基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與平差軟件開發(fā)

范文輝 范曉燕

四川交大工程檢測(cè)咨詢有限公司 四川 成都 610031

1 概述

基坑工程的安全性監(jiān)測(cè)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(diǎn)置鏡、現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)靈活便捷、適應(yīng)工地各工序配合的要求。這也對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與平差軟件在通用性、完整性、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、集成化、自動(dòng)化等方面提出了很高的要求。實(shí)現(xiàn)基坑工程監(jiān)測(cè)工作的內(nèi)外業(yè)一體化、信息化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1～5]。

我們?yōu)榇藢ｉT研制了針對(duì)全站儀數(shù)據(jù)的NET軟件系統(tǒng)。NET軟件具有以下4個(gè)顯著特點(diǎn)：

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(wǎng)的坐標(biāo)自動(dòng)解算與網(wǎng)平差問題，成為通用的邊角網(wǎng)平差軟件。

②NET軟件采用先建立間接平差模型，再轉(zhuǎn)化為條件平差模型的方法，以條件方程式的獨(dú)立最小環(huán)方式實(shí)現(xiàn)了完整的閉合差檢查功能。

③NET軟件基于坐標(biāo)變換的快速相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標(biāo)X和橫坐標(biāo)Y、邊長的縱向和橫向等方向上的算法，豐富了相對(duì)點(diǎn)位精度指標(biāo)的成套輸出，適應(yīng)了各類工程測(cè)量規(guī)范[1～4]對(duì)特殊方向上的精度評(píng)定要求。

④NET軟件實(shí)現(xiàn)了Microsoft Office Excel格式和WPS格式的成果報(bào)表和Autodesk AutoCAD格式控制網(wǎng)平面圖的輸出，實(shí)現(xiàn)了平差與數(shù)據(jù)處理成果的信息化接入。

2 非線性最小二乘平差方法

現(xiàn)有的基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與平差軟件，一般只能處理常規(guī)網(wǎng)形，比如導(dǎo)線網(wǎng)、三角網(wǎng)（鎖）、大地四邊形、中點(diǎn)多邊形、角度和距離交會(huì)等等。對(duì)于按照最小二乘平差原理組建的任意控制網(wǎng)網(wǎng)形，由于概略坐標(biāo)的解算問題沒有徹底解決，導(dǎo)致后續(xù)的平差計(jì)算無法進(jìn)行下去。為解決此問題，現(xiàn)有的測(cè)量平差與數(shù)據(jù)處理軟件要求前期的外業(yè)測(cè)量不能按照最小二乘平差原理任意布設(shè)控制網(wǎng)的網(wǎng)形，控制網(wǎng)的網(wǎng)形只能選取常規(guī)網(wǎng)形，導(dǎo)致外業(yè)作業(yè)嚴(yán)重受限，不能根據(jù)實(shí)際情況靈活布網(wǎng)，工作效率大幅度下降?；蛘呖梢匀我獠季W(wǎng)，但后續(xù)需要人工完成概略坐標(biāo)的計(jì)算，無法實(shí)現(xiàn)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(fā)了改進(jìn)的序列二次規(guī)劃算法，改進(jìn)了算法的理論缺陷和漏洞、完善了其快速步長調(diào)整算法，通過“原線性最小二乘平差模型-轉(zhuǎn)換為非線性規(guī)劃模型-再轉(zhuǎn)換為序列二次規(guī)劃模型-又轉(zhuǎn)換為序列線性平差模型”這一組合的適于計(jì)算機(jī)編程計(jì)算的非線性組合算法，解決了適用于任意平面測(cè)量控制網(wǎng)的坐標(biāo)自動(dòng)解算問題，使得控制點(diǎn)概略坐標(biāo)解算與最小二乘平差同步進(jìn)行，從理論方法上徹底解決了測(cè)量平差與數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)通用性和全信息化的矛盾，消除了數(shù)據(jù)處理方法對(duì)外業(yè)測(cè)量控制網(wǎng)布網(wǎng)的制約，也回避了手工進(jìn)行控制點(diǎn)概略坐標(biāo)的計(jì)算問題，極大提高了內(nèi)外業(yè)測(cè)量的工作效率。

3 間接平差模型向條件平差模型的轉(zhuǎn)化方法

現(xiàn)有的基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與平差軟件具有可靠性指標(biāo)（多余觀測(cè)分量）的計(jì)算，但還沒能實(shí)現(xiàn)完整的閉合差檢查。

在間接平差模型轉(zhuǎn)化為條件平差模型的通用方法基礎(chǔ)上，NET軟件采用了先間接平差、后條件平差的2套平差的數(shù)據(jù)處理方法，綜合了間接平差和條件平差的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理過程具有較全面的質(zhì)量檢查機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了軟件的查錯(cuò)和質(zhì)量檢查功能。

