超站儀極坐標法的運用及其探討

何 誠,鞏垠熙,馮仲科,劉柯珍,袁進軍

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

超站儀極坐標法的運用及其探討

何 誠1,鞏垠熙1,馮仲科1,劉柯珍2,袁進軍1

(1.北京林業(yè)大學(xué)測繪與 3S技術(shù)研究中心,北京 100083;2.中國林業(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)雜性及施工過程中許多不可預(yù)見因素,以及極坐標法測量誤差和控制點點位誤差的綜合影響的基礎(chǔ)上,提出利用超站儀進行水平位移觀測的超站儀極坐標觀測法。根據(jù)不同的誤差來源,綜合主觀和客觀兩個方面選擇三類比較研究的方法,將超站儀極坐標法與傳統(tǒng)極坐標法進行系統(tǒng)、全面的對比分析,論證超站儀極坐標法的優(yōu)越性。本研究將超站儀極坐標法應(yīng)用于平面位移監(jiān)測,該方法可提高平面位移監(jiān)測的精度,加快平面位移監(jiān)測的效率,同時使得平面位移監(jiān)測更加可靠。

超站儀;極坐標法;平面位移監(jiān)測;精度分析

邊坡和環(huán)境的變形監(jiān)測已成為基坑施工工程的一項不可或缺的主要內(nèi)容,根據(jù)變形監(jiān)測可隨時調(diào)整設(shè)計施工方案,控制土體變形,做到動態(tài)設(shè)計和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供可靠保障,為施工工作的開展及時提供反饋信息,以確定和優(yōu)化下一步的施工參數(shù)[1]。因傳統(tǒng)極坐標觀測影響因數(shù)過多,所以嘗試把超站儀極坐標法應(yīng)用于國內(nèi)安全監(jiān)測領(lǐng)域的平面位移監(jiān)測方面。

一、極坐標法測量原理[2]

水平位移觀測方法有:視準線法、測小角法、前方交會法、極坐標法、方向線偏移法。極坐標法是其中最常見的一種方法,其原理如圖 1所示。在已知點 A安置儀器,后視另一已知點 B,通過測量角度∠BAP以及 A點至 P點的距離 D,計算得出 P點的坐標。設(shè) A點坐標為 (XA,YA),A-B的方位角為αA-B,則 P點的坐標 (XP,YP)計算公式為

由全微分公式可得

方向水平位移中誤差計算公式為

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

圖 1 極坐標法

二、方法比較

1.傳統(tǒng)極坐標法和超站儀極坐標法測定待定點的比較

(1)基準點布設(shè)

基準點具體定位時會根據(jù)現(xiàn)場實際情況,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、施測的位置,同時為了消除測站的對中誤差,根據(jù)地形情況,基準點采用強制對中的觀測墩形式埋設(shè)?；舆叺幕鶞庶c采用深埋式強制對中的觀測墩埋設(shè),詳見深埋式水準點的埋設(shè);房頂?shù)幕鶞庶c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墩。運用 GPS衛(wèi)星接收機按一級平面控制網(wǎng)精度要求進行測設(shè)。采用 GPS進行常規(guī)靜態(tài)模式觀測,觀測時間均大于 90 min[3]。超站儀的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、精密測角、精密測距數(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)定位置點上的約束,即使測站本身位置可能發(fā)生變化,也可以通過超站儀本身自帶的導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)精密測定其當(dāng)時的位置,從而消除測站本身位置不穩(wěn)定對全站儀自動測量結(jié)果帶來的影響。不需要任何控制點即可進行快速測量,并且其精度達到要求。

(2)水平位移監(jiān)測點埋設(shè)

監(jiān)測點是固定在擬測構(gòu)筑物上的測量標志,埋設(shè)位置應(yīng)保證施工期間和建筑物竣工后一段時期內(nèi)能順利進行觀測,并能正確反映構(gòu)筑物的沉降情況。監(jiān)測點通常采用直徑 16mm的鋼筋預(yù)制,一端刻有中心點,并按設(shè)計圖紙的位置埋設(shè),周圍澆灌水泥砂漿固定?；鶞庶c及監(jiān)測點埋設(shè)好后,會同甲方、施工單位制定保護措施,明確施工單位的保護責(zé)任人,嚴防點位的碰動和破壞。超站儀極坐標法的監(jiān)測點位置埋設(shè)和通常的選點原則是一樣的,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的誤差。

(3)監(jiān)測點平面坐標檢測

采用經(jīng)檢定合格的全站儀,按照《建筑變形測量規(guī)程》(JGJ/T8—97)中一級變形觀測的技術(shù)要求 (變形點的點位中誤差為 ±1mm)進行施測 ,具體步驟如下:在基準點設(shè)站,用極坐標法測量各水平位移觀測點坐標,由固定人員觀測;準確計算出各點的坐標,與第一次和上一次觀測的差值,即為該點的累計位移量和本次位移量。超站儀的 Smart Station在采用 ATR(自動目標照準)技術(shù)的同時,為了實現(xiàn)在 360°全周范圍內(nèi)對測量目標進行快速自動搜索,采用了一項新的目標搜索技術(shù),即 PS(power search)技術(shù)。直接運用超站儀免棱鏡技術(shù)測出每個監(jiān)測點的坐標,在超站儀中編寫軟件,記錄每次測量監(jiān)測點的坐標,并對其進行詳細的分析。將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值相比較,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)累計差值超過預(yù)測值時發(fā)出警報,以規(guī)定自動報警功能,并可隨時調(diào)整設(shè)計施工方案,控制土體變形,做到動態(tài)設(shè)計和信息化施工,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)極坐標法精度影響因素

