基于數字水準儀的沉降監測數據處理與分析系統研制

張士勇，鄒進貴，2

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北武漢430079)

沉降監測的目的是通過對觀測到的數據進行整理、處理、分析，找出變形體的變化規律并預測今后的變化趨勢，以便最大減少經濟損失。沉降的核心是對觀測數據的后期處理，其理論方法有關方面已經作了大量的研究。由于數字水準儀數據是自動存儲，沉降監測需要的又是多期觀測數據，如何實現數據的自動提取和管理并保存歷史資料，對變形分析有重要意見。

一、數字水準儀內存記錄數據格式

數字水準儀又稱電子水準儀，以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD)，并采用條碼標尺和圖像處理電子系統構成的光機電測一體化的高科技產品。數字水準儀以其精度高(標稱精度有 0.3～1.5 mm/km 不等)，數據的讀取、存儲自動化，操作方便、簡單，讀數客觀，減少了人為誤差，成果精度穩定可靠，便于與電腦進行數據傳輸的優點，大大減輕了勞動強度，避免了人工記錄的誤差，同時也提高了觀測速度和效率，節省了人力物力。

目前，國內常用的數字水準儀包徠卡、天寶、索佳等，各類型的水準儀內存記錄的原始數據格式也大相徑庭。由于觀測順序不同，生成的手簿也會存在差異，因此有必要了解不同水準儀的原始數據格式，為數據的提取作準備。以天寶DINI03為例如圖1所示，說明如何進行數據的格式轉換。

圖1 DINI03原始數據格式

1)測段提取。逐行讀取數據，測段之間以“Start-Line”為測段的起始標識符，以“End-Line”為結束標識符。提出所有測段，測段中有效數據不足4行的舍去。

2)測站提取。首先排除點號后面有“####”標識的無效數據，每4行為一個測站的信息，依次提取水準點號、視距和中絲讀數信息，根據Rb和Rf的信息記錄下測量模式。

3)成果保存。一個測站的數據提取完成后，要將數據以系統能夠處理的標準格式輸出。根據軟件特點，筆者規定如果提取的是水準點名，則存入點名;如果是轉點，則正在文件中用“-1”表示點名。根據測量模式的不同，調整寫入文件的順序，統一按照后視距、后中絲讀數、前視距、前中絲讀數，前視距、前中絲讀數、后視距、后中絲讀數的順序寫到輸出文件中，保存為GSO文件，如圖2所示。

圖2 GSO數據格式

二、沉降監測的數據處理方法

為了監測建筑物的垂直位移，需對布設的水準網進行多期重復觀測，將各期水準網數據平差處理，求出每期的水準值，分析基準網的穩定性，沉降分析與預報。

1.數據平差處理

數據的平差處理通常有3種平差基準:固定基準、重心基準和擬穩基準，相應的平差方法為:經典自由網平差、秩虧自由網平差和擬穩平差［1］。

自由網中存在固定水準基點的，采用固定基準最好，相應的采用經典自由網平差;若監測網中沒有固定不變的基準點，而所有點是等概率變形的，可以采用重心基準，相應的采用秩虧自由網;如果自由網中存在著一部分點相對另一部分是穩定的，但事實上又不確定是否為固定不變的，可以采用擬穩基準，相應的采用擬穩平差。在實際平差時，應根據對象的特點，正確地選擇與實際情況附和的基準，從而選擇相應的平差方法。

2.基準網的穩定性分析

沉降布設的水準網由水準基點和工作基點構成。水準基點一般布設在離建筑物較遠的固定體上，引起基點的升降可能是由于隨機誤差的干擾，也有可能是點位確實存在位移。因此，有必要對監測數據進行基準網的穩定性檢驗，只有檢驗合格的數據，才能用來作變形分析。監測網穩定性分析有限差檢驗法、平均間隙法、單點位移分量法(T分布檢驗法)［2］。

1)限差法:兩期或者多期平差計算所得的高程基準均值或均方差，應小于中誤差的t倍。因此，可以根據兩期數據監測的高程點變化量來分析點位的穩定性。

2)平均間隙法:利用F分布對整個基準網進行整體性檢驗，判斷整個網的穩定性。若不顯著，則基準網穩定;若顯著則可采用單點位移分量法對基準網的基點進行逐個檢驗，找到不穩定的工作基點。

3)單點位移分量法:在采用平均間隙法檢驗后，對結果顯著的情況下采用T分步進行逐點檢驗。使用該方法的前提是兩期觀測數據是在同一精度條件下進行的。

3.沉降監測數據分析與預報

沉降監測數據分析是對沉降點和沉降區段的沉降過程、沉降速率、沉降量、累計沉降量進行分析，通過繪制沉降過程線直觀展示沉降過程。

三、沉降監測系統設計與實現

為了提高數據處理的準確性和高效性，增加數據管理的有效性以及數據成果輸出的快捷性，提高水準數據處理的工作效率，筆者以Windows為操作平臺、應用Visual C++等語言開發了沉降監測數據處理與分析系統，該系統由數據處理系統和分析系統兩大部分組成，兩系統通過數據庫引擎(DAO)有機地結合在一起。沉降監測數據處理與分析系統主要包括數據提取、數據輸入、數據處理、生成報表、數據庫管理、變形分析6個功能模塊，系統結構如圖3所示。

