自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在邊坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

曾 強(qiáng)

(中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司深圳分院，廣東深圳 518000)

1 TCA2003全站儀簡介

TCA2003全站儀由徠卡公司研制。這種全站儀是和較大容量計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，具有高測(cè)量精度的電子全站儀。其結(jié)構(gòu)和功能上有較大的改進(jìn)和發(fā)展。①TCA2003全站儀安置了精密伺服馬達(dá)，在測(cè)角時(shí)可由編程控制，伺服馬達(dá)將自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器照準(zhǔn)部進(jìn)行觀測(cè)。②儀器裝有同軸自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別裝置，可自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、自動(dòng)瞄準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，從而可實(shí)現(xiàn)人工智能采集觀測(cè)數(shù)據(jù)。③接收系統(tǒng)采用CCD元件，能夠自動(dòng)識(shí)別和鎖定目標(biāo)，并能進(jìn)行跟蹤測(cè)量。④儀器存儲(chǔ)部分采用標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)卡——PCMC IA卡作為存儲(chǔ)工具，觀測(cè)數(shù)據(jù)，既可以記錄在內(nèi)存中，也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

2基于TCA2003全站儀的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2．1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、基準(zhǔn)點(diǎn)、變形點(diǎn)、控制機(jī)房和TCA2003自動(dòng)化全站儀等5部分組成。

2．1．1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站

自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站要根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行選擇。監(jiān)測(cè)站需建有觀測(cè)墩來放置全站儀。為了滿足儀器防護(hù)、保溫等要求，同時(shí)具有良好的觀察條件，因此需要建造觀測(cè)房。

2．1．2 控制機(jī)房

控制機(jī)房應(yīng)該在辦公區(qū)附近選址，這樣可以保證較好的供電條件?？刂朴?jì)算機(jī)利用電纜和全站儀相聯(lián)，以便控制機(jī)房能實(shí)時(shí)了解監(jiān)測(cè)站全站儀的運(yùn)行情況。同時(shí)，要通過機(jī)房埋設(shè)專用電纜給全站儀供電，以保證其供電安全。

2．1．3 基準(zhǔn)點(diǎn)

基準(zhǔn)點(diǎn)不能建在變形區(qū)內(nèi)，一般應(yīng)該選建在變形區(qū)外穩(wěn)定的基巖上。

2．1．4 變形點(diǎn)

建在變形區(qū)上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)稱為變形點(diǎn)，包括每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)在內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都要安置單棱鏡對(duì)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站。

2．1．5 自動(dòng)化全站儀

使用帶伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的TCA2003全站儀，在全站儀的望遠(yuǎn)鏡中安有同軸自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別裝置，能自動(dòng)瞄準(zhǔn)普通棱鏡進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)，可采用電子氣泡精確整平儀器，進(jìn)行縱、橫軸自動(dòng)補(bǔ)償，提高整平精度。觀測(cè)數(shù)據(jù)存貯在SARM存貯卡上，或者用通信線纜傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)上。

2．2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)組成分析

2．2．1 數(shù)據(jù)采集模塊

由于監(jiān)測(cè)地多在山區(qū)現(xiàn)代化通信不便地方，因此，自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)在應(yīng)用中開發(fā)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊的基本功能是:全站儀上建立工作基點(diǎn)和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)全站儀完成度盤定向后，逐一對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)搜索并鎖定，將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地記錄到存儲(chǔ)卡中，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值限差自動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，一旦監(jiān)測(cè)到超限值時(shí)，便啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，再輔之以人工重測(cè)，直到獲得合格的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2．2．2 控制模塊

要想實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的全自動(dòng)化，實(shí)時(shí)控制的軟件是必不可少的。TCA2003全站儀的控制模塊具有實(shí)時(shí)性、高度自動(dòng)化和高可靠性特點(diǎn)。該模塊能夠在預(yù)訂時(shí)段內(nèi)自動(dòng)地對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并可以將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和輸出，并根據(jù)主要效應(yīng)量的變化趨勢(shì)來做判斷，以確定進(jìn)行中長期預(yù)報(bào)，還是短期預(yù)報(bào)。

2．2．3 數(shù)據(jù)處理模塊

觀測(cè)數(shù)據(jù)一般是指直接的觀測(cè)結(jié)果，但是也可以是經(jīng)過特定處理以后的結(jié)果。因?yàn)槿魏斡^測(cè)數(shù)據(jù)或多或少包含一些干擾成分，也就是誤差，因此，在采集數(shù)據(jù)過程中排除和減弱干擾部分影響非常重要。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊具有高自動(dòng)化、高通用性、計(jì)算容量大、速度快等特點(diǎn)，有利于數(shù)據(jù)采集過程中排除和減弱干擾部分對(duì)結(jié)果的影響。

2．2．4 數(shù)據(jù)管理模塊

由于對(duì)邊坡變形體監(jiān)測(cè)的周期多、時(shí)間長，勢(shì)必造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量十分龐大。所以管理這些繁雜而又龐大的數(shù)據(jù)，關(guān)系到對(duì)邊坡變形的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)質(zhì)量。監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)庫管理模塊是十分重要的，主要是針對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的大量原始資料，以數(shù)據(jù)庫為中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的整理、分析與管理等，例如對(duì)原始資料進(jìn)行粗差檢驗(yàn)、模型判斷以及對(duì)觀測(cè)異常值進(jìn)行技術(shù)報(bào)警。

