全站仪自动化变形监测系统研究与开发

棱镜 布设 在 能反 映结 构 体 变 形 特 征 的 特 征 点 位
置 ， 应 注意加 以保 护 。全 站 仪 设 立在 基 准 点 或 工 作 并
等 。
比较 目前 国内外 已有 的基 于 自动全 站仪 的 自动化
收 稿 日期 ：０ １ ８— ４ ２ １ —０ ２ 第一作者简介 ： 谷 川 （ ９ ３ ）， ，０ ９年 毕 业 于 同 济 大 学 大 地 测 量 １８ 一 男 ２ ０
根 据平均 气象 改正 系数 ， 别 应用 于每 个 基准 分
点 ， 出基准 点 的真实斜距 ｓ 求
Ｓ』 ＝ Ｓ ，
一 一
＋Ａ Ｓ ＝（ ｓ・ ， １＋Ａ ）・ 』 ｓ Ｓ～
（） ３
如 果 同一 时刻 测 得 的某 变 形 点 的斜 距 为 ｓ 那 么经 气象 改正差 分后 的真 实斜距 为
索， 如果 新一 轮搜 索仍 未找 到 ， 则弹 出对话 框 由人工 决 定 是继续 寻 找或放 弃 测量该 点 ， 并且 开始 倒计 时 ， 省 缺 设置 为放 弃该 点 ， 倒计 时 时间为 １ 。 ０ｓ
第 一周期 而 言 的 ， 可把 基 准 点 第 一 次 测量 的水 平 方 故
信息 区域 显示 的 内容 。数据 显示 区域 主要显示 测点 观
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测数 据信 息 。 日志信 息 区域 主要显 示测 量过程 中的行
为 和必要 的 中间计算 结 果 ， 以便 于在 测 量发 生 问题 时 查找 问题 和追 溯 原 因 。图形 显 示 区域 主要 显示 测 站 、
图 ３ 球 气 差 的 影 响 示 意
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ Ｄｅ ｅｏ ｓ ａ ｃ ｎ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｔ ｏ ｔ ｍ ａ ｉ ｆ ｒ ａ ｉ ｎ ｎ ｆ Ａｕ ｏ ｔｃ Ｄｅ ｏ ｍ ｔｏ
Ｍ ｏ ｉｏ ｉ ｇ Ｓ ｓ ｅ ｓ ｄ ｏ ｔ ｌＳ ａ ｉ ｎ ｎ ｔ ｒ ｎ ｙ ｔ ｍ Ｂａ ｅ ｎ Ｔｏ ａ ｔ ｔｏ
际需求 。具 有 自动 目标 照 准 功 能 全 站 仪 的 出 现 和 发 展， 为实 现变 形监 测 自动化 提供 了机 遇 ， 于 自动化 全 基
站仪 的 自动 化 变 形 监 测 系 统 的 研 究 和 开 发 相 继 开 展
起来 。
权为 国外 垄断 ， 价过 高 ， 出一 般 企 业 的 承受 范 围 ， 售 超 限制 了基 于 自动全 站仪 的 自动化变 形监 测 系统在 国内
化监 测过程 中存 在 的 实际 问题 和 解决 方法 。在 一个 工 程 实例 中， 用 自动 化 变形监 测 系统 和人 工手段 应 同时进 行 了测试 ， 并进 行 了比较 ， 结 果表 明 了 自动 化 变形监 测 系统的 可行性 和优 势 所在 。 其
关 键词 自动化 变 形监测 全站仪
Ｇ Ｔ Ｄ Ｍ Ｓ Ｇ ｏｒｂｔ ｅｏｍ ｔ ｎＭ ｎｔ ｉｇＳ ｓ ｍ） Ｒ — Ｅ Ｏ （ ｅ— ｏ Ｄ ｆ ａｉ ｏ ｉ ｒ ｙｔ ｏ ｒ ｏ ｏｎ ｅ
１ 系统 整 体 设 计
１ １ 系统 组 成 ．
基 于 自动 全 站仪 的 自动 化 变 形 监 测 系 统 由棱 镜 组、 自动全 站仪 、 制 电脑 、 控 软件 、 通讯 设备 等组成 。
ｃ＝ １一后 （） ６
（） ５
变化 对距 离测量 的影 响 。利 用基 准 网 的测 量 信息 ， 可
以在无 需测 量气 象元 素 ， 简化 系统 设备配 置 的条 件下 ，
实时进 行距 离的 大气折 射率差 分 改正 。
在 自动极 坐标 的 差分 测 量 系统 中 ， 站 点 与基 准 测 点均设 置在稳 定 的位 置上 ， 以认 为 它们 之 间 的距 离 可 是稳定 不 变 的 。设 监 测 站 至某 基 准 点 的 已知 斜 距 为
