施工期平整度測量對地坪施工質(zhì)量的控制與評估具有重要意義。采用靠尺或水準(zhǔn)儀的傳統(tǒng)地坪平整度測量方法存在測點稀疏、效率低等不足，難以適應(yīng)超大地坪施工期平整度快速、精細測量需求。提出了一種基于全站儀與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system，INS）的平整度快速測量方法，使用拖板式慣性測量小車采集INS數(shù)據(jù)，使用全站儀觀測小車三維坐標(biāo)，通過卡爾曼濾波融合INS和全站儀數(shù)據(jù)，解算小車運動軌跡，根據(jù)軌跡點的高程計算平整度指標(biāo)。北京國家速滑館冰面混凝土基底上的實驗結(jié)果表明，所提方法精度與水準(zhǔn)儀相當(dāng)，而測量效率顯著提高，不僅能對地坪施工期整體平整度質(zhì)量進行評估，而且可以對平整度異常進行檢測和定位，為地坪的磨平工作提供指導(dǎo)，具有良好的工程價值。 ? 關(guān)鍵詞：地坪平整度；全站儀；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；卡爾曼濾波融合；快速測量；工程測量 ? 正文 ? 地坪平整度是指地坪任意一定大小的區(qū)域內(nèi)表層高差的程度，是評價水泥地面施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。在施工過程當(dāng)中，水泥地坪表層的平整度信息不僅影響地坪的外觀，而且關(guān)系到地坪在完全凝固之后的功能性。在施工期進行平整度測量可以及時評估施工質(zhì)量情況，輔助指導(dǎo)地坪施工，更好地保證工程質(zhì)量，相比于建設(shè)結(jié)束后再進行檢測，可以節(jié)省更多的時間和物力成本。隨著大型倉庫、大型運動場館的建設(shè)，室內(nèi)水泥地坪的面積越來越大，對平整度測量的精度和效率需求也越來越高，如新建的北京冬奧會國家速滑館，單塊現(xiàn)場澆筑的水泥地坪面積達到了數(shù)千平方米，地面平整度需求達到了任意5 m區(qū)域內(nèi)高差在±3 mm之內(nèi)，相對測量精度要求達到了±1 mm/5 m。因此，對超大室內(nèi)地坪平整度的測量技術(shù)提出了新的要求。 ? 地面平整度測量方法可分為接觸式與非接觸式兩類。接觸式測量方法是指儀器通過直接接觸地面采集相關(guān)數(shù)據(jù)，包括靠尺法、水準(zhǔn)儀法、輪廓儀法等。靠尺法使用塞尺測量直尺與地面之間的縫隙寬度，不足之處在于重復(fù)性差，精度與速度不高，只能抽樣測量。水準(zhǔn)儀法通過水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測量地面點的高程，成本較低，步驟簡單，易于實施，但自動化程度低，測量速度只有大約45 m/h，不適合在面積超大的地坪上進行平整度的測量。為了提高地面平整度測量方法的科學(xué)性，美國材料與實驗協(xié)會（American Society for Testing and Materials，ASTM）推出針對地面形狀測量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1155，提出了一種基于輪廓儀的定量測量方法。輪廓儀是一種底部有兩只支腳的測量儀器，工作時沿規(guī)劃路線行走，通過傾角計測量儀器的水平角，由于支腳之間的距離是已知的，既可計算支腳間的高差，從而測量地面高差，然后使用F數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)算法根據(jù)高程差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算相應(yīng)指標(biāo)，具有科學(xué)性好、重復(fù)性高、自動化程度高等優(yōu)點，但只能評估地坪的整體平整度，無法得知地坪上任意位置的局部平整度。 ? 非接觸式測量方法是指儀器通過圖像、激光等方式進行測量，包括圖像處理、攝影測量、三維激光掃描、多種傳感器融合等。攝影測量法使用相機從不同的視角拍攝目標(biāo)，解算出目標(biāo)點的三維坐標(biāo)，具有較高的精度，?均方根（root mean square，RMS）達到了高程0.12 mm，平面坐標(biāo)0.13 mm，然而需要在地面上設(shè)置標(biāo)記點，該步驟對于超大地坪來說非常耗時，且不可測量標(biāo)記點之外區(qū)域的平整度。激光掃描儀是密集且準(zhǔn)確地測量三維形狀的通用儀器，現(xiàn)已有對于現(xiàn)澆地面和預(yù)制構(gòu)件的平整度質(zhì)量評估方法，并且可以與建筑信息模型（ building information modeling，BIM）進行融合，具有精度高、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，但由于距離越遠點云越稀疏，遠距離處的點云密度不可達到平整度質(zhì)量檢測的最低要求，從而限制了測量范圍，有效測量最遠處距離掃描儀僅10~20 m，因此更符合小面積場地和房間的需求。雖然多站掃描可以實現(xiàn)對超大地坪的大面積全面掃描，但頻繁搬站會耗費大量時間成本，測量效率大打折扣，不適合用于超大地坪的平整度測量。一些相關(guān)專利采用了多種傳感器融合的方法進行地面平整度的測量，例如一種基于激光測距儀和傾角傳感器的平整度測量方法，輔以全站儀進行平面坐標(biāo)的測量，從而可以繪制出地面平整度地圖，將不達標(biāo)的位置進行標(biāo)注，然而該方法使用了輪式移動測量裝置，不適用于地坪施工期平整度測量，因為橡膠輪會在未完全凝固的施工期地坪上留下車轍痕跡；Kangas的專利將混凝土振動抹平機和位移、速度和角度等多種傳感器結(jié)合，用于對未凝固的混凝土表層平整度質(zhì)量進行分析和評估，然而該專利使用了機械吊臂支持和驅(qū)動振動抹平機和多個傳感器，測量面積受限于吊臂長度，不適合超大地坪平整度測量。 ? 可見，?現(xiàn)有的測量方法難以完全適應(yīng)超大室內(nèi)地坪施工期平整度測量的諸多需求。本文針對現(xiàn)有地面平整度測量方法存在的問題，提出了一種基于全站儀與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system，INS）的平整度測量方法，將INS沿測量路線移動并使用全站儀對INS進行跟蹤測量，INS對超大地坪的地面形狀進行精密測量的同時使用全站儀觀測INS的三維坐標(biāo)，通過卡爾曼濾波融合兩者的數(shù)據(jù)，解算出地坪的平整度。根據(jù)提出的測量方法研制了相應(yīng)的拖板式平整度測量裝備，并在北京國家速滑館的室內(nèi)冰面混凝土基底進行了裝備精度驗證實驗和方法應(yīng)用實驗。實驗結(jié)果表明，該方法可以在對初凝水泥地坪的形狀影響很小的條件下，獲取室內(nèi)地坪具體位置的局部平整度，不僅確保測量精度與水準(zhǔn)儀基本一致，而且大幅度提高測量效率。 ? 超大地坪施工期平整度測量方法 ? 1 全站儀/INS組合的平整度測量原理 ? 平整度與一定大小區(qū)域內(nèi)的高差有關(guān)，本文將平整度定義為一定長度線形內(nèi)所有點的高程相對于局部平均高程的最大起伏，因此需要對路線的剖面線形形狀進行高精度測量。INS具有采樣頻率高、無需收發(fā)信號等優(yōu)點，將其與地面剛性接觸關(guān)聯(lián)并沿測量路線移動，即可采集大量高精度的地面形狀相關(guān)的數(shù)據(jù)，即加速度與角速度，從而計算地面的高程和平整度，實現(xiàn)對路線的形狀測量。由于INS的漂移偏差造成精度隨時間下降，因此需要融合其他導(dǎo)航系統(tǒng)來削弱時間累積偏差，目前主流方法是使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global?navigation satellite system，GNSS）與INS組合系統(tǒng)。