應(yīng)用GeoNMOS實(shí)現(xiàn)高效自由設(shè)站變形監(jiān)測的方法研究

尚金光，莫春，羅國康，張獻(xiàn)州

(1.成都市勘察測繪研究院，四川成都 610081； 2.西南交通大學(xué)測繪工程系，四川成都 610031)

應(yīng)用GeoNMOS實(shí)現(xiàn)高效自由設(shè)站變形監(jiān)測的方法研究

尚金光1?，莫春2，羅國康1，張獻(xiàn)州2

(1.成都市勘察測繪研究院，四川成都 610081； 2.西南交通大學(xué)測繪工程系，四川成都 610031)

變形監(jiān)測的特點(diǎn)是測點(diǎn)多、頻率高、周期長，因而改善某一個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，對(duì)于長遠(yuǎn)的周期性變形監(jiān)測來說，都可能提高作業(yè)效率。網(wǎng)絡(luò)化移動(dòng)勘測辦公系統(tǒng)(GeoNMOS)具有強(qiáng)大的內(nèi)外業(yè)一體化功能，并在常規(guī)自由設(shè)站法變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了變形監(jiān)測作業(yè)方法，降低了粗差出現(xiàn)的概率，提高了內(nèi)外業(yè)工作效率。

GeoNMOS；變形監(jiān)測；自由設(shè)站；高效

1 引 言

隨著測繪新儀器、新理論、新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工程實(shí)施變形監(jiān)測的方法也越來越多。諸如衛(wèi)星定位、全站儀自動(dòng)觀測、三維激光掃描、近景攝影測量等。但綜合考慮效率和成本，依托智能全站儀的邊角全測自動(dòng)測量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用更為普遍[1]。近幾年應(yīng)用智能全站儀進(jìn)行自由設(shè)站變形監(jiān)測的方法受到測繪工作者的青睞。常規(guī)的自由設(shè)站變形監(jiān)測方法，首先要學(xué)習(xí)目標(biāo)點(diǎn)位，然后進(jìn)行多測回觀測?？紤]到很多工程體上點(diǎn)位分布密集，且有的時(shí)候多個(gè)測點(diǎn)分布在同一條直線上，容易記錯(cuò)或輸錯(cuò)點(diǎn)號(hào)。因而考慮盡量利用已知信息，設(shè)計(jì)自由設(shè)站變形監(jiān)測新方法，少學(xué)習(xí)點(diǎn)位，減少外業(yè)輸入信息，降低出錯(cuò)概率，提高作業(yè)效率。

圖1 GeoNMOS軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，GeoNMOS，全稱為網(wǎng)絡(luò)化移動(dòng)勘測辦公系統(tǒng)，系西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院自主研發(fā)的工程測繪內(nèi)外業(yè)一體化軟件。GeoNMOS設(shè)計(jì)為4個(gè)模塊，分別為測量數(shù)據(jù)勘測采集GeoNMOS_ Col(負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集)、控制網(wǎng)設(shè)計(jì)與平差GeoNMOS_ Pro(負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理)、控制網(wǎng)數(shù)據(jù)管理GeoNMOS_Man (負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理)、變形分析評(píng)估GeoNMOS_Def(負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析)。該系統(tǒng)已成功將測量機(jī)器人自動(dòng)化外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了大型工程快速海量觀測與管理的內(nèi)外業(yè)一體化。

2 自由設(shè)站變形監(jiān)測新方法

2.1 利用首期觀測計(jì)算監(jiān)測網(wǎng)三維坐標(biāo)

變形監(jiān)測網(wǎng)中的基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的位置一般都是固定的，他們各自代表著所在位置的空間幾何屬性，即所有點(diǎn)位的空間分布是相對(duì)確定的。因而，當(dāng)獲取到監(jiān)測網(wǎng)各點(diǎn)的三維近似坐標(biāo)后，對(duì)監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行每一期的觀測，都是在這個(gè)固定的三維空間中進(jìn)行的。當(dāng)某個(gè)點(diǎn)位發(fā)生較大變動(dòng)(至少分米級(jí))或增加/減少點(diǎn)位時(shí)，則重新更新該監(jiān)測網(wǎng)的三維坐標(biāo)。獲取監(jiān)測網(wǎng)三維近似坐標(biāo)的方法一般都是通過首期觀測實(shí)現(xiàn)，即采用常規(guī)學(xué)習(xí)點(diǎn)位自由設(shè)站方法獲取外業(yè)數(shù)據(jù)，然后將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平面和高程整體三維平差(可只計(jì)算三維近似坐標(biāo))。也可以分別進(jìn)行平面網(wǎng)平差和高程網(wǎng)平差。這樣的話，首期觀測完后，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和設(shè)站點(diǎn)都有了空間三維坐標(biāo)。

