差分極坐標(biāo)法在橋墩平面位移監(jiān)測中的應(yīng)用

葉 茂

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

[定稿日期]2018-01-22

1 概述

全站儀差分極坐標(biāo)法是在智能全站儀基礎(chǔ)上進(jìn)行持續(xù)的變形監(jiān)測，通過改進(jìn)的極坐標(biāo)法獲取變形監(jiān)測點的平面坐標(biāo)，進(jìn)而計算出變形監(jiān)測點在不同溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、日照強度等氣象條件下各期次的平面位移量。使用全站儀差分極坐標(biāo)法進(jìn)行橋墩平面位移監(jiān)測，能夠顯著提高變形監(jiān)測點的測量精度。

2 研究方法與實現(xiàn)

2.1 測量原理

全站儀差分極坐標(biāo)法是利用測站到參考點間的已知距離、已知豎直角和已知方位角，對同一區(qū)域內(nèi)相似氣象條件下測站到各變形監(jiān)測點的斜距、豎直角和方位角進(jìn)行動態(tài)修正。當(dāng)外業(yè)測量工作結(jié)束后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，對指標(biāo)超限的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行補測，所有原始數(shù)據(jù)質(zhì)量合格后計算變形監(jiān)測點的平面坐標(biāo)(XP,YP)，計算方法如下：

(1)斜距的差分改正。假設(shè)氣象環(huán)境對斜距測量的影響是呈線性的，利用測站到參考點間的已知斜距，對測站到各變形監(jiān)測點的實測斜距進(jìn)行改化，各變形監(jiān)測點經(jīng)過改化后的斜距SP計算公式為：

(1)

(2)

基準(zhǔn)點與各變形監(jiān)測點間經(jīng)改正后高差為：

(3)

式中，i、vp分別是儀器高和棱鏡高。

(4)

(4)平面坐標(biāo)坐標(biāo)的計算。將各變形監(jiān)測點經(jīng)差分改正后的平距DP、方位角HP代入極坐標(biāo)公式即可計算變形監(jiān)測點平面坐標(biāo)，極坐標(biāo)計算公式為：

(5)

2.2 變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)

(1)基準(zhǔn)點。測區(qū)范圍內(nèi)需埋設(shè)兩個基準(zhǔn)點，其作用分別是架設(shè)智能全站儀和確定照準(zhǔn)方向，要求埋設(shè)在變形區(qū)外的視野開闊、土質(zhì)穩(wěn)定、滿足GPS觀測的地方，采用有強制歸心裝置的固定觀測墩形式。

(2)參考點。需埋設(shè)一個參考點，其作用是對各變形監(jiān)測點的斜距、豎直角、方位角進(jìn)行改化，提高變形監(jiān)測精度，要求埋設(shè)在視野開闊、土質(zhì)穩(wěn)定的地方，采用有強制歸心裝置的固定觀測墩形式。

(3)變形監(jiān)測點。埋設(shè)在橋墩頂部，采用特制的強制對中預(yù)埋件，安裝專用棱鏡連接桿，連接桿上安裝正對測站的棱鏡。

2.3 基準(zhǔn)點與參考點測量技術(shù)要求

(1)基準(zhǔn)點與參考點的基準(zhǔn)平面坐標(biāo)采用GPS測量與全站儀測量結(jié)合方式獲得，使用GPS測量獲得測站的平面坐標(biāo)及兩個基準(zhǔn)點間的方位角，再利用一點一方向方法，使用全站儀測量獲得其余基準(zhǔn)點及參考點的平面坐標(biāo)。

(2)GPS測量采用一等精度等級進(jìn)行觀測。GPS測量采用的方法、使用的儀器和精度應(yīng)符合相應(yīng)等級的規(guī)定，觀測時聯(lián)測周圍穩(wěn)定的CPⅠ點及CPⅡ點作為起算點進(jìn)行平差計算。

2018年9月25日，習(xí)近平總書記親臨黑龍江墾區(qū)考察，并對農(nóng)墾定位、發(fā)展戰(zhàn)略、深化改革、糧食生產(chǎn)、綠色發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技等工作作出了一系列重要指示，為推進(jìn)農(nóng)墾改革發(fā)展指明了方向。墾區(qū)廣大干部群眾備受鼓舞，更加堅定了推進(jìn)農(nóng)墾改革發(fā)展的信心和決心。集團(tuán)（總局）黨委把學(xué)習(xí)宣傳貫徹習(xí)近平總書記在墾區(qū)考察時的重要講話精神作為首要政治任務(wù)，以把握精神實質(zhì)、核心要義、統(tǒng)一思想行動為根本，以推動農(nóng)墾改革發(fā)展為目標(biāo)，注重以上率下，注重全面系統(tǒng)，注重知行合一，在“高”“廣”“深”“實”上發(fā)力，高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量地做好習(xí)近平總書記重要講話精神的學(xué)習(xí)宣傳貫徹工作，收到了良好的效果。

