測。

4 GeoNMOS應用實例

大慈寺文化商業綜合體商業及酒店、公寓項目地塊位于大慈寺南側，地塊將大慈寺寺院東、南、西三邊合抱。基坑現狀極不規整，場地內基坑周邊有5棟木結構古建筑，部分建筑三邊臨基坑。商業區基坑為東北、西南走向，基坑縱向最長距離約330 m，橫向最長距離約580 m，設計開挖深度最深處約15 m，基坑邊周長約2 400 m。

如圖3所示為大慈寺文化商業綜合體商業B區基坑測點埋設示意圖。

應用GeoNMOS前需將坐標文件和測站文件事先導入到項目文件中，方法如下:

圖3 大慈寺商業B區基坑監測點位埋設示意圖

坐標導入:基準點和監測點的三維坐標文件?. xyz，格式為“點名，縱坐標，橫坐標，高程＜回車換行＞”，如圖4所示。

圖4 導入監測點三維坐標

自由設站:將每一站的測點順序文件編輯成固定格式的文本，格式為“點名，目標高，棱鏡常數＜回車換行＞”，如圖5所示。特別注意，自由設站觀測方法為邊角全圓觀測，因此，測點文件中的測點盡量按順序編輯，使儀器盡量在同盤觀測時朝一個方向轉動，這既是精密測角的要求，也可以節省儀器搜索目標的時間。

圖5 導入測站XJ55處測點順序

基坑共埋設水平位移監測點86個，如果按照每站每次學習點位將耗費大量的時間，且容易出現粗差。而采用本文的作業方法，則大大提高了工作效率。目前，采用該方法較常規方法每期節約2 h。

5 結 語

通過論述全站儀邊角同測自由設站自動監測的高效作業原理，結合科研生產軟件GeoNMOS，給出了這種內外業一體化的高效作業模式，大大提高了外業工作效率。通過實例驗證了該方法以及運用GeoNMOS可以實現高效地進行變形監測的目的。

[1] 尚金光.基于物聯網模式的隧道變形監測預警系統研究[D].成都:西南交通大學，2012，6.

[2] 潘正風，程效軍，成樞等.數字測圖原理與方法[M].武漢:武漢大學出版社，2004:195～203.

[3] 付仁俊，曹伶俐，張齊勇.無砟軌道鋪軌控制測量PCP控制點坐標解算方法的研究[J].測繪與空間地理信息，2010，33(3).

[4] 羅文彬，張獻州.基于PDA的線路橫斷面內外業一體化測繪系統的設計[J].測繪通報，2008，1.

Research of High-efficiency Free Station Deformation M ethod by the GeoNMOS Software

Shang Jinguang1，Mo Chun2，Luo Guokang1，Zhang Xianzhou2
(1.Chengdu Institute of Surveying and Mapping Survey，Chengdu 610081，China；2.Department of Surveying Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The charcteristics of deformation monitoring are lots of points，high frequncy，and long period，so improve some subtle link may enhance the efficiency for such long peroid deformation.Geodesy network mobile office system，called GeoNMOS，has powerful indoor and field work function and improve the free station deformation method based on ordinary free station deformation method.Therefore，this new method can reduce the gross error probability and enhance work efficiency，thus it’sworthy for large engineering projects.

GeoNMOS；deformation；free station；high-efficiency

1672-8262(2013)05-116-03

P258

B

2013—04—01

尚金光(1987—)，男，助理工程師，主要從事精密測量與信息化測繪應用。

西南交通大學校級專題研究項目資助(SWJTU10ZT02)