超站仪极坐标法的运用及其探讨

何 诚,巩垠熙,冯仲科,刘柯珍,袁进军

(1.北京林业大学测绘与 3S技术研究中心,北京 100083;2.中国林业科学研究院木材工业研究所,北京 100091)

超站仪极坐标法的运用及其探讨

何 诚1,巩垠熙1,冯仲科1,刘柯珍2,袁进军1

(1.北京林业大学测绘与 3S技术研究中心,北京 100083;2.中国林业科学研究院木材工业研究所,北京 100091)

在顾及基坑工程的复杂性及施工过程中许多不可预见因素,以及极坐标法测量误差和控制点点位误差的综合影响的基础上,提出利用超站仪进行水平位移观测的超站仪极坐标观测法。根据不同的误差来源,综合主观和客观两个方面选择三类比较研究的方法,将超站仪极坐标法与传统极坐标法进行系统、全面的对比分析,论证超站仪极坐标法的优越性。本研究将超站仪极坐标法应用于平面位移监测,该方法可提高平面位移监测的精度,加快平面位移监测的效率,同时使得平面位移监测更加可靠。

超站仪;极坐标法;平面位移监测;精度分析

边坡和环境的变形监测已成为基坑施工工程的一项不可或缺的主要内容,根据变形监测可随时调整设计施工方案,控制土体变形,做到动态设计和信息化施工,为避免突发事故的发生提供可靠保障,为施工工作的开展及时提供反馈信息,以确定和优化下一步的施工参数[1]。因传统极坐标观测影响因数过多,所以尝试把超站仪极坐标法应用于国内安全监测领域的平面位移监测方面。

一、极坐标法测量原理[2]

水平位移观测方法有:视准线法、测小角法、前方交会法、极坐标法、方向线偏移法。极坐标法是其中最常见的一种方法,其原理如图 1所示。在已知点 A安置仪器,后视另一已知点 B,通过测量角度∠BAP以及 A点至 P点的距离 D,计算得出 P点的坐标。设 A点坐标为 (XA,YA),A-B的方位角为αA-B,则 P点的坐标 (XP,YP)计算公式为

由全微分公式可得

方向水平位移中误差计算公式为

式中,mD为测距中误差 ;mβ为测角中误差;αAB为 A到 B的方位角;ρ=206 265。

图 1 极坐标法

二、方法比较

1.传统极坐标法和超站仪极坐标法测定待定点的比较

(1)基准点布设

基准点具体定位时会根据现场实际情况,并协同甲方及监理单位,埋设在既不影响施工又便于保护、施测的位置,同时为了消除测站的对中误差,根据地形情况,基准点采用强制对中的观测墩形式埋设。基坑边的基准点采用深埋式强制对中的观测墩埋设,详见深埋式水准点的埋设;房顶的基准点的埋设先在选定的楼板顶面打孔,然后放置钢筋骨架后浇筑观测墩。运用 GPS卫星接收机按一级平面控制网精度要求进行测设。采用 GPS进行常规静态模式观测,观测时间均大于 90 min[3]。超站仪的卫星定位数据、精密测角、精密测距数据一体化处理技术,可以克服一般全站仪必须要安置在稳定位置点上的约束,即使测站本身位置可能发生变化,也可以通过超站仪本身自带的导航卫星定位系统精密测定其当时的位置,从而消除测站本身位置不稳定对全站仪自动测量结果带来的影响。不需要任何控制点即可进行快速测量,并且其精度达到要求。

(2)水平位移监测点埋设

监测点是固定在拟测构筑物上的测量标志,埋设位置应保证施工期间和建筑物竣工后一段时期内能顺利进行观测,并能正确反映构筑物的沉降情况。监测点通常采用直径 16mm的钢筋预制,一端刻有中心点,并按设计图纸的位置埋设,周围浇灌水泥砂浆固定。基准点及监测点埋设好后,会同甲方、施工单位制定保护措施,明确施工单位的保护责任人,严防点位的碰动和破坏。超站仪极坐标法的监测点位置埋设和通常的选点原则是一样的,不同的是将直径16mm带螺纹的钢筋上贴上微小反光片,以使超站仪的免棱镜激光能打到上面,这样可减少每次棱镜安在钢筋上因位移和角度所带来的误差。

(3)监测点平面坐标检测

采用经检定合格的全站仪,按照《建筑变形测量规程》(JGJ/T8—97)中一级变形观测的技术要求 (变形点的点位中误差为 ±1mm)进行施测 ,具体步骤如下:在基准点设站,用极坐标法测量各水平位移观测点坐标,由固定人员观测;准确计算出各点的坐标,与第一次和上一次观测的差值,即为该点的累计位移量和本次位移量。超站仪的 Smart Station在采用 ATR(自动目标照准)技术的同时,为了实现在 360°全周范围内对测量目标进行快速自动搜索,采用了一项新的目标搜索技术,即 PS(power search)技术。直接运用超站仪免棱镜技术测出每个监测点的坐标,在超站仪中编写软件,记录每次测量监测点的坐标,并对其进行详细的分析。将监测数据与预测值相比较,以判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求,当累计差值超过预测值时发出警报,以规定自动报警功能,并可随时调整设计施工方案,控制土体变形,做到动态设计和信息化施工,为避免突发事故的发生提供了可靠保障[4-5]。

2.传统极坐标法精度影响因素

传统极坐标法精度影响因素有以下四种:①天气、气压、温度、自然环境等非人为因素;②架站点与后视基准点的对中整平精度的影响:将棱镜安装到直径 16 mm的预制钢筋上时因与上次角度不完全相同而引起的误差;③安装到预制钢筋上的棱镜较大,测量时的瞄准点不完全是棱镜的中心点;

