免棱镜全站仪解析法测量建筑物倾斜度的应用

田 萍，李 飞，周 波

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100）

免棱镜全站仪解析法测量建筑物倾斜度的应用

田 萍，李 飞，周 波

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100）

倾斜测量是建筑物变形监测的主要指标。以某学生公寓楼测量为例，介绍了免棱镜全站仪进行倾斜度测量时观测点的选择、测量计算、坐标转换等 ，改免棱镜全站仪直接测量建筑物倾斜度测量法为间接式的解析法，倾斜度测量精确度明显提高，方法简便，误差减小，工作效率明显提高。使免棱镜全站仪测量建筑物倾斜度更具有广阔的应用前景。

建筑物；免棱镜全站仪；倾斜测量；应用

倾斜同沉降和位移一样，都是建筑物变形监测的主要指标 ，其包括倾斜的方向、大小等［1－3］。如果建筑物的倾斜程度超过允许的限度，则会影响建筑物的正常使用，给使用者带来安全隐患。测量建筑物倾斜度最简单的方法是传统的悬吊垂球法或经纬仪悬投法，但是实际工作中，由于测量员往往无法到达建筑物顶角，导致传统的悬吊垂球法或经纬仪悬投法无法满足实际复杂的测量要求［4－5］。改用普通全站仪进行建筑物倾斜测量，其操作的可行性明显优于传统的悬吊垂球法或经纬仪悬投法。但是，普通全站仪倾斜测量法的可靠程度受测量点和棱镜放置方法的影响较大，造成的影响往往可以掩盖建筑物倾斜量的数值［6－7］。

免棱镜全站仪测建筑物的倾斜量，一方面不用考虑建筑物顶端能否到达或靠近，另一方面不用考虑全站仪因棱镜放置不同而带来的误差［8－11］。在倾斜量观测的工程实践中，涂群生总结了免棱镜全站仪观测建筑物倾斜量的方法［12］；于海涛对免棱镜全站仪测量高层建筑物倾斜度的可靠性进行探讨［13］；陈强对免棱镜全站仪测量民用建筑物的倾斜度进行了实践探讨［14］。随着免棱镜全站仪在测量实践中深入应用，测量的精准度要求越来越高，利用免棱镜全站仪直接进行测量，往往达不到要求。解析法作为提高精度的一种方法，开始受到工作者的关注。本文以一般建筑物倾斜测量为目标，对免棱镜全站仪解析法测量技术进行应用，旨在为探求一般建筑物倾斜测量的新方法。

1 免棱镜测量全站仪倾斜测量原理

免棱镜全站仪采用相位法测量建筑物倾斜度，仪器发出极其微小的激光束，可以很准确地照到观测点目标上，只要观测点的反射介质能达到免棱镜测量的要求，就没有必要在测量点位上安置棱镜，即可准确无误的测量出测量点的三维坐标。

如图1，将免棱镜全站仪架设在建筑物前的选择点上，用另一个控制点（N点）做后视定向，观测建筑物倾斜棱线AA′，测出A点坐标为（XA，YA）和顶端A′点坐标为（XA′，YA′），根据公式（1）可计算出其倾斜度：

图1 免棱镜全站建筑物倾斜测量示意图

2 免棱镜全站仪解析法测量倾斜度的操作要点

2.1 观测点的选择

布设若干控制点构成控制网使得能观测到建筑物的每一个面，求得建筑物顶面底面比较靠边的点的坐标，并通过交会法求得建筑物的角点坐标，求得每个角点的偏移量根据高程就可求得总体倾斜率。

每一个控制点到测量建筑物的测距长度要大于25m［15］。这样免棱镜全站仪的精度相对气象条件、固定误差、目标物的标识等因素影响较低，测量结果更科学。

2.2 检测精度的提高

一方面，采用一级激光进行测量，既能达到很好的检测精度，又能在提高工作效率的同时，减少测量人员人身危害。

另一方面，采用解析法进行倾斜度测量和计算，以提高倾斜度监测精度。如果直接利用仪器照准M、M′两点进行观测，由于反射光束常产生多路径效应，易造成测量误差偏大，倾斜度检测结果往往超出规定。解析法是间接得到AA′点的坐标的一种方法，通过易于观测的几个观测的坐标，解析计算AA′点的坐标，在进行相关计算。解析过程如下：

设建筑物墙面AA′D′D的底部P1、P2两个测点的观测坐标分别为（XP1，YP1），（XP2，YP2）；建筑物墙面AA′B′B底部P3、P4两个测点的观测坐标分别为（XP3，YP3），（XP4，YP4）（图1）。

由 P1、P2两点确定的直线DA和P3、P4两点确定的直线BA在水平面上必有一个交点A。

那么，DA直线方程为：

BA直线方程为：

将式（2）、式（3）化简得：

将式（4）、式（5）联立求解并写成矩阵形式得：

2.3 坐标转换的计算

特定方向的位移量是表征建筑物主体倾斜程度的主要指标，其大小平行于建筑物轴线方向的位移量。在观测计算平行于建筑物轴线方向的位移量时，如果测建筑物轴线与A、A′施工坐标系不平行，那么要通过公式（7）进行坐标转换计算。

式中：α为旋转角，以逆时针旋转为正；（x，y）为施工坐标系坐标；（x′，y′）为建筑物轴线坐标；（x0，y0）为平移量。

2.4 坐标格式的转换

为了生成对应的电子成果图，用CASS软件传输采集到的数据。数据传输过程中，进行坐标格式的转换，将数据序列由YXZ改为ZYX。计算机依据转换后的数据，利用CASS软件能够对应的勾画每个观测目标物的倾斜数据和倾斜程度。

