高精度地表三維位移自動化監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

張思洪，江德軍

（國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610000）

1 研究背景

在水電站的施工和運行過程中，為了保證水工建筑物及工程邊坡的安全，需要對其進(jìn)行高頻率、高精度的變形監(jiān)測［1-2］。但一般水電工程變形監(jiān)測測點布設(shè)分散且數(shù)量眾多、高差懸殊大，采用人工觀測方法，存在需人多、耗時長、安全風(fēng)險大、監(jiān)測信息反饋慢，以及受雨、霧、雪、日光和大氣折光影響其觀測精度低或無法施測等技術(shù)難題，尤其是在工程遭遇有感地震、區(qū)域性暴雨、特大或超標(biāo)洪水等災(zāi)害時，實時采集數(shù)據(jù)、反饋安全信息和及時決策問題更為凸顯［3-4］。目前，國內(nèi)外變形監(jiān)測已具有一些研究成果，典型的如徠卡公司的GEOMOS就是最具代表性的監(jiān)測系統(tǒng)［5-6］，我國的測量工作者也在研發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)方面做出了許多探索和嘗試，早在1977年中南大學(xué)張學(xué)莊教授就研制開發(fā)了“SMDAMS亞毫米級精度變形監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)”，提出了基線邊實時校準(zhǔn)解決亞毫米級精度測距的思想［7-8］。辰科公司研發(fā)的AMDS自動變形監(jiān)測系統(tǒng)通過建立高精度的基準(zhǔn)點實現(xiàn)了24 h連續(xù)無人自動監(jiān)測［9-10］。武漢大學(xué)張正祿教授等也于2002年開發(fā)研制了GRT-DEMOS系統(tǒng)，并在三峽工程庫區(qū)己東滑坡段進(jìn)行了成功試驗［11-12］。但縱觀國內(nèi)外變形監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀，均停留在自動監(jiān)測的階段，未考慮監(jiān)測的智能化、最優(yōu)環(huán)境辨識、精密儀器野外保護(hù)等問題［13］。鑒于此，有必要在外部變形自動化測量方法、監(jiān)測方案、儀器野外保護(hù)、自動化控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集分析處理等方面開展研究。

2 整體構(gòu)架

本文結(jié)合當(dāng)前變形監(jiān)測自動化現(xiàn)狀，提出了測量機(jī)器人（TPS）基線邊差分與氣象融合改正測量法，以提高復(fù)雜氣象條件下變形測量精度。同時為充分發(fā)揮測量機(jī)器人及GNSS各自優(yōu)勢，提出了測量機(jī)器人與GNSS定位監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測方案，并研發(fā)了相應(yīng)的一體化智能測站與監(jiān)測測點保護(hù)裝置，開發(fā)了外部變形數(shù)據(jù)采集、分析、測站控制系統(tǒng)，將外部變形自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、成果實時輸出、異常值報警等集成為完整的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化監(jiān)測的快速預(yù)警和應(yīng)急處理。

傳統(tǒng)的外部變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)，單獨采用測量機(jī)器人和GNSS定位方法均存在一定局限性，如全站儀儀器與監(jiān)測點必須通視，惡劣氣候如雨、雪、霧和強(qiáng)日照等條件下其精度會受到影響（甚至無法監(jiān)測），GNSS定位監(jiān)測垂直位移精度較差，且監(jiān)測成本較高。針對以上特點，為了達(dá)到地表三維變形的自動化監(jiān)測對精度與時效性的要求、規(guī)避2種常規(guī)監(jiān)測手段的缺陷，本文采用測量機(jī)器人與GNSS組合監(jiān)測的方式，即以測量機(jī)器人監(jiān)測為主，GNSS衛(wèi)星定位測量法為輔的監(jiān)測方案。同時，為提高測量機(jī)器人在復(fù)雜氣象條件下的測量成果精度，提出基線邊差分與氣象融合改正測量法，配合自主研發(fā)的智能測站系統(tǒng)對觀測條件的自主判別等，可顯著提升測量成果質(zhì)量?；诨ヂ?lián)網(wǎng)平臺開發(fā)大壩變形智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括大壩變形監(jiān)測智能測站系統(tǒng)及大壩變形監(jiān)測智能采集分析系統(tǒng)2大部分：大壩變形監(jiān)測智能測站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)智能測站的控制、最優(yōu)觀測時段的選擇等；大壩變形監(jiān)測智能采集分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實時分析計算測量成果。同時，集成GNSS解算成果，對重要測點、測量機(jī)器人無法觀測的測點進(jìn)行實時監(jiān)測，并定期對測站穩(wěn)定性、基準(zhǔn)點穩(wěn)定性進(jìn)行分析檢校，確保整套系統(tǒng)的可靠。

