基于數(shù)字水準(zhǔn)儀的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)研制

張士勇，鄒進(jìn)貴，2

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079)

沉降監(jiān)測(cè)的目的是通過對(duì)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、處理、分析，找出變形體的變化規(guī)律并預(yù)測(cè)今后的變化趨勢(shì)，以便最大減少經(jīng)濟(jì)損失。沉降的核心是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的后期處理，其理論方法有關(guān)方面已經(jīng)作了大量的研究。由于數(shù)字水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)是自動(dòng)存儲(chǔ)，沉降監(jiān)測(cè)需要的又是多期觀測(cè)數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取和管理并保存歷史資料，對(duì)變形分析有重要意見。

一、數(shù)字水準(zhǔn)儀內(nèi)存記錄數(shù)據(jù)格式

數(shù)字水準(zhǔn)儀又稱電子水準(zhǔn)儀，以自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測(cè)器(CCD)，并采用條碼標(biāo)尺和圖像處理電子系統(tǒng)構(gòu)成的光機(jī)電測(cè)一體化的高科技產(chǎn)品。數(shù)字水準(zhǔn)儀以其精度高(標(biāo)稱精度有 0.3～1.5 mm/km 不等)，數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)自動(dòng)化，操作方便、簡(jiǎn)單，讀數(shù)客觀，減少了人為誤差，成果精度穩(wěn)定可靠，便于與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了人工記錄的誤差，同時(shí)也提高了觀測(cè)速度和效率，節(jié)省了人力物力。

目前，國(guó)內(nèi)常用的數(shù)字水準(zhǔn)儀包徠卡、天寶、索佳等，各類型的水準(zhǔn)儀內(nèi)存記錄的原始數(shù)據(jù)格式也大相徑庭。由于觀測(cè)順序不同，生成的手簿也會(huì)存在差異，因此有必要了解不同水準(zhǔn)儀的原始數(shù)據(jù)格式，為數(shù)據(jù)的提取作準(zhǔn)備。以天寶DINI03為例如圖1所示，說明如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。

圖1 DINI03原始數(shù)據(jù)格式

1)測(cè)段提取。逐行讀取數(shù)據(jù)，測(cè)段之間以“Start-Line”為測(cè)段的起始標(biāo)識(shí)符，以“End-Line”為結(jié)束標(biāo)識(shí)符。提出所有測(cè)段，測(cè)段中有效數(shù)據(jù)不足4行的舍去。

2)測(cè)站提取。首先排除點(diǎn)號(hào)后面有“####”標(biāo)識(shí)的無效數(shù)據(jù)，每4行為一個(gè)測(cè)站的信息，依次提取水準(zhǔn)點(diǎn)號(hào)、視距和中絲讀數(shù)信息，根據(jù)Rb和Rf的信息記錄下測(cè)量模式。

3)成果保存。一個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)提取完成后，要將數(shù)據(jù)以系統(tǒng)能夠處理的標(biāo)準(zhǔn)格式輸出。根據(jù)軟件特點(diǎn)，筆者規(guī)定如果提取的是水準(zhǔn)點(diǎn)名，則存入點(diǎn)名;如果是轉(zhuǎn)點(diǎn)，則正在文件中用“-1”表示點(diǎn)名。根據(jù)測(cè)量模式的不同，調(diào)整寫入文件的順序，統(tǒng)一按照后視距、后中絲讀數(shù)、前視距、前中絲讀數(shù)，前視距、前中絲讀數(shù)、后視距、后中絲讀數(shù)的順序?qū)懙捷敵鑫募校４鏋镚SO文件，如圖2所示。

圖2 GSO數(shù)據(jù)格式

二、沉降監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法

為了監(jiān)測(cè)建筑物的垂直位移，需對(duì)布設(shè)的水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行多期重復(fù)觀測(cè)，將各期水準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)平差處理，求出每期的水準(zhǔn)值，分析基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性，沉降分析與預(yù)報(bào)。