(3)GPS測量采用標(biāo)稱精度為5 mm+1 ppm的雙頻GPS接收機。觀測前精心進(jìn)行時段設(shè)計，避開少于4顆衛(wèi)星以及GDOP偏大的時間窗口。觀測技術(shù)要求如下：按靜態(tài)相對定位模式進(jìn)行測量，觀測時段長度≥120 min；衛(wèi)星截止高度角≥15°，同時觀測有效衛(wèi)星總數(shù)≥4顆，觀測時段數(shù)為3，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s，PDOP或GDOP不大于6。

(4)全站儀測量使用儀器標(biāo)稱精度為0.5″，0.6 mm+1 ppm的徠卡TS30智能全站儀及GPR121進(jìn)口鋼化精密棱鏡進(jìn)行，在觀測時正確輸入對應(yīng)棱鏡的棱鏡常數(shù)。測距邊的斜距應(yīng)進(jìn)行氣象和儀器常數(shù)改正。

(5)全站儀測量的水平角觀測采用方向觀測法，并滿足表1的要求。

表1 水平角觀測技術(shù)要求

(6)全站儀測量的邊長測量技術(shù)要求應(yīng)符合表2的要求。

表2 邊長測量限差

2.4 變形監(jiān)測點測量技術(shù)要求

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用儀器標(biāo)稱精度為0.5″，0.6 mm+1 ppm的徠卡TS30及GPR121進(jìn)口鋼化精密棱鏡進(jìn)行，采用全圓觀測法進(jìn)行測量。

(2)變形監(jiān)測點測量方向和距離觀測執(zhí)行位移監(jiān)測一等技術(shù)要求見表1、表2。測距邊的斜距進(jìn)行氣象和儀器常數(shù)改正。。

(3)水平位移監(jiān)測的精度指標(biāo)見表3。

表3 水平位移監(jiān)測網(wǎng)精度指標(biāo)

(4)各期觀測應(yīng)采用相同的儀器設(shè)備、工作人員，各操作員的工作內(nèi)容應(yīng)固定不變。

(5)觀測完畢后，對測站與變形監(jiān)測點之間的斜距、豎直角和方位角按照式(1)～式(4)進(jìn)行差分修正。

(6)選擇夜間觀測條件較好、溫度較為恒定時的變形監(jiān)測點的平面坐標(biāo)值作為“0”值即基準(zhǔn)值，基準(zhǔn)值定需進(jìn)行多次觀測取平均值，確保準(zhǔn)確可靠。

3 測試數(shù)據(jù)分析

在試驗區(qū)域內(nèi)視野開闊、土質(zhì)穩(wěn)定、滿足GPS觀測的地方埋設(shè)4個具有強制歸心裝置的固定觀測墩NP01～NP04，點位間的平均邊長約為300 m，將NP01、NP02作為基準(zhǔn)點(其中NP01為測站)，NP03作為參考點，NP04作為變形監(jiān)測點。選擇夜間觀測條件較好、溫度較為恒定時的觀測坐標(biāo)值作各點的基準(zhǔn)值，基準(zhǔn)值進(jìn)行多次觀測取平均值，確保準(zhǔn)確可靠。各點的基準(zhǔn)值見表4。

表4 NP01～NP04基準(zhǔn)值 m

在無雨霧、通視情況良好的情況下24 h不間斷對變形監(jiān)測點NP04進(jìn)行觀測，采用一般極坐標(biāo)法及差分極坐標(biāo)法分別計算其各期次的坐標(biāo)。并與其基準(zhǔn)值進(jìn)行對比，對比情況見表5。

表5 兩種方法對比

由表5可知，采用一般極坐標(biāo)法計算得到的坐標(biāo)與其基準(zhǔn)值的X坐標(biāo)較差中有50 %的數(shù)值≥±1.0 mm，Y坐標(biāo)較差中有79 %的數(shù)值≥±2.0 mm；采用差分極坐標(biāo)法計算得到的坐標(biāo)與其基準(zhǔn)值X坐標(biāo)較差均≤±1.0 mm，Y坐標(biāo)較差均≤±1.5 mm。變形監(jiān)測點觀測精度得到了顯著的提高。

4 結(jié)束語

通過本文的探討，提出一種新的橋墩平面位移監(jiān)測方法。采用這種差分極坐標(biāo)法，利用測站到參考點間的已知距離、已知豎直角和已知方位角，對同一區(qū)域內(nèi)相似氣象條件下測站到各變形監(jiān)測點的斜距、豎直角和方位角進(jìn)行動態(tài)修正，能夠顯著提高變形監(jiān)測點的測量精度，可有效將變形監(jiān)測點平面坐標(biāo)誤差控制在1.5 mm以內(nèi)，可用于精度要求較高的平面位移監(jiān)測。

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