Leica型測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)研究

郭春生

【摘 要】利用Leica型測(cè)量機(jī)器人的GeoCom接口，二次開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，為重復(fù)、高頻次的變形觀測(cè)提供解決方案。輔以GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量平差和差分，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定可靠，在很大程度上提高了傳統(tǒng)測(cè)量工作的效率，在生產(chǎn)實(shí)踐工作中有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】變形觀測(cè)；GeoCom；自動(dòng)化觀測(cè)

0 概述

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全站儀的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（Automatic Target Recognition）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。全站儀發(fā)送的紅外光被反射棱鏡返回，經(jīng)儀器內(nèi)置的CCD相機(jī)接受并判斷后，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)全站儀自動(dòng)轉(zhuǎn)向棱鏡，自動(dòng)精確確定棱鏡中心的位置，代替大量人工照準(zhǔn)目標(biāo)枯燥、繁瑣的調(diào)焦和精確照準(zhǔn)工作。

瑞士徠卡公司生產(chǎn)的TPS系列測(cè)量機(jī)器人提供了GeoCOM接口技術(shù)，可以對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)測(cè)量程序的定制。

GeoCOM接口是一個(gè)函數(shù)包，其封裝了用戶與徠卡全站儀進(jìn)行通訊交互時(shí)調(diào)用儀器上的子系統(tǒng)所需的客戶端調(diào)用接口：例如控制全站儀進(jìn)行動(dòng)作，計(jì)算地理數(shù)據(jù)等。這些接口類似于全站儀內(nèi)部的機(jī)載程序，用戶通過(guò)全站儀COM口向全站儀發(fā)送一系列可識(shí)別的ASC碼指令，全站儀響應(yīng)后，再把執(zhí)行結(jié)果通過(guò)COM口發(fā)還給用戶。

1 技術(shù)流程

本系統(tǒng)使用的是TS30全自動(dòng)全站儀，該儀器測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為lmm±1ppm*D（D為所測(cè)距離），轉(zhuǎn)速為180°/秒，正倒鏡的轉(zhuǎn)換只需2.9秒，非常有利于進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)。本系統(tǒng)利用C#，開(kāi)發(fā)機(jī)載觀測(cè)程序，測(cè)量思路如下：

（1）工程配置：設(shè)定工程的2C差、2C互差、歸零差、測(cè)回互差、測(cè)距誤差等限差；

（2）測(cè)站配置：輸入測(cè)站名、 儀器高以及測(cè)站的三維坐標(biāo)；

（3）學(xué)習(xí)點(diǎn)配置：輸入觀測(cè)點(diǎn)名稱、 棱鏡高， 確認(rèn)后測(cè)量，得到學(xué)習(xí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

（4）重復(fù)步驟3，完成所有學(xué)習(xí)點(diǎn)的測(cè)量；

（5）設(shè)定測(cè)回?cái)?shù)，開(kāi)始測(cè)量，儀器按照全圓觀測(cè)法，對(duì)所有待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行指定測(cè)回?cái)?shù)的測(cè)量， 測(cè)量完成后自動(dòng)保存數(shù)據(jù)；

（6）若發(fā)生觀測(cè)誤差超限的情況， 儀器自動(dòng)重測(cè)；（重測(cè)規(guī)則：①對(duì)上半測(cè)回歸零差超限以及其它原因未測(cè)完的測(cè)回，都可以立即重測(cè)。②若零方向的2C互差超限或下半測(cè)回的歸零差超限，則應(yīng)重測(cè)整個(gè)測(cè)回。C.某一測(cè)回距離互差超限，應(yīng)重測(cè)該整個(gè)測(cè)回。）

（7）對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平差處理，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（8）導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)果，保存為Excel2003格式。

2 通訊方案

變形監(jiān)測(cè)任務(wù)中往往會(huì)遇到操作人員無(wú)法直接碰觸儀器的場(chǎng)景，同時(shí)任務(wù)又要求數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的更新與獲取。全站儀自身提供的Rs232電纜線可用距離非常短（1.5m），無(wú)法將觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、有效的送達(dá)到遠(yuǎn)程的操作人員。當(dāng)有新的測(cè)量任務(wù)或測(cè)量目標(biāo)更改時(shí)，遠(yuǎn)程操作人員無(wú)法將指令及時(shí)下達(dá)至全站儀。本文采用的技術(shù)路線：

