全站儀差分?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)在自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅 杰 王 永 楊雪峰

(1.武漢橋梁建筑工程監(jiān)理有限公司，湖北武漢 430000； 2.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東廣州 5114311；3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756)

1 概述

在特大型懸索橋上部構(gòu)造施工前，需要進(jìn)行索塔的靜態(tài)三維變形監(jiān)測(cè)。此外，在基準(zhǔn)索股[1]調(diào)索、一般索股架設(shè)和主梁吊裝，以及主鞍座的頂推施工過程中，均需要對(duì)懸索橋的兩個(gè)高大索塔進(jìn)行水平位移、塔頂高程和跨徑變化監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的全站儀人工測(cè)量方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、照準(zhǔn)精度差，需要人工定時(shí)量測(cè)溫度、氣壓等氣象參數(shù)，單向三角高程測(cè)量大氣折光影響顯著等缺點(diǎn)[2]。智能型全站儀(又稱為測(cè)量機(jī)器人)能夠定期對(duì)若干個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理[3]，具有遠(yuǎn)程在線控制、自動(dòng)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定期測(cè)量、自動(dòng)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、變形信息存儲(chǔ)與顯示、變形超限自動(dòng)預(yù)警等功能。但是，這種自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然具有軟件過于復(fù)雜，且集成和維護(hù)的成本較高等缺點(diǎn)[4-5]。

提出一種根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)間的已知距離和未加氣象改正的觀測(cè)距離間的差異，計(jì)算單位距離的氣象改正數(shù)，對(duì)測(cè)站至監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的觀測(cè)距離進(jìn)行氣象改正，即所謂的差分?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)，以達(dá)到不用溫度計(jì)、氣壓計(jì)也能夠?qū)θ魏螘r(shí)段的觀測(cè)距離進(jìn)行氣象改正的目的。此外，還可以對(duì)測(cè)站至觀測(cè)點(diǎn)間的單向高差和水平方向觀測(cè)值進(jìn)行差分改正計(jì)算，以達(dá)到減小誤差，提高外業(yè)觀測(cè)效率和精度的目的。

在特大型懸索橋基準(zhǔn)索股垂度測(cè)控與調(diào)索過程中，需要多次測(cè)量基準(zhǔn)索股兩個(gè)邊跨跨中和中跨跨中的垂度[6]。受客觀條件限制，只能采用基于智能型全站儀的單向三角高程測(cè)量方法[7-8]。此時(shí)，即可采用差分?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)，提高索股跨中垂直測(cè)量的精度。

以下詳細(xì)介紹智能型全站儀實(shí)時(shí)距離、水平方向和單向高差觀測(cè)值差分?jǐn)?shù)據(jù)處理的技術(shù)原理，以提高特大型懸索橋索塔自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)和基準(zhǔn)索股垂度測(cè)控的精度。對(duì)某監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的三維觀測(cè)值進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，并將處理后的結(jié)果與已知值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證差分?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)的可行性和實(shí)際精度。

2 技術(shù)原理

2.1 斜距觀測(cè)值的差分氣象改正

全站儀需要在不同的氣象條件下進(jìn)行距離測(cè)量，為了保證距離測(cè)量的精度，需要對(duì)所測(cè)的斜距進(jìn)行實(shí)時(shí)氣象改正[9-10]。通常采用干濕溫度計(jì)和氣壓計(jì)(在距離測(cè)量前)量測(cè)氣象條件元素，然后輸入到全站儀中[11]，達(dá)到對(duì)所測(cè)距離進(jìn)行氣象改正的目的。前已述及，這樣的氣象改正方式不適合在自動(dòng)化的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用。提出一種基于測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)間已知斜距與實(shí)測(cè)斜距間的差值，實(shí)時(shí)計(jì)算氣象差分改正數(shù)，繼而對(duì)所測(cè)的斜距進(jìn)行差分氣象改正，實(shí)現(xiàn)無需實(shí)時(shí)測(cè)定氣象條件元素也能夠進(jìn)行氣象改正的目的。

(1)

(2)

式中，Si為氣象改正前某點(diǎn)的斜距觀測(cè)值。

采用上述差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法，即使不用溫度計(jì)和氣壓計(jì)量測(cè)氣象條件元素，也能夠?qū)θ緝x觀測(cè)的斜距觀測(cè)值進(jìn)行氣象改正。

2.2 單向三角高差的差分球氣差改正

基于智能型全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程，是通過智能型全站儀單向三角高程的測(cè)量方法得到的[12]，其單向三角高差測(cè)量精度受到地球曲率和大氣折光的影響，若不對(duì)單向三角高差進(jìn)行差分球氣差改正[13]，測(cè)點(diǎn)的高程誤差達(dá)不到特大型懸索橋基準(zhǔn)索股跨中垂度測(cè)量的精度要求和特大型懸索橋索塔變形監(jiān)測(cè)的精度要求。

