免棱鏡全站儀解析法測量建筑物傾斜度的應(yīng)用

田 萍，李 飛，周 波

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

免棱鏡全站儀解析法測量建筑物傾斜度的應(yīng)用

田 萍，李 飛，周 波

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

傾斜測量是建筑物變形監(jiān)測的主要指標(biāo)。以某學(xué)生公寓樓測量為例，介紹了免棱鏡全站儀進(jìn)行傾斜度測量時(shí)觀測點(diǎn)的選擇、測量計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等 ，改免棱鏡全站儀直接測量建筑物傾斜度測量法為間接式的解析法，傾斜度測量精確度明顯提高，方法簡便，誤差減小，工作效率明顯提高。使免棱鏡全站儀測量建筑物傾斜度更具有廣闊的應(yīng)用前景。

建筑物；免棱鏡全站儀；傾斜測量；應(yīng)用

傾斜同沉降和位移一樣，都是建筑物變形監(jiān)測的主要指標(biāo) ，其包括傾斜的方向、大小等［1－3］。如果建筑物的傾斜程度超過允許的限度，則會影響建筑物的正常使用，給使用者帶來安全隱患。測量建筑物傾斜度最簡單的方法是傳統(tǒng)的懸吊垂球法或經(jīng)緯儀懸投法，但是實(shí)際工作中，由于測量員往往無法到達(dá)建筑物頂角，導(dǎo)致傳統(tǒng)的懸吊垂球法或經(jīng)緯儀懸投法無法滿足實(shí)際復(fù)雜的測量要求［4－5］。改用普通全站儀進(jìn)行建筑物傾斜測量，其操作的可行性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的懸吊垂球法或經(jīng)緯儀懸投法。但是，普通全站儀傾斜測量法的可靠程度受測量點(diǎn)和棱鏡放置方法的影響較大，造成的影響往往可以掩蓋建筑物傾斜量的數(shù)值［6－7］。

免棱鏡全站儀測建筑物的傾斜量，一方面不用考慮建筑物頂端能否到達(dá)或靠近，另一方面不用考慮全站儀因棱鏡放置不同而帶來的誤差［8－11］。在傾斜量觀測的工程實(shí)踐中，涂群生總結(jié)了免棱鏡全站儀觀測建筑物傾斜量的方法［12］；于海濤對免棱鏡全站儀測量高層建筑物傾斜度的可靠性進(jìn)行探討［13］；陳強(qiáng)對免棱鏡全站儀測量民用建筑物的傾斜度進(jìn)行了實(shí)踐探討［14］。隨著免棱鏡全站儀在測量實(shí)踐中深入應(yīng)用，測量的精準(zhǔn)度要求越來越高，利用免棱鏡全站儀直接進(jìn)行測量，往往達(dá)不到要求。解析法作為提高精度的一種方法，開始受到工作者的關(guān)注。本文以一般建筑物傾斜測量為目標(biāo)，對免棱鏡全站儀解析法測量技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，旨在為探求一般建筑物傾斜測量的新方法。

1 免棱鏡測量全站儀傾斜測量原理

免棱鏡全站儀采用相位法測量建筑物傾斜度，儀器發(fā)出極其微小的激光束，可以很準(zhǔn)確地照到觀測點(diǎn)目標(biāo)上，只要觀測點(diǎn)的反射介質(zhì)能達(dá)到免棱鏡測量的要求，就沒有必要在測量點(diǎn)位上安置棱鏡，即可準(zhǔn)確無誤的測量出測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

如圖1，將免棱鏡全站儀架設(shè)在建筑物前的選擇點(diǎn)上，用另一個(gè)控制點(diǎn)（N點(diǎn)）做后視定向，觀測建筑物傾斜棱線AA′，測出A點(diǎn)坐標(biāo)為（XA，YA）和頂端A′點(diǎn)坐標(biāo)為（XA′，YA′），根據(jù)公式（1）可計(jì)算出其傾斜度：

圖1 免棱鏡全站建筑物傾斜測量示意圖

2 免棱鏡全站儀解析法測量傾斜度的操作要點(diǎn)