（1）全站儀通過(guò)RS232電纜與藍(lán)牙適配器連接；

（2）藍(lán)牙適配器與前端工業(yè)級(jí)PDA通過(guò)藍(lán)牙連接；

（3）工業(yè)級(jí)PDA采用GPRA與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接。

以上連接均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的雙向通訊，通訊路線如下圖：

圖1 測(cè)量機(jī)器人開(kāi)發(fā)通訊解決方案

為保證觀測(cè)系統(tǒng)可靠性，測(cè)量指令采用配置文件的形式保存在前端工業(yè)PDA內(nèi)，PDA測(cè)量模塊有微電腦功能和GPRS通訊功能。測(cè)量模塊與全站儀連接，按預(yù)定時(shí)間點(diǎn)驅(qū)動(dòng)全站儀觀測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制端的通訊。遠(yuǎn)程控制端也可把修改的配置信息發(fā)往測(cè)量模塊，或指揮測(cè)量模塊即時(shí)開(kāi)始測(cè)量。

3 工程案例及數(shù)據(jù)處理

3.1 項(xiàng)目介紹

本系統(tǒng)成功應(yīng)用于某大型基坑監(jiān)測(cè)工程。為儀器通視要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器人架設(shè)在6米高的儀器臺(tái)上，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖2。

圖2 測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

為評(píng)價(jià)儀器臺(tái)的穩(wěn)定性，在周邊的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，歷次觀測(cè)前采用后方交會(huì)方法實(shí)時(shí)糾正儀器臺(tái)的坐標(biāo)，然后實(shí)施對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。

根據(jù)平差理論，以全站儀的方向，角度，邊長(zhǎng)為觀測(cè)值的平面網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以用間接平差的函數(shù)模型來(lái)進(jìn)行求解，如圖3所示：

圖3 觀測(cè)示意圖

圖中，j為全站儀測(cè)站，h、k為已知控制點(diǎn)，則方向jk的角度觀測(cè)值的誤差方程在k為已知點(diǎn)時(shí)就可以寫(xiě)為[8]：

？啄？琢■=■■■-■■■

另外，當(dāng)k為已知點(diǎn)時(shí)，jk的測(cè)邊誤差方程可以寫(xiě)為[8]：

v■=■■■-■■■

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)建立誤差方程，在程序中可寫(xiě)為：

角度方程：

AXi（I，0）=-P*Dyf/Dstf/Dstf

AXi（I，1）=P*Dxf/Dstf/Dstf

ALi（I，0）=Azf-CtrPnts（I）.Hz

邊長(zhǎng)方程：

AXi（I，0）=Dxb/Dstb

AXi（I，1）=Dyb/Dstb

ALi（I，0）=Dstb-BianChang（I）

利用程序?qū)Ψ匠踢M(jìn)行迭代計(jì)算，最終求得測(cè)站坐標(biāo)的改正值（x，y），圖4、圖5所示。

圖4 測(cè)站點(diǎn)x坐標(biāo)變化曲線

圖5 測(cè)站點(diǎn)y坐標(biāo)變化曲線

上圖選取的是一天之內(nèi)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)x，y曲線，由于儀器臺(tái)是一根6米高的鐵柱，如圖6所示，熱脹冷縮比較嚴(yán)重，圖中可以看出，在晴天，測(cè)站的坐標(biāo)跟日照的關(guān)系有著很大的相關(guān)性：夜間無(wú)日照，測(cè)站坐標(biāo)平滑穩(wěn)定；白天日出，測(cè)站坐標(biāo)開(kāi)始偏移，并在午間日照最大時(shí)達(dá)到頂峰，隨后逐漸回落，夜間又開(kāi)始平穩(wěn)。說(shuō)明了獲取數(shù)據(jù)后平差處理的必要性。

