全站儀差分數據處理技術在自動化變形監測系統中的應用

羅 杰 王 永 楊雪峰

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

1 概述

在特大型懸索橋上部構造施工前，需要進行索塔的靜態三維變形監測。此外，在基準索股[1]調索、一般索股架設和主梁吊裝，以及主鞍座的頂推施工過程中，均需要對懸索橋的兩個高大索塔進行水平位移、塔頂高程和跨徑變化監測。傳統的全站儀人工測量方法存在勞動強度大、效率低、照準精度差，需要人工定時量測溫度、氣壓等氣象參數，單向三角高程測量大氣折光影響顯著等缺點[2]。智能型全站儀(又稱為測量機器人)能夠定期對若干個觀測點進行自動觀測與數據處理[3]，具有遠程在線控制、自動對多個監測點進行定期測量、自動存儲、數據處理、變形信息存儲與顯示、變形超限自動預警等功能。但是，這種自動化變形監測系統仍然具有軟件過于復雜，且集成和維護的成本較高等缺點[4-5]。

提出一種根據基準點間的已知距離和未加氣象改正的觀測距離間的差異，計算單位距離的氣象改正數，對測站至監測點間的觀測距離進行氣象改正，即所謂的差分數據處理技術，以達到不用溫度計、氣壓計也能夠對任何時段的觀測距離進行氣象改正的目的。此外，還可以對測站至觀測點間的單向高差和水平方向觀測值進行差分改正計算，以達到減小誤差，提高外業觀測效率和精度的目的。

在特大型懸索橋基準索股垂度測控與調索過程中，需要多次測量基準索股兩個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量方法[7-8]。此時，即可采用差分數據處理技術，提高索股跨中垂直測量的精度。

以下詳細介紹智能型全站儀實時距離、水平方向和單向高差觀測值差分數據處理的技術原理，以提高特大型懸索橋索塔自動化變形監測和基準索股垂度測控的精度。對某監測項目中的三維觀測值進行差分數據處理，并將處理后的結果與已知值進行對比，以驗證差分數據處理技術的可行性和實際精度。

2 技術原理

2.1 斜距觀測值的差分氣象改正

全站儀需要在不同的氣象條件下進行距離測量，為了保證距離測量的精度，需要對所測的斜距進行實時氣象改正[9-10]。通常采用干濕溫度計和氣壓計(在距離測量前)量測氣象條件元素，然后輸入到全站儀中[11]，達到對所測距離進行氣象改正的目的。前已述及，這樣的氣象改正方式不適合在自動化的變形監測系統中使用。提出一種基于測站點和后視點間已知斜距與實測斜距間的差值，實時計算氣象差分改正數，繼而對所測的斜距進行差分氣象改正，實現無需實時測定氣象條件元素也能夠進行氣象改正的目的。

(1)

(2)

式中，Si為氣象改正前某點的斜距觀測值。

采用上述差分數據處理方法，即使不用溫度計和氣壓計量測氣象條件元素，也能夠對全站儀觀測的斜距觀測值進行氣象改正。

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化變形監測系統的監測點高程，是通過智能型全站儀單向三角高程的測量方法得到的[12]，其單向三角高差測量精度受到地球曲率和大氣折光的影響，若不對單向三角高差進行差分球氣差改正[13]，測點的高程誤差達不到特大型懸索橋基準索股跨中垂度測量的精度要求和特大型懸索橋索塔變形監測的精度要求。

為消弱甚至消除地球曲率和大氣折光對單向三角高差的影響，可以利用各期測站點與后視點間實測單向三角高差與基準網中高精度的基準高差之差，求得地球曲率和大氣折光影響值的實時差分球氣差改正數，從而實現實測單向三角高差的差分球氣差改正。

(3)

式中，SJ為測站點到后視點間的斜距。

(4)

從理論上講，測站點到任一監測點間的實測單向三角高差經過式(3)和式(4)的球氣差差分改正后，基本上消除了球氣差對單向三角高差的影響，達到了提高單向三角高差測量精度的目的。

2.3 不同觀測周期間水平方向觀測值漂移的差分改正

(5)

(2)設該周期其他方向的水平方向觀測值為LP，則經水平方向差分改正后的水平方向觀測值為

(6)

任一周期任一方向的水平方向觀測值，經過式(5)和式(6)的差分數據處理后，就可以達到消除測站至基準點(后視點)間各個周期方向觀測值漂移和水平折光影響的目的。

3 差分數據處理實驗驗證

為驗證上述自動化監測系統中智能型全站儀斜距、單向三角高差和水平方向觀測值差分數據處理技術的可行性及其實際精度，在某三維監測網中選取了3個已知控制點，分別作為差分數據處理測量實驗中的測站點、基準點(后視點)和監測點。三點位于同一測區，相互之間水平距離不超過1 km，氣候條件大致相同，所有控制點均采用觀測墩和強制對中裝置，可以排除全站儀和棱鏡對中誤差對實驗結果的影響。在測站上分別對基準點和監測點進行了5組斜距、單向三角高差和水平方向觀測。第一組測量開始前，在全站儀內輸入溫度為10 ℃、氣壓為1 000 hPa的氣象參數，之后每隔5 h左右進行一組測量，后續的4組測量中不改變氣象參數。

5組未經差分改正的斜距、單向三角高差和水平方向觀測值與其對應的已知值間的較差，以及進行差分數據處理后的斜距、單向三角高差和水平方向觀測值與其對應的已知值間的較差如表1所示。

表1 監測點三維觀測值差分數據處理前后與其已知值間的較差統計結果

注：測站點至監測點的已知斜距為807.797 43 m；已知高差為-36.151 29 m；首期測量的測站點至后視點間起始邊水平方向觀測值為239°57′49.42″。

由表1可以看出，在差分改正前，測站至監測點間的5組實際觀測值(斜距、單向三角高差和水平方向)的誤差最大分別達到了58 mm、15 mm和8″，精度較差，而且呈現出系統性偏差；而經差分改正后，所有斜距和單向三角高差的改正結果與已知值較差均小于1 mm，所有水平方向觀測值的改正結果與首期測量的水平方向較差均小于0.5″?？梢?，經過差分改正后，全站儀三維觀測值的精度顯著提高。

4 結論

(1)通過測站至基準點間已知距離和實測距離間的差值，對測站至觀測點間的觀測距離進行差分氣象改正，可以達到無需測定氣象條件元素也能夠進行氣象改正的目的。

(2)通過測站至基準點間已知高差和單向實測三角高差間的差值，對測站至觀測點間的單向三角高差進行球氣差差分改正，可以達到無需進行往返測也能夠消除地球曲率和大氣折光影響的目的。

(3)通過測站至基準點間首期水平方向觀測值和以后各周期該方向水平方向觀測值間的差值，對以后各周期各個方向可能產生漂移的水平方向觀測值進行差分改正，可以達到無需進行人工干預也能夠消除測站至后視點間水平方向觀測值漂移影響的目的。

基于該研究成果的智能型全站儀自動化變形監測系統，在最近建成的虎門二橋特大型懸索橋建設中進行了實際應用，效果良好。