全站儀自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的分析

楊麗 鄭周超

摘要：借助于徠卡公司提供的二次開發(fā)環(huán)境GeoCOM，利用徠卡電子全站儀TCA2003 （測量機(jī)器人）的自動目標(biāo)識別功能ATR（Automatic Target Recognition），開發(fā)了自動變形監(jiān)測系統(tǒng)，將以往人工操作的測量工作轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎?jì)算機(jī)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(guān)鍵詞：測量機(jī)器人;自動目標(biāo)識別;自動變形監(jiān)測系統(tǒng)

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

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

0? 引言

地學(xué)和工程領(lǐng)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(dāng)變形量超過變形體所能承受的允許范圍時(shí)，則往往會帶來災(zāi)難性的后果。這些災(zāi)難性的后果往往會導(dǎo)致各個方面遭受巨大的損失，所以變形監(jiān)測研究在國內(nèi)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(biāo)物體來說，則需使用更智能化的自動變形監(jiān)測，如本文所開發(fā)的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)硬件TCA2003全站儀及其開發(fā)環(huán)境介紹

1.1 測量機(jī)器人TCA2003全站儀功能簡介

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

1.2 TCA2003全站儀的開發(fā)環(huán)境

GeoCOM是專門為測量機(jī)器人研制的二次開發(fā)工具，用戶可以利用此工具實(shí)現(xiàn)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(shù)調(diào)用模式。GeoCOM還包含大量的函數(shù)種類和多種數(shù)據(jù)類型，以適應(yīng)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(shù)調(diào)用模式進(jìn)行自動變形監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的。

在GeoCOM函數(shù)調(diào)用模式下，借助于C/C++或者M(jìn)S-VBA等平臺利用該模式的開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)用戶所需的各測量功能[3]。下面介紹一下GeoCOM的函數(shù)功能，主要是接收和計(jì)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(shù)設(shè)置函數(shù)。比如：氣象狀況參數(shù)的設(shè)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(jìn)行自動目標(biāo)的識別。

③BAP 是該儀器基本的應(yīng)用模塊。測量過程中主要用該模塊來采集測量數(shù)據(jù)。

④BMM 是該儀器基本人工操作模塊?？梢钥刂埔恍┗镜妮斎胼敵觥＠缭O(shè)置嘟嘟嘟的警報(bào)聲。

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

⑥COM 信息通訊。

⑦CSV 中心服務(wù)。這個模塊提供關(guān)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(tǒng)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(jiān)控模塊?？刂芓CA2003儀器一些輸入值的功能，例如限制過低的溫度。

{12}TMC 經(jīng)緯儀測量和計(jì)算。獲得測量數(shù)據(jù)的核心模塊。

{13} WIR WI注冊。此模塊包含超大規(guī)模集成電路功能。

本文利用GeoCOM技術(shù)來開發(fā)測量程序的基本框架如下：

①初始化GeoCOM接口;

②打開TCA2003服務(wù)器端的連接，打開通訊端口，主要設(shè)置儀器和電腦的通訊參數(shù);

③測量的主體部分，實(shí)現(xiàn)自動測量，這部分調(diào)用大量的GeoCOM中的函數(shù);

④關(guān)閉服務(wù)器端的連接并退出GeoCOM。

對于整個GeoCOM技術(shù)的調(diào)用過程如流程圖2。

2? 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所使用的硬件是基于徠卡的TCA2003測量機(jī)器人，采用極坐標(biāo)的測量方法，測定各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)，同時(shí)將所測得的數(shù)據(jù)保存在設(shè)定的文件中，利用相關(guān)的分析方法對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作相關(guān)的變形分析以便于掌握變形體的運(yùn)行情況[4]。監(jiān)測系統(tǒng)的主要硬件組成如圖3。

本系統(tǒng)所使用的操作系統(tǒng)為WindowsXP，開發(fā)語言主要是Visual C++6.0，主要技術(shù)利用了徠卡的GeoCOM技術(shù)。首先應(yīng)將GeoCOM32.dll添加到工程GEOCOM_SAMPLE工程中，以便于后面的設(shè)計(jì)方便使用到GeoCOM中的函數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大致流程如圖4。

在該系統(tǒng)使用之前，首先對全站儀進(jìn)行初始化。即設(shè)置計(jì)算機(jī)與全站儀之間的通訊參數(shù)，比如：通訊接口、波特率、通訊協(xié)議等基本通訊參數(shù)的設(shè)置。如果初始化成功，那接下來就應(yīng)該進(jìn)行點(diǎn)位首次學(xué)習(xí)過程，得到變形點(diǎn)的概略空間位置，為后續(xù)的自動變形監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后我們就可以根據(jù)首次學(xué)習(xí)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)對這些特定的觀測點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測，進(jìn)而得到變形點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，自動觀測結(jié)束后，則通過用擬合的方法分析目標(biāo)物體的變形情況。

圖5是自動測量的詳細(xì)過程和調(diào)用GeoCOM.dll中的函數(shù)。

3? 應(yīng)用實(shí)例

在儀器和計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接完成之后，設(shè)置TCA2003處于ONLINE模式并運(yùn)行程序，首先應(yīng)確保儀器和計(jì)算機(jī)能夠通訊，即分別設(shè)置通訊端口、波特率以及通訊協(xié)議如圖6。

確保儀器與計(jì)算機(jī)連接后，即可進(jìn)行測站點(diǎn)屬性的設(shè)置，圖7測站點(diǎn)的設(shè)置，圖8目標(biāo)高的設(shè)置，以便于學(xué)習(xí)測量獲得目標(biāo)點(diǎn)的概略空間位置。

設(shè)置完成之后，即可進(jìn)行學(xué)習(xí)測量，當(dāng)一個測站上的所有觀測點(diǎn)都測完一遍之后，此時(shí)可以從程序所在的文件夾里打開文本文件“l(fā)earningdata.txt”檢查數(shù)據(jù)的正確性如圖9所示。

學(xué)習(xí)完畢之后返回測量主界面，進(jìn)行自動監(jiān)測，根據(jù)彈出的輸入的自動監(jiān)測的對話框輸入每個觀測點(diǎn)的循環(huán)監(jiān)測次數(shù)，完成自動測量。

為了驗(yàn)證本程序的可實(shí)用性，在室內(nèi)選擇一平整的桌面安置四個棱鏡，利用該系統(tǒng)測得桌面上的各點(diǎn)坐標(biāo)，如表1。為了驗(yàn)證測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，用最小二乘擬合法對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果應(yīng)為一平面。

4? 結(jié)論

根據(jù)擬合所得結(jié)果可以看出目標(biāo)物體確實(shí)是一個平面，說明該自動變形監(jiān)測系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況。

如果該系統(tǒng)經(jīng)進(jìn)一步的完善，用于監(jiān)測大壩、橋梁等變形較大的建筑物時(shí)，將大大的提高工作效率、節(jié)省人力物力。

參考文獻(xiàn)：

[1]尤相駿.測量機(jī)器人自動測量系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2002.

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

[3]蔡乾廣.多測站自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)[D].山東：山東科技大學(xué)，2007.

[4]鄔昱昆.蘇通大橋超高索塔監(jiān)測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理研究——基于TCA2003的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].江蘇：河海大學(xué)，2007.

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