基坑工程监测数据处理与平差软件开发

范文辉 范晓燕

四川交大工程检测咨询有限公司 四川 成都 610031

1 概述

基坑工程的安全性监测一般都采用全站仪的三维定位法，该法具有精度高、速度快、任意点置镜、现场施测灵活便捷、适应工地各工序配合的要求。这也对后续的数据处理与平差软件在通用性、完整性、标准化、规范化、集成化、自动化等方面提出了很高的要求。实现基坑工程监测工作的内外业一体化、信息化具有重要的现实意义[1～5]。

我们为此专门研制了针对全站仪数据的NET软件系统。NET软件具有以下4个显著特点：

①NET软件采用非线性最小二乘平差方法，解决了任意平面控制网的坐标自动解算与网平差问题，成为通用的边角网平差软件。

②NET软件采用先建立间接平差模型，再转化为条件平差模型的方法，以条件方程式的独立最小环方式实现了完整的闭合差检查功能。

③NET软件基于坐标变换的快速相对点位误差椭圆在长半轴E和短半轴F、纵坐标X和横坐标Y、边长的纵向和横向等方向上的算法，丰富了相对点位精度指标的成套输出，适应了各类工程测量规范[1～4]对特殊方向上的精度评定要求。

④NET软件实现了Microsoft Office Excel格式和WPS格式的成果报表和Autodesk AutoCAD格式控制网平面图的输出，实现了平差与数据处理成果的信息化接入。

2 非线性最小二乘平差方法

现有的基坑工程监测数据处理与平差软件，一般只能处理常规网形，比如导线网、三角网（锁）、大地四边形、中点多边形、角度和距离交会等等。对于按照最小二乘平差原理组建的任意控制网网形，由于概略坐标的解算问题没有彻底解决，导致后续的平差计算无法进行下去。为解决此问题，现有的测量平差与数据处理软件要求前期的外业测量不能按照最小二乘平差原理任意布设控制网的网形，控制网的网形只能选取常规网形，导致外业作业严重受限，不能根据实际情况灵活布网，工作效率大幅度下降。或者可以任意布网，但后续需要人工完成概略坐标的计算，无法实现全过程的信息化处理。

NET软件基于非线性最小二乘原理，我们研发了改进的序列二次规划算法，改进了算法的理论缺陷和漏洞、完善了其快速步长调整算法，通过“原线性最小二乘平差模型-转换为非线性规划模型-再转换为序列二次规划模型-又转换为序列线性平差模型”这一组合的适于计算机编程计算的非线性组合算法，解决了适用于任意平面测量控制网的坐标自动解算问题，使得控制点概略坐标解算与最小二乘平差同步进行，从理论方法上彻底解决了测量平差与数据处理软件系统通用性和全信息化的矛盾，消除了数据处理方法对外业测量控制网布网的制约，也回避了手工进行控制点概略坐标的计算问题，极大提高了内外业测量的工作效率。

3 间接平差模型向条件平差模型的转化方法

现有的基坑工程监测数据处理与平差软件具有可靠性指标（多余观测分量）的计算，但还没能实现完整的闭合差检查。

在间接平差模型转化为条件平差模型的通用方法基础上，NET软件采用了先间接平差、后条件平差的2套平差的数据处理方法，综合了间接平差和条件平差的优点，数据处理过程具有较全面的质量检查机制，实现了软件的查错和质量检查功能。

4 坐标变换算法的相对误差椭圆分解算法

现有的基坑工程监测数据处理与平差软件对点位误差椭圆等点位精度十分关注，但对相对点位误差椭圆等相对点位精度不够重视，还缺少相对点位误差椭圆在坐标轴方向、边长的纵向横向的计算成果。新版的各类工程测量规范大都新增了相对点位精度的限差要求，需要实现控制网任意2点间相对点位误差椭圆在长半轴E和短半轴F、纵坐标X和横坐标Y、边长的纵向和横向等方向上的成果输出，以便计算控制网特殊的精度指标，如监测点向基坑内部方向的横向变形值的中误差、隧道洞内测量控制网横向贯通中误差。

在基于坐标变换的快速相对点位误差椭圆在长半轴E和短半轴F、纵坐标X和横坐标Y、边长的纵向和横向等方向上算法的基础上，NET软件丰富了相对点位精度指标的成套输出，使得数据处理成果中的精度评定指标更加完整全面，适应了各类工程测量对精度评定的需求。

5 成果报告实现信息化

现有的基坑工程监测数据处理与平差软件往往以屏幕图形化方式输出控制网平面图，不兼容Autodesk AutoCAD格式，不方便与土木工程相关专业的图形交互。另外，传统上文本格式的数据报表输出，非常不方便后续检测报告的制作，无法摆脱繁重的手工制表工作。如果能有AutoCAD格式的控制网平面图输出，兼容Microsoft Office Excel格式的成果报表输出，将十分有利于工程测量于土木工程相关专业的互动，推进监测、检测等工作的全面信息化。

NET软件实现了Microsoft Office Excel格式和WPS格式成果报表，以及Autodesk AutoCAD格式控制网平面图的输出，实现了平差与数据处理成果的信息化接入。

成果包含4表1图：观测值平差成果表、点位及其精度成果表、相对点位及其精度成果表、条件方程式闭合差检查表，CAD总平面图。

Microsoft Office Excel格式报表：通过生成CSV格式文本文件，再用Microsoft Office Excel打开。

WPS格式报表：通过生成WPS格式文本文件，再用金山WPS打开，另存为RTF格式，最后可用Microsoft Office Word打开。

批量绘制Autodesk AutoCAD格式测量控制网平面图：通过生成Autodesk AutoCAD的SCR格式脚本文件，再在AutoCAD软件里运行脚本实现。

6 NET软件介绍

NET软件的主要构成包括：主程序NET.exe、平差模块NET_ADJ.dll、WPS格式字符转换模块NET_CHA.dll、由草图生成迭代初值模块NET_CRD.dll、平差后生成草图模块NET_FIG.dll和平差成果输出模块NET_TRN.dll。

目前FORTRAN语言仍是国际上大型科学计算的首选计算机语言。由于NET软件的算法足够复杂，而且对内存中实数型数据的取位精度要求很高，至少要双精度型，NET软件的各个动态链接库DLL模块都是由FORTRAN语言编写的，开发的编译平台为Microsoft Fortran PowerStation 4.0。不熟悉使用NET软件的用户会面临软件的“闪退”问题。“闪退”是FORTRAN语言对输入数据的信息完整性、格式规范性、逻辑一致性、点名有效性等方面出错的综合反映。避免“闪退”需要对原始数据进行全面检查，确保起算数据、观测数据的正确性。

结论

由西南交通大学研发的NET软件是集控制网闭合差检查与质量检验、坐标计算和平差、多功能精度评定、成果图标全面兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office的一款通用型全站仪平面网数据处理与平差软件系统（免费的绿色软件）。其在西南交通大学已有30多年的教学和科研经验，在非线性最小二乘平差方法、间接平差模型向条件平差模型的转化方法、坐标变换算法的相对误差椭圆分解算法、成果报告兼容Autodesk AutoCAD和Microsoft Office等方面成功经验，值得推荐给广大同行学习使用。