自動化監測軟件的思考與建議

宋 軍

(深圳市建設綜合勘察設計院有限公司，廣東 深圳518000)

一、引 言

20世紀80年代，測量機器人的出現給數據采集及處理方式帶來了革命性的變化，特別是在變形監測領域，由于存在大量的重復觀測，測量機器人的應用極大地提高了作業效率和數據精度，減輕了測繪人員的勞動強度。

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

二、系統現狀

測量機器人是在全站儀的基礎上集成驅動馬達、CCD傳感器、激光及人工智能技術，通過CCD傳感器識別目標并對接收的電磁波強度進行探測判斷，計算機控制驅動馬達實現目標的自動識別和精確照準，自動采集和記錄測量數據。測量機器人自動監測系統由硬件系統和軟件系統組成。

1．硬件系統

硬件系統由3部分組成:①測站:當采用無人值守自動化模式時，測站由測量機器人、觀測墩、通信模塊、供電系統及氣象數據采集系統組成，部分特殊區域如軌道交通運營線路，還有震動探測控制系統，半自動觀測模式則不需要供電及通信模塊;②基準點:也稱參考點，設置在變形區域外的穩固處，作為監測系統的方位參考或為數據處理時的距離及高差差分提供計算基準，一般在3個以上;③監測點:監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

軟件系統主要由3部分組成:①數據采集控制:通過學習測量確定觀測點位，設置各項觀測限差和測回數，自動觀測時間控制;②數據處理分析:數據平差處理，繪制圖表及曲線，分析及預估;③信息發布傳輸:向測量機器人發布采集指令，接收數據，將數據處理成果傳輸給指定位置。

3．系統特點

目前的軟件系統按照載體不同有兩種形式:①分離式系統:測量機器人安裝機載數據采集控制系統，計算機安裝后處理系統，兩者既可通過網絡連接進行實時化監測，也可單獨采集數據，下載到計算機中進行后處理;②一體化系統:所有軟件模塊均安裝在計算機上，網絡遠程控制測量機器人，采集數據并傳輸到計算機中，實時處理。

國內軟件主要研發方向在于數據采集控制方式和數據處理形式，而數據采集精度受制于硬件系統，只能在抗干擾方面進行改進，如加裝震動探測器，在外部震動強烈時控制儀器暫停測量;氣象數據采集器，可以將采集的氣象數據傳輸到軟件中，實時改正邊長測量值。

三、改進方向

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

1．初始值

按照相關測量規范，初始值應該采集兩次，未超限的情況下取其平均值作為初始值。在實際工作中，由于工程施工環境復雜，監測點損毀的情況時有發生，在及時補點的同時，需要在學習測量的環節中加入新增點位，同時在數據庫中應將該點損毀前的累積變化值與新增點位初始值疊加，以保證數據的連續性。

2．基準點

在每期測量后，首先應該對基準點的穩定性作出評價，即對基準點間的空間相對關系與初始值進行比較，判斷各基準點是否穩定可靠。若有基準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，應自動報警由人工進行處理，在解算監測點坐標數據時屏蔽該基準點(本次測量誤差造成超限)，或賦予該點新值(點位發生位移造成超限)，避免將基準點的粗差帶入監測點數據中，以保證監測數據的準確性。

3．采集控制

自動化監測軟件的工作模式一般是每期對基準點和監測點全部觀測后，以基準點為固定點解算所有監測點的坐標。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測點，施工圍擋的變化和施工機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測點數據。

建議在半自動觀測模式下引入分組觀測的方式，當無法在一個測站上完成本期觀測時，首先采集大部分監測點數據作為第一組，然后移動測站，第二組觀測被遮擋的監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，可以認為在本期觀測內公共點的位置是未發生變化的。同理可進行第三組或更多組數的觀測，后期處理由軟件將所有分組數據合并進行，以保持監測數據的完整性。

4．成果輸出

變形監測雖然作為一個多學科匯聚的專業，但在數據采集方面還是應遵循測繪專業標準。目前的很多國產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據的處理與輸出方面則未作要求，建議在軟件中設置相關記錄和輸出模塊，以便于人工檢查和驗證。

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

5．數據處理

在特殊情況下，測站會設置在變形區域，一般采用后方交會的方法進行觀測，但是受交會角的影響較大，在通視困難，基準點設置條件差，交會圖形不好時精度很難達到要求。目前有采用多臺儀器聯合作業的解決方案，但是工作量和成本均有增加，筆者嘗試改進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，其中一項監測內容為圍護結構頂部位移，采用全站儀自動化監測方式，監測點使用小棱鏡固定在圍護結構頂部，由于現場通視條件限制，測站只能布置在基坑周邊，處于不穩定區域，因此在基坑影響范圍外的建筑物上布置4個棱鏡作為基準點，采用后方交會法進行觀測。所有觀測、計算及成果輸出均使用軟件自動進行。

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

1．基準點問題

在該項目監測中期，出現監測點變形較大的情況，而根據現場巡視及施工現況，并無異常，采用人工驗算后發現六參數中的尺度因子較大，初步判斷應是基準點問題，經過現場踏勘，其中一個基準點被碰動，刪除該點后重新計算，監測點數據正常。

2．遮擋問題

隨著施工階段的進行，各種施工機械和構筑物對監測點的影響非常大，初期一個測站即可對所有監測點完成觀測，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，同時觀測被遮擋監測點的方法，很好地解決了監測數據的連續性問題。

五、結束語

國內的自動化監測雖然起步較晚，但在最近10年來發展的步伐很快，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勢，隨著在工程實踐中不斷應用與改進，將在變形監測工作中發揮更大的作用。

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

［2］ JGJ 8—2007建筑變形測量規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2007．