1.數(shù)據(jù)平差處理

數(shù)據(jù)的平差處理通常有3種平差基準(zhǔn):固定基準(zhǔn)、重心基準(zhǔn)和擬穩(wěn)基準(zhǔn)，相應(yīng)的平差方法為:經(jīng)典自由網(wǎng)平差、秩虧自由網(wǎng)平差和擬穩(wěn)平差［1］。

自由網(wǎng)中存在固定水準(zhǔn)基點(diǎn)的，采用固定基準(zhǔn)最好，相應(yīng)的采用經(jīng)典自由網(wǎng)平差;若監(jiān)測(cè)網(wǎng)中沒有固定不變的基準(zhǔn)點(diǎn)，而所有點(diǎn)是等概率變形的，可以采用重心基準(zhǔn)，相應(yīng)的采用秩虧自由網(wǎng);如果自由網(wǎng)中存在著一部分點(diǎn)相對(duì)另一部分是穩(wěn)定的，但事實(shí)上又不確定是否為固定不變的，可以采用擬穩(wěn)基準(zhǔn)，相應(yīng)的采用擬穩(wěn)平差。在實(shí)際平差時(shí)，應(yīng)根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)，正確地選擇與實(shí)際情況附和的基準(zhǔn)，從而選擇相應(yīng)的平差方法。

2.基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性分析

沉降布設(shè)的水準(zhǔn)網(wǎng)由水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作基點(diǎn)構(gòu)成。水準(zhǔn)基點(diǎn)一般布設(shè)在離建筑物較遠(yuǎn)的固定體上，引起基點(diǎn)的升降可能是由于隨機(jī)誤差的干擾，也有可能是點(diǎn)位確實(shí)存在位移。因此，有必要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性檢驗(yàn)，只有檢驗(yàn)合格的數(shù)據(jù)，才能用來作變形分析。監(jiān)測(cè)網(wǎng)穩(wěn)定性分析有限差檢驗(yàn)法、平均間隙法、單點(diǎn)位移分量法(T分布檢驗(yàn)法)［2］。

1)限差法:兩期或者多期平差計(jì)算所得的高程基準(zhǔn)均值或均方差，應(yīng)小于中誤差的t倍。因此，可以根據(jù)兩期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的高程點(diǎn)變化量來分析點(diǎn)位的穩(wěn)定性。

2)平均間隙法:利用F分布對(duì)整個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行整體性檢驗(yàn)，判斷整個(gè)網(wǎng)的穩(wěn)定性。若不顯著，則基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定;若顯著則可采用單點(diǎn)位移分量法對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)的基點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)檢驗(yàn)，找到不穩(wěn)定的工作基點(diǎn)。

3)單點(diǎn)位移分量法:在采用平均間隙法檢驗(yàn)后，對(duì)結(jié)果顯著的情況下采用T分步進(jìn)行逐點(diǎn)檢驗(yàn)。使用該方法的前提是兩期觀測(cè)數(shù)據(jù)是在同一精度條件下進(jìn)行的。

3.沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與預(yù)報(bào)

沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析是對(duì)沉降點(diǎn)和沉降區(qū)段的沉降過程、沉降速率、沉降量、累計(jì)沉降量進(jìn)行分析，通過繪制沉降過程線直觀展示沉降過程。

三、沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和高效性，增加數(shù)據(jù)管理的有效性以及數(shù)據(jù)成果輸出的快捷性，提高水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理的工作效率，筆者以Windows為操作平臺(tái)、應(yīng)用Visual C++等語(yǔ)言開發(fā)了沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和分析系統(tǒng)兩大部分組成，兩系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)引擎(DAO)有機(jī)地結(jié)合在一起。沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、生成報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、變形分析6個(gè)功能模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.數(shù)據(jù)預(yù)處理功能

1)數(shù)據(jù)提取:從儀器的原始記錄文件中進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)站和測(cè)段的數(shù)據(jù)提取，系統(tǒng)針對(duì)幾中常用的水準(zhǔn)儀型號(hào)，分別實(shí)現(xiàn)了由原始數(shù)據(jù)向目標(biāo)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，用戶只需得到合格的原始數(shù)據(jù)，既能自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)的GSO文件供平差處理。