3.2 數(shù)據(jù)差分

在利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，測(cè)量過(guò)程受到了很多誤差因素的干擾，例如大氣垂直折光、水平折光、氣溫、氣壓變化、儀器內(nèi)部誤差等等，采用差分的方法可以消除或減弱這些誤差的影響，以提高測(cè)量的精度。而差分技術(shù)要求一周期的測(cè)量時(shí)間不能太長(zhǎng)，測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)就能夠滿足這一要求。所以本程序中對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用差分的方法進(jìn)行處理。

（1）距離差分

因?yàn)闇y(cè)站點(diǎn)和參考點(diǎn)位于非變形區(qū)域，可以認(rèn)為它們之間的距離是不變的[7]，設(shè)監(jiān)測(cè)站至某參考點(diǎn)的己知的斜距為dj， 在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，某一時(shí)刻該方向距離的實(shí)測(cè)值為dj′，兩者之間的差異可以認(rèn)為是由于氣象條件變化引起的，則氣象改正的比例系數(shù)為：

Δd=（dj- dj′）/dj′

為保證氣象改正比例系數(shù)的可靠性，程序中取所有參考點(diǎn)測(cè)定的氣象改正系數(shù)的平均數(shù)△d，來(lái)用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離測(cè)量數(shù)據(jù)D進(jìn)行改正。

（2）角度差分

長(zhǎng)期的無(wú)人看守自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，儀器不可避免的產(chǎn)生水平度盤零方向的變化，對(duì)方位角的影響是不可忽略的[6]。在變形監(jiān)測(cè)中，所求變形量均是相對(duì)于第一期而言的，所以可把參考點(diǎn)第一次測(cè)量的方位角Hzj作為基準(zhǔn)方位角，利用參考點(diǎn)觀測(cè)值和平差后的測(cè)站坐標(biāo)可以計(jì)算本次測(cè)量的方位角Hzj′與基準(zhǔn)方位角相比，有一個(gè)差異ΔHz。

ΔHz=Hzj′- Hzj

同樣，取所有參考點(diǎn)的角度差分平均值ΔHz，對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Hz進(jìn)行改正。圖6、7顯示了差分后的計(jì)算對(duì)比，結(jié)果是顯而易見(jiàn)的。

圖6 未差分的計(jì)算結(jié)果

圖7 差分后的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用GeoCOM控制全站儀進(jìn)行變形觀測(cè)數(shù)據(jù)采集，大幅度的提高測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的不間斷觀測(cè)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，節(jié)省了大量人力，采集的數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過(guò)平差和差分后也有較好的可靠性，用戶能清晰地看到儀器與電腦通訊過(guò)程 ，并及時(shí)處理通訊及遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí)出現(xiàn)的各種情況。并且通過(guò)裝備藍(lán)牙或者GPRS工業(yè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)電腦操作幾臺(tái)全站儀，在工程測(cè)量當(dāng)中有著較好的開(kāi)發(fā)前景。

[責(zé)任編輯：謝慶云]

【摘 要】利用Leica型測(cè)量機(jī)器人的GeoCom接口，二次開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，為重復(fù)、高頻次的變形觀測(cè)提供解決方案。輔以GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量平差和差分，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定可靠，在很大程度上提高了傳統(tǒng)測(cè)量工作的效率，在生產(chǎn)實(shí)踐工作中有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】變形觀測(cè)；GeoCom；自動(dòng)化觀測(cè)

0 概述

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全站儀的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（Automatic Target Recognition）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。全站儀發(fā)送的紅外光被反射棱鏡返回，經(jīng)儀器內(nèi)置的CCD相機(jī)接受并判斷后，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)全站儀自動(dòng)轉(zhuǎn)向棱鏡，自動(dòng)精確確定棱鏡中心的位置，代替大量人工照準(zhǔn)目標(biāo)枯燥、繁瑣的調(diào)焦和精確照準(zhǔn)工作。

瑞士徠卡公司生產(chǎn)的TPS系列測(cè)量機(jī)器人提供了GeoCOM接口技術(shù)，可以對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)測(cè)量程序的定制。

