自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件的思考與建議

宋 軍

(深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳518000)

一、引 言

20世紀(jì)80年代，測(cè)量機(jī)器人的出現(xiàn)給數(shù)據(jù)采集及處理方式帶來了革命性的變化，特別是在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，由于存在大量的重復(fù)觀測(cè)，測(cè)量機(jī)器人的應(yīng)用極大地提高了作業(yè)效率和數(shù)據(jù)精度，減輕了測(cè)繪人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

在國外自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的帶動(dòng)下，國內(nèi)測(cè)繪行業(yè)針對(duì)該系統(tǒng)的軟件開發(fā)也取得了不少成果，各測(cè)繪院校、專業(yè)公司都推出了不同的解決方案。通過多年來在不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目使用各種軟件系統(tǒng)，筆者對(duì)目前的全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件提出幾點(diǎn)改進(jìn)意見。

二、系統(tǒng)現(xiàn)狀

測(cè)量機(jī)器人是在全站儀的基礎(chǔ)上集成驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、CCD傳感器、激光及人工智能技術(shù)，通過CCD傳感器識(shí)別目標(biāo)并對(duì)接收的電磁波強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)判斷，計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別和精確照準(zhǔn)，自動(dòng)采集和記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

1．硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由3部分組成:①測(cè)站:當(dāng)采用無人值守自動(dòng)化模式時(shí)，測(cè)站由測(cè)量機(jī)器人、觀測(cè)墩、通信模塊、供電系統(tǒng)及氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，部分特殊區(qū)域如軌道交通運(yùn)營線路，還有震動(dòng)探測(cè)控制系統(tǒng)，半自動(dòng)觀測(cè)模式則不需要供電及通信模塊;②基準(zhǔn)點(diǎn):也稱參考點(diǎn)，設(shè)置在變形區(qū)域外的穩(wěn)固處，作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方位參考或?yàn)閿?shù)據(jù)處理時(shí)的距離及高差差分提供計(jì)算基準(zhǔn)，一般在3個(gè)以上;③監(jiān)測(cè)點(diǎn):監(jiān)測(cè)點(diǎn)由布置在變形體上的棱鏡或反射膜片組成。

2．軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要由3部分組成:①數(shù)據(jù)采集控制:通過學(xué)習(xí)測(cè)量確定觀測(cè)點(diǎn)位，設(shè)置各項(xiàng)觀測(cè)限差和測(cè)回?cái)?shù)，自動(dòng)觀測(cè)時(shí)間控制;②數(shù)據(jù)處理分析:數(shù)據(jù)平差處理，繪制圖表及曲線，分析及預(yù)估;③信息發(fā)布傳輸:向測(cè)量機(jī)器人發(fā)布采集指令，接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理成果傳輸給指定位置。

3．系統(tǒng)特點(diǎn)

目前的軟件系統(tǒng)按照載體不同有兩種形式:①分離式系統(tǒng):測(cè)量機(jī)器人安裝機(jī)載數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)安裝后處理系統(tǒng)，兩者既可通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，也可單獨(dú)采集數(shù)據(jù)，下載到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后處理;②一體化系統(tǒng):所有軟件模塊均安裝在計(jì)算機(jī)上，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制測(cè)量機(jī)器人，采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，實(shí)時(shí)處理。

國內(nèi)軟件主要研發(fā)方向在于數(shù)據(jù)采集控制方式和數(shù)據(jù)處理形式，而數(shù)據(jù)采集精度受制于硬件系統(tǒng)，只能在抗干擾方面進(jìn)行改進(jìn)，如加裝震動(dòng)探測(cè)器，在外部震動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)控制儀器暫停測(cè)量;氣象數(shù)據(jù)采集器，可以將采集的氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?，?shí)時(shí)改正邊長測(cè)量值。

三、改進(jìn)方向

針對(duì)市面上流行的軟件，結(jié)合實(shí)際工作中的使用情況，提出一點(diǎn)看法和建議，更好地為工程監(jiān)測(cè)服務(wù)。

1．初始值

按照相關(guān)測(cè)量規(guī)范，初始值應(yīng)該采集兩次，未超限的情況下取其平均值作為初始值。在實(shí)際工作中，由于工程施工環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)損毀的情況時(shí)有發(fā)生，在及時(shí)補(bǔ)點(diǎn)的同時(shí)，需要在學(xué)習(xí)測(cè)量的環(huán)節(jié)中加入新增點(diǎn)位，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中應(yīng)將該點(diǎn)損毀前的累積變化值與新增點(diǎn)位初始值疊加，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2．基準(zhǔn)點(diǎn)

在每期測(cè)量后，首先應(yīng)該對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)，即對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)間的空間相對(duì)關(guān)系與初始值進(jìn)行比較，判斷各基準(zhǔn)點(diǎn)是否穩(wěn)定可靠。若有基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)位置的變化值超出限差的情況，在無法自動(dòng)改正處理時(shí)，應(yīng)自動(dòng)報(bào)警由人工進(jìn)行處理，在解算監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)屏蔽該基準(zhǔn)點(diǎn)(本次測(cè)量誤差造成超限)，或賦予該點(diǎn)新值(點(diǎn)位發(fā)生位移造成超限)，避免將基準(zhǔn)點(diǎn)的粗差帶入監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3．采集控制