2.1 觀測點(diǎn)的選擇

布設(shè)若干控制點(diǎn)構(gòu)成控制網(wǎng)使得能觀測到建筑物的每一個(gè)面，求得建筑物頂面底面比較靠邊的點(diǎn)的坐標(biāo)，并通過交會法求得建筑物的角點(diǎn)坐標(biāo)，求得每個(gè)角點(diǎn)的偏移量根據(jù)高程就可求得總體傾斜率。

每一個(gè)控制點(diǎn)到測量建筑物的測距長度要大于25m［15］。這樣免棱鏡全站儀的精度相對氣象條件、固定誤差、目標(biāo)物的標(biāo)識等因素影響較低，測量結(jié)果更科學(xué)。

2.2 檢測精度的提高

一方面，采用一級激光進(jìn)行測量，既能達(dá)到很好的檢測精度，又能在提高工作效率的同時(shí)，減少測量人員人身危害。

另一方面，采用解析法進(jìn)行傾斜度測量和計(jì)算，以提高傾斜度監(jiān)測精度。如果直接利用儀器照準(zhǔn)M、M′兩點(diǎn)進(jìn)行觀測，由于反射光束常產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，易造成測量誤差偏大，傾斜度檢測結(jié)果往往超出規(guī)定。解析法是間接得到AA′點(diǎn)的坐標(biāo)的一種方法，通過易于觀測的幾個(gè)觀測的坐標(biāo)，解析計(jì)算AA′點(diǎn)的坐標(biāo)，在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。解析過程如下：

設(shè)建筑物墻面AA′D′D的底部P1、P2兩個(gè)測點(diǎn)的觀測坐標(biāo)分別為（XP1，YP1），（XP2，YP2）；建筑物墻面AA′B′B底部P3、P4兩個(gè)測點(diǎn)的觀測坐標(biāo)分別為（XP3，YP3），（XP4，YP4）（圖1）。

由 P1、P2兩點(diǎn)確定的直線DA和P3、P4兩點(diǎn)確定的直線BA在水平面上必有一個(gè)交點(diǎn)A。

那么，DA直線方程為：

BA直線方程為：

將式（2）、式（3）化簡得：

將式（4）、式（5）聯(lián)立求解并寫成矩陣形式得：

2.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計(jì)算

特定方向的位移量是表征建筑物主體傾斜程度的主要指標(biāo)，其大小平行于建筑物軸線方向的位移量。在觀測計(jì)算平行于建筑物軸線方向的位移量時(shí)，如果測建筑物軸線與A、A′施工坐標(biāo)系不平行，那么要通過公式（7）進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算。

式中：α為旋轉(zhuǎn)角，以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正；（x，y）為施工坐標(biāo)系坐標(biāo)；（x′，y′）為建筑物軸線坐標(biāo)；（x0，y0）為平移量。

2.4 坐標(biāo)格式的轉(zhuǎn)換

為了生成對應(yīng)的電子成果圖，用CASS軟件傳輸采集到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸過程中，進(jìn)行坐標(biāo)格式的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)序列由YXZ改為ZYX。計(jì)算機(jī)依據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，利用CASS軟件能夠?qū)?yīng)的勾畫每個(gè)觀測目標(biāo)物的傾斜數(shù)據(jù)和傾斜程度。

3 應(yīng)用實(shí)例

選擇某學(xué)生公寓樓進(jìn)行觀測，該公寓為5層。起初采用的是用免棱鏡全站儀直接測量房角的辦法，觀測結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)直接測量房角的時(shí)侯反射光束多路徑效應(yīng)比較明顯，對同一點(diǎn)進(jìn)行多次測量誤差較大，超出變形監(jiān)測的相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的誤差，故對測量方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了上述解析法對該公寓進(jìn)行了測量。

首先，在該公寓前70m布設(shè)控制網(wǎng)，假定 A點(diǎn)坐標(biāo)為（500，500，100），用羅盤儀測得了 AB的磁方位方位角作為AB的方位角，然后依次定出 C、D控制點(diǎn)，在保證其相互通視的前提下對各個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行了閉合導(dǎo)線觀測，見表1。