Ｓ ：Ｓ ＋ ・ ＝（ Ｓ １＋Ａ ）・ ｓ Ｓ （） ４
一 羹
图 ２ 自动 化 变 形 监 测 软 件 主界 面
２ ２ 三 角 高程 差 分模 型 ．
球 气差 影 响原理 如图 ３所 示 。
操作 菜单 主要 实 现对 软 件 的操 作 ， 以控 制仪 器 完 成 各项 观测任 务 ， 软件 完 成各 项 计 算 、 析 、 图等 任 分 绘 务 。工程 信息 控制 区域 主要控制 观测 数据 区域和 日志
测 站 至基准 点 的视 线 范 围最 好 能够覆盖 所有变 形
监测点 ， 可利 用基 准点 按 式 （ ） 得 球 气差 改正 数 ｃ ７求 ，
全站仪 自动化变形监测系统研究与开发 ： 谷
川
杨元伟
３
能较 好地代 表 变形 监测 区域 的 大气模 型 。 在每周 期 变形 点 的监 测 过 程 中 ， 由于测 量 时 间较
学与测量工程专业 ， 工学博士， 工程师 。
工作 。对 于工 程 中的特 殊要求 能 够进行 特 殊考虑 。
２
铁
道
勘
察
２１ ０ １年 第 ５期
：
． ）Ｊ ｉ
—
（） １
为 了保 证距 离气 象改 正 比例 系数
的可靠 性 与
准 确性 ， 实际 中可 以取 多个 基 准 点测 定 的距 离气 象 改 正 比例 系数 △ 的平 均 数 ， 于 距 离 测 量 的差 分 气 象 ｓ 用
观测点等的位置信息 ， 可进行三维显示 、 平移、 旋转 、 缩
放等 。
为 了准确 测定 变形 点 的三 维 坐标 ， 极 坐 标 的单 在
向测 量 中 ， 必须 考 虑球 气 差 对 高 程测 量 的影 响 。在 变
２ 差分功能算法研 究
２ １ 斜 距 差 分 改 正 模 型 ．
在极 坐标变 形监 测 系 统 中 ， 必须 考 虑 大气 条 件 的
国外 ， 士 Ｌ ｉａ公 司 开 发 出 的 自动 极 坐 标 测 量 瑞 ｅ ｃ 系统一 Ａ ｓ Ａ ｔｍ ｔ ｏａ Ｓ ｓ ｍ） 为利 用 大 地 测 量 Ｐ （ ｕｏ ａ ｃＰ ｌｒ ｙｔ ， ｉ ｅ 方法进 行 自动 变 形 监 测 做 出 了开 创 性 的 贡 献 。Ｌ ｉ ｅｃ ａ 公 司推 出 的 Ｇ ｏ ｏ （ ｅｄ ｔ ｎｔ ｉｇＳ ｓ ｍ）自动 ｅｍ ｓ Ｇ ｏｅｉ Ｍｏ ｉ ｒ ｙｔ ｃ ｏｎ ｅ
３ ２ 棱 镜被 遮 挡 的 处 理 ．
棱 镜遮 挡是 自动化 测 量 过 程 中常 发生 的现 象 ， 在 软件 中进行 了如 下 的处理 ： 第 １ 测量 被遮 挡 ， 跳 过 该 点 进 行 下一 点 的测 次 则
量， 一轮 测 量完成 后 ， 对未 能观 测到 的点 进行新 一 轮搜
一 ｃ：
那 么根据 下式 可求 出球气 差改 正系数 ｃ
。 ．Ｒ ２ （） ７ ¨
ｓ 在变形监测过程中， ？ 某一时刻实测的斜距为ｓ ，
两者 之 间的差 异可 以认 为 是 由气 象 条 件变 化 引 起 的 ，
按下 式可求 出气 象改 正 比例 系数 △ ｓ
式中， 尺为地 球平 均 曲率 半径 （ ７ ｍ） 取６３ １ ｋ 。
改 正
图 １ 全 站 仪 自动化 变 形 监 测 系统 组成
∑ △ ｓ
Ａｓ＝ 一
ｍ
（ ２）
１２ 软件 功 能设 计 ．
自动 化变 形 监测 软 件 主界 面 主 要 由菜 单 操 作 区
域 、 程信 息操作 区域 、 工 观测数 据 区域 、 日志信息 区域 、
图形 区域几 部分组 成 ， 图 ２所 示 。 如
全 站仪 自动化变形 监测 系统研 究与 开发： 谷
川
杨元伟
文章 编号 ：６ ２— ４ ９ ２ １ ） ５— ０ １ ０ １７ ７ ７ （ ０ １ ０ ０ ０ — ４
全 站 仪 自动 化 变 形 监 测 系 统 研 究 与 开 发
谷 川 杨 元 伟 ＇
