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)點上直接觀測變形監(jiān)測點(目標(biāo)點);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，下面予以詳細介紹。


一、不設(shè)站和自由設(shè)站邊角交會法

01 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，又稱混合基點網(wǎng)法，這種網(wǎng)由基準(zhǔn)點(即參考點或已知點)和工作基點組成?；鶞?zhǔn)點布設(shè)在變形區(qū)外比較穩(wěn)固、不易破壞的地方，這些點要專門設(shè)計和制造特殊的裝置，將棱鏡固定其上，作為參考點，但在基準(zhǔn)點上不設(shè)測站。

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

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

因為基準(zhǔn)點不設(shè)站，只在工作基點上設(shè)站，工作基點又可以自由選擇，基準(zhǔn)點、工作基點和目標(biāo)點的坐標(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)點和工作基點組成，所以稱混合基點網(wǎng)，此法稱混合基點網(wǎng)法。包括目標(biāo)點的混合基點網(wǎng)稱擴大的混合基點網(wǎng)。

02 新方法的要求

1) 要求基準(zhǔn)點在3 個以上(含3 個)，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)計和制造特殊的裝置便于棱鏡固定;

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

3) 要使用經(jīng)過鑒定且功能強大的平差軟件進行混合基點網(wǎng)和擴大的混合基點網(wǎng)(即包括了目標(biāo)點)的嚴密平差，不能用自編軟件或簡易平差軟件。本文的仿真平差計算和實例數(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)之科達普施軟件(COSA_CODAPS);

4) 在周期監(jiān)測中，應(yīng)以多個基準(zhǔn)點進行定向，并作方向、距離檢核，宜采用組合后驗方差檢驗法判斷顯著變動的基準(zhǔn)點，以穩(wěn)定的基準(zhǔn)點為已知點，計算工作基點和變形監(jiān)測點的坐標(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1 km 以內(nèi)，平均邊長一般小于400 ?m。

03 新方法的特點

新方法的特點可歸納為：

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

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

3) 在首次建網(wǎng)即初始測量時，采用在獨立坐標(biāo)系且假設(shè)一個已知點和一個已知方向進行最小約束嚴密平差，確定基準(zhǔn)點和工作基點的坐標(biāo);

4) 在建網(wǎng)以后的周期測量中，將初始測量時的基準(zhǔn)點坐標(biāo)作為已知點，對擴大的混合基點網(wǎng)進行約束平差，實際是用邊角后方交會原理確定工作基點的坐標(biāo)，用邊角前方交會原理確定目標(biāo)點的坐標(biāo);

5) 對于網(wǎng)形、網(wǎng)的圖形強度要求較低，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，整個網(wǎng)的精度較高;

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

04 新方法的幾個推論

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

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

推論2：工作基點在監(jiān)測時段內(nèi)不會發(fā)生變形，工作基點在不同周期中可能發(fā)生變形，但不影響目標(biāo)點的變形監(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，對混合基點網(wǎng)的網(wǎng)形和圖形強度不做任何要求。

推論4：混合基點網(wǎng)的仿真計算結(jié)果與實際非常吻合，可信度高。


二、混合基點網(wǎng)的仿真計算和分析

01 典型混合基點網(wǎng)

一般來說，混合基點網(wǎng)中的工作基點數(shù)目少于基準(zhǔn)點的數(shù)目，工作基點可以是兩個，對變形監(jiān)測點構(gòu)成前方交會圖形;可以是3 個，本身構(gòu)成一個三角形；也可以是4 ?個，本身構(gòu)成一個大地四邊形。

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

混合基點網(wǎng)的初始觀測十分重要，一般采用多測回獨立觀測，多時段重復(fù)觀測，在同一個假設(shè)的坐標(biāo)系下，固定一點一方向進行嚴密平差，在坐標(biāo)較差通過情況下，取點的坐標(biāo)均值作為基準(zhǔn)點的精確坐標(biāo)，作為其后的周期觀測已知值使用。

02 計算與分析

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

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，GJ1 到GJ2 ?的方向為已知方向，做一點一方向的最小約束平差，可得基準(zhǔn)點和工作基點的坐標(biāo)。假設(shè)采用方向觀測精度為1 s，邊長觀測的精度為1 ?mm+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J6 的X 、Y 坐標(biāo)精度分別為1.7 mm 和1.4 mm，點位精度為2.2 ?mm。

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

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

由于已知點增多，混合基點網(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0.79，工作基點的坐標(biāo)精度小于0.5 ?mm，邊長精度小于0.6 mm。目標(biāo)點的坐標(biāo)精度都在1.1 mm 以內(nèi)。