全站儀自動變形監測系統的分析

楊麗 鄭周超

摘要：借助于徠卡公司提供的二次開發環境GeoCOM，利用徠卡電子全站儀TCA2003 （測量機器人）的自動目標識別功能ATR（Automatic Target Recognition），開發了自動變形監測系統，將以往人工操作的測量工作轉變為由計算機控制儀器從而完成自動測量。

Abstract： The Automatic Deformation Monitoring System is developed by using the ATR （Automatic Target Recognition） function of the TCA2003 electronic Total Station and the development environment GeoCOM of Switzerland Leica Company in this thesis. It uses the automatic surveying work instead of the manual work by computer.

關鍵詞：測量機器人;自動目標識別;自動變形監測系統

Key words： survey robot;automatic target recognition;automatic deformation monitoring system

中圖分類號：P258? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0183-03

0? 引言

地學和工程領域中存在很多變形，比如地殼形變、滑坡、采礦塌陷、高層建筑的擺動以及大壩變形等，一旦當變形量超過變形體所能承受的允許范圍時，則往往會帶來災難性的后果。這些災難性的后果往往會導致各個方面遭受巨大的損失，所以變形監測研究在國內外都受到了廣泛的重視。

對于很多條件惡劣，不便于觀測的目標物體來說，則需使用更智能化的自動變形監測，如本文所開發的自動變形監測系統。

1? 系統硬件TCA2003全站儀及其開發環境介紹

1.1 測量機器人TCA2003全站儀功能簡介

測量機器人也就是智能型的全站儀，是目前比較先進的全站儀。全站儀TCA2003內部安裝了伺服馬達，即可通過儀器內部的自動目標識別裝置（Automatic Target Recognition）ATR發射出的激光束經過目標棱鏡反射后由CCD相機接收，最終樂意實現自動尋找目標、自動精確照準目標。能在不用人操作的情況下，全天候的對建筑物進行檢測，為建筑物的安全提供了保證。儀器的主要技術參數有測角精度±0.5″、測距精度±（1mm+1ppm）[1]。

1.2 TCA2003全站儀的開發環境

GeoCOM是專門為測量機器人研制的二次開發工具，用戶可以利用此工具實現個性化的功能。GeoCOM總共有兩種形式的通信方式[2]。一種是低級模式，就是ASCII碼方式，另一種是高級模式，也就是常用的函數調用模式。GeoCOM還包含大量的函數種類和多種數據類型，以適應用戶不同的需求，因此用途更加廣泛，本文就是利用這種函數調用模式進行自動變形監測系統開發的。

在GeoCOM函數調用模式下，借助于C/C++或者MS-VBA等平臺利用該模式的開發程序實現用戶所需的各測量功能[3]。下面介紹一下GeoCOM的函數功能，主要是接收和計算等的功能，參見圖1。

下面主要介紹GeoCOM主要的幾個模塊：

①AUS模塊主要是含有全站儀“FNC”鍵里參數設置函數。比如：氣象狀況參數的設置等。

②AUT 是該儀器的自動控制模塊。主要利用該模塊來控制全站儀進行自動目標的識別。

③BAP 是該儀器基本的應用模塊。測量過程中主要用該模塊來采集測量數據。

④BMM 是該儀器基本人工操作模塊。可以控制一些基本的輸入輸出。例如設置嘟嘟嘟的警報聲。

⑤COMF 是該儀器信息通訊模塊。主要用來設置儀器的通訊參數，這些功能中許多與客戶端和服務器都相關。

⑥COM 信息通訊。

⑦CSV 中心服務。這個模塊提供關于TCA2003儀器中心或基本信息的功能。

⑧CTL 控制工作。此模塊包含了系統控制工作。

⑨EDM 是該儀器電子測距模塊。該模塊主要用來測量距離。

⑩MOT 動力模塊。這部分能夠控制儀器的移動方向和移動速度。

{11}SUP 監控模塊。控制TCA2003儀器一些輸入值的功能，例如限制過低的溫度。

{12}TMC 經緯儀測量和計算。獲得測量數據的核心模塊。

{13} WIR WI注冊。此模塊包含超大規模集成電路功能。

本文利用GeoCOM技術來開發測量程序的基本框架如下：

①初始化GeoCOM接口;

