TCA2003測量機器人在水庫大壩基準網(wǎng)測量中的應用

張文雅

(陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院，陜西西安710002)

TCA2003測量機器人在水庫大壩基準網(wǎng)測量中的應用

張文雅

(陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院，陜西西安710002)

外部變形監(jiān)測作為水利工程安全監(jiān)測的重要組成部分，而TCA2003高性能精密全站儀自動目標識別與自動跟蹤技術的應用，使得外部變形監(jiān)測的技術手段更為先進，操作更為方便。采用TCA2003全站儀自動觀測技術在李家河水利樞紐安全監(jiān)測基準網(wǎng)中的實踐應用，對其成果精度進行分析，結果認為TCA2003測量機器人用于變形監(jiān)測工作自動化程度高，精度可靠，并能大大的提高作業(yè)效率。

TCA2003自動全站儀;監(jiān)測基準網(wǎng)布設;監(jiān)測基準網(wǎng)觀測;數(shù)據(jù)處理

隨著人們對建筑物的不斷認識，變形監(jiān)測工作愈來愈受到重視，但混凝土大壩的監(jiān)測精度要求很高，一般傳統(tǒng)方法難以達到。測量機器人的深入應用，其優(yōu)勢在混凝土大壩的安全監(jiān)測中得到充分發(fā)揮。我院在在李家河水利樞紐安全監(jiān)測基準網(wǎng)的實施中，采用TCA2003測量機器人，不僅滿足控制網(wǎng)的精度要求，而且提高工作效率。

1 TCA2003全站儀及徠卡TCA機載自動監(jiān)測軟件

1.1 TCA2003全站儀

瑞士Leica公司生產(chǎn)的TCA2003全站儀標稱精度為:一測回方向中誤差 ±0.5″;測距中誤差 ±1mm+1ppm。其主要部件ATR(Automatic Target Recognition)被安裝在全站儀的望遠鏡上，與望遠鏡同軸，性能穩(wěn)定可靠，啟動ATR測量時，當全站儀發(fā)送的紅外光被反射棱鏡返回并經(jīng)儀器內(nèi)置的CCD相機判別接受后，馬達就驅動全站儀自動轉向棱鏡，并自動精確確定棱鏡中心位置，使全站儀具有目標自動識別、精確瞄準目標、自動正倒鏡測量、自動完成數(shù)據(jù)采錄，被稱為測量機器人。TCA2003全站儀配以專用軟件，就可以使整個觀測過程自動完成。［1］

1.2 徠卡TCA機載自動監(jiān)測軟件

軟件的設計、開發(fā)依據(jù)國家三角測量規(guī)范及其它相關工程技術標準。該軟件配合TCA2003全站儀，系統(tǒng)實現(xiàn)了高效、便捷的自動化測量，大大提高了工作效率，降低了勞動強度，同時滿足了內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)一體化、規(guī)范化的作業(yè)要求。

軟件的主要特點有:①操作簡單。正常情況下，無論有多少個方向、多少個測回，用戶只需按數(shù)次鍵即可完成所有項目的設置;觀測時只需按一個鍵就可完成所有測回;②限差設置靈活?？梢愿鶕?jù)具體需要自定義各項限差，自動默認上次設置的限差值，通常無需修改;③只需學習一次。對于同一個測站，只需在第一次觀測時進行學習測量，以后觀測時直接調(diào)用該測站的學習結果;④全自動觀測。完成各項設置后，儀器可自動照準各目標點，自動測距、測角，并實時檢查各項誤差，超限后自動處理。能完全避免因外業(yè)觀測數(shù)據(jù)不合格造成的復測和人為造假。

2 TCA2003測量機器人在李家河大壩監(jiān)測基準網(wǎng)中的應用

輞川河引水李家河水庫工程位于西安市藍田縣，水庫工程總庫容為5260萬 m3，主要建筑物攔河大壩、泄水建筑物、引水建筑物等。

攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩項高程884 m，最大壩高98.5 m，壩頂弧長351.71 m，設計洪水標準為50 a一遇。水庫正常蓄水位880.0 m，死水位839.0 m，設計洪水位 880.0 m。

依據(jù)工程要求和規(guī)模，監(jiān)測基準網(wǎng)由7座具有強制對中標志的鋼筋混凝土觀測墩組成三維網(wǎng)，平面精度為專一級，高程精度為二等。

2.1 監(jiān)測基準網(wǎng)網(wǎng)形設計

本工程監(jiān)測的對象大壩、近壩區(qū)高邊坡及電站廠房背坡相距較近，故水平位移監(jiān)測基準網(wǎng)整體布設。

根據(jù)施工區(qū)域地形、監(jiān)測部位分布情況以及精度要求，水平位移監(jiān)測基準網(wǎng)采用邊角網(wǎng)。首先在1:2000地形圖上布設網(wǎng)點，然后經(jīng)實地選點確定基準點布設7個(P1～P8、P5破壞)，工作基點6個(PG1～PG6)，上述13點構成邊角全測網(wǎng)，網(wǎng)點布置見圖1。