GeoCOM接口是一個(gè)函數(shù)包，其封裝了用戶與徠卡全站儀進(jìn)行通訊交互時(shí)調(diào)用儀器上的子系統(tǒng)所需的客戶端調(diào)用接口：例如控制全站儀進(jìn)行動(dòng)作，計(jì)算地理數(shù)據(jù)等。這些接口類似于全站儀內(nèi)部的機(jī)載程序，用戶通過(guò)全站儀COM口向全站儀發(fā)送一系列可識(shí)別的ASC碼指令，全站儀響應(yīng)后，再把執(zhí)行結(jié)果通過(guò)COM口發(fā)還給用戶。

1 技術(shù)流程

本系統(tǒng)使用的是TS30全自動(dòng)全站儀，該儀器測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為lmm±1ppm*D（D為所測(cè)距離），轉(zhuǎn)速為180°/秒，正倒鏡的轉(zhuǎn)換只需2.9秒，非常有利于進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)。本系統(tǒng)利用C#，開(kāi)發(fā)機(jī)載觀測(cè)程序，測(cè)量思路如下：

（1）工程配置：設(shè)定工程的2C差、2C互差、歸零差、測(cè)回互差、測(cè)距誤差等限差；

（2）測(cè)站配置：輸入測(cè)站名、 儀器高以及測(cè)站的三維坐標(biāo)；

（3）學(xué)習(xí)點(diǎn)配置：輸入觀測(cè)點(diǎn)名稱、 棱鏡高， 確認(rèn)后測(cè)量，得到學(xué)習(xí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

（4）重復(fù)步驟3，完成所有學(xué)習(xí)點(diǎn)的測(cè)量；

（5）設(shè)定測(cè)回?cái)?shù)，開(kāi)始測(cè)量，儀器按照全圓觀測(cè)法，對(duì)所有待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行指定測(cè)回?cái)?shù)的測(cè)量， 測(cè)量完成后自動(dòng)保存數(shù)據(jù)；

（6）若發(fā)生觀測(cè)誤差超限的情況， 儀器自動(dòng)重測(cè)；（重測(cè)規(guī)則：①對(duì)上半測(cè)回歸零差超限以及其它原因未測(cè)完的測(cè)回，都可以立即重測(cè)。②若零方向的2C互差超限或下半測(cè)回的歸零差超限，則應(yīng)重測(cè)整個(gè)測(cè)回。C.某一測(cè)回距離互差超限，應(yīng)重測(cè)該整個(gè)測(cè)回。）

（7）對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平差處理，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（8）導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)果，保存為Excel2003格式。

2 通訊方案

變形監(jiān)測(cè)任務(wù)中往往會(huì)遇到操作人員無(wú)法直接碰觸儀器的場(chǎng)景，同時(shí)任務(wù)又要求數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的更新與獲取。全站儀自身提供的Rs232電纜線可用距離非常短（1.5m），無(wú)法將觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、有效的送達(dá)到遠(yuǎn)程的操作人員。當(dāng)有新的測(cè)量任務(wù)或測(cè)量目標(biāo)更改時(shí)，遠(yuǎn)程操作人員無(wú)法將指令及時(shí)下達(dá)至全站儀。本文采用的技術(shù)路線：

（1）全站儀通過(guò)RS232電纜與藍(lán)牙適配器連接；

（2）藍(lán)牙適配器與前端工業(yè)級(jí)PDA通過(guò)藍(lán)牙連接；

（3）工業(yè)級(jí)PDA采用GPRA與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接。

以上連接均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的雙向通訊，通訊路線如下圖：

圖1 測(cè)量機(jī)器人開(kāi)發(fā)通訊解決方案

為保證觀測(cè)系統(tǒng)可靠性，測(cè)量指令采用配置文件的形式保存在前端工業(yè)PDA內(nèi)，PDA測(cè)量模塊有微電腦功能和GPRS通訊功能。測(cè)量模塊與全站儀連接，按預(yù)定時(shí)間點(diǎn)驅(qū)動(dòng)全站儀觀測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制端的通訊。遠(yuǎn)程控制端也可把修改的配置信息發(fā)往測(cè)量模塊，或指揮測(cè)量模塊即時(shí)開(kāi)始測(cè)量。

3 工程案例及數(shù)據(jù)處理

3.1 項(xiàng)目介紹

本系統(tǒng)成功應(yīng)用于某大型基坑監(jiān)測(cè)工程。為儀器通視要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器人架設(shè)在6米高的儀器臺(tái)上，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖2。

