基于数字水准仪的沉降监测数据处理与分析系统研制

张士勇，邹进贵，2

(1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2.精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北武汉430079)

沉降监测的目的是通过对观测到的数据进行整理、处理、分析，找出变形体的变化规律并预测今后的变化趋势，以便最大减少经济损失。沉降的核心是对观测数据的后期处理，其理论方法有关方面已经作了大量的研究。由于数字水准仪数据是自动存储，沉降监测需要的又是多期观测数据，如何实现数据的自动提取和管理并保存历史资料，对变形分析有重要意见。

一、数字水准仪内存记录数据格式

数字水准仪又称电子水准仪，以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD)，并采用条码标尺和图像处理电子系统构成的光机电测一体化的高科技产品。数字水准仪以其精度高(标称精度有 0.3～1.5 mm/km 不等)，数据的读取、存储自动化，操作方便、简单，读数客观，减少了人为误差，成果精度稳定可靠，便于与电脑进行数据传输的优点，大大减轻了劳动强度，避免了人工记录的误差，同时也提高了观测速度和效率，节省了人力物力。

目前，国内常用的数字水准仪包徕卡、天宝、索佳等，各类型的水准仪内存记录的原始数据格式也大相径庭。由于观测顺序不同，生成的手簿也会存在差异，因此有必要了解不同水准仪的原始数据格式，为数据的提取作准备。以天宝DINI03为例如图1所示，说明如何进行数据的格式转换。

图1 DINI03原始数据格式

1)测段提取。逐行读取数据，测段之间以“Start-Line”为测段的起始标识符，以“End-Line”为结束标识符。提出所有测段，测段中有效数据不足4行的舍去。

2)测站提取。首先排除点号后面有“####”标识的无效数据，每4行为一个测站的信息，依次提取水准点号、视距和中丝读数信息，根据Rb和Rf的信息记录下测量模式。

3)成果保存。一个测站的数据提取完成后，要将数据以系统能够处理的标准格式输出。根据软件特点，笔者规定如果提取的是水准点名，则存入点名;如果是转点，则正在文件中用“-1”表示点名。根据测量模式的不同，调整写入文件的顺序，统一按照后视距、后中丝读数、前视距、前中丝读数，前视距、前中丝读数、后视距、后中丝读数的顺序写到输出文件中，保存为GSO文件，如图2所示。

图2 GSO数据格式

二、沉降监测的数据处理方法

为了监测建筑物的垂直位移，需对布设的水准网进行多期重复观测，将各期水准网数据平差处理，求出每期的水准值，分析基准网的稳定性，沉降分析与预报。

1.数据平差处理

数据的平差处理通常有3种平差基准:固定基准、重心基准和拟稳基准，相应的平差方法为:经典自由网平差、秩亏自由网平差和拟稳平差［1］。

自由网中存在固定水准基点的，采用固定基准最好，相应的采用经典自由网平差;若监测网中没有固定不变的基准点，而所有点是等概率变形的，可以采用重心基准，相应的采用秩亏自由网;如果自由网中存在着一部分点相对另一部分是稳定的，但事实上又不确定是否为固定不变的，可以采用拟稳基准，相应的采用拟稳平差。在实际平差时，应根据对象的特点，正确地选择与实际情况附和的基准，从而选择相应的平差方法。

2.基准网的稳定性分析

沉降布设的水准网由水准基点和工作基点构成。水准基点一般布设在离建筑物较远的固定体上，引起基点的升降可能是由于随机误差的干扰，也有可能是点位确实存在位移。因此，有必要对监测数据进行基准网的稳定性检验，只有检验合格的数据，才能用来作变形分析。监测网稳定性分析有限差检验法、平均间隙法、单点位移分量法(T分布检验法)［2］。

1)限差法:两期或者多期平差计算所得的高程基准均值或均方差，应小于中误差的t倍。因此，可以根据两期数据监测的高程点变化量来分析点位的稳定性。

2)平均间隙法:利用F分布对整个基准网进行整体性检验，判断整个网的稳定性。若不显著，则基准网稳定;若显著则可采用单点位移分量法对基准网的基点进行逐个检验，找到不稳定的工作基点。