（ ．上 海 市 政 工 程 设 计 研 究 总 院 （ 团 ） 限公 司 ， 海 １ 集 有 上 ２０ ９ ；．上 海 市 政 工 程 检 测 中 心有 限公 司 ， 海 ００ ２２ 上 ２１１） ０ １４
基点 上 ， 要求 点位 相对稳 定 ， 能轻 松 找寻 目标点并 实 现
实 时观测 。控 制 电脑 放 置 在 工作 房 内 ， 过 有 线 或无 通 线方 式 与仪器 连接 ， 过 电脑 内安装 的软 件 控 制 自动 通 全站 仪进 行数 据采 集 ， 且 自动进 行 数 据 分 析 与处 理 并
中图分 类号 ： ２ ４ Ｐ ０
差分 多 目标
测 站不稳 定
文 献标 识码 ： Ｂ
工程 建设 等行 业 的迅猛 发 展 ， 变形 监 测 工 作 提 对
出了更高 的要 求 ， 逐渐 形 成 了 对 自动化 变 形 监 测 的实
变形 监测 系统 可 以发 现 ： 国外 的 软件 已经 相 对 比较 完 善 ， 是存 在 的问题 是 功 能 过 于 丰 富 ， 对性 不 强 ， 但 针 产
△ ：ｓ ｓ ＋ｃ． ＾ ． ｉ ｎ 皇
二 』Ｌ
＋
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ｚ （） ８
２ ３ 方位 角 的 差 分 改 正 ．
在 长期 的变 形监 测 中 ， 以保证 仪 器 的绝对 稳定 。 难 水 平 度盘 ０ ０ ０ ０ 方 向 的变 化 ， 水 平 方 位 角 的影 。 ００ ． ” 对 响不可 忽略 ¨ 。在 变形 监 测 中 ， 求 的变 形量 是 相 对 ３ Ｊ 所
监测系统 ， 已经相对比较完善 。国内也有一些高校 、 科
研单位 在积 极研 究 和开发 基 于 自动 全站 仪 的 自动化变
形监测 系统 。例 如 ， 内中南 大学 张 学 庄 开 发研 制 的 国 “ ＭＤ ＭＳ亚 毫 米 级 精 度 大 坝 自动 变 形 监 测 系 统 ” Ｓ Ａ ， Ｌ ｉａ 州欧 亚测 量 系 统 有 限公 司与 解 放 军 信 息 工 程 ｅ 郑 ｃ 大学测 绘学 院联 合 开发 的 Ａ ＭＳ自动变 形 监 测 软 件 ， Ｄ 武 汉大 学张正 禄 开发研 制 的测量 机器 人变 形监 测 系统
形监 测 网的测 量 中 ， 准点 与测 站 点 之 间 的高 差 Ａ 基 ｈ 是 可知 的。如上 述 的距 离 测 量 一样 ， 果 某 一 时刻 测 如 得测 站与 基准点 之 间的三 角高 差ｈ Ｈ为
ｈ Ｊ＝Ｓ ｓ ＋ｉ Ｊｉ ｎ —ｆ 式 中 ， 为垂直 角 ，为仪 器 高 ， 为 目标高 。 ｉ Ｚ 将 球气差 写在 一起 ， 即令
的推广 应用 ； 内的软 件 多 针对 某 一 工 程 或 者某 类 工 国 程 开发 ， 主要 以大坝 等 的 自动 化变 形监 测为 主 ， 能 比 功 较 单一 ， 乏针 对桥 梁 、 道 、 坑 等 类 型 建筑 工 程 项 缺 隧 基 目的特 色软 件 。 因此 ， 必 要根 据建 设 工 程 行 业 的 需求 开发 一 套 有 能 够满 足行 业需 求 、 业 特色鲜 明 、 于 自动 全站仪 的 行 基 自动化 变形 监测 软件 。
Ｇｕ Ｃｈ ａ ｕｎ， Ｙａ ｇ Ｙｕ ｎ ｉ， ｎ ａ ｗｅ
摘 要 分 析 了 当前 全站仪 自动化 变形 监测技 术 的发展 现 状 ， 总结 了研 究该 系统 的 必要 性 。研 究
了系统 的组成 和 系统的 功能设 计 ， 出了斜 距 、 角高程 、 提 三 方位 角差分 改正 的必要 性 和方 法 ， 讨 了 自动 探
一
般而言， 在设 置 测 站 时 可 尽 量避 免 该 情 况 的 出
短（ 约数分 钟 ） 可 以认 为 Ｃ值对 基 准 点 与 变形 点 的影 ， 响是 相 同的 ， 按照 下 式 可 求 出变 形 点 与 测 站 点 之 问 故 经球气 差改 正 的三 角高差 Ａ ｈ
ｎ２ ２
现 。实在 不可 避免 时 ， 考 虑 采 用 硬件 方 法 或 软 件方 可 法辅 助克 服 。