一種全新的關(guān)于工程變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)交會法

　　工程測量中的變形監(jiān)測網(wǎng)是一種精度、可靠性和靈敏度都要求極高的專用控制網(wǎng)，是工程變形監(jiān)測的基礎(chǔ)，過去大多采用地面邊角測量方法建立地面三角形網(wǎng)，還曾盛行過布設(shè)一種全自由網(wǎng)或局部自由網(wǎng)(擬穩(wěn)網(wǎng))。

 

　　隨著測繪科技的迅速發(fā)展，變形監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)方法有很大的改變?，F(xiàn)在基本采用GNSS和測量機(jī)器人等現(xiàn)代高新技術(shù)建網(wǎng)，對于范圍較大的地面工程如大型水壩、橋梁等的變形監(jiān)測，大多采用GNSS技術(shù)建立基準(zhǔn)網(wǎng)，在基準(zhǔn)點(diǎn)上直接觀測變形監(jiān)測點(diǎn)(目標(biāo)點(diǎn));對于范圍較小的工程，可將兩種技術(shù)結(jié)合起來，一般以測量機(jī)器人技術(shù)為主布設(shè)建網(wǎng)，地下工程則只能采用測量機(jī)器人技術(shù)建立邊角同測網(wǎng)。

 

 

　　本文提出了變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)的一種新方法，即不設(shè)站和自由設(shè)站邊角交會法，下面予以詳細(xì)介紹。

 

　　一、不設(shè)站和自由設(shè)站邊角交會法

 

　　1、新方法的描述

 

　　不設(shè)站和自由設(shè)站邊角交會法建立變形監(jiān)測網(wǎng)的方法，又稱混合基點(diǎn)網(wǎng)法，這種網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)(即參考點(diǎn)或已知點(diǎn))和工作基點(diǎn)組成?；鶞?zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在變形區(qū)外比較穩(wěn)固、不易破壞的地方，這些點(diǎn)要專門設(shè)計(jì)和制造特殊的裝置，將棱鏡固定其上，作為參考點(diǎn)，但在基準(zhǔn)點(diǎn)上不設(shè)測站。

 

　　工作基點(diǎn)采用自由設(shè)站方式布設(shè)在便于對基準(zhǔn)點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)(稱目標(biāo)點(diǎn))進(jìn)行觀測的合適位置。目標(biāo)點(diǎn)要布設(shè)在變形體上，目標(biāo)點(diǎn)代表離散化的變形體，目標(biāo)點(diǎn)的變化代表變形體的變形。

 

　　要求在工作基點(diǎn)上至少能與兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)通視，并且能觀測盡可能多的目標(biāo)點(diǎn)，而且要對工作基點(diǎn)進(jìn)行整理加固處理，設(shè)置便于架設(shè)測量機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)的強(qiáng)制對中裝置，保證在觀測過程中不至發(fā)生變動。

 

　　因?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)不設(shè)站，只在工作基點(diǎn)上設(shè)站，工作基點(diǎn)又可以自由選擇，基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)是通過邊角交會方法得到，所以稱不設(shè)站和自由設(shè)站邊角交會法，建立的網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成，所以稱混合基點(diǎn)網(wǎng)，此法稱混合基點(diǎn)網(wǎng)法。包括目標(biāo)點(diǎn)的混合基點(diǎn)網(wǎng)稱擴(kuò)大的混合基點(diǎn)網(wǎng)。

 

　　2、新方法的要求

 

　　1)要求基準(zhǔn)點(diǎn)在3個(gè)以上(含3個(gè))，且設(shè)在變形區(qū)外比較穩(wěn)固、不易破壞的地方，要專門設(shè)計(jì)和制造特殊的裝置便于棱鏡固定;

 

　　2)要求工作基點(diǎn)之間盡量通視，且能與3個(gè)以上(含3個(gè))的基準(zhǔn)點(diǎn)通視，能觀測盡可能多的目標(biāo)點(diǎn)。工作基點(diǎn)須進(jìn)行加固處理并設(shè)置強(qiáng)制對中裝置，便于架設(shè)測量機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，在觀測過程中不至發(fā)生變動;

 