表1 閉合導(dǎo)線測量記錄表

將以上的數(shù)據(jù)代入公式（6）后即可得到每條棱的傾斜度。

則利用公式（1）可得其傾斜度：

求得的各M、M′點(diǎn)的坐標(biāo)及其傾斜度見表3。

由此看出該建筑物偏西偏北即 X、Y軸上所偏方向一致，所以該建筑物穩(wěn)定。此結(jié)論與該建筑物沉降觀測的結(jié)果一致。

表2 一般建筑測量數(shù)據(jù)表

表3 傾斜度觀測結(jié)果

4 結(jié) 語

免棱鏡全站儀測量高層建筑物的傾斜度，只設(shè)一個(gè)站點(diǎn)，后視點(diǎn)定向后即可進(jìn)行觀測，利用建筑物墻面對激光的反射信號來獲取測量信息，不需要反射棱鏡的布設(shè)或照準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)志，比傳統(tǒng)測量方法大大減少了工作量。但是，利用免棱鏡全站儀直接測量建筑物的傾斜量，其測量的精度只有在合適的距離下，才能達(dá)到指標(biāo)要求。

對某學(xué)生公寓樓進(jìn)行傾斜測量，體會到了免棱鏡全站儀在測量傾斜度方面的優(yōu)越性。它不但減少了測繪人員的工作危險(xiǎn)性，而且極大的提高了傾斜測量的準(zhǔn)確性和工作效率。但觀測結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)直接測量房角的時(shí)侯反射光束多路徑效應(yīng)比較明顯，對同一點(diǎn)進(jìn)行多次測量誤差較大，超出變形監(jiān)測的相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的誤差。在測量條件不變的情況下，利用解析法對該公寓進(jìn)行了測量，其誤差明顯減小，達(dá)到精度指標(biāo)要求。說明利用免棱鏡全站儀解析法測量建筑物的傾斜度，更加科學(xué)、合理，具有可行性。

［1］ 陳永奇，吳 安，吳中如.變形監(jiān)測分析與預(yù)報(bào)［M］.北京：測繪出版社 ，1998.

［2］ 建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院.JGJ／T8－97.建筑變形測量規(guī)程［S］.北京 ：清華大學(xué)出版社 ，1997.

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［4］ 劉慶金.特殊懸高之測量方法［J］.測繪通報(bào)，2006，（3）：43－45.

［5］ 顧孝烈，鮑 峰，程效軍.測量學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

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［8］ 張世強(qiáng)，高應(yīng)龍.免棱鏡全站儀在傾斜觀測中的實(shí)踐應(yīng)用［J］.山西建筑，2010，36（22）：358－359.

［9］ 王明強(qiáng).淺談免棱鏡全站儀在工程測量中的應(yīng)用［J］.大眾科技，2013，15（7）：42－43.

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The Application of Total Station Instrumentswithout Prism in Iinclination Observation of Buildings

TIAN Ping，LIFei，ZHOU Bo
（Yangling Vocational and Technical College，Yangling，Shaanxi712100，China）

Measuring the tilt is themain index of structure deformationmonitoring.Measuring the inclination ofbuildings with total station instrumentswithout prism is easy to operatewithminor errors compared with the conventional gradient measurementmethod，therefore thework efficiency is improved significantly.Furthermore，indirect analyticalmethod of measuring the inclination of buildings using total station instruments has amuch higher accuracy than that of the direct method，which shed lighton a boraderapplication prospectof total station instrumentswithoutprism inmeasuring inclination of buildings.

buildings；total station instrumentwithout prism；inclination observation；application

P204

A

1672—1144（2014）04—0112—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.021

2014－02－19

2014－03－20

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究基金（A－2012014）

田 萍（1976—），女 ，甘肅靖遠(yuǎn)人 ，碩士 ，講師 ，主要從事工程測量方面的教學(xué)與研究工作。