圖2 測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

為評(píng)價(jià)儀器臺(tái)的穩(wěn)定性，在周邊的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，歷次觀測(cè)前采用后方交會(huì)方法實(shí)時(shí)糾正儀器臺(tái)的坐標(biāo)，然后實(shí)施對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。

根據(jù)平差理論，以全站儀的方向，角度，邊長(zhǎng)為觀測(cè)值的平面網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以用間接平差的函數(shù)模型來(lái)進(jìn)行求解，如圖3所示：

圖3 觀測(cè)示意圖

圖中，j為全站儀測(cè)站，h、k為已知控制點(diǎn)，則方向jk的角度觀測(cè)值的誤差方程在k為已知點(diǎn)時(shí)就可以寫(xiě)為[8]：

？啄？琢■=■■■-■■■

另外，當(dāng)k為已知點(diǎn)時(shí)，jk的測(cè)邊誤差方程可以寫(xiě)為[8]：

v■=■■■-■■■

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)建立誤差方程，在程序中可寫(xiě)為：

角度方程：

AXi（I，0）=-P*Dyf/Dstf/Dstf

AXi（I，1）=P*Dxf/Dstf/Dstf

ALi（I，0）=Azf-CtrPnts（I）.Hz

邊長(zhǎng)方程：

AXi（I，0）=Dxb/Dstb

AXi（I，1）=Dyb/Dstb

ALi（I，0）=Dstb-BianChang（I）

利用程序?qū)Ψ匠踢M(jìn)行迭代計(jì)算，最終求得測(cè)站坐標(biāo)的改正值（x，y），圖4、圖5所示。

圖4 測(cè)站點(diǎn)x坐標(biāo)變化曲線

圖5 測(cè)站點(diǎn)y坐標(biāo)變化曲線

上圖選取的是一天之內(nèi)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)x，y曲線，由于儀器臺(tái)是一根6米高的鐵柱，如圖6所示，熱脹冷縮比較嚴(yán)重，圖中可以看出，在晴天，測(cè)站的坐標(biāo)跟日照的關(guān)系有著很大的相關(guān)性：夜間無(wú)日照，測(cè)站坐標(biāo)平滑穩(wěn)定；白天日出，測(cè)站坐標(biāo)開(kāi)始偏移，并在午間日照最大時(shí)達(dá)到頂峰，隨后逐漸回落，夜間又開(kāi)始平穩(wěn)。說(shuō)明了獲取數(shù)據(jù)后平差處理的必要性。

3.2 數(shù)據(jù)差分

在利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，測(cè)量過(guò)程受到了很多誤差因素的干擾，例如大氣垂直折光、水平折光、氣溫、氣壓變化、儀器內(nèi)部誤差等等，采用差分的方法可以消除或減弱這些誤差的影響，以提高測(cè)量的精度。而差分技術(shù)要求一周期的測(cè)量時(shí)間不能太長(zhǎng)，測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)就能夠滿足這一要求。所以本程序中對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用差分的方法進(jìn)行處理。

（1）距離差分

因?yàn)闇y(cè)站點(diǎn)和參考點(diǎn)位于非變形區(qū)域，可以認(rèn)為它們之間的距離是不變的[7]，設(shè)監(jiān)測(cè)站至某參考點(diǎn)的己知的斜距為dj， 在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，某一時(shí)刻該方向距離的實(shí)測(cè)值為dj′，兩者之間的差異可以認(rèn)為是由于氣象條件變化引起的，則氣象改正的比例系數(shù)為：

Δd=（dj- dj′）/dj′

為保證氣象改正比例系數(shù)的可靠性，程序中取所有參考點(diǎn)測(cè)定的氣象改正系數(shù)的平均數(shù)△d，來(lái)用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離測(cè)量數(shù)據(jù)D進(jìn)行改正。

