全站仪差分数据处理技术在自动化变形监测系统中的应用

罗 杰 王 永 杨雪峰

(1.武汉桥梁建筑工程监理有限公司，湖北武汉 430000； 2.广东省长大公路工程有限公司，广东广州 5114311；3.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756)

1 概述

在特大型悬索桥上部构造施工前，需要进行索塔的静态三维变形监测。此外，在基准索股[1]调索、一般索股架设和主梁吊装，以及主鞍座的顶推施工过程中，均需要对悬索桥的两个高大索塔进行水平位移、塔顶高程和跨径变化监测。传统的全站仪人工测量方法存在劳动强度大、效率低、照准精度差，需要人工定时量测温度、气压等气象参数，单向三角高程测量大气折光影响显著等缺点[2]。智能型全站仪(又称为测量机器人)能够定期对若干个观测点进行自动观测与数据处理[3]，具有远程在线控制、自动对多个监测点进行定期测量、自动存储、数据处理、变形信息存储与显示、变形超限自动预警等功能。但是，这种自动化变形监测系统仍然具有软件过于复杂，且集成和维护的成本较高等缺点[4-5]。

提出一种根据基准点间的已知距离和未加气象改正的观测距离间的差异，计算单位距离的气象改正数，对测站至监测点间的观测距离进行气象改正，即所谓的差分数据处理技术，以达到不用温度计、气压计也能够对任何时段的观测距离进行气象改正的目的。此外，还可以对测站至观测点间的单向高差和水平方向观测值进行差分改正计算，以达到减小误差，提高外业观测效率和精度的目的。

在特大型悬索桥基准索股垂度测控与调索过程中，需要多次测量基准索股两个边跨跨中和中跨跨中的垂度[6]。受客观条件限制，只能采用基于智能型全站仪的单向三角高程测量方法[7-8]。此时，即可采用差分数据处理技术，提高索股跨中垂直测量的精度。

以下详细介绍智能型全站仪实时距离、水平方向和单向高差观测值差分数据处理的技术原理，以提高特大型悬索桥索塔自动化变形监测和基准索股垂度测控的精度。对某监测项目中的三维观测值进行差分数据处理，并将处理后的结果与已知值进行对比，以验证差分数据处理技术的可行性和实际精度。

2 技术原理

2.1 斜距观测值的差分气象改正

全站仪需要在不同的气象条件下进行距离测量，为了保证距离测量的精度，需要对所测的斜距进行实时气象改正[9-10]。通常采用干湿温度计和气压计(在距离测量前)量测气象条件元素，然后输入到全站仪中[11]，达到对所测距离进行气象改正的目的。前已述及，这样的气象改正方式不适合在自动化的变形监测系统中使用。提出一种基于测站点和后视点间已知斜距与实测斜距间的差值，实时计算气象差分改正数，继而对所测的斜距进行差分气象改正，实现无需实时测定气象条件元素也能够进行气象改正的目的。

(1)

(2)

式中，Si为气象改正前某点的斜距观测值。

采用上述差分数据处理方法，即使不用温度计和气压计量测气象条件元素，也能够对全站仪观测的斜距观测值进行气象改正。

2.2 单向三角高差的差分球气差改正

基于智能型全站仪自动化变形监测系统的监测点高程，是通过智能型全站仪单向三角高程的测量方法得到的[12]，其单向三角高差测量精度受到地球曲率和大气折光的影响，若不对单向三角高差进行差分球气差改正[13]，测点的高程误差达不到特大型悬索桥基准索股跨中垂度测量的精度要求和特大型悬索桥索塔变形监测的精度要求。

为消弱甚至消除地球曲率和大气折光对单向三角高差的影响，可以利用各期测站点与后视点间实测单向三角高差与基准网中高精度的基准高差之差，求得地球曲率和大气折光影响值的实时差分球气差改正数，从而实现实测单向三角高差的差分球气差改正。

(3)

式中，SJ为测站点到后视点间的斜距。

(4)

从理论上讲，测站点到任一监测点间的实测单向三角高差经过式(3)和式(4)的球气差差分改正后，基本上消除了球气差对单向三角高差的影响，达到了提高单向三角高差测量精度的目的。

2.3 不同观测周期间水平方向观测值漂移的差分改正

(5)

(2)设该周期其他方向的水平方向观测值为LP，则经水平方向差分改正后的水平方向观测值为

(6)

任一周期任一方向的水平方向观测值，经过式(5)和式(6)的差分数据处理后，就可以达到消除测站至基准点(后视点)间各个周期方向观测值漂移和水平折光影响的目的。

3 差分数据处理实验验证

为验证上述自动化监测系统中智能型全站仪斜距、单向三角高差和水平方向观测值差分数据处理技术的可行性及其实际精度，在某三维监测网中选取了3个已知控制点，分别作为差分数据处理测量实验中的测站点、基准点(后视点)和监测点。三点位于同一测区，相互之间水平距离不超过1 km，气候条件大致相同，所有控制点均采用观测墩和强制对中装置，可以排除全站仪和棱镜对中误差对实验结果的影响。在测站上分别对基准点和监测点进行了5组斜距、单向三角高差和水平方向观测。第一组测量开始前，在全站仪内输入温度为10 ℃、气压为1 000 hPa的气象参数，之后每隔5 h左右进行一组测量，后续的4组测量中不改变气象参数。

5组未经差分改正的斜距、单向三角高差和水平方向观测值与其对应的已知值间的较差，以及进行差分数据处理后的斜距、单向三角高差和水平方向观测值与其对应的已知值间的较差如表1所示。

表1 监测点三维观测值差分数据处理前后与其已知值间的较差统计结果

注：测站点至监测点的已知斜距为807.797 43 m；已知高差为-36.151 29 m；首期测量的测站点至后视点间起始边水平方向观测值为239°57′49.42″。

由表1可以看出，在差分改正前，测站至监测点间的5组实际观测值(斜距、单向三角高差和水平方向)的误差最大分别达到了58 mm、15 mm和8″，精度较差，而且呈现出系统性偏差；而经差分改正后，所有斜距和单向三角高差的改正结果与已知值较差均小于1 mm，所有水平方向观测值的改正结果与首期测量的水平方向较差均小于0.5″。可见，经过差分改正后，全站仪三维观测值的精度显著提高。

4 结论

(1)通过测站至基准点间已知距离和实测距离间的差值，对测站至观测点间的观测距离进行差分气象改正，可以达到无需测定气象条件元素也能够进行气象改正的目的。

(2)通过测站至基准点间已知高差和单向实测三角高差间的差值，对测站至观测点间的单向三角高差进行球气差差分改正，可以达到无需进行往返测也能够消除地球曲率和大气折光影响的目的。

(3)通过测站至基准点间首期水平方向观测值和以后各周期该方向水平方向观测值间的差值，对以后各周期各个方向可能产生漂移的水平方向观测值进行差分改正，可以达到无需进行人工干预也能够消除测站至后视点间水平方向观测值漂移影响的目的。

基于该研究成果的智能型全站仪自动化变形监测系统，在最近建成的虎门二桥特大型悬索桥建设中进行了实际应用，效果良好。