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件的工作模式一般是每期對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部觀測(cè)后，以基準(zhǔn)點(diǎn)為固定點(diǎn)解算所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。但是在實(shí)際工作中，并不是每期觀測(cè)均能夠完整測(cè)量全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，施工圍擋的變化和施工機(jī)械的位置都會(huì)對(duì)測(cè)站視線造成影響，無法在一個(gè)固定測(cè)站上采集到所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

建議在半自動(dòng)觀測(cè)模式下引入分組觀測(cè)的方式，當(dāng)無法在一個(gè)測(cè)站上完成本期觀測(cè)時(shí)，首先采集大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為第一組，然后移動(dòng)測(cè)站，第二組觀測(cè)被遮擋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)及部分第一組中的點(diǎn)位作為公共點(diǎn)，由于間隔時(shí)間極短，可以認(rèn)為在本期觀測(cè)內(nèi)公共點(diǎn)的位置是未發(fā)生變化的。同理可進(jìn)行第三組或更多組數(shù)的觀測(cè)，后期處理由軟件將所有分組數(shù)據(jù)合并進(jìn)行，以保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。

4．成果輸出

變形監(jiān)測(cè)雖然作為一個(gè)多學(xué)科匯聚的專業(yè)，但在數(shù)據(jù)采集方面還是應(yīng)遵循測(cè)繪專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前的很多國產(chǎn)軟件只注重了最終成果的處理與輸出，而在各類原始記錄，如各測(cè)回邊長和角度數(shù)據(jù)的處理與輸出方面則未作要求，建議在軟件中設(shè)置相關(guān)記錄和輸出模塊，以便于人工檢查和驗(yàn)證。

變形觀測(cè)采集的各點(diǎn)空間位置，目前大多數(shù)軟件只進(jìn)行單點(diǎn)的變化趨勢(shì)比較，點(diǎn)間相對(duì)關(guān)系和變化未作處理。因此，增加相關(guān)處理功能，可以對(duì)斷面收斂、差異沉降等變化值更好地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5．?dāng)?shù)據(jù)處理

在特殊情況下，測(cè)站會(huì)設(shè)置在變形區(qū)域，一般采用后方交會(huì)的方法進(jìn)行觀測(cè)，但是受交會(huì)角的影響較大，在通視困難，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置條件差，交會(huì)圖形不好時(shí)精度很難達(dá)到要求。目前有采用多臺(tái)儀器聯(lián)合作業(yè)的解決方案，但是工作量和成本均有增加，筆者嘗試改進(jìn)目前使用的后方交會(huì)算法，在實(shí)際工作中有較好效果，還需在理論上進(jìn)一步論證，也希望各位同行在這方面給出較好的解決方法。

四、工程實(shí)例

某基坑開挖面積6600 m2，深度11 m，其中一項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容為圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移，采用全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式，監(jiān)測(cè)點(diǎn)使用小棱鏡固定在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，由于現(xiàn)場(chǎng)通視條件限制，測(cè)站只能布置在基坑周邊，處于不穩(wěn)定區(qū)域，因此在基坑影響范圍外的建筑物上布置4個(gè)棱鏡作為基準(zhǔn)點(diǎn)，采用后方交會(huì)法進(jìn)行觀測(cè)。所有觀測(cè)、計(jì)算及成果輸出均使用軟件自動(dòng)進(jìn)行。

為驗(yàn)證軟件處理成果，所有自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)均提取角度和邊長觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用人工驗(yàn)算方法進(jìn)行檢測(cè)。由于測(cè)站位于不穩(wěn)定區(qū)域，首先使用極坐標(biāo)法解算出所有基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的假定坐標(biāo)，然后以基準(zhǔn)點(diǎn)作為公共點(diǎn)，以首期觀測(cè)值為基準(zhǔn)，采用六參數(shù)仿射變換法解算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，與自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，符合情況良好。

1．基準(zhǔn)點(diǎn)問題

在該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)中期，出現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形較大的情況，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巡視及施工現(xiàn)況，并無異常，采用人工驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)六參數(shù)中的尺度因子較大，初步判斷應(yīng)是基準(zhǔn)點(diǎn)問題，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，其中一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)被碰動(dòng)，刪除該點(diǎn)后重新計(jì)算，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)正常。

2．遮擋問題

隨著施工階段的進(jìn)行，各種施工機(jī)械和構(gòu)筑物對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響非常大，初期一個(gè)測(cè)站即可對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)完成觀測(cè)，在施工中后期基本無法滿足該觀測(cè)條件，采用換站測(cè)量公共點(diǎn)，同時(shí)觀測(cè)被遮擋監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方法，很好地解決了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性問題。

五、結(jié)束語

國內(nèi)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)雖然起步較晚，但在最近10年來發(fā)展的步伐很快，與國際一流軟件的差距越來越小，且在用戶體驗(yàn)方面有較大優(yōu)勢(shì)，隨著在工程實(shí)踐中不斷應(yīng)用與改進(jìn)，將在變形監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮更大的作用。

［1］ GB 50026—2007工程測(cè)量規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2002．

［2］ JGJ 8—2007建筑變形測(cè)量規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．