TM30 測量機(jī)器人在某水庫地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用

吳國宏，楊 偉，李國權(quán)，劉 賀

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450003）

某水庫居民點(diǎn)庫岸地質(zhì)災(zāi)害防治工程監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案中，地表監(jiān)測設(shè)計(jì)有水平位移、垂直位移監(jiān)測和相對(duì)位移監(jiān)測，地下設(shè)計(jì)有深部位移監(jiān)測、地下水監(jiān)測等。 地表水平位移監(jiān)測可采用交會(huì)法、邊角網(wǎng)法、極坐標(biāo)差分法、GNSS測量、激光掃描測量等。 由于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)多、戰(zhàn)線長、分布零散、監(jiān)測受時(shí)間、地形條件的限制，使用常規(guī)測量儀器和方法進(jìn)行觀測困難較大。為了克服這些缺點(diǎn)，探求使用TM30測量機(jī)器人按極坐標(biāo)法進(jìn)行自動(dòng)化觀測的新方法具有重要意義。 本文研究了利用TM30測量機(jī)器人全站儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測的技術(shù)，采用極坐標(biāo)法監(jiān)測的可行性及精度分析。

1 TM30功能及作業(yè)方法

1.1 TM30功能

TM30測量機(jī)器人是由徠卡公司研發(fā)生產(chǎn)的全站儀，它是一個(gè)自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，進(jìn)行測量角度、距離、三維坐標(biāo)并且自帶自動(dòng)化系統(tǒng)及應(yīng)用軟件［4］。 TM30測量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)精準(zhǔn)照準(zhǔn)、小視場、數(shù)字影響自動(dòng)采集等先進(jìn)技術(shù)，使測量機(jī)器人的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大， 滿足庫岸地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測需求。

1.2 作業(yè)方法

借助于TM30測量機(jī)器人全站儀，最方便的測量坐標(biāo)方法是極坐標(biāo)法。 測量機(jī)器人的優(yōu)勢在于能夠代替人工自動(dòng)地完成監(jiān)測、記錄、儲(chǔ)存等任務(wù)。 由于該儀器測角精度為±0.5″， 且與之匹配的測距精度達(dá)到±（1mm+1ppm），能夠滿足多種安全監(jiān)測的要求。

如圖1，O點(diǎn)和A點(diǎn)為已知點(diǎn)，P點(diǎn)為待定點(diǎn)，預(yù)測P點(diǎn)的坐標(biāo)，可在O點(diǎn)設(shè)置儀器，以正、倒鏡鏡測角β，測出O點(diǎn)到P的平距D，則P點(diǎn)坐標(biāo)可用式（1）計(jì)算［6］：

圖1 測量機(jī)器人極坐標(biāo)測量

若不考慮已知點(diǎn)誤差，微分式（1）轉(zhuǎn)換成為中誤差形式［6］，得

可見，待定點(diǎn)P的點(diǎn)位中誤差，與測角和測距的精度，以及P點(diǎn)距離O點(diǎn)的平距有關(guān)。

1.3 監(jiān)測點(diǎn)距離設(shè)置及精度分析

使用TM30測量機(jī)器人全站儀，極坐標(biāo)法測站點(diǎn)和后視點(diǎn)選擇在靠近邊坡或滑坡體范圍以外的穩(wěn)定地方，測站點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)高差不宜超過100m，邊長不宜超過1000m［6］。 因此，測站點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)之間邊長選擇是影響測量精度的重要因素。

在某水庫地質(zhì)災(zāi)害防治工程監(jiān)測項(xiàng)目中，以TM30測量機(jī)器人采用極坐標(biāo)法監(jiān)測，若最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離D=800m，一測回Mβ=±1.0″，則由式（3）可估算出Mp=±4.3mm， 能夠滿足邊坡與庫岸不穩(wěn)定區(qū)變形監(jiān)測精度要求。

2 TM30測量機(jī)器人在某水庫地質(zhì)災(zāi)害防治工程監(jiān)測中的應(yīng)用

某水利樞紐位于湖北省境內(nèi)、 漢江與丹江匯口以下800m處， 是開發(fā)漢江的第一個(gè)控制性大型骨干工程，具有防洪、發(fā)電、引水、灌溉、航運(yùn)、養(yǎng)殖等綜合效益。 樞紐分兩期開發(fā)，第一期工程壩頂高162m，正常蓄水位157.0m，相應(yīng)總庫容174.5億m3，裝機(jī)容量90萬kW，年平均發(fā)電量38.3億kW·h。大壩加高后，設(shè)計(jì)正常蓄水位升高13m，水庫段回水至河南省淅川縣境內(nèi)，回水長度92.68km。 庫岸線總長度為4610.6km［5］。

目前，大壩加高工程已基本進(jìn)入正常蓄水，水庫蓄水位抬高后， 庫岸再造將直接影響沿岸居民點(diǎn)及重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全。因此，庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作具有十分重要的地位和作用［5］。

2.1 監(jiān)測方法

本項(xiàng)目選擇使用TM30測量機(jī)器人，按極坐標(biāo)法直接測定變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2.2 監(jiān)測方案布設(shè)