圖3 系統結構

1.數據預處理功能

1)數據提取:從儀器的原始記錄文件中進行水準測站和測段的數據提取，系統針對幾中常用的水準儀型號，分別實現了由原始數據向目標數據的格式轉換，用戶只需得到合格的原始數據，既能自動生成標準的GSO文件供平差處理。

2)數據輸入:通過穩定性檢驗后的基準點可以直接輸入到文件中，作為平差基準處理;一直測段高差，可以輸入高差值作為平差基準。

3)數據處理:分為平差準備和平差處理兩個模塊。平差準備即將已知的高程點或者高程差與提取后的水準觀測文件計算生成如下的*.in1數據格式。

已知點，高程

…

起點，終點，高差，距離，(測站數)

…

注:距離單位為km測站數為可選項

In1格式的文件中包含了已知基準點的信息和水準點的測距及測站的信息，平差計算可以據此選擇按測站或測距的方式定權，生成相應的平差報告。

4)生成報表:根據水準觀測文件按照手簿書寫的標準自動輸出Excel和txt格式的水準手簿;平差處理后自動生成包含測段距離和權值、各點平差后的高程及中誤差、平差后的高差值及改正數、單位權中誤差、路線長度、測站及測段數的信息。通過平差報告，各點的精度信息一目了然。

2.數據庫管理

為解決沉降監測中海量數據的管理問題，系統采用數據庫技術對數據進行管理。系統采用MS SQL Server數據庫，以GSQL作為數據庫管理平臺。數據庫的建立包括Excel表格的讀取、數據管理、數據庫查詢、數據導出等模塊。

經過平差處理后的數據，檢查合格后，可以將成果進行入庫，為后期的變形分析提供正確的數據。成果入庫后可以實現成果查詢功能。成果查詢功能主要是方便對數據庫中已經存放的高程數據成果進行相關的查詢和報表輸出工作，可以按照點號查詢該點多期的高程成果，也可以按期數查詢本期各個沉降監測點的高程成果。系統為查詢結果提供了多種輸出功能，可以打印，另存為txt文件或導出為Excel文件。

3.沉降分析

沉降分析主要通過圖表的方式對沉降觀測點進行直觀的分析，以了解沉降過程、沉降速率及沉降趨勢。為了利用沉降監測成果進行變形分析，本系統設置了兩種分析方式:一種是沉降表格，另一種是沉降曲線。沉降曲線可以選擇不同沉降點，形式靈活，能正確預測每點的沉降趨勢。

4.系統的應用

現以某地水電站大壩二等水準測量為例，用來說明該系統的實際應用情況:①將各期數據提取后，輸入已知基準，平差得到各期數據的高程值;②平差后的結果入庫，將各期數據以沉降曲線的形式展示如圖4所示。

四、總 結

通過對數字水準儀的沉降監測數據處理與分析，得出以下結論。

圖4 變形曲線

1)沉降監測數據管理與分析系統是以數據庫為核心進行監測數據各項處理的系統，系統的使用大大縮短了監測數據處理的過程，實現了內外業數據處理一體化。利用該程序處理數據，即節省了大量時間，又減少了內業工作量和錯誤出現幾率，大大提高了效率。

2)針對不同格式的原始數據，軟件能夠進行相應的數據處理，自動生成測量成果。

3)軟件實現了一鍵輸出測量成果數據，實現了從原始數據到成果文件的自動化處理，大大提高了數字水準內業處理的效率和準確性，并在實際工程中得到很好的應用。

［1］黃聲享，尹輝.變形監測數據處理［M］.武漢:武漢大學出版社，2004.

［2］黃騰，孫景領，陶建岳，等.地鐵隧道結構沉降監測及分析［J］.東南大學學報:自然科學版，2006(2):262-266.

［3］王海城，鄒進貴，劉琦.DINI12電子水準儀記錄數據標準化處理方法［J］.地理空間信息，2007，5(5):111-113.

［4］韋國和，李應超，高建盡，等.基于徠卡 DNA03水準儀數據預處理程序設計［J］.中國新技術新產品，2010(19):37-37.

［5］汪平，孫雪潔，許家琨，等.基于Visual Basic實現徠卡DNA03電子水準儀數據處理［J］.海洋測繪，2013，33(6):56-58.

［6］鄒進貴，余銳，紀志剛.DINI03數字水準儀內存記錄數據轉換方法研究［J］.測繪地理信息，2013，38(4):16-17.