2．2．5 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析、預(yù)報(bào)模塊

該模塊的主要功能是對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要采用統(tǒng)計(jì)模型對(duì)災(zāi)害做出預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的期限為幾年、幾個(gè)月、甚至幾天。例如做出滑動(dòng)即將發(fā)生的預(yù)測(cè)時(shí)，為了提高預(yù)報(bào)模型的精度，本系統(tǒng)模型庫能夠?qū)?dòng)降雨量預(yù)報(bào)模型、線性灰色預(yù)報(bào)模型、反函數(shù)預(yù)報(bào)模型等多個(gè)模型整合為滑坡預(yù)報(bào)綜合判斷模型，進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。

3 自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)工作方式分析

3．1 自動(dòng)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作方式

這種工作方式由單臺(tái)或多臺(tái)TCA2003全站儀、有線傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)分析軟件組成。該模式基于TCA2003全站儀的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須有完善的網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可分?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)采集部分為固定在測(cè)站上的TCA2003全站儀以及為TCA2003全站儀供電的外部電源等，數(shù)據(jù)傳輸采用的是有線傳輸方式，數(shù)據(jù)處理部分即計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件。在這種工作方式下，TCA2003全站儀不需要人員值守，由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制全站儀的開關(guān)機(jī)及相關(guān)操作。工作過程是首先由控制計(jì)算機(jī)對(duì)全站儀發(fā)出指令，然后指令通過經(jīng)傳輸系統(tǒng)傳到全站儀上，TCA2003全站儀根據(jù)收到的指令自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完畢后會(huì)將觀測(cè)數(shù)據(jù)反饋到控制計(jì)算機(jī)上，然后經(jīng)由數(shù)據(jù)處理軟件得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后得出結(jié)果。在工作中TCA2003全站儀無需人員值守，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)觀測(cè)。

3．2 自動(dòng)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作方式

這種工作方式由單臺(tái)或多臺(tái)TCA2003全站儀、無線傳輸系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)分析軟件組成。這種工作方式的工作原理與有線模式大致相同，但也有所區(qū)別。其中最主要的區(qū)別是這種工作方式下TCA2003全站儀是通過無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行接受或發(fā)射的信號(hào)。同樣，控制計(jì)算機(jī)所發(fā)出的測(cè)量指令以及接受TCA2003全站儀傳回的數(shù)據(jù)信息也是通過無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行。控制TCA2003全站儀進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)的軟件及數(shù)據(jù)處理軟件都安裝于控制計(jì)算機(jī)上，這樣就做到了TCA2003全站儀無需人員值守，只是將TCA2003全站儀安置在觀測(cè)機(jī)房的觀測(cè)墩上，如果要進(jìn)行控制測(cè)量或其他測(cè)量時(shí)可將TCA2003全站儀從觀測(cè)墩上移下。TCA2003全站儀以及數(shù)據(jù)發(fā)射電臺(tái)均是外部電源供電，為保證供電電壓的穩(wěn)壓和避免突然停電給測(cè)量機(jī)器人帶來損害，必須在整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中給TCA2003全站儀安裝單獨(dú)的供電部分。除以上兩點(diǎn)外其他方面情況與自動(dòng)觀測(cè)有線模式完全相同。

4 測(cè)量方法與精度分析

4．1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量方法

目前，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量常采用極坐標(biāo)法、測(cè)角交會(huì)法、測(cè)邊交會(huì)法等三種方法作為邊坡變形的監(jiān)測(cè)方法。這三種方法各有其特色。一般來說來說，當(dāng)距離＜200 m、而精度要求很高的情況下，應(yīng)該采用測(cè)角交會(huì)法;當(dāng)測(cè)量范圍在200～500 m左右的情況下，應(yīng)該采用極坐標(biāo)法;當(dāng)距離＞500 m的情況下，應(yīng)該考慮測(cè)邊交會(huì)法。

4．2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度分析

4．2．1 基準(zhǔn)控制網(wǎng)精度分析

由于邊坡變形觀測(cè)的位移量指的是同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間點(diǎn)的觀測(cè)坐標(biāo)的差值。所以，監(jiān)測(cè)基本控制網(wǎng)的點(diǎn)位誤差對(duì)邊坡變形監(jiān)測(cè)基本沒有影響，因此，監(jiān)測(cè)基本控制網(wǎng)的相對(duì)點(diǎn)位誤差基本為零。

4．2．2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度分析

以常用的兩方向測(cè)邊測(cè)角前方交會(huì)法為例，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位觀測(cè)誤差估算公式為:mP=±(ms2+mβ2)/2式中，mP為點(diǎn)位中誤差，ms為測(cè)距中誤差，mβ為測(cè)角中誤差。

5 結(jié)語

目前，新技術(shù)高速發(fā)展，日新月異，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，并產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文探討了基于TCA2003全站儀的通用變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和工作模式，及其在邊坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法，對(duì)于提高變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，提高邊坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，具有一定的參考價(jià)值。

［1］崔政權(quán)，李寧．邊坡工程理論與實(shí)踐最新發(fā)展［M］．北京:中國水利水電出版社，1999．

［2］韓建設(shè)．巖土工程中滑坡監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)方法簡述［J］．西北水電，2002(2):57－59．

［3］梅文勝．測(cè)量機(jī)器人在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］．大壩與安全，2002．

［4］趙文峰．測(cè)量機(jī)器人在張家界觀光電梯變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．湖南有色金屬，2005，21(5)．

［5］張偉航，甘德清，陳超，等．邊坡變形監(jiān)測(cè)研究與進(jìn)展［J］．礦山測(cè)量，2010(1)．