②打開TCA2003服務器端的連接，打開通訊端口，主要設置儀器和電腦的通訊參數;

③測量的主體部分，實現自動測量，這部分調用大量的GeoCOM中的函數;

④關閉服務器端的連接并退出GeoCOM。

對于整個GeoCOM技術的調用過程如流程圖2。

2? 自動變形監測系統的設計

本系統所使用的硬件是基于徠卡的TCA2003測量機器人，采用極坐標的測量方法，測定各變形點的三維坐標，同時將所測得的數據保存在設定的文件中，利用相關的分析方法對所采集的數據進行處理，作相關的變形分析以便于掌握變形體的運行情況[4]。監測系統的主要硬件組成如圖3。

本系統所使用的操作系統為WindowsXP，開發語言主要是Visual C++6.0，主要技術利用了徠卡的GeoCOM技術。首先應將GeoCOM32.dll添加到工程GEOCOM_SAMPLE工程中，以便于后面的設計方便使用到GeoCOM中的函數。系統設計的大致流程如圖4。

在該系統使用之前，首先對全站儀進行初始化。即設置計算機與全站儀之間的通訊參數，比如：通訊接口、波特率、通訊協議等基本通訊參數的設置。如果初始化成功，那接下來就應該進行點位首次學習過程，得到變形點的概略空間位置，為后續的自動變形監測提供基礎數據，然后我們就可以根據首次學習的點位數據對這些特定的觀測點進行重復觀測，進而得到變形點的空間三維坐標，自動觀測結束后，則通過用擬合的方法分析目標物體的變形情況。

圖5是自動測量的詳細過程和調用GeoCOM.dll中的函數。

3? 應用實例

在儀器和計算機通過數據線連接完成之后，設置TCA2003處于ONLINE模式并運行程序，首先應確保儀器和計算機能夠通訊，即分別設置通訊端口、波特率以及通訊協議如圖6。

確保儀器與計算機連接后，即可進行測站點屬性的設置，圖7測站點的設置，圖8目標高的設置，以便于學習測量獲得目標點的概略空間位置。

設置完成之后，即可進行學習測量，當一個測站上的所有觀測點都測完一遍之后，此時可以從程序所在的文件夾里打開文本文件“learningdata.txt”檢查數據的正確性如圖9所示。

學習完畢之后返回測量主界面，進行自動監測，根據彈出的輸入的自動監測的對話框輸入每個觀測點的循環監測次數，完成自動測量。

為了驗證本程序的可實用性，在室內選擇一平整的桌面安置四個棱鏡，利用該系統測得桌面上的各點坐標，如表1。為了驗證測得數據的準確性，用最小二乘擬合法對所得數據進行擬合，結果應為一平面。

4? 結論

根據擬合所得結果可以看出目標物體確實是一個平面，說明該自動變形監測系統所測得的數據符合實際情況。

如果該系統經進一步的完善，用于監測大壩、橋梁等變形較大的建筑物時，將大大的提高工作效率、節省人力物力。

參考文獻：

[1]尤相駿.測量機器人自動測量系統的應用與研究[D].同濟大學，2002.

[2]張海玲.基于TCA2003全站儀的自動變形監測系統的研制[D].山東：山東科技大學，2005.

[3]蔡乾廣.多測站自動變形監測系統的研發[D].山東：山東科技大學，2007.

[4]鄔昱昆.蘇通大橋超高索塔監測技術與數據處理研究——基于TCA2003的數據采集及分析系統的開發與研究[D].江蘇：河海大學，2007.

作者簡介：楊麗（1985-），女，江蘇淮安人，上海市城市建設工程學校（上海市園林學校）講師，碩士研究生，主要從事工程測量教學工作。