測量機器人與精密水準儀在大壩變形監測中的應用

郎 強

（遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義563000）

1 大壩水平位移監測

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、和精準照準目標，從而獲取角度、距離、三維坐標的智能型全站儀。測量機器人上的ATR部件自動識別并照準目標需要3個過程，分別為目標搜索過程、目標照準過程和目標測量過程。

人工粗略照準棱鏡后ATR進行目標搜索過程，如沒有發現棱鏡，望遠鏡按螺旋式或矩形方式繼續搜索目標，一旦發現目標即可精確照準目標，每次精準的照準目標提高了測量精度，減小了人工照準誤差。在進行測量時，望眼鏡不需要對目標照準和調焦，不但加快了測量速度，并且測量精度和觀測人員水平無關，測量結果就更加穩定可靠。

水平方向觀測采用“自動雙照準法”，每個目標照準2次，讀數2次。測量機器人在監測作業中，為了保證監測精度，必須考慮氣壓和溫度對觀測距離與角度的影響，應進行溫度和大氣對距離、高差、角度的差分改正。

測量機器人極坐標觀測法原理如圖1。

圖1 極坐標法原理

計算公式：

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

1.2 測量機器人對大壩監測方法

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

圖2 監測網點位

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部分進行。

1.2.1 施工控制網

首先將施工控制網坐標引測到校核基準點上，使整個監測控制網與施工控制網在同一個坐標系里。在任意一個校核點上架設儀器，其余校核基點與兩個施工控制點上分別架設棱鏡，觀測6個測回，將2個控制點坐標加入本次觀測成果進行平差，求出每個校核基點的三維坐標。

1.2.2 校核基點的觀測

任意校核基點架設儀器，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點的觀測方法一致，取得最終值之后就可進行校核基點與工做基點的聯測，聯測目的是為了以后可定期檢查工作基點有無變化。下一步選擇監測基準網，監測基準網應由校核基點與部分工作基點組成。監測基準點應選擇更穩固、可靠并且與變形監測點通視條件更好的點。單站無法觀測完變形監測點可多站觀測，但每期觀測的方法及點位應一致。

1.2.4 變形監測點的觀測

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

變形監測的周期和測回數及限差可根據大壩變形監測等級要求來確定。每期觀測的方法、儀器都應和觀測初始值的一致，每次觀測前必須對儀器進行檢校，如2C互差、指標差、和ATR自動識別照準差等。

1.3 監測數據處理及數據

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，方向觀測單位權中誤差0.164 s。根據GB/T17942—2000 《國家三角測量規范》，二等測角中誤差為±1s，邊長相對中誤差為1/120000，從數據分析，本次監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，所有數據需要差分處理，其基本原理是每一個測量周期都按照極坐標方法觀測工作基點和變形監測點的水平角、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，工作基點均埋設在基巖上，同時定期對工作基點進行檢查，因此可認為工作基點是穩定的，將這一差值看作是受溫度、氣壓及儀器等因素影響的結果。測量機器人可以在短時間內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測點的影響相同，可把工作基點的差值加到變形監測點的觀測成果中進行差分處理，計算出來的三維位移量可利用工作基點所提供的改正數來消除共同誤差，從而提高了變形監測的精度。

監測的數據分析主要是對數據處理得到的變形監測點的坐標數據和初始值數據進行分析，以及對觀測值的中誤差、工作基點的穩定狀況、每個監測點在一定時區內的變化大小及走向、監測點位移量隨時間變化情況等進行分析。對其結果進行圖形化顯示，可以得到直觀形象的結果。

2 大壩垂直位移監測

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

垂直位移監測一般選用精密水準測量，具有精度高、方便簡單等優勢，垂直位移中的點分為水準基點、工作基點和監測點。

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

工作基點一般埋設在壩肩兩邊的基巖上，工作基點初始值的觀測，應選擇較方便、可靠穩定的水準基點，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。

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

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測點的位移量，一般每半年就要以基準點為起算檢查一次水準工作，但是每一期觀測都需要工作基點之間互相檢查，若數據發生疑異，應隨時以水準基點為起算檢查工作基點。

水準測量精度要求高，一般采用精密水準儀和因瓦鋼尺，每次觀測時要對儀器進行嚴格檢驗，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 結語

（1）變形監測工作為大壩的安全運營提供了基礎參照數據，測量機器人觀測法改變了傳統視準線觀測法的不足。

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

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