超站儀極坐標(biāo)法的運(yùn)用及其探討

何 誠(chéng),鞏垠熙,馮仲科,劉柯珍,袁進(jìn)軍

(1.北京林業(yè)大學(xué)測(cè)繪與 3S技術(shù)研究中心,北京 100083;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

超站儀極坐標(biāo)法的運(yùn)用及其探討

何 誠(chéng)1,鞏垠熙1,馮仲科1,劉柯珍2,袁進(jìn)軍1

(1.北京林業(yè)大學(xué)測(cè)繪與 3S技術(shù)研究中心,北京 100083;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

在顧及基坑工程的復(fù)雜性及施工過(guò)程中許多不可預(yù)見(jiàn)因素,以及極坐標(biāo)法測(cè)量誤差和控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差的綜合影響的基礎(chǔ)上,提出利用超站儀進(jìn)行水平位移觀測(cè)的超站儀極坐標(biāo)觀測(cè)法。根據(jù)不同的誤差來(lái)源,綜合主觀和客觀兩個(gè)方面選擇三類比較研究的方法,將超站儀極坐標(biāo)法與傳統(tǒng)極坐標(biāo)法進(jìn)行系統(tǒng)、全面的對(duì)比分析,論證超站儀極坐標(biāo)法的優(yōu)越性。本研究將超站儀極坐標(biāo)法應(yīng)用于平面位移監(jiān)測(cè),該方法可提高平面位移監(jiān)測(cè)的精度,加快平面位移監(jiān)測(cè)的效率,同時(shí)使得平面位移監(jiān)測(cè)更加可靠。

超站儀;極坐標(biāo)法;平面位移監(jiān)測(cè);精度分析

邊坡和環(huán)境的變形監(jiān)測(cè)已成為基坑施工工程的一項(xiàng)不可或缺的主要內(nèi)容,根據(jù)變形監(jiān)測(cè)可隨時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案,控制土體變形,做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供可靠保障,為施工工作的開(kāi)展及時(shí)提供反饋信息,以確定和優(yōu)化下一步的施工參數(shù)[1]。因傳統(tǒng)極坐標(biāo)觀測(cè)影響因數(shù)過(guò)多,所以嘗試把超站儀極坐標(biāo)法應(yīng)用于國(guó)內(nèi)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的平面位移監(jiān)測(cè)方面。

一、極坐標(biāo)法測(cè)量原理[2]

水平位移觀測(cè)方法有:視準(zhǔn)線法、測(cè)小角法、前方交會(huì)法、極坐標(biāo)法、方向線偏移法。極坐標(biāo)法是其中最常見(jiàn)的一種方法,其原理如圖 1所示。在已知點(diǎn) A安置儀器,后視另一已知點(diǎn) B,通過(guò)測(cè)量角度∠BAP以及 A點(diǎn)至 P點(diǎn)的距離 D,計(jì)算得出 P點(diǎn)的坐標(biāo)。設(shè) A點(diǎn)坐標(biāo)為 (XA,YA),A-B的方位角為αA-B,則 P點(diǎn)的坐標(biāo) (XP,YP)計(jì)算公式為

由全微分公式可得

方向水平位移中誤差計(jì)算公式為

式中,mD為測(cè)距中誤差 ;mβ為測(cè)角中誤差;αAB為 A到 B的方位角;ρ=206 265。

圖 1 極坐標(biāo)法

二、方法比較

1.傳統(tǒng)極坐標(biāo)法和超站儀極坐標(biāo)法測(cè)定待定點(diǎn)的比較

(1)基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)具體定位時(shí)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,并協(xié)同甲方及監(jiān)理單位,埋設(shè)在既不影響施工又便于保護(hù)、施測(cè)的位置,同時(shí)為了消除測(cè)站的對(duì)中誤差,根據(jù)地形情況,基準(zhǔn)點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中的觀測(cè)墩形式埋設(shè)。基坑邊的基準(zhǔn)點(diǎn)采用深埋式強(qiáng)制對(duì)中的觀測(cè)墩埋設(shè),詳見(jiàn)深埋式水準(zhǔn)點(diǎn)的埋設(shè);房頂?shù)幕鶞?zhǔn)點(diǎn)的埋設(shè)先在選定的樓板頂面打孔,然后放置鋼筋骨架后澆筑觀測(cè)墩。運(yùn)用 GPS衛(wèi)星接收機(jī)按一級(jí)平面控制網(wǎng)精度要求進(jìn)行測(cè)設(shè)。采用 GPS進(jìn)行常規(guī)靜態(tài)模式觀測(cè),觀測(cè)時(shí)間均大于 90 min[3]。超站儀的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、精密測(cè)角、精密測(cè)距數(shù)據(jù)一體化處理技術(shù),可以克服一般全站儀必須要安置在穩(wěn)定位置點(diǎn)上的約束,即使測(cè)站本身位置可能發(fā)生變化,也可以通過(guò)超站儀本身自帶的導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)精密測(cè)定其當(dāng)時(shí)的位置,從而消除測(cè)站本身位置不穩(wěn)定對(duì)全站儀自動(dòng)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。不需要任何控制點(diǎn)即可進(jìn)行快速測(cè)量,并且其精度達(dá)到要求。

