测量机器人进行坝体水平位移自动监测实例剖析

徐 冰

(辽宁省大伙房水库管理局，辽宁抚顺113007)

1 工程概况

辽宁省大伙房水库于1954年开工兴建，1958年竣工，水库距下游抚顺市中心约18 km，距沈阳市中心约68 km，地理位置十分重要。水库控制面积5 437 km2，占浑河流域面积的47.4%，是浑河干流上控制性骨干工程。水库以防洪、灌溉、城市供水为主，兼顾发电、养鱼。水库总库容22.68亿 m3，为大Ⅰ型水库，按1 000 a一遇洪水设计，可能最大洪水校核。大伙房水库的观测设备陆续建设于50—60年代。主要以观测坝体的浸润线和坝体的变形，由于水库运行至今已近60 a，许多观测设备、观测仪器均已老化，随着先进技术的不断发展，原有的观测手段也已不适应现代化的管理要求，结合除险加固工程，投资492万余元的大伙房水库大坝安全监测系统于2005年3月正式启动。建成后的该系统将以科学、先进的监测仪器，简单实用、功能完备的管理软件实时地监测水工建筑物的运行状况，为领导者科学地管理水库提供第一手资料。

2 主坝位移测点的布设

大伙房水库大坝观测自动化是在2005年水库加固时完成的一项改造工程。内部变形观测点全部采用自动化实时监测。外部变形监测垂直位移使用电子水准仪进行数据采集;水平位移则使用TCA2003自动全站仪(又称“测量机器人”)自动采集野外数据。所有水平位移测点都必须利用原坝体的位移测点，这样才能保证观测资料的连续性。在原测点的基础上进行了改造，加设基座，安插棱镜，加设保护盖，并在合适的位置建一座观测基点房TB1，利用坝体的原工作基点B3作为后视点。针对坝体水平位移实现自动观测，选择瑞士莱卡公司新型的测绘仪器——TCA2003自动全站仪(又称“测量机器人”)作为前端采集数据的工具，所使用的软件为成都经纬科技仪器有限公司开发的野外数据采集软件Inspector 5.0系列和后处理软件GNPS系统。具体布设位置见图1。

图1 主坝位移监测标点平面布置图

3 水平位移监测的原理

大伙房水库加固改造前水平位移监测采用视准线法，由于坝体长度超过1 000 m，在白天用视准线测量受大气折光的影响，测量误差比较大，所以在晚间用视准线方法配合灯光进行测量，虽然减小了测量误差，但操作很麻烦，而且也不安全。使用TCA2003自动全站仪(又称“测量机器人”)采用全圆测回法自动采集位移测点的水平角、垂直角、测站到测点间的距离，按规范规定得到满足限差要求的角度观测文件和距离观测文件，使用后处理软件得到测点的平面坐标，可选择不同期数的结果进行比较，得到两次(以及多次)间的测点点位变化值，从而计算出相对和绝对位移量。

4 野外数据采集的步骤

在首次使用该仪器时必须对所有测点人工进行坐标数据采集，形成Coord文件，利用传输软件上传到全站仪中，作为机器自动寻找目标的依据。在开始采集数据之前要对所有测点的温度值和气压值进行测定并记录备用，并对仪器处的温度值和气压值进行测定后输入到仪器中。选择野外数据采集程序，然后按大坝监测规范要求设置限差，进行设站，并选择Coord文件中的要测量的测点做为监测目标，仪器开始自动瞄准测点，采集角度数据和距离数据，经过检查得到满足要求的数据文件。数据文件形式见表1。

表1 主坝第一测回的数据文件形式表

距离文件形式:

1 B3 554.05243 0.0000 2 B3 554.05283 0.0000 3 B3 554.05243 0.0000 4 B3 554.05243 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:38:58测站名 测回数 为监测点数 仪器高TB1 4 17 0.2370 Distance Start 2010.6.13 9:38:58 TCA2003 Distance Start 2010.6.13 9:41:14 TCA2003 1 1131 505.75275 0.0000 2 1131 505.75235 0.0000 3 1131 505.75245 0.0000 4 1131 505.75295 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:41:14 Distance Start 2010.6.13 9:44:25 TCA2003 1 1121 513.53534 0.0000 2 1121 513.53434 0.0000 3 1121 513.53444 0.0000 4 1121 513.53464 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:44:26 Distance Start 2010.6.13 9:46:40 TCA2003 1 1111 523.93939 0.0000 2 1111 523.93939 0.0000 3 1111 523.93939 0.0000 4 1111 523.93959 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:46:40 Distance Start 2010.6.13 9:50:31 TCA2003 1 1132 212.39429 0.0000 2 1132 212.39449 0.0000 3 1132 212.39449 0.0000 4 1132 212.39469 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:50:31 Distance Start 2010.6.13 9:52:22 TCA2003 1 1122 230.42813 0.0000 2 1122 230.42843 0.0000 3 1122 230.42843 0.0000 4 1122 230.42853 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:52:23 Distance Start 2010.6.13 9:54:29 TCA2003 1 1112 252.69837 0.0000 2 1112 252.69857 0.0000 3 1112 252.69877 0.0000 4 1112 252.69887 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:54:29 Distance Start 2010.6.13 9:56:11 TCA2003 1 1133 68.38527 0.0000 2 1133 68.38527 0.0000 3 1133 68.38527 0.0000