3 应用实例

选择某学生公寓楼进行观测，该公寓为5层。起初采用的是用免棱镜全站仪直接测量房角的办法，观测结束后，发现直接测量房角的时侯反射光束多路径效应比较明显，对同一点进行多次测量误差较大，超出变形监测的相关规范所规定的误差，故对测量方法进行了改进，采用了上述解析法对该公寓进行了测量。

首先，在该公寓前70m布设控制网，假定 A点坐标为（500，500，100），用罗盘仪测得了 AB的磁方位方位角作为AB的方位角，然后依次定出 C、D控制点，在保证其相互通视的前提下对各个控制点进行了闭合导线观测，见表1。

表1 闭合导线测量记录表

将以上的数据代入公式（6）后即可得到每条棱的倾斜度。

则利用公式（1）可得其倾斜度：

求得的各M、M′点的坐标及其倾斜度见表3。

由此看出该建筑物偏西偏北即 X、Y轴上所偏方向一致，所以该建筑物稳定。此结论与该建筑物沉降观测的结果一致。

表2 一般建筑测量数据表

表3 倾斜度观测结果

4 结 语

免棱镜全站仪测量高层建筑物的倾斜度，只设一个站点，后视点定向后即可进行观测，利用建筑物墙面对激光的反射信号来获取测量信息，不需要反射棱镜的布设或照准点的标志，比传统测量方法大大减少了工作量。但是，利用免棱镜全站仪直接测量建筑物的倾斜量，其测量的精度只有在合适的距离下，才能达到指标要求。

对某学生公寓楼进行倾斜测量，体会到了免棱镜全站仪在测量倾斜度方面的优越性。它不但减少了测绘人员的工作危险性，而且极大的提高了倾斜测量的准确性和工作效率。但观测结束后，发现直接测量房角的时侯反射光束多路径效应比较明显，对同一点进行多次测量误差较大，超出变形监测的相关规范所规定的误差。在测量条件不变的情况下，利用解析法对该公寓进行了测量，其误差明显减小，达到精度指标要求。说明利用免棱镜全站仪解析法测量建筑物的倾斜度，更加科学、合理，具有可行性。

［1］ 陈永奇，吴 安，吴中如.变形监测分析与预报［M］.北京：测绘出版社 ，1998.

［2］ 建设部综合勘察研究设计院.JGJ／T8－97.建筑变形测量规程［S］.北京 ：清华大学出版社 ，1997.

［3］ 付新启，张国辉.建筑物倾斜观测的通用方法［J］.测绘通报 ，2004，（4）：33－35.

［4］ 刘庆金.特殊悬高之测量方法［J］.测绘通报，2006，（3）：43－45.

［5］ 顾孝烈，鲍 峰，程效军.测量学［M］.上海：同济大学出版社，1999.

［6］ 徐 佳 .基于TCA2003全站仪的变形监测系统研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2005.

［7］ 焦明连.基于全站仪的圆形建筑物倾斜观测的方法和精度［J］.四川测绘，2005，28（3）：135－136，143.

［8］ 张世强，高应龙.免棱镜全站仪在倾斜观测中的实践应用［J］.山西建筑，2010，36（22）：358－359.

［9］ 王明强.浅谈免棱镜全站仪在工程测量中的应用［J］.大众科技，2013，15（7）：42－43.

［10］ 张立群，赵仲荣，袁树才，等.免棱镜全站仪在建筑物倾斜监测中应用与分析［J］.测绘工程，2011，20（2）：57－60.

［11］ 谭国铨，肖 成，赵 亮.免棱镜全站仪测距特性的测试与分析［J］.电力勘测设计，2012，（2）：11－14.

［12］ 涂群生.免棱镜全站仪在工程测量中的应用［J］.黄石理工学院学报，2008，23（5）：66－68.

［13］ 于海涛.免棱镜全站仪在倾斜测量中可靠性探讨［J］.城市勘测，2011，（1）：140－141.

［14］ 陈 强.免棱镜全站仪测控建筑物倾斜的探讨［J］.江西测绘，2013，（4）：31－33.

［15］ 夏立福，李井春，胡友健，等.免棱镜全站仪测距性能的测试及精度分析［J］.地理空间信息，2008，6（2）：133－135.

The Application of Total Station Instrumentswithout Prism in Iinclination Observation of Buildings

TIAN Ping，LIFei，ZHOU Bo
（Yangling Vocational and Technical College，Yangling，Shaanxi712100，China）

Measuring the tilt is themain index of structure deformationmonitoring.Measuring the inclination ofbuildings with total station instrumentswithout prism is easy to operatewithminor errors compared with the conventional gradient measurementmethod，therefore thework efficiency is improved significantly.Furthermore，indirect analyticalmethod of measuring the inclination of buildings using total station instruments has amuch higher accuracy than that of the direct method，which shed lighton a boraderapplication prospectof total station instrumentswithoutprism inmeasuring inclination of buildings.

buildings；total station instrumentwithout prism；inclination observation；application

P204

A

1672—1144（2014）04—0112—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.021

2014－02－19

2014－03－20

杨凌职业技术学院自然科学研究基金（A－2012014）

田 萍（1976—），女 ，甘肃靖远人 ，硕士 ，讲师 ，主要从事工程测量方面的教学与研究工作。