監(jiān)測區(qū)域?yàn)閮擅媾R水岸坡，左邊為臨水緩坡、右邊為臨水陡岸，居民點(diǎn)在岸坡上。監(jiān)測方案布設(shè)主要針對(duì)庫岸表層變形、不均勻沉降等因素進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測范圍內(nèi)的地形、地質(zhì)條件等因素在穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)了5個(gè)C級(jí)GPS觀測墩（TN01，TN02，TN03，TN04，TN05），作為水平位移監(jiān)測網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)［5］，并選擇通視條件好、施測距離適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)點(diǎn)（TN01和TN03）作為測量機(jī)器人的測站點(diǎn)和后視點(diǎn)，在庫岸邊坡上埋設(shè)了6個(gè)有強(qiáng)制對(duì)中盤的觀測墩，作為地表變形觀測點(diǎn)（TP01，TP02，TP03，TP04，TP05，TP06），使用TM30測量機(jī)器人，按極坐標(biāo)法直接測定變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最小監(jiān)測距離300m，最大監(jiān)測距離不超800m，布設(shè)方案如圖2。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)方案布設(shè)

2.3 監(jiān)測資料分析

該項(xiàng)目從2014年初開始進(jìn)行實(shí)地查勘、 監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計(jì)、觀測墩的埋設(shè)等準(zhǔn)備工作，從5月份開始觀測，監(jiān)測周期按照《監(jiān)測設(shè)計(jì)方案》確定為：一般情況每月觀測1次，汛期每月觀測2次，雨雪天相應(yīng)的增加觀測次數(shù)，本文主要對(duì)2014年5月～2017年1月之間的42次觀測資料進(jìn)行分析［5］。

2.3.1 累計(jì)監(jiān)測資料統(tǒng)計(jì)該監(jiān)測區(qū)內(nèi)6個(gè)變形點(diǎn)累計(jì)位移量統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 監(jiān)測點(diǎn)位移量變化統(tǒng)計(jì)

由表1可知， 監(jiān)測點(diǎn)位移量中，TP06點(diǎn)水平位移量最大， 達(dá)38.7mm，TP01 位移量相對(duì)較最小，達(dá)21.6mm，整個(gè)庫岸邊坡在緩慢的移動(dòng)中，從相鄰觀測周期的監(jiān)測情況來看，變異量較小，達(dá)不到預(yù)警條件。

2.3.2 典型監(jiān)測點(diǎn)資料統(tǒng)計(jì)

以TP06監(jiān)測點(diǎn)作為典型監(jiān)測點(diǎn)， 統(tǒng)計(jì)和分析被監(jiān)測體變化情況， 由表2中TP06監(jiān)測點(diǎn)42次監(jiān)測位移量變化可知，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化有正值和負(fù)值，這是由于庫水位變化、 膨脹土隨著雨季和旱季季節(jié)變化而引起的，總體趨勢正在緩慢移動(dòng)。

3 TM30測量機(jī)器人在應(yīng)用中提高精度的措施

以TM30測量機(jī)器人全站儀測角精度而言，儀器測角標(biāo)稱精度為±0.5″。這種精度是儀器內(nèi)部精度，是在室內(nèi)理想條件下獲得的數(shù)值， 不能代表在外業(yè)中的精度。 據(jù)對(duì)TM30及其同類儀器長期使用的情況統(tǒng)計(jì)，邊長在1km左右，采用強(qiáng)制對(duì)中，觀測條件良好的情況下，一個(gè)測回的測角中誤差大約為±1.5″。 TM30測量機(jī)器人采用自動(dòng)顯示技術(shù)，相比于光學(xué)經(jīng)緯儀，儀器本身精度得到很大提高。

表2 TP06監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移量一覽表

同樣，若SA=SP=800m，meT=±2.0mm，則mβ=±0.6″。因此，在使用測量機(jī)器人按極坐標(biāo)測量中，減弱目標(biāo)偏心的誤差也應(yīng)該引起重視。

就目前TM30測量機(jī)器人而言， 測角精度主要取決于大氣折光差的影響。使用測量機(jī)器人按極坐標(biāo)測量時(shí)，要盡量選擇良好的觀測時(shí)段和氣象條件。 若控制點(diǎn)較多時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇高差適中、通視條件好的測站點(diǎn)和后視方向，使視線避開折光、旁光差的影響［1］。

4 結(jié)語

（1）結(jié)合水庫庫岸地表變形監(jiān)測的具體條件，使用TM30測量機(jī)器人全站儀的監(jiān)測精度可滿足水庫地質(zhì)災(zāi)害防治工程變形監(jiān)測要求。

（2）選擇合適的監(jiān)測距離，可提高TM30測量機(jī)器人全站儀的監(jiān)測精度， 庫岸監(jiān)測的最大監(jiān)測距離不宜超過800m。

（3）使用測量機(jī)器人按極坐標(biāo)測量時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇高差適中、通視條件好的測站點(diǎn)和后視方向，要盡量選擇良好的觀測時(shí)段和氣象條件。