（2）角度差分

長(zhǎng)期的無(wú)人看守自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，儀器不可避免的產(chǎn)生水平度盤零方向的變化，對(duì)方位角的影響是不可忽略的[6]。在變形監(jiān)測(cè)中，所求變形量均是相對(duì)于第一期而言的，所以可把參考點(diǎn)第一次測(cè)量的方位角Hzj作為基準(zhǔn)方位角，利用參考點(diǎn)觀測(cè)值和平差后的測(cè)站坐標(biāo)可以計(jì)算本次測(cè)量的方位角Hzj′與基準(zhǔn)方位角相比，有一個(gè)差異ΔHz。

ΔHz=Hzj′- Hzj

同樣，取所有參考點(diǎn)的角度差分平均值ΔHz，對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Hz進(jìn)行改正。圖6、7顯示了差分后的計(jì)算對(duì)比，結(jié)果是顯而易見(jiàn)的。

圖6 未差分的計(jì)算結(jié)果

圖7 差分后的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用GeoCOM控制全站儀進(jìn)行變形觀測(cè)數(shù)據(jù)采集，大幅度的提高測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的不間斷觀測(cè)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，節(jié)省了大量人力，采集的數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過(guò)平差和差分后也有較好的可靠性，用戶能清晰地看到儀器與電腦通訊過(guò)程 ，并及時(shí)處理通訊及遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí)出現(xiàn)的各種情況。并且通過(guò)裝備藍(lán)牙或者GPRS工業(yè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)電腦操作幾臺(tái)全站儀，在工程測(cè)量當(dāng)中有著較好的開(kāi)發(fā)前景。

[責(zé)任編輯：謝慶云]

【摘 要】利用Leica型測(cè)量機(jī)器人的GeoCom接口，二次開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，為重復(fù)、高頻次的變形觀測(cè)提供解決方案。輔以GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量平差和差分，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定可靠，在很大程度上提高了傳統(tǒng)測(cè)量工作的效率，在生產(chǎn)實(shí)踐工作中有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】變形觀測(cè)；GeoCom；自動(dòng)化觀測(cè)

0 概述

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全站儀的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（Automatic Target Recognition）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。全站儀發(fā)送的紅外光被反射棱鏡返回，經(jīng)儀器內(nèi)置的CCD相機(jī)接受并判斷后，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)全站儀自動(dòng)轉(zhuǎn)向棱鏡，自動(dòng)精確確定棱鏡中心的位置，代替大量人工照準(zhǔn)目標(biāo)枯燥、繁瑣的調(diào)焦和精確照準(zhǔn)工作。

瑞士徠卡公司生產(chǎn)的TPS系列測(cè)量機(jī)器人提供了GeoCOM接口技術(shù)，可以對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)測(cè)量程序的定制。

GeoCOM接口是一個(gè)函數(shù)包，其封裝了用戶與徠卡全站儀進(jìn)行通訊交互時(shí)調(diào)用儀器上的子系統(tǒng)所需的客戶端調(diào)用接口：例如控制全站儀進(jìn)行動(dòng)作，計(jì)算地理數(shù)據(jù)等。這些接口類似于全站儀內(nèi)部的機(jī)載程序，用戶通過(guò)全站儀COM口向全站儀發(fā)送一系列可識(shí)別的ASC碼指令，全站儀響應(yīng)后，再把執(zhí)行結(jié)果通過(guò)COM口發(fā)還給用戶。

1 技術(shù)流程

本系統(tǒng)使用的是TS30全自動(dòng)全站儀，該儀器測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度為lmm±1ppm*D（D為所測(cè)距離），轉(zhuǎn)速為180°/秒，正倒鏡的轉(zhuǎn)換只需2.9秒，非常有利于進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)。本系統(tǒng)利用C#，開(kāi)發(fā)機(jī)載觀測(cè)程序，測(cè)量思路如下：

（1）工程配置：設(shè)定工程的2C差、2C互差、歸零差、測(cè)回互差、測(cè)距誤差等限差；

（2）測(cè)站配置：輸入測(cè)站名、 儀器高以及測(cè)站的三維坐標(biāo)；

（3）學(xué)習(xí)點(diǎn)配置：輸入觀測(cè)點(diǎn)名稱、 棱鏡高， 確認(rèn)后測(cè)量，得到學(xué)習(xí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