4 坐標(biāo)變換算法的相對(duì)誤差橢圓分解算法

現(xiàn)有的基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與平差軟件對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓等點(diǎn)位精度十分關(guān)注，但對(duì)相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓等相對(duì)點(diǎn)位精度不夠重視，還缺少相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓在坐標(biāo)軸方向、邊長的縱向橫向的計(jì)算成果。新版的各類工程測(cè)量規(guī)范大都新增了相對(duì)點(diǎn)位精度的限差要求，需要實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)任意2點(diǎn)間相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標(biāo)X和橫坐標(biāo)Y、邊長的縱向和橫向等方向上的成果輸出，以便計(jì)算控制網(wǎng)特殊的精度指標(biāo)，如監(jiān)測(cè)點(diǎn)向基坑內(nèi)部方向的橫向變形值的中誤差、隧道洞內(nèi)測(cè)量控制網(wǎng)橫向貫通中誤差。

在基于坐標(biāo)變換的快速相對(duì)點(diǎn)位誤差橢圓在長半軸E和短半軸F、縱坐標(biāo)X和橫坐標(biāo)Y、邊長的縱向和橫向等方向上算法的基礎(chǔ)上，NET軟件豐富了相對(duì)點(diǎn)位精度指標(biāo)的成套輸出，使得數(shù)據(jù)處理成果中的精度評(píng)定指標(biāo)更加完整全面，適應(yīng)了各類工程測(cè)量對(duì)精度評(píng)定的需求。

5 成果報(bào)告實(shí)現(xiàn)信息化

現(xiàn)有的基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與平差軟件往往以屏幕圖形化方式輸出控制網(wǎng)平面圖，不兼容Autodesk AutoCAD格式，不方便與土木工程相關(guān)專業(yè)的圖形交互。另外，傳統(tǒng)上文本格式的數(shù)據(jù)報(bào)表輸出，非常不方便后續(xù)檢測(cè)報(bào)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(wǎng)平面圖輸出，兼容Microsoft Office Excel格式的成果報(bào)表輸出，將十分有利于工程測(cè)量于土木工程相關(guān)專業(yè)的互動(dòng)，推進(jìn)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)等工作的全面信息化。

NET軟件實(shí)現(xiàn)了Microsoft Office Excel格式和WPS格式成果報(bào)表，以及Autodesk AutoCAD格式控制網(wǎng)平面圖的輸出，實(shí)現(xiàn)了平差與數(shù)據(jù)處理成果的信息化接入。

成果包含4表1圖：觀測(cè)值平差成果表、點(diǎn)位及其精度成果表、相對(duì)點(diǎn)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(bào)表：通過生成CSV格式文本文件，再用Microsoft Office Excel打開。

WPS格式報(bào)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(cè)量控制網(wǎng)平面圖：通過生成Autodesk AutoCAD的SCR格式腳本文件，再在AutoCAD軟件里運(yùn)行腳本實(shí)現(xiàn)。

6 NET軟件介紹

NET軟件的主要構(gòu)成包括：主程序NET.exe、平差模塊NET_ADJ.dll、WPS格式字符轉(zhuǎn)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(xué)計(jì)算的首選計(jì)算機(jī)語言。由于NET軟件的算法足夠復(fù)雜，而且對(duì)內(nèi)存中實(shí)數(shù)型數(shù)據(jù)的取位精度要求很高，至少要雙精度型，NET軟件的各個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL模塊都是由FORTRAN語言編寫的，開發(fā)的編譯平臺(tái)為Microsoft Fortran PowerStation 4.0。不熟悉使用NET軟件的用戶會(huì)面臨軟件的“閃退”問題?！伴W退”是FORTRAN語言對(duì)輸入數(shù)據(jù)的信息完整性、格式規(guī)范性、邏輯一致性、點(diǎn)名有效性等方面出錯(cuò)的綜合反映。避免“閃退”需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查，確保起算數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。

結(jié)論

由西南交通大學(xué)研發(fā)的NET軟件是集控制網(wǎng)閉合差檢查與質(zhì)量檢驗(yàn)、坐標(biāo)計(jì)算和平差、多功能精度評(píng)定、成果圖標(biāo)全面兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office的一款通用型全站儀平面網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與平差軟件系統(tǒng)（免費(fèi)的綠色軟件）。其在西南交通大學(xué)已有30多年的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，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(zhuǎn)化方法、坐標(biāo)變換算法的相對(duì)誤差橢圓分解算法、成果報(bào)告兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office等方面成功經(jīng)驗(yàn)，值得推薦給廣大同行學(xué)習(xí)使用。