推算監(jiān)測網(wǎng)的三維近似坐標(biāo)可通過極坐標(biāo)法、空間后方交會(huì)、前方交會(huì)等方法來實(shí)現(xiàn)。如果想要得到更加準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，則可以通過平面高程整體三維平差的方法來實(shí)現(xiàn)。

2.2 自由設(shè)站在線解算自動(dòng)周期監(jiān)測

(1)固定設(shè)站

如果變形監(jiān)測網(wǎng)每期的設(shè)站位置都是固定的，則可對(duì)各設(shè)站點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，以后每期對(duì)中該點(diǎn)，形成固定設(shè)站。則每期測站點(diǎn)的坐標(biāo)就和首期是相同的。此時(shí)只需要輸入儀器高，后視某個(gè)已知點(diǎn)(控制點(diǎn)或監(jiān)測點(diǎn))進(jìn)行定向即可。由于測站點(diǎn)S(xS，yS，zS)和后視點(diǎn)B(xB，yB，zB)的坐標(biāo)都在上節(jié)已計(jì)算出來，那么每個(gè)待測點(diǎn)P(xP，yP，zP)都可以自動(dòng)放樣出來。原理如下:

首先計(jì)算測站點(diǎn)與后視點(diǎn)的方位角αSB。

同理可以計(jì)算測站點(diǎn)與待測點(diǎn)的方位角αSP。假設(shè)后視方向(定向角)為LSB，則測站點(diǎn)與待測點(diǎn)的盤左方向值LSP為:LSP=LSB+(αSP-αSB)

測站點(diǎn)與待測點(diǎn)的斜距SSP計(jì)算公式為:測站點(diǎn)與待測點(diǎn)的豎直角vSP計(jì)算公式為:

式中，hS為測站高，hB為覘標(biāo)高。

有了待測點(diǎn)的盤左方向值、斜距和盤左天頂距，則給儀器輸入相應(yīng)的指令，則儀器會(huì)自動(dòng)尋找到目標(biāo)點(diǎn)。

(2)自由設(shè)站

很多時(shí)候我們是完全自由設(shè)站，即每一期的測站點(diǎn)都是隨意的。這種情況下，測站點(diǎn)的坐標(biāo)是未知的，此時(shí)可以通過學(xué)習(xí)兩個(gè)已知點(diǎn)來交會(huì)出測站位置。這里的已知點(diǎn)是指已知三維坐標(biāo)的點(diǎn)位，既可以是控制點(diǎn)也可以是監(jiān)測點(diǎn)。邊角后方交會(huì)的觀測值是邊長和角度，如圖2所示，通過測量A、B來求解測站S的近似坐標(biāo)的計(jì)算原理如下[3]:

圖2 兩點(diǎn)交會(huì)示意圖

通過A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)可以反算出AB的距離SAB和坐標(biāo)方位角αAB。

又知SA和SB的夾角為:

α=LSB-LSA

然后通過余弦定理求解:

求AS的坐標(biāo)方位角αAS時(shí)，需要判斷SA和SB的夾角α跟180°的關(guān)系。

①若α＜180°則:αAS=αAB-∠SAB

②若α＞180°則:αAS=αAB+∠SAB

則測站的三維近似坐標(biāo)為:

3 GeoNMOS高效作業(yè)步驟

3.1 人工學(xué)習(xí)點(diǎn)位觀測首期

監(jiān)測網(wǎng)的首期觀測，監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)是未知的，且已知點(diǎn)的高程也可能是未知的。因此，觀測首期監(jiān)測網(wǎng)還是要采用常規(guī)的方法，通過學(xué)習(xí)目標(biāo)點(diǎn)來確定目標(biāo)點(diǎn)的位置。應(yīng)用GeoNMOS實(shí)施常規(guī)自由設(shè)站觀測，與常見的自由設(shè)站采集軟件是相同的，需要將每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)學(xué)習(xí)。

3.2 計(jì)算監(jiān)測網(wǎng)三維近似坐標(biāo)

GeoNMOS具有各種網(wǎng)形坐標(biāo)計(jì)算的功能，可以計(jì)算GPS網(wǎng)、三維網(wǎng)、平面網(wǎng)以及高程網(wǎng)。將采集得到的觀測文件(?.DAT)導(dǎo)入軟件中，輸入已知點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即可解算出各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。倘若已知點(diǎn)的高程信息未知，則可將三維網(wǎng)拆分為平面網(wǎng)和高程網(wǎng)，平面網(wǎng)仍然通過輸入至少兩個(gè)已知點(diǎn)坐標(biāo)(可假定)解算，高程網(wǎng)輸入至少一個(gè)高程已知點(diǎn)(可假定)即可推算出其他點(diǎn)的高程。將各點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)進(jìn)行匹配，同樣可得出監(jiān)測網(wǎng)三維坐標(biāo)。