3)单点位移分量法:在采用平均间隙法检验后，对结果显著的情况下采用T分步进行逐点检验。使用该方法的前提是两期观测数据是在同一精度条件下进行的。

3.沉降监测数据分析与预报

沉降监测数据分析是对沉降点和沉降区段的沉降过程、沉降速率、沉降量、累计沉降量进行分析，通过绘制沉降过程线直观展示沉降过程。

三、沉降监测系统设计与实现

为了提高数据处理的准确性和高效性，增加数据管理的有效性以及数据成果输出的快捷性，提高水准数据处理的工作效率，笔者以Windows为操作平台、应用Visual C++等语言开发了沉降监测数据处理与分析系统，该系统由数据处理系统和分析系统两大部分组成，两系统通过数据库引擎(DAO)有机地结合在一起。沉降监测数据处理与分析系统主要包括数据提取、数据输入、数据处理、生成报表、数据库管理、变形分析6个功能模块，系统结构如图3所示。

图3 系统结构

1.数据预处理功能

1)数据提取:从仪器的原始记录文件中进行水准测站和测段的数据提取，系统针对几中常用的水准仪型号，分别实现了由原始数据向目标数据的格式转换，用户只需得到合格的原始数据，既能自动生成标准的GSO文件供平差处理。

2)数据输入:通过稳定性检验后的基准点可以直接输入到文件中，作为平差基准处理;一直测段高差，可以输入高差值作为平差基准。

3)数据处理:分为平差准备和平差处理两个模块。平差准备即将已知的高程点或者高程差与提取后的水准观测文件计算生成如下的*.in1数据格式。

已知点，高程

…

起点，终点，高差，距离，(测站数)

…

注:距离单位为km测站数为可选项

In1格式的文件中包含了已知基准点的信息和水准点的测距及测站的信息，平差计算可以据此选择按测站或测距的方式定权，生成相应的平差报告。

4)生成报表:根据水准观测文件按照手簿书写的标准自动输出Excel和txt格式的水准手簿;平差处理后自动生成包含测段距离和权值、各点平差后的高程及中误差、平差后的高差值及改正数、单位权中误差、路线长度、测站及测段数的信息。通过平差报告，各点的精度信息一目了然。

2.数据库管理

为解决沉降监测中海量数据的管理问题，系统采用数据库技术对数据进行管理。系统采用MS SQL Server数据库，以GSQL作为数据库管理平台。数据库的建立包括Excel表格的读取、数据管理、数据库查询、数据导出等模块。

经过平差处理后的数据，检查合格后，可以将成果进行入库，为后期的变形分析提供正确的数据。成果入库后可以实现成果查询功能。成果查询功能主要是方便对数据库中已经存放的高程数据成果进行相关的查询和报表输出工作，可以按照点号查询该点多期的高程成果，也可以按期数查询本期各个沉降监测点的高程成果。系统为查询结果提供了多种输出功能，可以打印，另存为txt文件或导出为Excel文件。

3.沉降分析

沉降分析主要通过图表的方式对沉降观测点进行直观的分析，以了解沉降过程、沉降速率及沉降趋势。为了利用沉降监测成果进行变形分析，本系统设置了两种分析方式:一种是沉降表格，另一种是沉降曲线。沉降曲线可以选择不同沉降点，形式灵活，能正确预测每点的沉降趋势。

4.系统的应用

现以某地水电站大坝二等水准测量为例，用来说明该系统的实际应用情况:①将各期数据提取后，输入已知基准，平差得到各期数据的高程值;②平差后的结果入库，将各期数据以沉降曲线的形式展示如图4所示。

四、总 结

通过对数字水准仪的沉降监测数据处理与分析，得出以下结论。

图4 变形曲线

1)沉降监测数据管理与分析系统是以数据库为核心进行监测数据各项处理的系统，系统的使用大大缩短了监测数据处理的过程，实现了内外业数据处理一体化。利用该程序处理数据，即节省了大量时间，又减少了内业工作量和错误出现几率，大大提高了效率。

2)针对不同格式的原始数据，软件能够进行相应的数据处理，自动生成测量成果。

3)软件实现了一键输出测量成果数据，实现了从原始数据到成果文件的自动化处理，大大提高了数字水准内业处理的效率和准确性，并在实际工程中得到很好的应用。

［1］黄声享，尹辉.变形监测数据处理［M］.武汉:武汉大学出版社，2004.

［2］黄腾，孙景领，陶建岳，等.地铁隧道结构沉降监测及分析［J］.东南大学学报:自然科学版，2006(2):262-266.

［3］王海城，邹进贵，刘琦.DINI12电子水准仪记录数据标准化处理方法［J］.地理空间信息，2007，5(5):111-113.

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［5］汪平，孙雪洁，许家琨，等.基于Visual Basic实现徕卡DNA03电子水准仪数据处理［J］.海洋测绘，2013，33(6):56-58.

［6］邹进贵，余锐，纪志刚.DINI03数字水准仪内存记录数据转换方法研究［J］.测绘地理信息，2013，38(4):16-17.