測量機器人與精密水準(zhǔn)儀在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用

郎 強

（遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義563000）

1 大壩水平位移監(jiān)測

1.1 測量機器人原理

測量機器人是一種自動搜索、識別、跟蹤、和精準(zhǔn)照準(zhǔn)目標(biāo)，從而獲取角度、距離、三維坐標(biāo)的智能型全站儀。測量機器人上的ATR部件自動識別并照準(zhǔn)目標(biāo)需要3個過程，分別為目標(biāo)搜索過程、目標(biāo)照準(zhǔn)過程和目標(biāo)測量過程。

人工粗略照準(zhǔn)棱鏡后ATR進(jìn)行目標(biāo)搜索過程，如沒有發(fā)現(xiàn)棱鏡，望遠(yuǎn)鏡按螺旋式或矩形方式繼續(xù)搜索目標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即可精確照準(zhǔn)目標(biāo)，每次精準(zhǔn)的照準(zhǔn)目標(biāo)提高了測量精度，減小了人工照準(zhǔn)誤差。在進(jìn)行測量時，望眼鏡不需要對目標(biāo)照準(zhǔn)和調(diào)焦，不但加快了測量速度，并且測量精度和觀測人員水平無關(guān)，測量結(jié)果就更加穩(wěn)定可靠。

水平方向觀測采用“自動雙照準(zhǔn)法”，每個目標(biāo)照準(zhǔn)2次，讀數(shù)2次。測量機器人在監(jiān)測作業(yè)中，為了保證監(jiān)測精度，必須考慮氣壓和溫度對觀測距離與角度的影響，應(yīng)進(jìn)行溫度和大氣對距離、高差、角度的差分改正。

測量機器人極坐標(biāo)觀測法原理如圖1。

圖1 極坐標(biāo)法原理

計算公式：

式中 Xo，Yo，Zo分別為基準(zhǔn)站O的坐標(biāo)值；Xb，Yb，Zb分別為觀測點B的坐標(biāo)值；Dp為基準(zhǔn)站與B點之間的距離；HOb為基準(zhǔn)站到B點的方位角；Δhb為基準(zhǔn)站到B點的高差。

1.2 測量機器人對大壩監(jiān)測方法

某重力壩壩子區(qū)地勢險峻，壩肩兩岸均為陡壁，無法埋設(shè)視準(zhǔn)線觀測墩，該水庫水平位移變形點監(jiān)測采用萊卡TS50測量機器人進(jìn)行監(jiān)測，以大壩首級監(jiān)測點TN01，TN02，TN03，TN04為起算，采用二等極坐標(biāo)觀測法進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)測網(wǎng)點位布設(shè)如圖2。

圖2 監(jiān)測網(wǎng)點位

圖2 中CH1，CH2，CH3，CH4為校核基點，TN1，TN2，TN3，TN4為工作基點，其余LD1-LD6為變形監(jiān)測點。大壩在蓄水前已觀測初始值，初始值觀測分為4部分進(jìn)行。

1.2.1 施工控制網(wǎng)

首先將施工控制網(wǎng)坐標(biāo)引測到校核基準(zhǔn)點上，使整個監(jiān)測控制網(wǎng)與施工控制網(wǎng)在同一個坐標(biāo)系里。在任意一個校核點上架設(shè)儀器，其余校核基點與兩個施工控制點上分別架設(shè)棱鏡，觀測6個測回，將2個控制點坐標(biāo)加入本次觀測成果進(jìn)行平差，求出每個校核基點的三維坐標(biāo)。

1.2.2 校核基點的觀測

任意校核基點架設(shè)儀器，其余校核基點架棱鏡，觀測12測回，同樣方法在每個校核基點上都架設(shè)1次儀器，利用對向觀測的方法每一測站都觀測2次，解算出來的結(jié)果取均值做為校核基點初始值。

1.2.3 工作基點的觀測

工作基點的觀測同校核基準(zhǔn)點的觀測方法一致，取得最終值之后就可進(jìn)行校核基點與工做基點的聯(lián)測，聯(lián)測目的是為了以后可定期檢查工作基點有無變化。下一步選擇監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)由校核基點與部分工作基點組成。監(jiān)測基準(zhǔn)點應(yīng)選擇更穩(wěn)固、可靠并且與變形監(jiān)測點通視條件更好的點。單站無法觀測完變形監(jiān)測點可多站觀測，但每期觀測的方法及點位應(yīng)一致。

1.2.4 變形監(jiān)測點的觀測

變形監(jiān)測點的觀測由參考系、變形體和基準(zhǔn)站3部分組成，在基準(zhǔn)點上架設(shè)儀器，選擇3個以上的參考點與變形監(jiān)測點同步進(jìn)行觀測，參考點（三維坐標(biāo)已知）位于變形區(qū)以外，以保證監(jiān)測成果的有效性，參考點除提供方位外，并為數(shù)據(jù)處理提供距離及高差差分計算提供基準(zhǔn)。

變形監(jiān)測的周期和測回數(shù)及限差可根據(jù)大壩變形監(jiān)測等級要求來確定。每期觀測的方法、儀器都應(yīng)和觀測初始值的一致，每次觀測前必須對儀器進(jìn)行檢校，如2C互差、指標(biāo)差、和ATR自動識別照準(zhǔn)差等。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)