在室內(nèi)場景中，GNSS信號很弱以至于不可用，因此本文提出使用帶有跟蹤測量功能的TS60全站儀代替GNSS，測量頻率為5 Hz，連續(xù)測量與INS剛性連接的棱鏡獲取載體的位置，使用載體位置三維坐標(biāo)反饋校正INS測量值。由此，提出了全站儀/INS組合的平整度測量方法并研制相應(yīng)的拖拽式平整度測量設(shè)備，利用INS采集慣性數(shù)據(jù)，全站儀測量設(shè)備的實時三維坐標(biāo)，慣性數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)融合解算出測量路線上各軌跡點的位置、速度和姿態(tài)角等信息。 ? 基于全站儀/INS的平整度測量方法的技術(shù)原理如圖1所示，分為數(shù)據(jù)采集、軌跡解算、平整度計算3大部分。在數(shù)據(jù)采集階段，將INS與地面接觸，沿測量路線移動，采集角速度與加速度，使用全站儀觀測獲取載體的三維坐標(biāo)；使用卡爾曼濾波和RTS平滑融合INS與全站儀數(shù)據(jù)，解算得到測量路線軌跡點的位置、速度、姿態(tài)角數(shù)據(jù)；根據(jù)速度和姿態(tài)角計算里程-高程曲線，計算平整度指標(biāo)，提取平整度超限點的平面坐標(biāo)，指導(dǎo)超限點磨平工作。 2 拖板式平整度測量裝備 ? 施工期地坪處于初凝階段，仍具有一定的流動性，因此INS載體對地面的壓強不應(yīng)過大，避免造成未完全凝固的水泥地坪產(chǎn)生明顯形變。同時，載體應(yīng)搭載全站儀配套棱鏡，從而配合全站儀記錄自身的三維坐標(biāo)。由此，設(shè)計了一種拖板式慣性測量小車，采用拖板作為與地面接觸的部件，從而減小壓強，并且與棱鏡剛性連接，滿足了測量方法的需求。 ? 本文設(shè)計和研發(fā)的拖板式慣性測量小車的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要組成部分包括：底板、主控電路模塊、慣性測量模塊、電源模塊和棱鏡。小車的核心部分為慣性測量模塊，用于移動時采集加速度與角速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控電路模塊。主控電路模塊控制慣性測量模塊數(shù)據(jù)的采集、存儲與導(dǎo)出。承載拖板包含底板和翹曲面，用于減小壓強和摩擦力。安裝于鋼管之上的棱鏡反射全站儀發(fā)出的激光，配合全站儀記錄自身的實時三維坐標(biāo)。 冬奧會速滑館超大地坪平整度快速測量實驗與分析 ? 使用前述平整度測量與計算方法，分別開展裝備精度裝備精度驗證實驗和工程應(yīng)用，以驗證本文方法的有效性并評價其精度和效率。兩個實驗的地點均位于北京國家速滑館的室內(nèi)冰面混凝土基底，其平整度需求為全場每 5 m 區(qū)域內(nèi)高程起伏不大于±3 mm，測量時間是混凝土基底在灌注、磨平之后和蓋保護布之前的靜置初凝狀態(tài)時。使用人力驅(qū)動如圖 5（a）所示的拖板式慣性測量小車在初凝的混凝土基底地面上移動，現(xiàn)場的儀器設(shè)置方式如圖 5（b）所示。為了保持通視，避免棱鏡失鎖造成用于反饋校正 INS 測量值的載體三維坐標(biāo)缺失，實驗時將 TS60 全站儀架設(shè)于看臺上，使用坐標(biāo)已知的控制點進行設(shè)站， 測量內(nèi)符合進度分析 ? 在北京國家速滑館冰面混凝土基底上選取一塊4 m×50 m的矩形試驗場地進行裝備精度驗證實驗，測量路線如圖6所示，將起點設(shè)為原點并在圖中用紅圈標(biāo)注出來。去掉曲線兩端的拐彎處，規(guī)劃西側(cè)、中部、東側(cè)三條南北走向的測量路線，長度均為30 m左右，范圍在圖中以橙色方框標(biāo)出，每條路線進行3次重復(fù)測量。