测站名 测回数 为监测点数 仪器高1133 68.38527 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:56:11 Distance Start 2010.6.13 9:57:47 TCA2003 1 1123 112.61795 0.0000 2 1123 112.61795 0.0000 3 1123 112.61795 0.0000 4 1123 112.61805 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:57:47 Distance Start 2010.6.13 9:59:10 TCA2003 1 1113 153.06594 0.0000 2 1113 153.06584 0.0000 3 1113 153.06584 0.0000 4 1113 153.06584 0.0000 Distance End 2010.6.13 9:59:11 Distance Start 2010.6.13 10:0:53 TCA2003 1 1114 251.05283 0.0000 2 1114 251.05283 0.0000 3 1114 251.05313 0.0000 4 1114 251.05273 0.0000 Distance End 2010.6.13 10:0:53 Distance Start 2010.6.13 10:2:20 TCA2003 1 1124 228.70999 0.0000 2 1124 228.71029 0.0000 3 1124 228.70999 0.0000 4 1124 228.71009 0.0000 5 1124 228.70999 0.0000 6 1124 228.70999 0.0000 7 1124 228.70999 0.0000 8 1124 228.70979 0.0000 Distance End 2010.6.13 10:2:20 Distance Start 2010.6.13 10:3:59 TCA2003 1 1115 427.40964 0.0000 2 1115 427.41014 0.0000 3 1115 427.41014 0.0000 4 1115 427.40954 0.0000 Distance End 2010.6.13 10:4:0 Distance Start 2010.6.13 10:5:25 TCA2003 1 1134 210.37274 0.0000 2 1134 210.37274 0.0000 3 1134 210.37274 0.0000 4 1134 210.37274 0.0000 Distance End 2010.6.13 10:5:25 Distance Start 2010.6.13 10:7:8 TCA2003 1 1125 414.73263 0.0000 2 1125 414.73313 0.0000 3 1125 414.73283 0.0000 4 4 1125 414.73303 0.0000

测站名 测回数 为监测点数 仪器高Distance End 2010.6.13 10:7:9 Distance Start 2010.6.13 10:8:47 TCA2003 1 1116 618.34550 0.0000 2 1116 618.34550 0.0000 3 1116 618.34620 0.0000 4 1116 618.34580 0.0000 Distance End 2010.6.13 10:8:47 Distance Start 2010.6.13 10:10:13 TCA2003 1 1135 404.87659 0.0000 2 1135 404.87639 0.0000 3 1135 404.87639 0.0000 4 1135 404.87639 0.0000 Distance End 2010.6.13 10:10:14

5 数据的后处理

当需要监测的所有测点数据全部采集后，即可进行位移量的计算。把全站仪和电脑用数据线连接，使用LEICA offes软件进行野外监测数据的传输。启动GNPS软件，增加观测期数，设定仪器常数，调用建站坐标数据，选择角度观测文件和距离观测文件，手工输入测点和站点的气象参数，调用仪器数据，进行平差计算，当计算结果正确后可选择平差结果入库，然后进行位移处理，选择不同的期数进行比较，就可得到测点在这一时间间隔内的相对位移量和绝对位移量［］。

由于建站数据采用的是国家54坐标，而坝轴线方向与该坐标系之间存在夹角，要得到平行于坝轴线方向和垂直于坝轴线方向的位移，还要进行数学的变换，得到想要的水平位移量。位移量计算见表2。

6 实施过程中影响精度的因素

由于坝体的变形监测要求的精度很高，所以在进行限差设定时一定要严格按规范要求设置。站点和后视点的稳定性是保证测量精度的首要条件，在前期建设阶段就一定要保证它们建在基础稳定的岩石上，通视条件要好，条件允许时它们之间的高差不要太大［2］。要定期对站点和后视点进行平面控制的校核，以保证建站资料的安全、准确。站点到各测点的距离不要过大，仰俯角也不宜角度太大，这些都直接影响数据的采集精度。在测点的建设过程中，应考虑尽量保证棱镜的固定性这样可减少安插棱镜带来的不必要的误差而影响测量的精度。

另外，天气和温度也是影响测量精度的因素之一。应选择在日照不是太强烈，温度不是太高的时间段内作业，这样比较容易获得满足限差要求的数据。

表2 水平位移观测统计表

7 使用机器人进行大坝水平位移监测过程中的体会

当前期的准备工作完全按照要求完成的情况下，仪器采集得到的数据精度一定能满足规范要求，其准确性是可以保证的。

历时一年半的时间，经过三期的监测，与以往常规的视准线法测量进行比照，认为精度是比较高的。而且，采用这种仪器进行监测大大减少了人为因素带来的一些误差，比如，不同观测者的视力差距带来的误差、读数误差、记录的笔误等等。

另外，在选择的测点比较多时，使用这种仪器观测应尽量采用分组的方法，并在每组的第一个点应选择成像清晰的后视点，以保证仪器自动寻找目标的准确。当测点的布设方向与仪器的瞄准方向近似一条直线时，也应进行分组测量，使角度相差很小的测点分在不同的组内观测，这样才能保证采集数据的准确性。

由于初次采用这种方法进行监测，缺乏经验和必要的常识，在边使用边摸索规律的过程中不断总结，以上只是工作中遇到和发现的一些问题和体会，写出来与已经使用和准备使用该方法进行坝体变形监测的同行们互相借鉴，减少在工作中所走的一些弯路，使监测自动化工作更加科学、完善。

［1］李啸啸，蒋敏，吴震宇，等.大坝安全监测数据粗差识别方法的比较与改进［J］.中国农村水利水电，2011(03):107 －110，117.

［2］刘治国，王俊林.全站仪在大坝变形监测中的应用［J］.人民黄河，2008，30(07):82 －83，85.