基坑工程監測數據處理與平差軟件開發

范文輝 范曉燕

四川交大工程檢測咨詢有限公司 四川 成都 610031

1 概述

基坑工程的安全性監測一般都采用全站儀的三維定位法，該法具有精度高、速度快、任意點置鏡、現場施測靈活便捷、適應工地各工序配合的要求。這也對后續的數據處理與平差軟件在通用性、完整性、標準化、規范化、集成化、自動化等方面提出了很高的要求。實現基坑工程監測工作的內外業一體化、信息化具有重要的現實意義[1～5]。

我們為此專門研制了針對全站儀數據的NET軟件系統。NET軟件具有以下4個顯著特點：

①NET軟件采用非線性最小二乘平差方法，解決了任意平面控制網的坐標自動解算與網平差問題，成為通用的邊角網平差軟件。

②NET軟件采用先建立間接平差模型，再轉化為條件平差模型的方法，以條件方程式的獨立最小環方式實現了完整的閉合差檢查功能。

③NET軟件基于坐標變換的快速相對點位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標X和橫坐標Y、邊長的縱向和橫向等方向上的算法，豐富了相對點位精度指標的成套輸出，適應了各類工程測量規范[1～4]對特殊方向上的精度評定要求。

④NET軟件實現了Microsoft Office Excel格式和WPS格式的成果報表和Autodesk AutoCAD格式控制網平面圖的輸出，實現了平差與數據處理成果的信息化接入。

2 非線性最小二乘平差方法

現有的基坑工程監測數據處理與平差軟件，一般只能處理常規網形，比如導線網、三角網（鎖）、大地四邊形、中點多邊形、角度和距離交會等等。對于按照最小二乘平差原理組建的任意控制網網形，由于概略坐標的解算問題沒有徹底解決，導致后續的平差計算無法進行下去。為解決此問題，現有的測量平差與數據處理軟件要求前期的外業測量不能按照最小二乘平差原理任意布設控制網的網形，控制網的網形只能選取常規網形，導致外業作業嚴重受限，不能根據實際情況靈活布網，工作效率大幅度下降?；蛘呖梢匀我獠季W，但后續需要人工完成概略坐標的計算，無法實現全過程的信息化處理。

NET軟件基于非線性最小二乘原理，我們研發了改進的序列二次規劃算法，改進了算法的理論缺陷和漏洞、完善了其快速步長調整算法，通過“原線性最小二乘平差模型-轉換為非線性規劃模型-再轉換為序列二次規劃模型-又轉換為序列線性平差模型”這一組合的適于計算機編程計算的非線性組合算法，解決了適用于任意平面測量控制網的坐標自動解算問題，使得控制點概略坐標解算與最小二乘平差同步進行，從理論方法上徹底解決了測量平差與數據處理軟件系統通用性和全信息化的矛盾，消除了數據處理方法對外業測量控制網布網的制約，也回避了手工進行控制點概略坐標的計算問題，極大提高了內外業測量的工作效率。

3 間接平差模型向條件平差模型的轉化方法

現有的基坑工程監測數據處理與平差軟件具有可靠性指標（多余觀測分量）的計算，但還沒能實現完整的閉合差檢查。

在間接平差模型轉化為條件平差模型的通用方法基礎上，NET軟件采用了先間接平差、后條件平差的2套平差的數據處理方法，綜合了間接平差和條件平差的優點，數據處理過程具有較全面的質量檢查機制，實現了軟件的查錯和質量檢查功能。

4 坐標變換算法的相對誤差橢圓分解算法

現有的基坑工程監測數據處理與平差軟件對點位誤差橢圓等點位精度十分關注，但對相對點位誤差橢圓等相對點位精度不夠重視，還缺少相對點位誤差橢圓在坐標軸方向、邊長的縱向橫向的計算成果。新版的各類工程測量規范大都新增了相對點位精度的限差要求，需要實現控制網任意2點間相對點位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標X和橫坐標Y、邊長的縱向和橫向等方向上的成果輸出，以便計算控制網特殊的精度指標，如監測點向基坑內部方向的橫向變形值的中誤差、隧道洞內測量控制網橫向貫通中誤差。

在基于坐標變換的快速相對點位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標X和橫坐標Y、邊長的縱向和橫向等方向上算法的基礎上，NET軟件豐富了相對點位精度指標的成套輸出，使得數據處理成果中的精度評定指標更加完整全面，適應了各類工程測量對精度評定的需求。

5 成果報告實現信息化

現有的基坑工程監測數據處理與平差軟件往往以屏幕圖形化方式輸出控制網平面圖，不兼容Autodesk AutoCAD格式，不方便與土木工程相關專業的圖形交互。另外，傳統上文本格式的數據報表輸出，非常不方便后續檢測報告的制作，無法擺脫繁重的手工制表工作。如果能有AutoCAD格式的控制網平面圖輸出，兼容Microsoft Office Excel格式的成果報表輸出，將十分有利于工程測量于土木工程相關專業的互動，推進監測、檢測等工作的全面信息化。

NET軟件實現了Microsoft Office Excel格式和WPS格式成果報表，以及Autodesk AutoCAD格式控制網平面圖的輸出，實現了平差與數據處理成果的信息化接入。

成果包含4表1圖：觀測值平差成果表、點位及其精度成果表、相對點位及其精度成果表、條件方程式閉合差檢查表，CAD總平面圖。

Microsoft Office Excel格式報表：通過生成CSV格式文本文件，再用Microsoft Office Excel打開。

WPS格式報表：通過生成WPS格式文本文件，再用金山WPS打開，另存為RTF格式，最后可用Microsoft Office Word打開。

批量繪制Autodesk AutoCAD格式測量控制網平面圖：通過生成Autodesk AutoCAD的SCR格式腳本文件，再在AutoCAD軟件里運行腳本實現。

6 NET軟件介紹

NET軟件的主要構成包括：主程序NET.exe、平差模塊NET_ADJ.dll、WPS格式字符轉換模塊NET_CHA.dll、由草圖生成迭代初值模塊NET_CRD.dll、平差后生成草圖模塊NET_FIG.dll和平差成果輸出模塊NET_TRN.dll。

目前FORTRAN語言仍是國際上大型科學計算的首選計算機語言。由于NET軟件的算法足夠復雜，而且對內存中實數型數據的取位精度要求很高，至少要雙精度型，NET軟件的各個動態鏈接庫DLL模塊都是由FORTRAN語言編寫的，開發的編譯平臺為Microsoft Fortran PowerStation 4.0。不熟悉使用NET軟件的用戶會面臨軟件的“閃退”問題。“閃退”是FORTRAN語言對輸入數據的信息完整性、格式規范性、邏輯一致性、點名有效性等方面出錯的綜合反映。避免“閃退”需要對原始數據進行全面檢查，確保起算數據、觀測數據的正確性。

結論

由西南交通大學研發的NET軟件是集控制網閉合差檢查與質量檢驗、坐標計算和平差、多功能精度評定、成果圖標全面兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office的一款通用型全站儀平面網數據處理與平差軟件系統（免費的綠色軟件）。其在西南交通大學已有30多年的教學和科研經驗，在非線性最小二乘平差方法、間接平差模型向條件平差模型的轉化方法、坐標變換算法的相對誤差橢圓分解算法、成果報告兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office等方面成功經驗，值得推薦給廣大同行學習使用。