圖1 大壩監(jiān)測三維控制網(wǎng)索引圖

基準點位選設:大壩上游選設P2、P3兩點，下游(包括電站廠房區(qū))P1、P4、P8、P6、P7 共 5 點。

工作基點選設:大壩下游選設PG1、PG2兩點，大壩上游選設PG3、PG4兩點，電站廠區(qū)選設PG5、PG6兩點。

其中:PG1、PG2、PG3、PG4共4個基點主要用于監(jiān)測大壩壩頂LD1～LD8等8個水平位移監(jiān)測點;P1、P2、P3、PG1、PG2等5個基點主要用于監(jiān)測近壩區(qū)(左右壩肩)高邊坡LD9～LD31等23個水平位移監(jiān)測點;PG3、PG4作為視準線兩端工作基點，用于視準線法校核壩頂拱冠測點LD4;PG5、PG6兩個基點用于監(jiān)測電站廠房背坡LD32～LD34共3個水平位移監(jiān)測點。

基準點和工作基點一次進行設計，但目前只有基準點具備建造標墩條件并進行首期觀測，而工作基點PG3要視工程施工進度進行實施，待工作基點實施后再進行整體網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，這樣基點精度統(tǒng)一。

2.2 限差設置

根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》(規(guī)劃設計階段)(SL197—97)專一級網(wǎng)的精度標準確定外業(yè)觀測限差見表1、表2、表3。

表1 水平角方向觀測的主要技術要求

觀測前按以上限差在TCA2003全站儀上進行測站設置，將氣象改正參數(shù)按標準設置。測站設置完成后，在盤左狀態(tài)按順時針方向依次測量各目標點一次，即完成儀器學習測量。然后進行正式觀測，測站全部觀測可自動完成。

表2 天頂距觀測的主要技術要求

表3 測距觀測的主要技術要求 mm

2.3 綜合誤差測定

在監(jiān)測網(wǎng)測量前，首先應對儀器進行綜合誤差測定，目標點距離儀器大于100 m，傾斜角小于±9°;對于水平軸傾斜誤差的測定則采用大于±27°的目標點進行測定，其2c和指標差均小于5″，并且進行了ATR1準直差的測定。

2.4 監(jiān)測基準網(wǎng)觀測

根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》(規(guī)劃設計階段)(SL197—97)專一網(wǎng)的精度標準確定水平角觀測15測回，其垂直角也進行15測回觀測，邊長測量進行了15測回60測次自動觀測記錄，所有邊長在不同的時段進行對向觀測。在觀測過程中程序自動判別設置的各限差，若超限自動重測，符合要求后再進行下一測回的觀測，以上操作全部由監(jiān)測系統(tǒng)自動完成。

2.4.1 水平角觀測

由于監(jiān)測網(wǎng)精度高，本次觀測早上6點到9點左右，下午在16點到19點左右進行觀測，由于照準標志數(shù)量所限，部分測站水平角進行了分組觀測，分組觀測包括兩個共同方向(其中一個為共同零方向);其兩組觀測角值之差見表4所示，其值均小于測角中誤差的2倍(2mβ=±1.0″);按等權分組觀測進行了測站平差。首期對基準網(wǎng)進行了兩次獨立觀測，全網(wǎng)共17個三角形，第一次三角形閉合差最大為△P1P2P4+1.52″，三角形閉合差最小為△P1P8P6 － 0.10″，按菲列羅公式計算的測角中誤差為 ±0.49″;第二次三角形閉合差最大為△P1P2P3+1.43″，三角形閉合差最小為△P8P4PG2 －0.15″，測角中誤差為 ± 0.47″，均小于設計測角中誤差為 ±0.5″要求。

表4 分組觀測角度之差統(tǒng)計表

2.4.2 垂直角觀測

大壩監(jiān)測基準網(wǎng)的高程采用幾何水準較為困難，故采用三角高程法獲取監(jiān)測基準網(wǎng)點高程。高程分別從水準工作基點GH2傳遞到 PG4、水準工作基點 GH10傳遞到 P1，往(返)測垂直角觀測9測回，邊長測量進行了9測回36測次自動觀測記錄。GH2、GH10為監(jiān)測基準網(wǎng)高程起算點，監(jiān)測基準網(wǎng)點高程由監(jiān)測基準網(wǎng)點組成附和線路觀測而獲得。

2.4.3 邊長測定

本次水平邊長采用高差和斜距進行改正，因此我們采用以下措施:

