摘要：针对穿越虹桥机场隧道中的难点，在监测实践中使用了徕卡全站仪无棱镜测量这一新技术。基于这一新技术，开发了无棱镜三维扫描自动化监测系统（LSMS），以提高监测的效率及解决人工监测的“盲点”。从实际情况出发，总结了有效提高三角高程监测精度的方法、对激光测距的球气差进行了讨论。本文旨在介绍基于徕卡全站仪进行扩展开发的无棱镜监测技术。

关键词：徕卡全站仪 激光测量 自动化监测 三角高程

1 引言
穿越虹桥机场隧道的沉降监测遇到了如下几方面的问题：1、在飞机未停航期间不能进入飞机跑道进行人工监测（凌晨1:30~5:00为停航时间）；2、飞机跑道表面不能有任何突起物；3、对观测墩的安置应离开跑道中心线75米；4、设置在绿化带内的观测墩有限高要求(不得高于3.5米)，并要求有指示灯；5、飞机跑道不允许钻孔埋设传感器；6、监测的频率、精度要求高。这些条件严重限制了传统监测方法的实施，针对这些情况，经过和徕卡上海技术中心的合作，在基于无棱镜测量的基础上分别开发了徕卡全站仪的机载软件和内业数据处理、分析软件，即LSMS自动化监测系统，为有效解决上述问题提供了全新的方案。

2 LSMS的作业方法及系统构成
该方法主要是针对监测区域的混凝土表面、柏油马路表面或是其它材质的平整表面，无法直接在其监测区域表面布设监测点的，或人无法到达的区域进行自动化监测的系统。该系统的野外数据采集部分，通过编写在全站仪上可以运行的程序，控制全站仪在确定待测区域后自动计算区域内的格网坐标，通过计算坐标找到相应点位，并测得高程。

2.1 全站仪的选型
为满足实际作业的需要及精度的要求,在全站仪的选型上，选择了目前市场上性能最为优良的仪器――Leica TCRP1201。带有马达驱动、自动照准、激光测距、无棱镜测距和可进行全站仪机载软件二次开发的功能。在仪器精度上，该仪器测角精度为１秒，无棱镜测距精度（距离小于500米时）为2mm+2ppm。若假设垂直角为4度，垂直角测角中误差为２.5秒（按4等导线测角精度要求），距离为150米，测距中误差为3.4mm，应用协方差传播律求两点间高差的方差，将这些指标按下式计算:

可得理论上对高差精度的影响约为1mm。这是自动化监测的硬件条件。

2.2全站仪机载软件
为达到全站仪自动扫描的目的，基于全站仪的操作系统进行二次开发。按照使用4个区域点确定区域，再根据区域点计算出各方格网交点的三维坐标，最后计算出测站点到每个交点的水平角和竖直角，全站仪根据每个格网点的水平角和竖直角自动旋转到该角度上，使用无棱镜测量测站点到格网点的距离。详见下图：

2.3点对点的无线传输系统
无线传输的目的是解决人无法随时进入机场内部拷贝数据的问题。当然在选择无线传输的方式时，还应解决机场对相应频段信号时而进行屏蔽的问题。除此之外，无线传输系统还包括以下几个方面：

１.在本项目中，通过机载软件，先将所测得的数据写到RS232端口,然后再通过无线电台或GPRS通讯模块将数据发送出去。
２.在接收端，使用集成在LSMS数据处理软件上的无线控制全站仪软件通过联接在计算机端的无线电台或GPRS无线模块设备进行接受。另一方面，通过该设备同时控制全站仪的测量间隔，方格网密度，开机，关机等。

2.4内业数据处理及分析软件
内业软件主要是LSMS全站仪扫描监测处理软件。支持ACCESS和SQL SERVER数据库，在网络方式上是基于C/S架构的系统软件。软件功能包括：数据库操作子模块、折线图等图形操作子模块、数据通讯子模块、数据处理子模块、报表制作子模块等。在处理测量数据时，借助以上这些功能，获取合并数据后及合并数据前的变化情况进行合理的分析，使得最终报表能清晰的反应出盾构掘进的变化情况。

3 三角高程应用在精密测量中的大气折光问题
众所周知，使用三角高程测量时除了测站点及后视点均采用强制对中能消除对中误差外，特别是在精密的三角高程测量中应着重考虑大气折光差。

3.1 对激光测距的改正
由于自动化监测系统是不间断运行的,昼夜的温度、气压、湿度变化明显，这是导致大气折光影响次变化量精度的主要原因。在本案中，大气折光对可见红色光斑激光测距的影响根据由徕卡公司提供的下式进行改正：

（3式）
注： △d，大气改正（ppm）；p，气压(mbar)；t，气温(度)；h，相对湿度(%)；a，1/273.15；x，（7.5*t/(237.3+t)）+0.7857

3.2 对折光系数的测定
在同等观测条件的非盾构影响区域，布设监测点。在同一时间段内分别测得测站点与测点处的温度、气压、湿度（用于3式对距离的改正）及各点的三角高程，再使用精密水准仪对同样的监测点进行测量，根据三角高程的折光系数计算式：
（4式）
通过使用（4式）来计算各点的大气折光系数。很显然，在气压、温度、湿度的变化下，其大气折光系统亦是变化的。即需对大气折光系数与气压、温度、湿度进行关联分析。

4 采用LSMS数据处理软件的实际应用
在该测量方法中，反复测量所得到的多余观测数据可通过取平均值的方法来使得测量数据更靠近真值。而在测得的大量数据中，合理选择各时间段的数据进行合并取平均值是非常重要的。如果选取的不太合理，则会使得真正的变化量经过平均后变小，甚至出现与变化趋势相反的情况。现就该部分的数据整理及分析进行描述。

下面是约24个小时的连续观测数据所得到的原始的累计变形量的折线图：

上图中是原始测量成果的反映，在24小时的测量中数据出现了较大的波动。这一方面是由盾构推进时所引起的隆沉，更重要的一方面则是由于大气折光等误差所导致的。建立大气折光与气压、温度、温度的关联模型不仅需要大量数据，而且需要寻找更简便的办法来减弱误差。在本案中，采用在盾构影响区域外布设参考点，并将所有观测值均与参考点进行比较，即采用两点间的高差来计算沉降量。经过实践，参考点应同样采用无棱镜的方式进行测量，以便与监测点具备同等的观测条件，误差产生的大小相近、误关的方向相同。以下是一组以4_0为参考点计算的沉降变化量：

5 结束语
该监测系统应用无棱镜激光测量技术，使得在采用传统的作业手段无法实施的情况下可进行有效的监测。尽管，像隧道穿越机场跑道这样的工程很少见，但在相类似的项目中如穿越高速公路等，使用该项技术保证隧道穿越的安全性及工程实施的安全性能发挥重要的作用。