④棱镜常数引起的误差。

三、实例分析

用超站仪测量技术进行平面位移监测,精度一直是关注的焦点之一[6-7]。影响精度的因素除了与硬件有关之外,还与测点的量测精度、基准点的精度和分布、数据处理方法等密切相关。就超站仪极坐标法进行平面位移变形测量的数据处理方法而言,可归纳为两大类:一是利用极坐标法原理在现场采集方位角和距离利用平差软件进行计算;二是直接利用超站仪得出监测点的平面坐标。用方法一进行平面位移监测会遇到三方面的干扰因素,首先,观测人员肉眼的自主性对角度产生的影响很大;其次,由于施工场地的遮挡通常比较严重,而不能及时提供监测点的形变数据;最后,处理数据的过程烦琐,无法及时得到监测结果。而用方法二进行平面位移监测,首先,测量过程中始终保持监测点的视角清晰,采用自动搜索功能可以消除人为肉眼带来误差的影响;其次,通过编写软件,记录每次测量监测点的坐标,将监测数据与预测值相比较,以判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求,并且当累计差值超过预测值时发出警报,实现了自动报警功能。

1.试验概况

试验区位于北京市亦庄经济技术开发区,基坑的平面监测网为测边网。网中 AP1—AP12号点为堤上工作基点,处于基坑四周的圈梁上,其余各点均为岸上基准点。由工程、水文地质资料分析可知,岸上基准点基本上是稳定的。所以根据实际情况,以岸上 6个基准点作为拟稳点,用拟稳平差法对该监测网进行平差计算并作拟稳点点位的稳定性检验。

具体观测方法是:①采用 Topcon GTS602全站速测仪 (测角精度 ±1″,测距精度 ±(2mm+2×10-6D))按极坐标方法施测。观测同时,量取测站附近温度、气压,并置入全站仪对测量距离自动改正。②采用南方 (SOUTH)超站仪 NTS-82(测角精度 ±2″,测距精度 ±(2mm+2×10-6D))按超站仪极坐标法施测。选取离监测点视角最好的位置架设超站仪,对监测点直接进行坐标测量,程序将自动对采集的数据进行分析并与安全值进行比较。

2.影响精度的试验

试验由以下几部分组成:距离对平面位移监测产生的影响 (如表 1所示);不同观测员对精度产生的影响 (如表 2所示)。

表 1 距离对平面位移监测产生的影响 mm

实践证明单台全站仪用于平面位移监测受距离的影响很大。试验分析表明,一般观测条件下,保证仪器精度的最佳观测距离应保持在 100 m以内,特殊观测条件下,可以此为参考值作相应调整,由于观测条件复杂多变,调整的幅度有待进一步研究。

表 2 人眼对精度的影响 m

观测值变化对各点位移的影响分析[8]。

假定观测值权阵 P=E,并令 (ATA)-=Q,则

由式 (1)可知,每一个边长变化值ΔLi对位移值分量ΔXs的影响。因此 , 各位移分量受ΔLi影响的差别来自Q阵元素 qsj,不同的 S有不同的 qsj。

四、结 论

1)极坐标法是平面点位测设的方法之一,在实际应用过程中,依据极坐标法的原理又派生出不同的方法和技巧,使超站仪极坐标法成为一种简单易行、可以灵活应用的测设方法;将超站仪极坐标法与传统极坐标法进行系统、全面的分析,在此基础上编写了极坐标法计算软件,用于指导测量实际工作。将超站仪极坐标法用于平面位移测量,大大加快了工程进度。

2)变形测量是高精度测量,超站仪的无需控制点和自动搜索目标的功能,可以将仪器架设在与变形点视角最佳位置,以减少视觉误差;超站仪的免棱镜功能,可以将检测点设为一个微小固定的反光点,这样可以减少安置棱镜时所带来的人为误差和角度误差。

3)在超站仪中编写软件,记录每次测量监测点的坐标,并对其进行详细的分析,将监测数据与预测值相比较,以判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求,当累计差值超过预测值时发出警报,实现了自动报警功能,并可随时调整设计施工方案,控制土体变形,做到动态设计和信息化施工,为避免突发事故的发生提供可靠保障。

[1]邱志辉.基坑坑壁顶水平位移监测探讨[J].山西建筑,2010,36(2):161.

[2]王志明.几种水平位移监测方法的分析和比较[J].上海建筑科技,2008(5):75-77.

[3]杨光.GPS和伪卫星组合定位技术及其在形变监测中的应用研究[D].南京:河海大学,2004.

[4]宋建学,郑仪,王原嵩.基坑变形监测及预警技术[J].岩土工程学报,2006(S0):1889-1891.

[5]岳建平,方露,黎昵.用时间序列分析法进行建筑物沉降观测数据处理的研究[J].测绘通报,2007(7):1-4.

[6]周访滨,赵建三,唐平英.用时间序列分析法进行建筑物沉降观测数据处理的研究[J].中外公路,2008(3):114-117.

[7]王正晓,刘保信,张晓春,等.深基坑变形监测浅析[J].测绘通报,2000(6):21-23.

[8]陈永奇.变形观测数据处理[M].北京:测绘出版社,1998:37-46.

Application and Study of Super Total Station’s Polar Coordinates Measurements

HE Cheng,GONG Yinxi,FENG Zhongke,L IU Kezhen,YUAN Jinjun

0494-0911(2011)02-0026-03

TU196

B

2010-05-11

国家 863目标导向精密光电角距测量定位关键技术及低成本智能化仪器研制(2009AA12Z327)

何 诚 (1985—),男,安徽马鞍山人,博士生,主要从事 3S研究工作。