(1)測站儀器高和鏡站棱鏡高采用專用量高游標卡尺量取。分別從三個位置量取其高度，取平均值作為儀器高和覘標高，量取高度讀數(shù)至0.02 mm。

(2)測站、鏡站分別在觀測開始、中間、結束時測定溫度、氣壓，取均值后按檢定證書的修正值進行改正。

圖2 基準網(wǎng)三角高程觀測略圖

(3)斜距經(jīng)儀器加乘常數(shù)、氣象改正后，分別采用往返測垂直角計算測邊高差中數(shù)，再利用斜距和高差計算測邊水平距離。高差、平距計算在Excel中進行，見下表:

儀器常數(shù) 往測垂直角往測斜距測距邊測距邊經(jīng)氣象、加乘常熟改正后的往(返)測斜距往 經(jīng)高差改正后的往或返測水平距離往返測 加球序 號距較差 氣差 高差加常數(shù)乘常數(shù)邊 名返測垂直角返測斜距氣壓溫度儀器高覘標高(返)測高差中數(shù)實測 限差平距平均值 改正后h mmmm/km ° ′ ″ m Pa℃ m m m m m mmmm m m m 123－1.31 －2.09－1.31 －2.09－1.31 －2.09－1.31 －2.09－1.31 －2.09－1.31 －2.09 P1－P2 P1－P3 P1－P4 0 5640.63 420.23165 905.6 14.5 0.23703 0.23924 420.24278 6.92590 420.18532 6.94550－0 56 59.25 420.23146 911.7 15.9 0.23675 0.23924 420.24243 －6.96853420.18504 －0.28 2.84 420.18518 －6.94893 6.94721－2 20 58.73 480.02389 908.3 14.8 0.23703 0.24042 480.03658 －19.68373479.63414 －19.65820 2 20 36.94 480.02416 912.9 11.0 0.23721 0.23924 480.03463 19.62756 479.63196 －2.18 2.96 479.63305 19.65310－19.65565 4 20 20.17 367.36883 906.6 14.7 0.23703 0.23772 367.37838 27079382 366.32435 27.80872－4 20 34.87 367.36644 905.3 24.9 0.23721 0.23932 367.37925 －27.82279 366.32544 1.09 2.73 36 27.80831 6.32490 －27.80790

全網(wǎng)測距邊28條，最大邊長(P1—P6)818.993 m，最短邊長(PG1—PG2)276.969 m。根據(jù)往返測距較差分別計算得:第一次觀測的平均測距中誤差為1.06 mm，第二次觀測的平均測距中誤差為1.05 mm，其值均小于規(guī)范規(guī)定±2.5 mm的要求。

2.4.4 數(shù)據(jù)處理及精度統(tǒng)計

外業(yè)觀測數(shù)據(jù)驗算合格后，采用清華山維《工程測量控制網(wǎng)微機平差系統(tǒng)》軟件，分別進行平面網(wǎng)和高程網(wǎng)的處理。平面網(wǎng)以P1為坐標起算點(P1～P4邊做為起算方位邊)，邊長投影至840 m高程面，按一點一方位的獨立網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理。高程網(wǎng)以GH2、GH10為高程起算點，進行數(shù)據(jù)處理。首期兩次獨立觀測數(shù)據(jù)處理后精度統(tǒng)計見表5。

表5 首期兩次獨立觀測成果精度統(tǒng)計表

從表5精度指標統(tǒng)計結果可以看出，大壩監(jiān)測三維網(wǎng)首期兩次獨立觀測成果達到設計預期要求，取首期兩次獨立觀測成果的均值作為大壩監(jiān)測三維網(wǎng)的基準值。

3 結語

(1)自動觀測減少人為因素的誤差，提高工作效率。該軟件優(yōu)點具有操作簡單、限差設置靈活、只需學習一次便可自動觀測，但它不能將水平角、垂直角、邊長分別設置，當水平角設置幾個測回，垂直角和邊長同樣觀測幾個測回。

(2)天氣對觀測的影響較大，日出、日落及中午(10:30—15:00)前后，空氣抖動比較大，十分不利于觀測，應避開該段時間進行觀測。

(3)棱鏡應精確的對準儀器，棱鏡面上無水霧或灰塵。

(4)采用精密專用量高游標卡尺，采用精度較高干濕溫度計并且氣壓以檢定證書的修正值進行改正。

［1］水利水電工程測量規(guī)范.(規(guī)劃設計階段)(SL197—97).

［2］《徠卡TCA機載自動監(jiān)測軟件》安裝手冊.

P258

B

1004－1184(2013)06－0153－03

2013－09－17

張文雅(1967－)，男，陜西長安人，工程師，主要從事水利水電工程測量工作。