李中飛 周賽君

摘要：邊坡變形監(jiān)測的特點(diǎn)是監(jiān)測點(diǎn)多、測量次數(shù)多、工作量大，影響測量成果的誤差因素也很多，對監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)或高程的真值成果影響很大，其實(shí)對于變形監(jiān)測而言，取得真值并不是必要的，關(guān)鍵取得變形值，而采用對觀測值多重差分方法處理可以更有效取得監(jiān)測點(diǎn)變形值。

本文對適于邊坡變形監(jiān)測的差分方法進(jìn)行介紹，并提出變形監(jiān)測多重差分概念，同時對差分方法在邊坡變形監(jiān)測中應(yīng)用的合理性、優(yōu)越性和適用性進(jìn)行了理論說明。

關(guān)鍵詞：邊坡變形監(jiān)測；傳統(tǒng)方法；差分方法；觀測值；變形值

1.概述

按測量學(xué)理論，坐標(biāo)或高程值都是通過觀測要素（距離、水平角和天頂距）平差計(jì)算所得，即：

為監(jiān)測點(diǎn)P的坐標(biāo)和高程變形值。

但對于邊坡變形監(jiān)測而言，周期觀測都是重復(fù)觀測，對于每一監(jiān)測點(diǎn)來說，每次觀測要素（距離、水平角和天頂距）都是相同的，正是因?yàn)橛^測要素的測量值的變化導(dǎo)致坐標(biāo)或高程值的變化，這就可能產(chǎn)生了另一種數(shù)據(jù)處理方法——差分法，即通過觀測要素測量值的變化值求監(jiān)測點(diǎn)變形值。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)的測量機(jī)器人已應(yīng)用于邊坡變形監(jiān)測，如瑞士徠卡的TCA2003全站儀和TCA1800全站儀，集自動識別和照準(zhǔn)目標(biāo)、自動測量、自動記錄功能于一身，并提供了軟件監(jiān)控平臺，根據(jù)用戶的要求，按規(guī)范要求測量順序、測量等級和測量限差進(jìn)行作業(yè)，代替了傳統(tǒng)的人工作業(yè)，且觀測速度快、作業(yè)誤差小、成果規(guī)范可靠。但先進(jìn)的儀器設(shè)備并不等于測量成果一定滿足要求，只有有效合理的測量方法和數(shù)據(jù)處理方法才能保證成果的有效性和準(zhǔn)確性。

2.垂直位移差分

邊坡變形監(jiān)測的特點(diǎn)是監(jiān)測點(diǎn)多、測量次數(shù)多、工作量大，影響測量成果的誤差因素也很多，特別是水利水電工程邊坡，邊坡垂直位移往往因測量工作量和精度等原因采用三角高程方法測量，其監(jiān)測都是跨河測量，河中氣流變化對大氣折光和球氣差有較大影響，且無法觀測到中部的氣象指標(biāo)，對測距成果和天頂距成果影響是很大的，因此怎樣解決減少氣象因素影響問題成了邊坡垂直位移監(jiān)測的關(guān)健。

其實(shí)對于變形監(jiān)測，每一期觀測氣象因素的影響是不一樣的，但每一期對所有監(jiān)測點(diǎn)的影響有一定的關(guān)聯(lián)性，由于溫度梯度、濕度梯度均與高程有關(guān)，進(jìn)一步假設(shè)在邊坡某一高程所有監(jiān)測點(diǎn)代表性氣象因子是相同的，也就是說在某一基準(zhǔn)點(diǎn)施測某一高程面所有監(jiān)測點(diǎn)氣象改正數(shù)是相同的或與距離成比例，這就我們提供了消除和減少氣象誤差的可能性，即依據(jù)與監(jiān)測點(diǎn)附近的工作基點(diǎn)觀測成果對監(jiān)測點(diǎn)成果進(jìn)行差分，方案如下圖：

垂直位移差分實(shí)質(zhì)上等同在變形監(jiān)測系統(tǒng)中普遍采用的小角法視準(zhǔn)線，不同的是視準(zhǔn)線的視準(zhǔn)面是垂直面且在工作基點(diǎn)上安置儀器，而垂直位移差分的視準(zhǔn)面是水平面，而且儀器安置在基準(zhǔn)點(diǎn)而不是工作基點(diǎn)上，但基本原理是一樣的，都是通過工作基點(diǎn)測量監(jiān)測點(diǎn)角度的變化來求得監(jiān)測點(diǎn)在某一方向上（一維）的變形，從上述垂直位移差分原理可以看出，該方法周期觀測時如果只考慮觀測測點(diǎn)垂直位移時可以不測邊，大大地提高了變形監(jiān)測的效率。

在實(shí)測中由于采用的是差分方法，氣象因素影響已減少到最低程度，且在實(shí)測中不用觀測氣象元素，也可以地提高了作業(yè)效率，當(dāng)然在處理C值方法是多種多樣的，比如說平均法，可能是不同高程基點(diǎn)的平均，也可能同一高程上下游基點(diǎn)的平均，應(yīng)根據(jù)地形條件和測區(qū)氣象特征來確定，是建立一個有效的差分模型。

