[科普中国]-收敛测量

简介

隧道（尤其是在软土中建造的隧道）在施工以及使用过程中会受压产生形变，为确保隧道的安全运营，对其进行横向和竖向的收敛变形测量就显的尤为重要1。

收敛测量概述收敛测量系统可以分为接触式和非接触式两种，接触式主要为将多个倾斜角传感器按一定的布设方式布设在隧道周围，通过测得的角度计算出测点纵向和横向的变化，如巴塞特收敛测量系统。非接触式主要为利用各种伺服全站仪对选定的断面按一定的步长进行扫描，以观测测点的变形情况。接触式收敛测量系统需要在每个观测断面布设传感器，当存在大量断面需要观测时（如在隧道直线段需50 米观测一个断面，曲线段10 米观测一个断面），这种方式是不现实的，因此在实际工程使用中，多使用非接触式收敛测量系统。伺服全站仪观测方便，精度高，成为非接触式收敛测量系统的首选2。

伺服全站仪收敛测量系统常用伺服全站仪TPS1200+系列：该系列的全站仪将高精度、多功能及GNSS 定位系统的软硬件精巧集成在一起。TPS1200 + 系列全站仪主要的改进是测距部分（EDM），为了进一步提高望远镜的性能，徕卡利用单个激光二极管既用于有棱镜距离测量，也用于无棱镜距离测量，独特的光机技术和新型的激光二极管，使激光光斑在小尺寸、圆形形状、光束传播、可见性等方面具有更好的几何特性。这些特性有利于进一步改进距离测量的性能，使之对墙角、小边缘目标的无棱镜距离测量更加准确可靠。上述改进使TPS1200+ EDM测距性能在市场上的同级别产品中性能是最好的，它在有棱镜模式时的测距精度为1mm+1.5×10-6D，无棱镜模式时的测距精度为2mm+2×10-6D。在无棱镜测距模式时的测程可大于1000 米。

GTS -900A、GPT -9000A 智能全站仪： 采用XTRAC 跟踪技术，超长距离（大于1000m）自动跟踪、自动照准范围，15°/秒最大自动跟踪速度，提高工作效率，保证测量精度。采用WinCE 操作系统，革新的无线设计，彩色触摸屏，新型超快速伺服马达驱动（85°/秒），无干扰的测量机器人数据通讯技术，优秀的计算机单元及多种数据通讯手段，6″大范围倾斜补偿， 适应更多的复杂环境， 增强型电池容量（5000mAh）,外业无忧。独特的单人测量系统，配置了拥有最新移动科技的新型FC-200 野外控制器。GPT-9000A 提供世界上最长的无棱镜激光测距，这是XTREME 第三代无棱镜测距技术成果，2000 米（柯达白）的无棱镜测程确保了可以测量350 米范围内的任何颜色、任何材质的目标，并且采用的是最安全的一级激光。

S8 全站仪：Trimble S8 全站仪是Trimble 最先进的全站仪，专门为测量应用和特殊工程应用而设计。Trimble S8 可给出1" 角度精度和1 mm + 1 ppm 的EDM 精度，同时还具有许多可提高效率和生产率的特性。S8 仪器建立在Trimble 最新的全站仪平台基础之上。无论是测量应用还是特殊工程应用，都能从这种最新的光学技术中获益，提高生产率。TrimbleMagDrive 磁驱伺服技术可确保Trimble S8 操作快速静默，使测量或监测目标速度能够在静默状态下比常规电动全站仪快40%。同时，它可快速检测到目标移动，及早发出告警。MagDrive 磁驱技术的无摩擦运动特点，极大降低了仪器磨损。

扫描模式等角扫描：等角扫描指按照一定的角度的间隔，从起始角度开始朝向天顶方向扫描。等距模式：等距模式指按照一定的距离，从起始点开始扫描，并朝天顶方向扫描。

由于每次架设站的高度不一样，等角模式在复测的时候，如果设站高度不一样，会导致复测的点位与初测的点位不一致，因此一般情况下，扫描模式为等距扫描。

扫描数据处理隧道收敛测量关心的是管壁在纵向和横向的变化，一般情况下，用两次观测的点到圆心的距离之差来表示变形情况，如果只观测一次，可以比较与标准圆半径的差。

由于是自由坐标系，隧道扫描后，需要拟合出圆心坐标和半径，同时注意需要剔除一些粗差点，例如点扫描到遮挡物，或者管壁的凹凸处。扫描一圈后，如果想人工观测部分点，可以转动仪器，进行人工观测。圆心和半径的拟合采用最小二乘法2。

总结以上介绍了收敛测量的重要性，以及常用于收敛测量的三种伺服全站仪，定义了收敛测量坐标系。以及收敛测量的扫描模式，通过实际工程的测试数据，测试了算法的正确性3。