EVA装置各单元预埋工件空间姿态的精密测控

2021-11-09奚冠凡郭沈凡

现代测绘 2021年3期

奚冠凡，郭沈凡

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏南京 210009)

0 引言

EVA，即乙烯-醋酸乙烯共聚物英文名称的简称[1]。EVA由EVA装置生产，而EVA装置须在无应力的状态下完成安装，以保证它在超高压的环境下正常运行。这对各预埋的基础及工件的定位及施工要求极高。根据项目实际情况，EVA项目精密测控要求场地内各预埋工件空间姿态测控相对精度优于±1 mm，即满足相邻预埋工件之间的相对尺寸测量中误差不超过±1 mm。

在控制网的基础上，用全站仪和水准仪分批次测控EVA装置各单元预埋基础的空间姿态。若测得空间姿态数据与设计数据较差超过限差，则需要施工单位调整预埋工件，直至较差在限差范围内。

1 精密高程传递测量

为了EVA各单元设备的顺利对接，在施工过程中要保证设备基础的顶部标高与设计相吻合。所以在混凝土浇筑设备基础前，测定每个设备预埋件螺栓的顶部标高，螺栓顶部打磨光滑，便于架立水准尺(图1)。

图1 预埋件示意图

采用水准仪的测量方法，在测量过程前后进行两次i角检定，检定结果显示i角较小，即i角对每一站不等视距测量的结果影响不大。观测时应将仪器安置在稳定的地方，后视水准网控制点，前视条码尺分别放置在各个螺栓顶部，测取读数。尽量保证后视距离与前视平均距离一致[2-3]。

2 精密平面位置测量

结合本项目精度要求，在项目实施中采用徕卡TS30全站仪配合徕卡专用小棱镜进行放样，在项目开始前应对全站仪和小棱镜进行校核，确定仪器加乘常数和棱镜改正数。为保证检测基础及管墩的相对位置关系，在项目实施过程中应在相同精密导线控制点上进行测量，其余控制点用于检核。

2.1 徕卡TS30全站仪及ATR原理

TS30全站仪精度标准达到了0.5"的测角精度和的测距精度，还结合了自动目标识别(ATR)、多测回测量等一系列优势性能。

自动目标识别(ATR)系统作为智能型全站仪中的新系统，是TS30全站仪的一大特色功能。该技术集成了步进马达、CCD和计算机等传感器，使它们成为有机协调的整体，实现自动识别并精确照准目标。

将ATR安装到望远镜同轴上，通过反射棱镜返回ATR装置发射的红外光来判断棱镜的视场位置。如果CCD 相机无法在视场内找到到棱镜，则应当在马达驱动下，展开螺旋式搜索。当找到棱镜后，光信号则会被CCD阵列转换成影像，借助于图像处理算法处理影像，则可得出棱镜中心。利用马达驱动，全站仪可自动精准地照准棱镜中心。

ATR技术实现精确定位测量，需通过3个步骤来实现：① 搜索；② 目标照准；③ 测量。

开始ATR通过对棱镜位置的搜索，来判断棱镜是否在视场范围内，如果不在则利用马达驱动，在初始位置展开螺旋式搜索，找到棱镜后，仪器立即停止转动。

在目标照准过程中，为了减少测量时间，当望远镜十字丝与棱镜中心有小量偏差时，仪器停止转动，之后通过ATR测出十字丝与棱镜中心的偏移量，同时改正水平角和垂直角。

测量过程中，ATR要想精准识别目标，则需要在棱镜的配合下，才可以实现。ATR同时展开距离测量和角度测量，在测量期间，每一次的角度偏离量都会被重新确定，从而实现对垂直角、水平方向的改正，精准的测出距离，再通过数学计算得出目标点坐标[4-12]。

2.2 ATR测量精度评定

ATR的测量精度按照影响因素的差异，又可划分为内部精度和外部精度。其中，ATR的内部精度则主要依赖CCD阵列的测量环境、分辨力、测量时机等因素。在既定的时间范围内，设备的工作性能处于最佳水平时，内部精度则最高。外部精度则取决于环境条件和棱镜型号的影响，尤其是棱镜型号，因此外部精度又被称作棱镜定位精度。在既定时间范围内，通过对目标点的重复测量，则可获得外部精度。在测量棱镜位置时，应用ATR自动目标识别来进行，其测量精度则依赖于内、外部精度。

通常情况下，在用户手册中，厂家仅仅说明了外部精度这一项指标，而未能详细说明内部精度。同时，从测量单位的角度而言，ATR的外部精度至关重要。

ATR的外部精度按照测量距离的同步，又可划分为2个部分：① 在既定距离范围内，外部精度为一固定值；② 超过这个距离，外部精度与测角精度成正比。由此可见，由于测量距离存在差异，对外部精度的限差的评测也存有差异。其中，测角限差的计算公式如下：