　　3)要使用經(jīng)過鑒定且功能強(qiáng)大的平差軟件進(jìn)行混合基點(diǎn)網(wǎng)和擴(kuò)大的混合基點(diǎn)網(wǎng)(即包括了目標(biāo)點(diǎn))的嚴(yán)密平差，不能用自編軟件或簡易平差軟件。本文的仿真平差計(jì)算和實(shí)例數(shù)據(jù)處理和平差采用的是武漢大學(xué)測繪學(xué)院研制的科傻系統(tǒng)之科達(dá)普施軟件(COSA_CODAPS);

 

　　4)在周期監(jiān)測中，應(yīng)以多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行定向，并作方向、距離檢核，宜采用組合后驗(yàn)方差檢驗(yàn)法判斷顯著變動的基準(zhǔn)點(diǎn)，以穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)為已知點(diǎn)，計(jì)算工作基點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo);

 

　　5)適合監(jiān)測范圍較小的各種工程，如大型深基坑、城市地鐵隧道、高支模、高邊坡以及滑坡等典型工程，網(wǎng)中最大通視距多在1km以內(nèi)，平均邊長一般小于400m。

 

　　3、新方法的特點(diǎn)

 

　　新方法的特點(diǎn)可歸納為：

 

　　1)在基準(zhǔn)點(diǎn)不架設(shè)全站儀，只放置棱鏡作為測量機(jī)器人的照準(zhǔn)目標(biāo);

 

　　2)工作基點(diǎn)可自由布設(shè)在變形區(qū)內(nèi)或變形區(qū)邊緣，只需在工作基點(diǎn)架設(shè)測量機(jī)器人進(jìn)行邊角觀測;

 

　　3)在首次建網(wǎng)即初始測量時(shí)，采用在獨(dú)立坐標(biāo)系且假設(shè)一個(gè)已知點(diǎn)和一個(gè)已知方向進(jìn)行最小約束嚴(yán)密平差，確定基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的坐標(biāo);

 

　　4)在建網(wǎng)以后的周期測量中，將初始測量時(shí)的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)作為已知點(diǎn)，對擴(kuò)大的混合基點(diǎn)網(wǎng)進(jìn)行約束平差，實(shí)際是用邊角后方交會原理確定工作基點(diǎn)的坐標(biāo)，用邊角前方交會原理確定目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo);

 

　　5)對于網(wǎng)形、網(wǎng)的圖形強(qiáng)度要求較低，長短邊相差可以較大，兩相鄰方向間的角度可以較小，選點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)比較方便;

 

　　6)邊長較短，測角所引起的橫向誤差和測邊引起的縱向誤差較小，整個(gè)網(wǎng)的精度較高;

 

　　7)通過比較目標(biāo)點(diǎn)各周期的坐標(biāo)差確定其水平位移及其變化。

 

　　4、新方法的幾個(gè)推論

 

　　這里所定義的推論是指根據(jù)有關(guān)理論導(dǎo)出又經(jīng)過仿真計(jì)算驗(yàn)證而無需證明的命題。歸納如下：

 

　　推論1：在整個(gè)監(jiān)測期間，絕大部分基準(zhǔn)點(diǎn)不會發(fā)生顯著變形，發(fā)生顯著變形的基準(zhǔn)點(diǎn)易于通過一定方法(如組合后驗(yàn)方差檢驗(yàn)法)發(fā)現(xiàn)后剔除，其余基準(zhǔn)點(diǎn)若有隨機(jī)的1~2mm的微小變形，對目標(biāo)點(diǎn)的變形監(jiān)測成果的影響可忽略不計(jì)。

 

　　推論2：工作基點(diǎn)在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)不會發(fā)生變形，工作基點(diǎn)在不同周期中可能發(fā)生變形，但不影響目標(biāo)點(diǎn)的變形監(jiān)測成果。

 

　　推論3：在要求觀測所有相互通視方向和邊長的前提下，對混合基點(diǎn)網(wǎng)的網(wǎng)形和圖形強(qiáng)度不做任何要求。

 

　　推論4：混合基點(diǎn)網(wǎng)的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際非常吻合，可信度高。

 

　　二、混合基點(diǎn)網(wǎng)的仿真計(jì)算和分析

 

　　1、典型混合基點(diǎn)網(wǎng)