3.極坐標(biāo)差分

在傳統(tǒng)變形監(jiān)測系統(tǒng)中極坐標(biāo)是極少采用的，原因是它可靠度低、沒有多余觀測條件、不具有發(fā)現(xiàn)粗差能力，但由于自動化全站儀的應(yīng)用，固定標(biāo)墩的普遍采用，測量過程人工干預(yù)大大減少，觀測過程出現(xiàn)粗差可能性大大減少，即使出現(xiàn)粗差也在數(shù)據(jù)處理時馬上發(fā)現(xiàn)并重測處理，由徠卡TCA系列的全站儀+APSWin（Automatic Polar System for Windows）軟件構(gòu)成的APSWin系統(tǒng)（自動極坐標(biāo)測量系統(tǒng)）就是采用極坐標(biāo)法進(jìn)行變形監(jiān)測，在國內(nèi)外有很成功實(shí)施的先例，本論文集中《工程變形監(jiān)測與APS系統(tǒng)》一文已作了詳細(xì)的論述。

極坐標(biāo)實(shí)時差分測量系統(tǒng)主要采用是差分技術(shù)，它實(shí)際上是在一個測站上對兩個觀測目標(biāo)進(jìn)行觀測對觀測值求差或在兩個測站上對同一目標(biāo)進(jìn)行觀測對觀測值求差，求差的目的在于消除已知的或未知的重復(fù)觀測公共誤差，以提高測量結(jié)果的精度，在邊坡變形監(jiān)測過程中，受到了許多誤差因素的干擾，如大氣垂直折光、水平折光、氣溫、氣壓變化、儀器的內(nèi)部誤差等等，直接求出這些誤差的大小是極其困難的且對于變形監(jiān)測來講也是不必要的，故可采用差分的方法以減弱或消除這些誤差來提高測量的精度。

與垂直位移差分相同，怎樣處理測點(diǎn)C值的變化值ΔCP與基點(diǎn)C值的變化值ΔCJ是差分方法的一個關(guān)鍵問題，實(shí)際操作時可根據(jù)重復(fù)觀測公共誤差的構(gòu)成、地形條件和氣象特征建立C值處理模型，長期監(jiān)測的邊坡還可以根據(jù)前期監(jiān)測成果對C值處理模型進(jìn)行調(diào)整。

4.三維坐標(biāo)多重差分

影響三維坐標(biāo)測量精度有對水平角、垂直角和距離。及到大氣的氣象改正、水平折光、垂直折光等許多復(fù)雜的因素，傳統(tǒng)觀測方法中，已對各觀測元素進(jìn)行氣象改正，就是為了消除這些因素對最終成果的影響。對于某一測點(diǎn)這些誤差從時序上偶然的，但對于同一周期觀測各測點(diǎn)來看則是系統(tǒng)的，正是因?yàn)槠渚哂型恢芷谟^測系統(tǒng)性這一特點(diǎn)，可以設(shè)置與測點(diǎn)觀測條件相同或相當(dāng)?shù)幕c(diǎn)，采用差分方法來消除該項(xiàng)目誤差的影響，提高測量精度。

邊坡變形監(jiān)測往往不是獨(dú)立的極坐標(biāo)法和單獨(dú)的垂直位移觀測，通常是組網(wǎng)觀測，方式有兩點(diǎn)、三點(diǎn)或多點(diǎn)邊角前方交會，如果按規(guī)范的作業(yè)方式，測邊和測角均應(yīng)進(jìn)行往返測，觀測工作量通常很大，測點(diǎn)間的觀測元素也不是獨(dú)立的，因此對于某一測點(diǎn)式（1）也不一定固定的函數(shù)關(guān)系，可能每一周期觀測函數(shù)形式都不一樣，如果在這種觀測方案中實(shí)施差分方法就存在了多重差分的問題。

這時多重差分分兩步進(jìn)行，一是對觀測元素進(jìn)行差分即對水平方向、天頂距和邊長基于差分基點(diǎn)的觀測成果進(jìn)行差分，可求出每一測點(diǎn)各觀測元素與首次觀測的差值，二是由觀測元素的差值根據(jù)本周期觀測測點(diǎn)變形值與觀測元素的函數(shù)求取測點(diǎn)變形值。

與垂直位移差分和極坐標(biāo)差分一樣，多重差分的主要工作建立差分模型的問題，由于差分方法能有效地消除氣象因素的影響，變形測量的精度有明顯的提高，且觀測工作也由于不必測量氣象元素而減少，只要建立合理的差分模型，差分方法可以減少工作量提高觀測精度。

5.結(jié)語

邊坡變形監(jiān)測差分方法的實(shí)質(zhì)是改傳統(tǒng)觀測方法求真值之差為求差值的真值，通過對觀測元素的差分有效地消除氣象因素對最終變形成果的影響，從而提高變形監(jiān)測成果的精度。

差分方法不但是一種計(jì)算處理方法，同時也是一種有效的觀測方法，它可以有效地減少觀測工作量，根據(jù)差分測量原理，可以不進(jìn)行氣象元素的觀測，不進(jìn)行對向觀測，在提高觀測精度的同時還提高了作業(yè)效率。

當(dāng)然，該方法的實(shí)現(xiàn)是有一定條件，一是適合于變形邊界比較明顯的邊坡，即有條件設(shè)置觀測條件與測點(diǎn)相同或相當(dāng)?shù)幕c(diǎn)，二是要求周期觀測速度快（目前的儀器已完成可以實(shí)現(xiàn)），基本保證基點(diǎn)和測點(diǎn)在同一觀測條件下進(jìn)行。

隨著測量儀器的進(jìn)步，測量機(jī)器人已越來越多應(yīng)用在邊坡變形監(jiān)測中，自動照準(zhǔn)、自動觀測大大地提高了觀測速度，工具的變革也帶來方法的變革，差分方法可以使邊坡變形監(jiān)測更高效更精確。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國電力標(biāo)準(zhǔn)《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DT/T5178-2003）。

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程測量規(guī)范（規(guī)劃設(shè)計(jì)階段）》（SL 197-97）。