傳統(tǒng)極坐標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架站點與后視基準點的對中整平精度的影響: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,測量時的瞄準點不完全是棱鏡的中心點;

④棱鏡常數(shù)引起的誤差。

三、實例分析

用超站儀測量技術(shù)進行平面位移監(jiān)測,精度一直是關(guān)注的焦點之一[6-7]。影響精度的因素除了與硬件有關(guān)之外,還與測點的量測精度、基準點的精度和分布、數(shù)據(jù)處理方法等密切相關(guān)。就超站儀極坐標法進行平面位移變形測量的數(shù)據(jù)處理方法而言,可歸納為兩大類:一是利用極坐標法原理在現(xiàn)場采集方位角和距離利用平差軟件進行計算;二是直接利用超站儀得出監(jiān)測點的平面坐標。用方法一進行平面位移監(jiān)測會遇到三方面的干擾因素,首先,觀測人員肉眼的自主性對角度產(chǎn)生的影響很大;其次,由于施工場地的遮擋通常比較嚴重,而不能及時提供監(jiān)測點的形變數(shù)據(jù);最后,處理數(shù)據(jù)的過程煩瑣,無法及時得到監(jiān)測結(jié)果。而用方法二進行平面位移監(jiān)測,首先,測量過程中始終保持監(jiān)測點的視角清晰,采用自動搜索功能可以消除人為肉眼帶來誤差的影響;其次,通過編寫軟件,記錄每次測量監(jiān)測點的坐標,將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值相比較,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)累計差值超過預(yù)測值時發(fā)出警報,實現(xiàn)了自動報警功能。

1.試驗概況

試驗區(qū)位于北京市亦莊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū),基坑的平面監(jiān)測網(wǎng)為測邊網(wǎng)。網(wǎng)中 AP1—AP12號點為堤上工作基點,處于基坑四周的圈梁上,其余各點均為岸上基準點。由工程、水文地質(zhì)資料分析可知,岸上基準點基本上是穩(wěn)定的。所以根據(jù)實際情況,以岸上 6個基準點作為擬穩(wěn)點,用擬穩(wěn)平差法對該監(jiān)測網(wǎng)進行平差計算并作擬穩(wěn)點點位的穩(wěn)定性檢驗。

具體觀測方法是:①采用 Topcon GTS602全站速測儀 (測角精度 ±1″,測距精度 ±(2mm+2×10-6D))按極坐標方法施測。觀測同時,量取測站附近溫度、氣壓,并置入全站儀對測量距離自動改正。②采用南方 (SOUTH)超站儀 NTS-82(測角精度 ±2″,測距精度 ±(2mm+2×10-6D))按超站儀極坐標法施測。選取離監(jiān)測點視角最好的位置架設(shè)超站儀,對監(jiān)測點直接進行坐標測量,程序?qū)⒆詣訉Σ杉臄?shù)據(jù)進行分析并與安全值進行比較。

2.影響精度的試驗

試驗由以下幾部分組成:距離對平面位移監(jiān)測產(chǎn)生的影響 (如表 1所示);不同觀測員對精度產(chǎn)生的影響 (如表 2所示)。

表 1 距離對平面位移監(jiān)測產(chǎn)生的影響 mm

實踐證明單臺全站儀用于平面位移監(jiān)測受距離的影響很大。試驗分析表明,一般觀測條件下,保證儀器精度的最佳觀測距離應(yīng)保持在 100 m以內(nèi),特殊觀測條件下,可以此為參考值作相應(yīng)調(diào)整,由于觀測條件復(fù)雜多變,調(diào)整的幅度有待進一步研究。

表 2 人眼對精度的影響 m

觀測值變化對各點位移的影響分析[8]。

假定觀測值權(quán)陣 P=E,并令 (ATA)-=Q,則

由式 (1)可知,每一個邊長變化值ΔLi對位移值分量ΔXs的影響。因此 , 各位移分量受ΔLi影響的差別來自Q陣元素 qsj,不同的 S有不同的 qsj。

四、結(jié) 論

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

2)變形測量是高精度測量,超站儀的無需控制點和自動搜索目標的功能,可以將儀器架設(shè)在與變形點視角最佳位置,以減少視覺誤差;超站儀的免棱鏡功能,可以將檢測點設(shè)為一個微小固定的反光點,這樣可以減少安置棱鏡時所帶來的人為誤差和角度誤差。

3)在超站儀中編寫軟件,記錄每次測量監(jiān)測點的坐標,并對其進行詳細的分析,將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值相比較,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)累計差值超過預(yù)測值時發(fā)出警報,實現(xiàn)了自動報警功能,并可隨時調(diào)整設(shè)計施工方案,控制土體變形,做到動態(tài)設(shè)計和信息化施工,為避免突發(fā)事故的發(fā)生提供可靠保障。

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B

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國家 863目標導(dǎo)向精密光電角距測量定位關(guān)鍵技術(shù)及低成本智能化儀器研制(2009AA12Z327)

何 誠 (1985—),男,安徽馬鞍山人,博士生,主要從事 3S研究工作。