 

　　一般來說，混合基點(diǎn)網(wǎng)中的工作基點(diǎn)數(shù)目少于基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)目，工作基點(diǎn)可以是兩個(gè)，對變形監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)成前方交會圖形;可以是3個(gè)，本身構(gòu)成一個(gè)三角形；也可以是4個(gè)，本身構(gòu)成一個(gè)大地四邊形。

 

　　圖1為一個(gè)典型的混合基點(diǎn)網(wǎng)，由6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)J1、J2、J3、J4、J5、J6和4個(gè)工作基點(diǎn)GJ1、GJ2、GJ3、GJ4組成，只需在4個(gè)工作基點(diǎn)設(shè)站，通過邊角交會觀測，就可以完成混合基點(diǎn)網(wǎng)的建立工作。

 

　　混合基點(diǎn)網(wǎng)的初始觀測十分重要，一般采用多測回獨(dú)立觀測，多時(shí)段重復(fù)觀測，在同一個(gè)假設(shè)的坐標(biāo)系下，固定一點(diǎn)一方向進(jìn)行嚴(yán)密平差，在坐標(biāo)較差通過情況下，取點(diǎn)的坐標(biāo)均值作為基準(zhǔn)點(diǎn)的精確坐標(biāo)，作為其后的周期觀測已知值使用。

 

　　2、計(jì)算與分析

 

　　1)混合基點(diǎn)網(wǎng)的基本信息。如圖1所示的網(wǎng)共有10個(gè)點(diǎn)，觀測了31個(gè)方向，25條邊，最長邊GJ3到J1，長893m，最短邊GJ2到J3，長199m，平均邊長400m左右。在工作基點(diǎn)GJ1、GJ2、GJ3、GJ4上分別有8、6、9、8個(gè)照準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)除J3由全部4個(gè)工作基點(diǎn)交會外，其余5個(gè)點(diǎn)均由3個(gè)工作基點(diǎn)交會，采用測量機(jī)器人進(jìn)行邊角自動化觀測，方向觀測6個(gè)測回，邊長觀測4個(gè)測回，2~3h即可完成一個(gè)時(shí)段的觀測。

 

　　2)網(wǎng)的初始測量平差。網(wǎng)的初始測量假設(shè)GJ1為已知點(diǎn)，GJ1到GJ2的方向?yàn)橐阎较?，做一點(diǎn)一方向的最小約束平差，可得基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的坐標(biāo)。假設(shè)采用方向觀測精度為1s，邊長觀測的精度為1mm+1×10-6，網(wǎng)的多余觀測值數(shù)為35，平均多余觀測值數(shù)為0.61，最弱點(diǎn)J6的X、Y坐標(biāo)精度分別為1.7mm和1.4mm，點(diǎn)位精度為2.2mm。

 

　　所有邊的精度都小于1mm，最弱邊GJ4到J5的精度優(yōu)于0.9mm。若進(jìn)行一天三時(shí)段的觀測，取基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的均值，可提高基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的精度和可靠性。X、Y坐標(biāo)精度可達(dá)到1.0~1.2mm左右。完全可將基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)當(dāng)成已知坐標(biāo)，供周期觀測時(shí)擴(kuò)大基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)平差之用。

 

　　3)擴(kuò)大網(wǎng)的周期測量平差。以6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)J1、J2、J3、J4、J5、J6為已知點(diǎn)，在網(wǎng)觀測后對目標(biāo)點(diǎn)做變形觀測，大多數(shù)目標(biāo)點(diǎn)由兩個(gè)工作基點(diǎn)作邊角前方交會得到，極個(gè)別點(diǎn)可能由3個(gè)工作基點(diǎn)作邊角前方交會得到，或只有一個(gè)工作基點(diǎn)作極坐標(biāo)得到。

 

　　由于已知點(diǎn)增多，混合基點(diǎn)網(wǎng)的觀測數(shù)不變，網(wǎng)的可靠性有較大提高，多余觀測值數(shù)增加到44，平均多余觀測值數(shù)達(dá)0.79，工作基點(diǎn)的坐標(biāo)精度小于0.5mm，邊長精度小于0.6mm。目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)精度都在1.1mm以內(nèi)。