為消弱甚至消除地球曲率和大氣折光對(duì)單向三角高差的影響，可以利用各期測(cè)站點(diǎn)與后視點(diǎn)間實(shí)測(cè)單向三角高差與基準(zhǔn)網(wǎng)中高精度的基準(zhǔn)高差之差，求得地球曲率和大氣折光影響值的實(shí)時(shí)差分球氣差改正數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)單向三角高差的差分球氣差改正。

(3)

式中，SJ為測(cè)站點(diǎn)到后視點(diǎn)間的斜距。

(4)

從理論上講，測(cè)站點(diǎn)到任一監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的實(shí)測(cè)單向三角高差經(jīng)過式(3)和式(4)的球氣差差分改正后，基本上消除了球氣差對(duì)單向三角高差的影響，達(dá)到了提高單向三角高差測(cè)量精度的目的。

2.3 不同觀測(cè)周期間水平方向觀測(cè)值漂移的差分改正

(5)

(2)設(shè)該周期其他方向的水平方向觀測(cè)值為L(zhǎng)P，則經(jīng)水平方向差分改正后的水平方向觀測(cè)值為

(6)

任一周期任一方向的水平方向觀測(cè)值，經(jīng)過式(5)和式(6)的差分?jǐn)?shù)據(jù)處理后，就可以達(dá)到消除測(cè)站至基準(zhǔn)點(diǎn)(后視點(diǎn))間各個(gè)周期方向觀測(cè)值漂移和水平折光影響的目的。

3 差分?jǐn)?shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中智能型全站儀斜距、單向三角高差和水平方向觀測(cè)值差分?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)的可行性及其實(shí)際精度，在某三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)中選取了3個(gè)已知控制點(diǎn)，分別作為差分?jǐn)?shù)據(jù)處理測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的測(cè)站點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)(后視點(diǎn))和監(jiān)測(cè)點(diǎn)。三點(diǎn)位于同一測(cè)區(qū)，相互之間水平距離不超過1 km，氣候條件大致相同，所有控制點(diǎn)均采用觀測(cè)墩和強(qiáng)制對(duì)中裝置，可以排除全站儀和棱鏡對(duì)中誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在測(cè)站上分別對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了5組斜距、單向三角高差和水平方向觀測(cè)。第一組測(cè)量開始前，在全站儀內(nèi)輸入溫度為10 ℃、氣壓為1 000 hPa的氣象參數(shù)，之后每隔5 h左右進(jìn)行一組測(cè)量，后續(xù)的4組測(cè)量中不改變氣象參數(shù)。

5組未經(jīng)差分改正的斜距、單向三角高差和水平方向觀測(cè)值與其對(duì)應(yīng)的已知值間的較差，以及進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)處理后的斜距、單向三角高差和水平方向觀測(cè)值與其對(duì)應(yīng)的已知值間的較差如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維觀測(cè)值差分?jǐn)?shù)據(jù)處理前后與其已知值間的較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：測(cè)站點(diǎn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)的已知斜距為807.797 43 m；已知高差為-36.151 29 m；首期測(cè)量的測(cè)站點(diǎn)至后視點(diǎn)間起始邊水平方向觀測(cè)值為239°57′49.42″。

由表1可以看出，在差分改正前，測(cè)站至監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的5組實(shí)際觀測(cè)值(斜距、單向三角高差和水平方向)的誤差最大分別達(dá)到了58 mm、15 mm和8″，精度較差，而且呈現(xiàn)出系統(tǒng)性偏差；而經(jīng)差分改正后，所有斜距和單向三角高差的改正結(jié)果與已知值較差均小于1 mm，所有水平方向觀測(cè)值的改正結(jié)果與首期測(cè)量的水平方向較差均小于0.5″。可見，經(jīng)過差分改正后，全站儀三維觀測(cè)值的精度顯著提高。

4 結(jié)論

(1)通過測(cè)站至基準(zhǔn)點(diǎn)間已知距離和實(shí)測(cè)距離間的差值，對(duì)測(cè)站至觀測(cè)點(diǎn)間的觀測(cè)距離進(jìn)行差分氣象改正，可以達(dá)到無需測(cè)定氣象條件元素也能夠進(jìn)行氣象改正的目的。

(2)通過測(cè)站至基準(zhǔn)點(diǎn)間已知高差和單向?qū)崪y(cè)三角高差間的差值，對(duì)測(cè)站至觀測(cè)點(diǎn)間的單向三角高差進(jìn)行球氣差差分改正，可以達(dá)到無需進(jìn)行往返測(cè)也能夠消除地球曲率和大氣折光影響的目的。

(3)通過測(cè)站至基準(zhǔn)點(diǎn)間首期水平方向觀測(cè)值和以后各周期該方向水平方向觀測(cè)值間的差值，對(duì)以后各周期各個(gè)方向可能產(chǎn)生漂移的水平方向觀測(cè)值進(jìn)行差分改正，可以達(dá)到無需進(jìn)行人工干預(yù)也能夠消除測(cè)站至后視點(diǎn)間水平方向觀測(cè)值漂移影響的目的。

基于該研究成果的智能型全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在最近建成的虎門二橋特大型懸索橋建設(shè)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，效果良好。