該水庫的測角與測距的精度誤差如表1，表2。

表1 該水庫測角精度誤差

表2 該水庫測距精度誤差

由表1和表2可知，最弱邊是TN03-LD01邊長相對中誤差為1/157000，距離最大中誤差0.3418mm，最弱點絕對誤差橢圓0.3mm，方向觀測單位權(quán)中誤差0.164 s。根據(jù)GB/T17942—2000 《國家三角測量規(guī)范》，二等測角中誤差為±1s，邊長相對中誤差為1/120000，從數(shù)據(jù)分析，本次監(jiān)測完全滿足二等要求。

為了能提高精度，減弱誤差對觀測值的影響，所有數(shù)據(jù)需要差分處理，其基本原理是每一個測量周期都按照極坐標(biāo)方法觀測工作基點和變形監(jiān)測點的水平角、垂直角和斜距，將測站點和具有代表性的工作基點或校核基點與初始值對比，求出差值，工作基點均埋設(shè)在基巖上，同時定期對工作基點進(jìn)行檢查，因此可認(rèn)為工作基點是穩(wěn)定的，將這一差值看作是受溫度、氣壓及儀器等因素影響的結(jié)果。測量機器人可以在短時間內(nèi)完成一個周期的測量，大氣、溫度儀器等對工作基點及變形監(jiān)測點的影響相同，可把工作基點的差值加到變形監(jiān)測點的觀測成果中進(jìn)行差分處理，計算出來的三維位移量可利用工作基點所提供的改正數(shù)來消除共同誤差，從而提高了變形監(jiān)測的精度。

監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析主要是對數(shù)據(jù)處理得到的變形監(jiān)測點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和初始值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以及對觀測值的中誤差、工作基點的穩(wěn)定狀況、每個監(jiān)測點在一定時區(qū)內(nèi)的變化大小及走向、監(jiān)測點位移量隨時間變化情況等進(jìn)行分析。對其結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示，可以得到直觀形象的結(jié)果。

2 大壩垂直位移監(jiān)測

該水庫大壩采用萊卡DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降變形點監(jiān)測，從而代替機器人極坐標(biāo)監(jiān)測法的沉降位移量，這樣更有效的提高了本次監(jiān)測精度。以工作基點BM1為高程的起算點，采用二等水準(zhǔn)觀測規(guī)范要求進(jìn)行往返閉合監(jiān)測，閉合差0.3mm，點位誤差最大0.15mm。

垂直位移監(jiān)測一般選用精密水準(zhǔn)測量，具有精度高、方便簡單等優(yōu)勢，垂直位移中的點分為水準(zhǔn)基點、工作基點和監(jiān)測點。

以埋設(shè)在距離大壩1～3km基巖上的3個點為水準(zhǔn)基點，水準(zhǔn)基點初始值的觀測應(yīng)觀測2次往返閉合環(huán)平差后，取均值作為水準(zhǔn)基點的初始值。

工作基點一般埋設(shè)在壩肩兩邊的基巖上，工作基點初始值的觀測，應(yīng)選擇較方便、可靠穩(wěn)定的水準(zhǔn)基點，同樣利用往返測2次工作基點平差后，取均值作為工作基點的初始值。

監(jiān)測點的埋設(shè)與水平位移監(jiān)測點埋設(shè)的位置大致相同，監(jiān)測點觀測選擇方便、可靠較為穩(wěn)定的工作基點，往返測2次監(jiān)測點平差后，取均值作為監(jiān)測點的初始值。

取得初始值之后，垂直位移觀測主要分3步驟：（1）檢查水準(zhǔn)基點是否有變動；（2）檢查工作基點是否有變動；（3）利用工作基點測定各監(jiān)測點的位移量，一般每半年就要以基準(zhǔn)點為起算檢查一次水準(zhǔn)工作，但是每一期觀測都需要工作基點之間互相檢查，若數(shù)據(jù)發(fā)生疑異，應(yīng)隨時以水準(zhǔn)基點為起算檢查工作基點。

水準(zhǔn)測量精度要求高，一般采用精密水準(zhǔn)儀和因瓦鋼尺，每次觀測時要對儀器進(jìn)行嚴(yán)格檢驗，要把觀測方法、儀器、路線固定下來，使每次觀測條件基本相同，可減少外界條件變動對觀測成果的影響，提高觀測精度還能提高工效。

3 結(jié)語

（1）變形監(jiān)測工作為大壩的安全運營提供了基礎(chǔ)參照數(shù)據(jù)，測量機器人觀測法改變了傳統(tǒng)視準(zhǔn)線觀測法的不足。

（2）視準(zhǔn)線觀測法由于視線較長，使照準(zhǔn)誤差增大，甚至可能照準(zhǔn)困難。精度低，不宜實現(xiàn)自動觀測，受外界條件影響較大，操作不當(dāng)時，誤差不容易控制，精度會受明顯影響。位移標(biāo)點的位移量不能超出系統(tǒng)的最大偏距值，否則無法觀測。要通過現(xiàn)場設(shè)置測站點、方向點、和檢校點建立視準(zhǔn)線，各種點的設(shè)置受環(huán)境影響較大。

（3）測量機器人監(jiān)測法自動化程度高、實用性強、觀測精度高，受環(huán)境條件影響較低，設(shè)站靈活、操作方便、快速等優(yōu)點為大壩變形監(jiān)測提供了可靠的位移量。