(2)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)是固定在擬測(cè)構(gòu)筑物上的測(cè)量標(biāo)志,埋設(shè)位置應(yīng)保證施工期間和建筑物竣工后一段時(shí)期內(nèi)能順利進(jìn)行觀測(cè),并能正確反映構(gòu)筑物的沉降情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常采用直徑 16mm的鋼筋預(yù)制,一端刻有中心點(diǎn),并按設(shè)計(jì)圖紙的位置埋設(shè),周圍澆灌水泥砂漿固定。基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)好后,會(huì)同甲方、施工單位制定保護(hù)措施,明確施工單位的保護(hù)責(zé)任人,嚴(yán)防點(diǎn)位的碰動(dòng)和破壞。超站儀極坐標(biāo)法的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置埋設(shè)和通常的選點(diǎn)原則是一樣的,不同的是將直徑16mm帶螺紋的鋼筋上貼上微小反光片,以使超站儀的免棱鏡激光能打到上面,這樣可減少每次棱鏡安在鋼筋上因位移和角度所帶來(lái)的誤差。

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)檢測(cè)

采用經(jīng)檢定合格的全站儀,按照《建筑變形測(cè)量規(guī)程》(JGJ/T8—97)中一級(jí)變形觀測(cè)的技術(shù)要求 (變形點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為 ±1mm)進(jìn)行施測(cè) ,具體步驟如下:在基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)站,用極坐標(biāo)法測(cè)量各水平位移觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),由固定人員觀測(cè);準(zhǔn)確計(jì)算出各點(diǎn)的坐標(biāo),與第一次和上一次觀測(cè)的差值,即為該點(diǎn)的累計(jì)位移量和本次位移量。超站儀的 Smart Station在采用 ATR(自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn))技術(shù)的同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)在 360°全周范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行快速自動(dòng)搜索,采用了一項(xiàng)新的目標(biāo)搜索技術(shù),即 PS(power search)技術(shù)。直接運(yùn)用超站儀免棱鏡技術(shù)測(cè)出每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),在超站儀中編寫(xiě)軟件,記錄每次測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值相比較,以判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合預(yù)期要求,當(dāng)累計(jì)差值超過(guò)預(yù)測(cè)值時(shí)發(fā)出警報(bào),以規(guī)定自動(dòng)報(bào)警功能,并可隨時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案,控制土體變形,做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供了可靠保障[4-5]。

2.傳統(tǒng)極坐標(biāo)法精度影響因素

傳統(tǒng)極坐標(biāo)法精度影響因素有以下四種:①天氣、氣壓、溫度、自然環(huán)境等非人為因素;②架站點(diǎn)與后視基準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)中整平精度的影響:將棱鏡安裝到直徑 16 mm的預(yù)制鋼筋上時(shí)因與上次角度不完全相同而引起的誤差;③安裝到預(yù)制鋼筋上的棱鏡較大,測(cè)量時(shí)的瞄準(zhǔn)點(diǎn)不完全是棱鏡的中心點(diǎn);

④棱鏡常數(shù)引起的誤差。

三、實(shí)例分析

用超站儀測(cè)量技術(shù)進(jìn)行平面位移監(jiān)測(cè),精度一直是關(guān)注的焦點(diǎn)之一[6-7]。影響精度的因素除了與硬件有關(guān)之外,還與測(cè)點(diǎn)的量測(cè)精度、基準(zhǔn)點(diǎn)的精度和分布、數(shù)據(jù)處理方法等密切相關(guān)。就超站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行平面位移變形測(cè)量的數(shù)據(jù)處理方法而言,可歸納為兩大類:一是利用極坐標(biāo)法原理在現(xiàn)場(chǎng)采集方位角和距離利用平差軟件進(jìn)行計(jì)算;二是直接利用超站儀得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。用方法一進(jìn)行平面位移監(jiān)測(cè)會(huì)遇到三方面的干擾因素,首先,觀測(cè)人員肉眼的自主性對(duì)角度產(chǎn)生的影響很大;其次,由于施工場(chǎng)地的遮擋通常比較嚴(yán)重,而不能及時(shí)提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變數(shù)據(jù);最后,處理數(shù)據(jù)的過(guò)程煩瑣,無(wú)法及時(shí)得到監(jiān)測(cè)結(jié)果。而用方法二進(jìn)行平面位移監(jiān)測(cè),首先,測(cè)量過(guò)程中始終保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)的視角清晰,采用自動(dòng)搜索功能可以消除人為肉眼帶來(lái)誤差的影響;其次,通過(guò)編寫(xiě)軟件,記錄每次測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值相比較,以判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合預(yù)期要求,并且當(dāng)累計(jì)差值超過(guò)預(yù)測(cè)值時(shí)發(fā)出警報(bào),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)報(bào)警功能。