（4）重復(fù)步驟3，完成所有學(xué)習(xí)點(diǎn)的測(cè)量；

（5）設(shè)定測(cè)回?cái)?shù)，開(kāi)始測(cè)量，儀器按照全圓觀測(cè)法，對(duì)所有待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行指定測(cè)回?cái)?shù)的測(cè)量， 測(cè)量完成后自動(dòng)保存數(shù)據(jù)；

（6）若發(fā)生觀測(cè)誤差超限的情況， 儀器自動(dòng)重測(cè)；（重測(cè)規(guī)則：①對(duì)上半測(cè)回歸零差超限以及其它原因未測(cè)完的測(cè)回，都可以立即重測(cè)。②若零方向的2C互差超限或下半測(cè)回的歸零差超限，則應(yīng)重測(cè)整個(gè)測(cè)回。C.某一測(cè)回距離互差超限，應(yīng)重測(cè)該整個(gè)測(cè)回。）

（7）對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平差處理，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（8）導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)果，保存為Excel2003格式。

2 通訊方案

變形監(jiān)測(cè)任務(wù)中往往會(huì)遇到操作人員無(wú)法直接碰觸儀器的場(chǎng)景，同時(shí)任務(wù)又要求數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的更新與獲取。全站儀自身提供的Rs232電纜線可用距離非常短（1.5m），無(wú)法將觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、有效的送達(dá)到遠(yuǎn)程的操作人員。當(dāng)有新的測(cè)量任務(wù)或測(cè)量目標(biāo)更改時(shí)，遠(yuǎn)程操作人員無(wú)法將指令及時(shí)下達(dá)至全站儀。本文采用的技術(shù)路線：

（1）全站儀通過(guò)RS232電纜與藍(lán)牙適配器連接；

（2）藍(lán)牙適配器與前端工業(yè)級(jí)PDA通過(guò)藍(lán)牙連接；

（3）工業(yè)級(jí)PDA采用GPRA與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接。

以上連接均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的雙向通訊，通訊路線如下圖：

圖1 測(cè)量機(jī)器人開(kāi)發(fā)通訊解決方案

為保證觀測(cè)系統(tǒng)可靠性，測(cè)量指令采用配置文件的形式保存在前端工業(yè)PDA內(nèi)，PDA測(cè)量模塊有微電腦功能和GPRS通訊功能。測(cè)量模塊與全站儀連接，按預(yù)定時(shí)間點(diǎn)驅(qū)動(dòng)全站儀觀測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制端的通訊。遠(yuǎn)程控制端也可把修改的配置信息發(fā)往測(cè)量模塊，或指揮測(cè)量模塊即時(shí)開(kāi)始測(cè)量。

3 工程案例及數(shù)據(jù)處理

3.1 項(xiàng)目介紹

本系統(tǒng)成功應(yīng)用于某大型基坑監(jiān)測(cè)工程。為儀器通視要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器人架設(shè)在6米高的儀器臺(tái)上，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖2。

圖2 測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

為評(píng)價(jià)儀器臺(tái)的穩(wěn)定性，在周邊的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，歷次觀測(cè)前采用后方交會(huì)方法實(shí)時(shí)糾正儀器臺(tái)的坐標(biāo)，然后實(shí)施對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。

根據(jù)平差理論，以全站儀的方向，角度，邊長(zhǎng)為觀測(cè)值的平面網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以用間接平差的函數(shù)模型來(lái)進(jìn)行求解，如圖3所示：

圖3 觀測(cè)示意圖

圖中，j為全站儀測(cè)站，h、k為已知控制點(diǎn)，則方向jk的角度觀測(cè)值的誤差方程在k為已知點(diǎn)時(shí)就可以寫(xiě)為[8]：