3.3 兩點(diǎn)交會(huì)設(shè)站自動(dòng)觀測

將監(jiān)測網(wǎng)的三維近似坐標(biāo)導(dǎo)入到GeoNMOS的數(shù)據(jù)采集手簿中。架設(shè)好觀測站時(shí)，點(diǎn)擊“自由設(shè)站”，即可進(jìn)入設(shè)站坐標(biāo)解求界面，通過學(xué)習(xí)兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，即可完成設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)解算和后視定向兩個(gè)步驟[4]。完成定向后，輸入本站的所有測點(diǎn)點(diǎn)號(hào)，GeoNMOS則根據(jù)點(diǎn)號(hào)匹配坐標(biāo)，自動(dòng)計(jì)算出所有測點(diǎn)的盤左方向、距離、和天頂距，即可完成本站觀測。

4 GeoNMOS應(yīng)用實(shí)例

大慈寺文化商業(yè)綜合體商業(yè)及酒店、公寓項(xiàng)目地塊位于大慈寺南側(cè)，地塊將大慈寺寺院東、南、西三邊合抱。基坑現(xiàn)狀極不規(guī)整，場地內(nèi)基坑周邊有5棟木結(jié)構(gòu)古建筑，部分建筑三邊臨基坑。商業(yè)區(qū)基坑為東北、西南走向，基坑縱向最長距離約330 m，橫向最長距離約580 m，設(shè)計(jì)開挖深度最深處約15 m，基坑邊周長約2 400 m。

如圖3所示為大慈寺文化商業(yè)綜合體商業(yè)B區(qū)基坑測點(diǎn)埋設(shè)示意圖。

應(yīng)用GeoNMOS前需將坐標(biāo)文件和測站文件事先導(dǎo)入到項(xiàng)目文件中，方法如下:

圖3 大慈寺商業(yè)B區(qū)基坑監(jiān)測點(diǎn)位埋設(shè)示意圖

坐標(biāo)導(dǎo)入:基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)文件?. xyz，格式為“點(diǎn)名，縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)，高程＜回車換行＞”，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)入監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)

自由設(shè)站:將每一站的測點(diǎn)順序文件編輯成固定格式的文本，格式為“點(diǎn)名，目標(biāo)高，棱鏡常數(shù)＜回車換行＞”，如圖5所示。特別注意，自由設(shè)站觀測方法為邊角全圓觀測，因此，測點(diǎn)文件中的測點(diǎn)盡量按順序編輯，使儀器盡量在同盤觀測時(shí)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這既是精密測角的要求，也可以節(jié)省儀器搜索目標(biāo)的時(shí)間。

圖5 導(dǎo)入測站XJ55處測點(diǎn)順序

基坑共埋設(shè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)86個(gè)，如果按照每站每次學(xué)習(xí)點(diǎn)位將耗費(fèi)大量的時(shí)間，且容易出現(xiàn)粗差。而采用本文的作業(yè)方法，則大大提高了工作效率。目前，采用該方法較常規(guī)方法每期節(jié)約2 h。

5 結(jié) 語

通過論述全站儀邊角同測自由設(shè)站自動(dòng)監(jiān)測的高效作業(yè)原理，結(jié)合科研生產(chǎn)軟件GeoNMOS，給出了這種內(nèi)外業(yè)一體化的高效作業(yè)模式，大大提高了外業(yè)工作效率。通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法以及運(yùn)用GeoNMOS可以實(shí)現(xiàn)高效地進(jìn)行變形監(jiān)測的目的。

[1] 尚金光.基于物聯(lián)網(wǎng)模式的隧道變形監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2012，6.

[2] 潘正風(fēng)，程效軍，成樞等.數(shù)字測圖原理與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2004:195～203.

[3] 付仁俊，曹伶俐，張齊勇.無砟軌道鋪軌控制測量PCP控制點(diǎn)坐標(biāo)解算方法的研究[J].測繪與空間地理信息，2010，33(3).

[4] 羅文彬，張獻(xiàn)州.基于PDA的線路橫斷面內(nèi)外業(yè)一體化測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測繪通報(bào)，2008，1.

Research of High-efficiency Free Station Deformation M ethod by the GeoNMOS Software

Shang Jinguang1，Mo Chun2，Luo Guokang1，Zhang Xianzhou2
(1.Chengdu Institute of Surveying and Mapping Survey，Chengdu 610081，China；2.Department of Surveying Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The charcteristics of deformation monitoring are lots of points，high frequncy，and long period，so improve some subtle link may enhance the efficiency for such long peroid deformation.Geodesy network mobile office system，called GeoNMOS，has powerful indoor and field work function and improve the free station deformation method based on ordinary free station deformation method.Therefore，this new method can reduce the gross error probability and enhance work efficiency，thus it’sworthy for large engineering projects.

GeoNMOS；deformation；free station；high-efficiency

1672-8262(2013)05-116-03

P258

B

2013—04—01

尚金光(1987—)，男，助理工程師，主要從事精密測量與信息化測繪應(yīng)用。

西南交通大學(xué)校級(jí)專題研究項(xiàng)目資助(SWJTU10ZT02)