將起始點的坐標(biāo)和高程均設(shè)為0，建立東-北-天坐標(biāo)系。計算西側(cè)、中部、東側(cè)3條路線對應(yīng)的里程-相對高程曲線，如圖7所示。圖中曲線里程長度均為30 m，采樣點個數(shù)均為300個。從圖中可以看出，相同路線多次測量的相對高程具有不錯的重復(fù)性。 施工期現(xiàn)場實驗結(jié)果分析 ? 在北京國家速滑館冰面混凝土基底上選取一段矩形區(qū)域進行平整度快速測量方法應(yīng)用實驗，采集角速度、加速度和三維坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，解算軌跡點的位置、速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)，獲取里程-高程曲線并計算平整度指標(biāo)，提取出平整度超限的位置，并對測量精度和效率進行分析。 ? 對慣性測量模塊采集的加速度、角速度數(shù)據(jù)和全站儀觀測的三維坐標(biāo)進行卡爾曼濾波和RTS平滑，得到軌跡點的位置、速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)，遞推可得里程-高程曲線。軌跡點的平面坐標(biāo)（即測量路線圖）和里程-高程曲線如圖8所示。實地數(shù)據(jù)采集時，一次測量可以在40分鐘內(nèi)將長度約1 000 m測量路線的平整度相關(guān)信息采集完畢，覆蓋面積約900 m 2 ，測量速度約為1 500 m/h，相較于測量速度僅為45 m/h的水準(zhǔn)儀法，效率顯著提升。 ? 冬奧會速滑館平整度數(shù)據(jù)整體分析 ? 在施工期對國家速滑館的速滑大道、訓(xùn)練道和內(nèi)部場地進行了測量。測量時，根據(jù)不同場地地面的形狀、面積等特色進行全覆蓋、網(wǎng)狀交叉的分區(qū)測量，典型寬闊面狀區(qū)域與狹窄跑道的測線分別如圖10（a）、圖10（b）所示。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，通過自主研發(fā)的數(shù)據(jù)解算軟件INSEDITOR進行數(shù)據(jù)快速解算，對超標(biāo)平整度數(shù)據(jù)提供給施工方進行進一步磨光調(diào)整。在整個施工過程當(dāng)中，測線長度約為9 946 m，數(shù)據(jù)采集時間為5.9 h，效率相對傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀有大幅提高。 超針對超大地坪的施工期平整度的測量，傳統(tǒng)的平整度測量方法存在效率低等諸多不足。本文提出一種基于全站儀/INS的超大地坪施工期平整度測量方法，使用卡爾曼濾波對慣導(dǎo)和全站儀數(shù)據(jù)進行融合，從而解算軌跡點的相對高程，計算平整度指標(biāo)并篩選出平整度超限的位置，實現(xiàn)地坪施工期平整度的快速確定，從而顯著提高了地坪平整度的測量效率，且具有不依賴GNSS、對初凝水泥地坪的形狀影響很小、可以獲取地坪上具體位置的局部平整度等特色，為超大室內(nèi)地坪施工期平整度測量提供了一種快速測量方法。實驗結(jié)果表明，本文所提方法的內(nèi)符合精度達到2 mm/30 m或1/15 000，與水準(zhǔn)儀進行對比，外符合精度差值小于1 mm。本文方法在冬奧會速滑館中成功應(yīng)用，驗證了技術(shù)的有效性和效率。該方法不僅能對地坪施工期整體平整度質(zhì)量進行評估，而且可以篩選出平整度不符合要求的位置，提取相應(yīng)的坐標(biāo)和超限程度，為地坪的磨平工作提供指導(dǎo)，具有良好的工程應(yīng)用價值。后續(xù)可以進一步結(jié)合自主移動平臺對裝備進行自動化改造，提高其智能化水平。 以上文章來源于經(jīng)緯石旁話遙測?，作者李清泉等