測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行壩體水平位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)例剖析

徐 冰

(遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧撫順113007)

1 工程概況

遼寧省大伙房水庫(kù)于1954年開工興建，1958年竣工，水庫(kù)距下游撫順市中心約18 km，距沈陽(yáng)市中心約68 km，地理位置十分重要。水庫(kù)控制面積5 437 km2，占渾河流域面積的47.4%，是渾河干流上控制性骨干工程。水庫(kù)以防洪、灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚。水庫(kù)總庫(kù)容22.68億 m3，為大Ⅰ型水庫(kù)，按1 000 a一遇洪水設(shè)計(jì)，可能最大洪水校核。大伙房水庫(kù)的觀測(cè)設(shè)備陸續(xù)建設(shè)于50—60年代。主要以觀測(cè)壩體的浸潤(rùn)線和壩體的變形，由于水庫(kù)運(yùn)行至今已近60 a，許多觀測(cè)設(shè)備、觀測(cè)儀器均已老化，隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的觀測(cè)手段也已不適應(yīng)現(xiàn)代化的管理要求，結(jié)合除險(xiǎn)加固工程，投資492萬(wàn)余元的大伙房水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2005年3月正式啟動(dòng)。建成后的該系統(tǒng)將以科學(xué)、先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀器，簡(jiǎn)單實(shí)用、功能完備的管理軟件實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)水工建筑物的運(yùn)行狀況，為領(lǐng)導(dǎo)者科學(xué)地管理水庫(kù)提供第一手資料。

2 主壩位移測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

大伙房水庫(kù)大壩觀測(cè)自動(dòng)化是在2005年水庫(kù)加固時(shí)完成的一項(xiàng)改造工程。內(nèi)部變形觀測(cè)點(diǎn)全部采用自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。外部變形監(jiān)測(cè)垂直位移使用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;水平位移則使用TCA2003自動(dòng)全站儀(又稱“測(cè)量機(jī)器人”)自動(dòng)采集野外數(shù)據(jù)。所有水平位移測(cè)點(diǎn)都必須利用原壩體的位移測(cè)點(diǎn)，這樣才能保證觀測(cè)資料的連續(xù)性。在原測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，加設(shè)基座，安插棱鏡，加設(shè)保護(hù)蓋，并在合適的位置建一座觀測(cè)基點(diǎn)房TB1，利用壩體的原工作基點(diǎn)B3作為后視點(diǎn)。針對(duì)壩體水平位移實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)，選擇瑞士萊卡公司新型的測(cè)繪儀器——TCA2003自動(dòng)全站儀(又稱“測(cè)量機(jī)器人”)作為前端采集數(shù)據(jù)的工具，所使用的軟件為成都經(jīng)緯科技儀器有限公司開發(fā)的野外數(shù)據(jù)采集軟件Inspector 5.0系列和后處理軟件GNPS系統(tǒng)。具體布設(shè)位置見圖1。

圖1 主壩位移監(jiān)測(cè)標(biāo)點(diǎn)平面布置圖

3 水平位移監(jiān)測(cè)的原理

大伙房水庫(kù)加固改造前水平位移監(jiān)測(cè)采用視準(zhǔn)線法，由于壩體長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m，在白天用視準(zhǔn)線測(cè)量受大氣折光的影響，測(cè)量誤差比較大，所以在晚間用視準(zhǔn)線方法配合燈光進(jìn)行測(cè)量，雖然減小了測(cè)量誤差，但操作很麻煩，而且也不安全。使用TCA2003自動(dòng)全站儀(又稱“測(cè)量機(jī)器人”)采用全圓測(cè)回法自動(dòng)采集位移測(cè)點(diǎn)的水平角、垂直角、測(cè)站到測(cè)點(diǎn)間的距離，按規(guī)范規(guī)定得到滿足限差要求的角度觀測(cè)文件和距離觀測(cè)文件，使用后處理軟件得到測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，可選擇不同期數(shù)的結(jié)果進(jìn)行比較，得到兩次(以及多次)間的測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位變化值，從而計(jì)算出相對(duì)和絕對(duì)位移量。

4 野外數(shù)據(jù)采集的步驟

在首次使用該儀器時(shí)必須對(duì)所有測(cè)點(diǎn)人工進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，形成Coord文件，利用傳輸軟件上傳到全站儀中，作為機(jī)器自動(dòng)尋找目標(biāo)的依據(jù)。在開始采集數(shù)據(jù)之前要對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的溫度值和氣壓值進(jìn)行測(cè)定并記錄備用，并對(duì)儀器處的溫度值和氣壓值進(jìn)行測(cè)定后輸入到儀器中。選擇野外數(shù)據(jù)采集程序，然后按大壩監(jiān)測(cè)規(guī)范要求設(shè)置限差，進(jìn)行設(shè)站，并選擇Coord文件中的要測(cè)量的測(cè)點(diǎn)做為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，儀器開始自動(dòng)瞄準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，采集角度數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)檢查得到滿足要求的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件形式見表1。

表1 主壩第一測(cè)回的數(shù)據(jù)文件形式表

距離文件形式:

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測(cè)站名 測(cè)回?cái)?shù) 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù) 儀器高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

測(cè)站名 測(cè)回?cái)?shù) 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù) 儀器高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

測(cè)站名 測(cè)回?cái)?shù) 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù) 儀器高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 數(shù)據(jù)的后處理

當(dāng)需要監(jiān)測(cè)的所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部采集后，即可進(jìn)行位移量的計(jì)算。把全站儀和電腦用數(shù)據(jù)線連接，使用LEICA offes軟件進(jìn)行野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。啟動(dòng)GNPS軟件，增加觀測(cè)期數(shù)，設(shè)定儀器常數(shù)，調(diào)用建站坐標(biāo)數(shù)據(jù)，選擇角度觀測(cè)文件和距離觀測(cè)文件，手工輸入測(cè)點(diǎn)和站點(diǎn)的氣象參數(shù)，調(diào)用儀器數(shù)據(jù)，進(jìn)行平差計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)果正確后可選擇平差結(jié)果入庫(kù)，然后進(jìn)行位移處理，選擇不同的期數(shù)進(jìn)行比較，就可得到測(cè)點(diǎn)在這一時(shí)間間隔內(nèi)的相對(duì)位移量和絕對(duì)位移量［］。

由于建站數(shù)據(jù)采用的是國(guó)家54坐標(biāo)，而壩軸線方向與該坐標(biāo)系之間存在夾角，要得到平行于壩軸線方向和垂直于壩軸線方向的位移，還要進(jìn)行數(shù)學(xué)的變換，得到想要的水平位移量。位移量計(jì)算見表2。

6 實(shí)施過(guò)程中影響精度的因素

由于壩體的變形監(jiān)測(cè)要求的精度很高，所以在進(jìn)行限差設(shè)定時(shí)一定要嚴(yán)格按規(guī)范要求設(shè)置。站點(diǎn)和后視點(diǎn)的穩(wěn)定性是保證測(cè)量精度的首要條件，在前期建設(shè)階段就一定要保證它們建在基礎(chǔ)穩(wěn)定的巖石上，通視條件要好，條件允許時(shí)它們之間的高差不要太大［2］。要定期對(duì)站點(diǎn)和后視點(diǎn)進(jìn)行平面控制的校核，以保證建站資料的安全、準(zhǔn)確。站點(diǎn)到各測(cè)點(diǎn)的距離不要過(guò)大，仰俯角也不宜角度太大，這些都直接影響數(shù)據(jù)的采集精度。在測(cè)點(diǎn)的建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)考慮盡量保證棱鏡的固定性這樣可減少安插棱鏡帶來(lái)的不必要的誤差而影響測(cè)量的精度。

另外，天氣和溫度也是影響測(cè)量精度的因素之一。應(yīng)選擇在日照不是太強(qiáng)烈，溫度不是太高的時(shí)間段內(nèi)作業(yè)，這樣比較容易獲得滿足限差要求的數(shù)據(jù)。

表2 水平位移觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表

7 使用機(jī)器人進(jìn)行大壩水平位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中的體會(huì)

當(dāng)前期的準(zhǔn)備工作完全按照要求完成的情況下，儀器采集得到的數(shù)據(jù)精度一定能滿足規(guī)范要求，其準(zhǔn)確性是可以保證的。

歷時(shí)一年半的時(shí)間，經(jīng)過(guò)三期的監(jiān)測(cè)，與以往常規(guī)的視準(zhǔn)線法測(cè)量進(jìn)行比照，認(rèn)為精度是比較高的。而且，采用這種儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)大大減少了人為因素帶來(lái)的一些誤差，比如，不同觀測(cè)者的視力差距帶來(lái)的誤差、讀數(shù)誤差、記錄的筆誤等等。

另外，在選擇的測(cè)點(diǎn)比較多時(shí)，使用這種儀器觀測(cè)應(yīng)盡量采用分組的方法，并在每組的第一個(gè)點(diǎn)應(yīng)選擇成像清晰的后視點(diǎn)，以保證儀器自動(dòng)尋找目標(biāo)的準(zhǔn)確。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方向與儀器的瞄準(zhǔn)方向近似一條直線時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行分組測(cè)量，使角度相差很小的測(cè)點(diǎn)分在不同的組內(nèi)觀測(cè)，這樣才能保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由于初次采用這種方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，缺乏經(jīng)驗(yàn)和必要的常識(shí)，在邊使用邊摸索規(guī)律的過(guò)程中不斷總結(jié)，以上只是工作中遇到和發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題和體會(huì)，寫出來(lái)與已經(jīng)使用和準(zhǔn)備使用該方法進(jìn)行壩體變形監(jiān)測(cè)的同行們互相借鑒，減少在工作中所走的一些彎路，使監(jiān)測(cè)自動(dòng)化工作更加科學(xué)、完善。

［1］李嘯嘯，蔣敏，吳震宇，等.大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)粗差識(shí)別方法的比較與改進(jìn)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011(03):107 －110，117.

［2］劉治國(guó)，王俊林.全站儀在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.人民黃河，2008，30(07):82 －83，85.