式中，D表示测站—镜站的距离，α限表示水平方向或垂直角标准偏差限差，md表示ATR标称定位精度。

当测量环境、测量距离不同时，通常以全圆观测法进行测试，全站仪对近似等距离的4个棱镜展开盘左盘右连续观测，且每次测回应大于10个。

测量结果证实：

(1)ATR的定位精度与手册各项规定基本符合。其中，可能是遭受气象环境的干扰，垂直角精度通常稍差于水平方向精度。

(2)当排除气象条件的影响时，近距离测量精度往往要远大于远距离测量精度。

(3)应用ATR测角极易受到环境的影响。因此，在测角时要避免大气湍流等气象环境，同时工作人员的人为晃动，都会对测量精度造成巨大影响。

(4)随着距离的递增，ATR精度逐步递减，两者成反比。通常情况下，观测距离在150 m以内时，测量精度较高，因此，在实际观测中，要特别重视测量距离对测量精度的影响。

2.3 预埋工件平面特征点标定及测量

EVA装置由很多个单体构成，每个单体由很多个设备，设备之间由高压管道连接。为了保证设备之间的顺利对接，需要在土建阶段埋设预埋工件，所以预埋工件的精确定位对设备的顺利对接至关重要。

预埋工件的定位由定位模板控制，定位模板均为矩形钢板，钢板上预留圆形空洞，用于穿插螺栓。定位模板由厂家预先加工好，运抵现场进行架设。架设时，控制定位模板的两条相垂直的轴线。定位模板的轴线由厂家预先刻好，每块定位模板选取5个特征点，其中1个为两条轴线交点，其余4个分别布设于两条轴线上，且分别距边缘20 mm(图2)。

图2 特征点标定示意图

为保证特征点测量精度，控制各工作面的相对位置关系，平面放样以混凝土浇筑时间为一个时间节点，两个时间节点间为一个时间段。在一个时间段内，保证空间基准与时间基准相统一，空间基准采用固定基准和平均基准相结合的方式，固定基准即每个时间段内使用相同的架站点和定向点，由于通视条件原因，需要在不同架站点观测的数据应归算到同一架站点。平均基准即除首个时间段观测外，其余时间段观测需联测之前时间段的特征点，联测数据采用最小二乘法处理，得到当前时间段的平移和旋转改正量，即当前时间段内的所有观测数据需加入此改正量。

平面位置测量采用极坐标的作业方法，测角、测距各一个测回，对观测数据进行倾斜、加常数和棱镜常数的改正。在充分消除重复设站及转站影响的前提下，结合场地内观测平均距离小于100 m，平均垂直角小于30°，仪器标称测角精度为0.5″，仪器标称测距精度为0.6 mm+1×10-6，根据误差传播定律得出，X方向和Y方向测量中误差分别小于1 mm，满足场地内基座及支墩检测精度要求。

其中，等精度观测条件下X方向互差、Y方向互差及点位互差应满足：

VΔx≤2σ

VΔy≤2σ

式中，σ为各工件的检测精度。

即当同精度检测时点位互差不超过±2.8 mm时判定合格，否则施工方应做改正。

特殊情况处理：当现场施工面高出精密导线强制观测墩表面时，为保证可有效控制放样点位精度，应将精密导线点坐标联测至施工面以上。具体做法可采用GNSS或精密导线测量方案。测量精度应满足精密导线控制网技术要求。

3 空间姿态数据处理

在连云港EVA项目中，完成外业测量预埋工件的空间姿态数据后，需要对数据进行及时处理，处理结果及时反馈给业主单位。若测量数据合格，则进行下一道工序；若数据不合格，则对预埋工件姿态进行调整，直至测量数据合格。

空间姿态数据主要分为两个部分，一部分为高程数据，即各预埋工件的螺栓顶部高程；另一部分为平面数据，即各预埋工件特征点的坐标数据。两个部分的数据分别进行改正。

由于现场条件限制，无法在同一时间内，完成全部的预埋工件空间姿态测控，只能分时间段、分区域、分批次进行测量。所以测量的数据，会因为重复设站、转站等原因造成测量误差。通过最小二乘法能有效地减少这些误差，从而保证测量的高精度要求。

每批次预埋工件的空间姿态测量时，选取4个联测点，使4个联测点的组成空间尽量包含或接近当前批次区域的外轮廓。当进行另一批次测量时，按一定的顺序联测相近批次的联测点，即两批次的空间姿态测量，有4个联测点重复测量了两次，对两次的联测点坐标及高程分别进行最小二乘拟合，确定转换参数，再对当前批次的空间姿态数据进行改正，从而得到准确的空间姿态数据。

(1)平面数据处理

选择二次压缩机区域的4个工件轴线交点作为联测的特征点，工件编号分别为221-A-1130、222-A-1027、222-A-1027、221-A-1060。由于是平面拟合，高程值不进行赋值。初始坐标和目标坐标如表1和表2所示。