通過該套系統(tǒng)將大壩變形監(jiān)測的監(jiān)測任務(wù)制定、監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集到監(jiān)測任務(wù)結(jié)果分析一體化自動實施，做到數(shù)據(jù)實時報播、數(shù)據(jù)及時分析、直接報表生成、直接控制、自動報警等，同時預(yù)留接口與信息管理分析軟件有效結(jié)合，實現(xiàn)自動化監(jiān)測的快速預(yù)警和應(yīng)急處置決策，其總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 地表三維位移智能監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)架Fig.1 Framework of the intelligent 3D surface displacement monitoring system

3 系統(tǒng)研發(fā)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)研發(fā)

3.1.1 測量精度保障

對于精密測量而言，空氣中各點大氣密度不均將造成測量水平角、垂直角和距離誤差。水電站一般地處高山峽谷區(qū)，大氣密度更加不均，采用何種方法能有效地削減或消除大氣折光影響，提高變形測點三維位移測值精度，是實現(xiàn)外部變形監(jiān)測自動化好與壞的關(guān)鍵。

本文提出通過在變形體周邊穩(wěn)定的巖基上設(shè)置若干個測量機(jī)器人校準(zhǔn)基點，按照測點分布進(jìn)行分層分組觀測，并實時采集氣象參數(shù)及基線邊數(shù)據(jù)用以改正每個監(jiān)測點測得的原始數(shù)據(jù)，消除或減弱大氣折光對測量精度的影響。為提高監(jiān)測點與校準(zhǔn)基點的共性，提出利用分層（分組）的方法，縮小改正范圍，拉大不同分組測點的差異，提高同一組內(nèi)測點的共性，進(jìn)一步提高基線改正精度。同時，為減小單一后視點帶來的偶然誤差，選擇多個后視點，構(gòu)建多后視觀測法，實際測量時取各后視點觀測歸零方向的均值，以提高觀測的精度。另一方面，采用GNSS衛(wèi)星定位測量法為輔，在測站、校準(zhǔn)基點、后視點等部位安裝GNSS天線，能夠校核全站儀監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)各種地表外部變形的全天候監(jiān)測，滿足精度要求。同時各測點設(shè)置有強(qiáng)制對中與調(diào)平裝置，棱鏡和GNSS天線安裝時可調(diào)平，并做到同心布設(shè)，儀高也可設(shè)為定長，進(jìn)一步減少了測量誤差。

3.1.2 全天24 h不間斷監(jiān)控

采用測量機(jī)器人為主、GNSS衛(wèi)星定位測量法為輔的水電站大壩及邊坡外部變形遠(yuǎn)程自動監(jiān)測方案，重要部位測點同時布置棱鏡、GNSS測點天線，彌補(bǔ)了惡劣氣候如雨、雪、霧和強(qiáng)日照等外界環(huán)境對全站儀測量精度的影響；采用伺服電動缸升降桿啟閉，開發(fā)了與全站儀自動化觀測同步的控制軟件，解決了全站儀測站全天候?qū)崟r啟動及野外保護(hù)問題；同時滿足了全站儀自動和人工2種測量方式，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的判斷、校正。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)集成

研發(fā)了全自動在線地表三維位移監(jiān)測系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)中心平臺，滿足一個或多個大壩數(shù)據(jù)的接收與統(tǒng)一分析處理。系統(tǒng)以信息中心數(shù)據(jù)平臺為主體，收集數(shù)據(jù)采集匯總、數(shù)據(jù)預(yù)處理、平差、信息發(fā)布（滿足遠(yuǎn)程方式的信息通報）。數(shù)據(jù)的采集采用多種方式實施：單站數(shù)據(jù)采集、多站數(shù)據(jù)采集、一個大壩采集、多個大壩同步采集等。平差采用多種方式處理（角度修正、距離修正、極坐標(biāo)、前方交會、后方交會等），力求反映建筑物的真實變形。平差處理完成后自動生成多種形式的報表，并可實現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程實施歷史演變過程的比對分析，建立獨立的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺并依附互聯(lián)網(wǎng)實施實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)演變過程比對分析、每天監(jiān)測的整體報表等，方便各個層級技術(shù)人員全面細(xì)致地了解大壩的情況，為分析決策提供最為準(zhǔn)確的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。