？啄？琢■=■■■-■■■

另外，當(dāng)k為已知點(diǎn)時(shí)，jk的測(cè)邊誤差方程可以寫(xiě)為[8]：

v■=■■■-■■■

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)建立誤差方程，在程序中可寫(xiě)為：

角度方程：

AXi（I，0）=-P*Dyf/Dstf/Dstf

AXi（I，1）=P*Dxf/Dstf/Dstf

ALi（I，0）=Azf-CtrPnts（I）.Hz

邊長(zhǎng)方程：

AXi（I，0）=Dxb/Dstb

AXi（I，1）=Dyb/Dstb

ALi（I，0）=Dstb-BianChang（I）

利用程序?qū)Ψ匠踢M(jìn)行迭代計(jì)算，最終求得測(cè)站坐標(biāo)的改正值（x，y），圖4、圖5所示。

圖4 測(cè)站點(diǎn)x坐標(biāo)變化曲線

圖5 測(cè)站點(diǎn)y坐標(biāo)變化曲線

上圖選取的是一天之內(nèi)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)x，y曲線，由于儀器臺(tái)是一根6米高的鐵柱，如圖6所示，熱脹冷縮比較嚴(yán)重，圖中可以看出，在晴天，測(cè)站的坐標(biāo)跟日照的關(guān)系有著很大的相關(guān)性：夜間無(wú)日照，測(cè)站坐標(biāo)平滑穩(wěn)定；白天日出，測(cè)站坐標(biāo)開(kāi)始偏移，并在午間日照最大時(shí)達(dá)到頂峰，隨后逐漸回落，夜間又開(kāi)始平穩(wěn)。說(shuō)明了獲取數(shù)據(jù)后平差處理的必要性。

3.2 數(shù)據(jù)差分

在利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，測(cè)量過(guò)程受到了很多誤差因素的干擾，例如大氣垂直折光、水平折光、氣溫、氣壓變化、儀器內(nèi)部誤差等等，采用差分的方法可以消除或減弱這些誤差的影響，以提高測(cè)量的精度。而差分技術(shù)要求一周期的測(cè)量時(shí)間不能太長(zhǎng)，測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)就能夠滿足這一要求。所以本程序中對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用差分的方法進(jìn)行處理。

（1）距離差分

因?yàn)闇y(cè)站點(diǎn)和參考點(diǎn)位于非變形區(qū)域，可以認(rèn)為它們之間的距離是不變的[7]，設(shè)監(jiān)測(cè)站至某參考點(diǎn)的己知的斜距為dj， 在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，某一時(shí)刻該方向距離的實(shí)測(cè)值為dj′，兩者之間的差異可以認(rèn)為是由于氣象條件變化引起的，則氣象改正的比例系數(shù)為：

Δd=（dj- dj′）/dj′

為保證氣象改正比例系數(shù)的可靠性，程序中取所有參考點(diǎn)測(cè)定的氣象改正系數(shù)的平均數(shù)△d，來(lái)用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離測(cè)量數(shù)據(jù)D進(jìn)行改正。

（2）角度差分

長(zhǎng)期的無(wú)人看守自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，儀器不可避免的產(chǎn)生水平度盤零方向的變化，對(duì)方位角的影響是不可忽略的[6]。在變形監(jiān)測(cè)中，所求變形量均是相對(duì)于第一期而言的，所以可把參考點(diǎn)第一次測(cè)量的方位角Hzj作為基準(zhǔn)方位角，利用參考點(diǎn)觀測(cè)值和平差后的測(cè)站坐標(biāo)可以計(jì)算本次測(cè)量的方位角Hzj′與基準(zhǔn)方位角相比，有一個(gè)差異ΔHz。

ΔHz=Hzj′- Hzj

同樣，取所有參考點(diǎn)的角度差分平均值ΔHz，對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Hz進(jìn)行改正。圖6、7顯示了差分后的計(jì)算對(duì)比，結(jié)果是顯而易見(jiàn)的。

圖6 未差分的計(jì)算結(jié)果

圖7 差分后的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用GeoCOM控制全站儀進(jìn)行變形觀測(cè)數(shù)據(jù)采集，大幅度的提高測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的不間斷觀測(cè)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，節(jié)省了大量人力，采集的數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過(guò)平差和差分后也有較好的可靠性，用戶能清晰地看到儀器與電腦通訊過(guò)程 ，并及時(shí)處理通訊及遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí)出現(xiàn)的各種情況。并且通過(guò)裝備藍(lán)牙或者GPRS工業(yè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)電腦操作幾臺(tái)全站儀，在工程測(cè)量當(dāng)中有著較好的開(kāi)發(fā)前景。

[責(zé)任編輯：謝慶云]