1.試驗(yàn)概況

試驗(yàn)區(qū)位于北京市亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),基坑的平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)為測(cè)邊網(wǎng)。網(wǎng)中 AP1—AP12號(hào)點(diǎn)為堤上工作基點(diǎn),處于基坑四周的圈梁上,其余各點(diǎn)均為岸上基準(zhǔn)點(diǎn)。由工程、水文地質(zhì)資料分析可知,岸上基準(zhǔn)點(diǎn)基本上是穩(wěn)定的。所以根據(jù)實(shí)際情況,以岸上 6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為擬穩(wěn)點(diǎn),用擬穩(wěn)平差法對(duì)該監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算并作擬穩(wěn)點(diǎn)點(diǎn)位的穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

具體觀測(cè)方法是:①采用 Topcon GTS602全站速測(cè)儀 (測(cè)角精度 ±1″,測(cè)距精度 ±(2mm+2×10-6D))按極坐標(biāo)方法施測(cè)。觀測(cè)同時(shí),量取測(cè)站附近溫度、氣壓,并置入全站儀對(duì)測(cè)量距離自動(dòng)改正。②采用南方 (SOUTH)超站儀 NTS-82(測(cè)角精度 ±2″,測(cè)距精度 ±(2mm+2×10-6D))按超站儀極坐標(biāo)法施測(cè)。選取離監(jiān)測(cè)點(diǎn)視角最好的位置架設(shè)超站儀,對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量,程序?qū)⒆詣?dòng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并與安全值進(jìn)行比較。

2.影響精度的試驗(yàn)

試驗(yàn)由以下幾部分組成:距離對(duì)平面位移監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的影響 (如表 1所示);不同觀測(cè)員對(duì)精度產(chǎn)生的影響 (如表 2所示)。

表 1 距離對(duì)平面位移監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的影響 mm

實(shí)踐證明單臺(tái)全站儀用于平面位移監(jiān)測(cè)受距離的影響很大。試驗(yàn)分析表明,一般觀測(cè)條件下,保證儀器精度的最佳觀測(cè)距離應(yīng)保持在 100 m以內(nèi),特殊觀測(cè)條件下,可以此為參考值作相應(yīng)調(diào)整,由于觀測(cè)條件復(fù)雜多變,調(diào)整的幅度有待進(jìn)一步研究。

表 2 人眼對(duì)精度的影響 m

觀測(cè)值變化對(duì)各點(diǎn)位移的影響分析[8]。

假定觀測(cè)值權(quán)陣 P=E,并令 (ATA)-=Q,則

由式 (1)可知,每一個(gè)邊長(zhǎng)變化值ΔLi對(duì)位移值分量ΔXs的影響。因此 , 各位移分量受ΔLi影響的差別來(lái)自Q陣元素 qsj,不同的 S有不同的 qsj。

四、結(jié) 論

1)極坐標(biāo)法是平面點(diǎn)位測(cè)設(shè)的方法之一,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,依據(jù)極坐標(biāo)法的原理又派生出不同的方法和技巧,使超站儀極坐標(biāo)法成為一種簡(jiǎn)單易行、可以靈活應(yīng)用的測(cè)設(shè)方法;將超站儀極坐標(biāo)法與傳統(tǒng)極坐標(biāo)法進(jìn)行系統(tǒng)、全面的分析,在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)了極坐標(biāo)法計(jì)算軟件,用于指導(dǎo)測(cè)量實(shí)際工作。將超站儀極坐標(biāo)法用于平面位移測(cè)量,大大加快了工程進(jìn)度。

2)變形測(cè)量是高精度測(cè)量,超站儀的無(wú)需控制點(diǎn)和自動(dòng)搜索目標(biāo)的功能,可以將儀器架設(shè)在與變形點(diǎn)視角最佳位置,以減少視覺(jué)誤差;超站儀的免棱鏡功能,可以將檢測(cè)點(diǎn)設(shè)為一個(gè)微小固定的反光點(diǎn),這樣可以減少安置棱鏡時(shí)所帶來(lái)的人為誤差和角度誤差。

3)在超站儀中編寫(xiě)軟件,記錄每次測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值相比較,以判斷前一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合預(yù)期要求,當(dāng)累計(jì)差值超過(guò)預(yù)測(cè)值時(shí)發(fā)出警報(bào),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)報(bào)警功能,并可隨時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案,控制土體變形,做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供可靠保障。

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TU196

B

2010-05-11

國(guó)家 863目標(biāo)導(dǎo)向精密光電角距測(cè)量定位關(guān)鍵技術(shù)及低成本智能化儀器研制(2009AA12Z327)

何 誠(chéng) (1985—),男,安徽馬鞍山人,博士生,主要從事 3S研究工作。