采集系統(tǒng)除用于按任務(wù)定義的觀測模式控制全站儀完成數(shù)據(jù)采集、限差實時判斷工作外，還集成了氣象條件（風(fēng)力、雨感、溫濕度）智能采集、判斷系統(tǒng)，以及觀測站啟閉罩智能控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、斷電遠(yuǎn)程恢復(fù)等。采集合格的數(shù)據(jù)既發(fā)往遠(yuǎn)端中心數(shù)據(jù)平臺，也會本地保存，保證數(shù)據(jù)安全；中心數(shù)據(jù)平臺用于定義相關(guān)配置參數(shù)，如全站儀類型定義、監(jiān)測點測量模式定義、野外觀測數(shù)據(jù)限差設(shè)置、觀測點組編輯、觀測任務(wù)定義、觀測任務(wù)下發(fā)、多壩、多觀測站監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲管理等功能。監(jiān)測點測量模式定義靈活，既可按國家規(guī)范觀測要求定義，也可根據(jù)實際情況由用戶自行定義；大壩變形分析系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的后處理工作，包括各觀測站原始數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)限差判斷、原始觀測數(shù)據(jù)修正（距離、水平角、豎直角），單站平差或雙站前方交會平差處理，平差成果入庫、查詢，變形曲線展示，并生成相關(guān)的圖形報表、文字報表、或定制報表等。

3.2 智能測站系統(tǒng)研發(fā)

3.2.1 大視場角及集中管控

研發(fā)了基于大視場角及多類型儀器設(shè)備集成集中的一體化智能測站，測站水平方向視場角達(dá)到335°左右，豎直方向視場角達(dá)到-45°～35°，增加了測站可監(jiān)控范圍，以減少投入更多測站所需費用。以集成化產(chǎn)品設(shè)計理念在一體化測站中集成氣象、空調(diào)、伺服電缸、測量機(jī)器人、棱鏡、GNSS天線、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及各種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備于一體，實現(xiàn)了多類型儀器設(shè)備的集成化管理。

3.2.2 遠(yuǎn)程智能控制

開發(fā)了與測量機(jī)器人自動化觀測同步的“測量機(jī)器人監(jiān)測站一體化控制系統(tǒng)”，解決了測量機(jī)器人測站全天候?qū)崟r啟動問題，實現(xiàn)了升降窗的定時及手動臨時啟閉。通過智能測站系統(tǒng)，在測量任務(wù)開始前，一體化測站升降窗預(yù)先自動打開，使測量機(jī)器人適應(yīng)外部環(huán)境。測量任務(wù)結(jié)束后，一體化測站升降窗口立即關(guān)閉，以保護(hù)測量機(jī)器人免受損壞。同時，滿足了精密儀器的野外防盜、防雷、防打砸等要求。

3.2.3 測站狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控及溫濕度智能調(diào)控

一體化測站內(nèi)的精密儀器均長期位于野外測站內(nèi)，測站內(nèi)溫、濕度隨著季節(jié)周期性變化，年變幅＞50℃，這極不利于全站儀等精密儀器的長期穩(wěn)定運行。同時，測站內(nèi)的各類儀器運行狀態(tài)直接影響著測量數(shù)據(jù)的精度及可靠性，因此在測站內(nèi)設(shè)置了溫、濕度調(diào)節(jié)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了測站內(nèi)溫、濕度調(diào)控，確保儀器長期穩(wěn)定運行。