2)數(shù)據(jù)輸入:通過穩(wěn)定性檢驗(yàn)后的基準(zhǔn)點(diǎn)可以直接輸入到文件中，作為平差基準(zhǔn)處理;一直測(cè)段高差，可以輸入高差值作為平差基準(zhǔn)。

3)數(shù)據(jù)處理:分為平差準(zhǔn)備和平差處理兩個(gè)模塊。平差準(zhǔn)備即將已知的高程點(diǎn)或者高程差與提取后的水準(zhǔn)觀測(cè)文件計(jì)算生成如下的*.in1數(shù)據(jù)格式。

已知點(diǎn)，高程

…

起點(diǎn)，終點(diǎn)，高差，距離，(測(cè)站數(shù))

…

注:距離單位為km測(cè)站數(shù)為可選項(xiàng)

In1格式的文件中包含了已知基準(zhǔn)點(diǎn)的信息和水準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)距及測(cè)站的信息，平差計(jì)算可以據(jù)此選擇按測(cè)站或測(cè)距的方式定權(quán)，生成相應(yīng)的平差報(bào)告。

4)生成報(bào)表:根據(jù)水準(zhǔn)觀測(cè)文件按照手簿書寫的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)輸出Excel和txt格式的水準(zhǔn)手簿;平差處理后自動(dòng)生成包含測(cè)段距離和權(quán)值、各點(diǎn)平差后的高程及中誤差、平差后的高差值及改正數(shù)、單位權(quán)中誤差、路線長(zhǎng)度、測(cè)站及測(cè)段數(shù)的信息。通過平差報(bào)告，各點(diǎn)的精度信息一目了然。

2.數(shù)據(jù)庫(kù)管理

為解決沉降監(jiān)測(cè)中海量數(shù)據(jù)的管理問題，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。系統(tǒng)采用MS SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，以GSQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立包括Excel表格的讀取、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等模塊。

經(jīng)過平差處理后的數(shù)據(jù)，檢查合格后，可以將成果進(jìn)行入庫(kù)，為后期的變形分析提供正確的數(shù)據(jù)。成果入庫(kù)后可以實(shí)現(xiàn)成果查詢功能。成果查詢功能主要是方便對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存放的高程數(shù)據(jù)成果進(jìn)行相關(guān)的查詢和報(bào)表輸出工作，可以按照點(diǎn)號(hào)查詢?cè)擖c(diǎn)多期的高程成果，也可以按期數(shù)查詢本期各個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程成果。系統(tǒng)為查詢結(jié)果提供了多種輸出功能，可以打印，另存為txt文件或?qū)С鰹镋xcel文件。

3.沉降分析

沉降分析主要通過圖表的方式對(duì)沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行直觀的分析，以了解沉降過程、沉降速率及沉降趨勢(shì)。為了利用沉降監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行變形分析，本系統(tǒng)設(shè)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(diǎn)，形式靈活，能正確預(yù)測(cè)每點(diǎn)的沉降趨勢(shì)。

4.系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)以某地水電站大壩二等水準(zhǔn)測(cè)量為例，用來說明該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況:①將各期數(shù)據(jù)提取后，輸入已知基準(zhǔn)，平差得到各期數(shù)據(jù)的高程值;②平差后的結(jié)果入庫(kù)，將各期數(shù)據(jù)以沉降曲線的形式展示如圖4所示。

四、總 結(jié)

通過對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析，得出以下結(jié)論。

圖4 變形曲線

1)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各項(xiàng)處理的系統(tǒng)，系統(tǒng)的使用大大縮短了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的過程，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化。利用該程序處理數(shù)據(jù)，即節(jié)省了大量時(shí)間，又減少了內(nèi)業(yè)工作量和錯(cuò)誤出現(xiàn)幾率，大大提高了效率。

2)針對(duì)不同格式的原始數(shù)據(jù)，軟件能夠進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)生成測(cè)量成果。

3)軟件實(shí)現(xiàn)了一鍵輸出測(cè)量成果數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了從原始數(shù)據(jù)到成果文件的自動(dòng)化處理，大大提高了數(shù)字水準(zhǔn)內(nèi)業(yè)處理的效率和準(zhǔn)確性，并在實(shí)際工程中得到很好的應(yīng)用。

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