3.2.4 一體化測站智能控制與測量

目前，一般的測量機(jī)器人測站無法智能判斷外界環(huán)境，遇到雨、雪、霧時，監(jiān)測數(shù)據(jù)將嚴(yán)重失真，影響對大壩及邊坡變形情況的正常監(jiān)測，同時，監(jiān)測系統(tǒng)均按照定時、固定頻次采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，在特殊工況下適應(yīng)性較差。鑒于此，提出了采樣頻率自適應(yīng)、觀測時段自尋優(yōu)、應(yīng)急場景自識別、最優(yōu)模型自匹配、精密儀器自防護(hù)功能。其中采樣頻率自適應(yīng)是指在邊坡或大壩變形加劇時自動將監(jiān)測頻次增多，采集更多的數(shù)據(jù)反饋工程安全，在變形平緩時頻次自動減少；觀測時段自尋優(yōu)是指自動選擇最適合的測量時間啟動測量任務(wù)，如選擇降雨間隙、大霧天氣的間隙等，同時可記錄歷史情況，逐步迭代尋優(yōu)；應(yīng)急場景自識別是指關(guān)聯(lián)地震、洪水等信息，在大洪水、地震等場景下，自動識別上述場景，自動啟動加密監(jiān)測或應(yīng)急監(jiān)測；最優(yōu)模型自匹配是指根據(jù)當(dāng)前外界條件，自動匹配最優(yōu)處理模型，如當(dāng)特殊天氣無法實現(xiàn)交匯測量時，自動按照極坐標(biāo)處理；精密儀器自防護(hù)是指精密儀器長期置于野外，該套技術(shù)可實現(xiàn)精密儀器的野外安全防護(hù)、設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控，非法破壞等聲光報警，信息推送等。

3.3 精密儀器野外保護(hù)

由于GNSS測點天線、測點棱鏡均為野外布設(shè)，防盜、防雷、防打砸等問題嚴(yán)峻。鑒于此，設(shè)計了棱鏡測點及GNSS測點保護(hù)裝置（如圖2），將測點棱鏡、GNSS測點天線設(shè)置同一形體尺寸的保護(hù)罩與狹窄的棱鏡觀測窗口，采用內(nèi)部螺栓固定方式和專用工具啟閉，有效解決了野外測量儀器安全防護(hù)與防盜難題。

4 系統(tǒng)建設(shè)及運行情況

4.1 系統(tǒng)建設(shè)

本系統(tǒng)目前已在瀑布溝水電站壩前、壩后2個測站進(jìn)行了應(yīng)用。瀑布溝水電站是大渡河流域梯級規(guī)劃中的第17個梯級，工程攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m。水庫正常蓄水位850 m，汛期運行限制水位841 m，死水位790 m，消落深度60 m，總庫容53.37億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。瀑布溝大壩壩后外部變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)共計49個測點，壩前外部變形自動化系統(tǒng)共計39個測點，采用了10套徠卡GNSS設(shè)備（GMX902接收機(jī)/GM10接收機(jī)＋AR10天線），2臺TM30（0.5″）全站儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，2種測量方式相互校對，互為補(bǔ)充，分別對大壩壩頂、壩后坡及大壩壩后左右岸邊坡、壩前拉裂變形體、古拉裂體、GIS樓邊坡、老柯瑪邊坡及部分平面控制網(wǎng)點進(jìn)行自動化監(jiān)測。

壩后外部變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)自2014年7月29日正式投入試運行后，壩前外部變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)自2015年12月投入試運行，自動化監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可對測點進(jìn)行全天不間斷實時觀測，不受日照光線、雨霧等天氣的影響且數(shù)據(jù)平穩(wěn)，監(jiān)測精度較高，并實現(xiàn)了自動化采集數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程集中管控。

圖2 一體化測點保護(hù)罩效果Fig.2 Drawing of protective cover for integrated measuring point

4.2 系統(tǒng)可靠性及測量精度分析

以2014年7月29日啟動試運行的瀑布溝壩后變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，通過現(xiàn)場測試及試運行，該自動化監(jiān)測系統(tǒng)運行良好，TM30全站儀及GNSS兩種監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果與人工測量數(shù)據(jù)吻合，且規(guī)律性更好。

圖3為壩頂TP11、TP13測點上下游方向位移過程線。從上下游方向位移量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與庫水位的關(guān)系曲線可以明顯看出，TP13和TP11兩個點的上下游方向位移量與庫水位關(guān)系密切，當(dāng)庫水位上升時，其上下游方向的位移量增大，當(dāng)庫水位下降時，其上下游方向的位移量下降。這一變形規(guī)律與前期人工觀測數(shù)據(jù)相吻合，且從過程線來看，數(shù)據(jù)跳動小，測量精度較高。

圖3 壩頂TP11、TP13測點上下游方向位移過程Fig.3 Process lines of displacements in upstream and downstream directions of TP11 and TP13 measuring points on dam crest

圖4為壩頂TP11、TP13測點沉降位移過程線。由沉降位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與庫水位的關(guān)系曲線可以看出，各測點垂直方向的位移量受庫水位影響不大，各監(jiān)測點的沉降位移呈現(xiàn)線性增加的趨勢，說明壩體在逐漸沉降，符合土石壩變形一般規(guī)律，且過程線較為平滑，測量精度能夠滿足土石壩及一般工程邊坡監(jiān)測的需要。

圖4 壩頂TP11、TP13測點沉降位移過程Fig.4 Process lines of settlements of TP11 and TP13 measuring points on dam crest

圖5 壩頂TP13測點同軸測量機(jī)器人及GNSS數(shù)據(jù)上下游方向位移過程Fig.5 Curves of displacements in upstream and downstream directions of TP13 on dam crest measured by coaxial measuring robot and GNSS

圖5為壩頂TP13測點同軸測量機(jī)器人及GNSS數(shù)據(jù)上下游方向過程線，當(dāng)選取統(tǒng)一基準(zhǔn)值時，2條過程線基本重合，說明GNSS與測量機(jī)器人測值吻合度較高，測量精度符合要求。

4.3 自動化系統(tǒng)與前期人工精度對比

通過對比自動化系統(tǒng)與前期采用TCA2003人工觀測點位中誤差可以看出，典型測點TB02、TB03、TB07三個測點自動化系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)點位中誤差的各項指標(biāo)比人工測量數(shù)據(jù)點位中誤差的各項指標(biāo)要低，見表1。

表1 自動化與前期人工測量精度對比Table 1 Comparison of accuracy between automation and early manual measurement

同時，從長時間監(jiān)測可知，大壩左右岸方向變形與庫水位相關(guān)性較小，在短時間范圍內(nèi)，可認(rèn)為大壩左右岸方向各測點未發(fā)生變化，則該時間段內(nèi)所有測點變化量均應(yīng)在0附近波動。從左右岸方向位移量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與庫水位的關(guān)系曲線（圖6）可以得知，各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)沿壩軸線方向發(fā)生的位移量基本都在0上下波動，這一規(guī)律與往年的人工測值位移量變化規(guī)律相符，也滿足土石壩壩體變形的一般規(guī)律。

圖6 主監(jiān)測斷面左右岸方向位移與庫水位的關(guān)系Fig.6 Relation between the displacement in left and right bank direction of the main monitoring section and the water level fluctuation

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合當(dāng)前外部變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)的不足，提出了集成測量機(jī)器人與GNSS定位的監(jiān)測系統(tǒng)方案，并提出了相應(yīng)的一體化測站與測點保護(hù)方案。同時，構(gòu)建了以全站儀分層差分與氣象融合改正測量法為主、GNSS衛(wèi)星定位測量法為輔的地表三維位移高精度自動監(jiān)測系統(tǒng)，將外部變形自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、成果實時輸出、異常值報警等集成為完整的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化監(jiān)測的快速預(yù)警和應(yīng)急處理。通過對應(yīng)用工程實例的數(shù)據(jù)分析可知，該外部變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠，實測精度較高，滿足土石壩及一般工程邊坡外部變形監(jiān)測的需要，可為類似工程外部變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)提供可借鑒的經(jīng)驗。但該系統(tǒng)也存在需繼續(xù)改進(jìn)完善之處，主要表現(xiàn)在：

（1）目前測量機(jī)器人監(jiān)測自動化系統(tǒng)部分后視點未同步進(jìn)行GNSS共點監(jiān)測，無法借助GNSS測量數(shù)據(jù)對后視點穩(wěn)定性、兼容性進(jìn)行檢驗。且該方法有假設(shè)前提，即測站、后視基準(zhǔn)點穩(wěn)固可靠或其穩(wěn)定性可做檢驗校核，后視點與監(jiān)測點存在共性誤差，但這往往是難以實現(xiàn)的。后續(xù)仍需在差分改正前對測站點、后視基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性和兼容性進(jìn)行檢驗校核，以便進(jìn)一步提高極坐標(biāo)差分模型的準(zhǔn)確性。

（2）該方法在三角高程方面精度仍不能完全達(dá)到二等變形監(jiān)測的要求，在混凝土壩三維變形監(jiān)測上仍有限制，需進(jìn)一步研究提高豎向監(jiān)測精度的方法。