基于測量機器人水利工程沉降變形監(jiān)測精度分析

陳龍浩 (安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國大型水利工程建（構(gòu)）筑物越來越普遍，與之而來的沉降變形監(jiān)測顯得尤為重要[1]?，F(xiàn)階段重點工程項目中常用的沉降變形監(jiān)測方法主要為精密水準儀測量法，該方法測量精度高，但需耗費大量的人力物力。三角高程測量方法由來已久，觀測方法簡單，受地形限制較小，若將三角高程測量方法應(yīng)用至沉降變形監(jiān)測中，能很好地節(jié)省人力物力，但該方法高程精度受垂直角和測量距離影響較大。

本文針對這一問題，利用測量機器人實時獲取變形數(shù)據(jù)，并對垂直角和測量距離影響進行精度分析。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

為分析測量機器人全自動沉降變形監(jiān)測精度受垂直角和測量距離影響程度，本文選用萊卡測量機器人（TM30）和自制照準裝置。該系統(tǒng)核心部件為萊卡TM30測量機器人，配合自制一體式監(jiān)測照準裝置，可實現(xiàn)全天候無人值守連續(xù)觀測。

1.1 TM30測量機器人

測量機器人即為高精度、能自動監(jiān)測的全站儀，其測量原理與全站儀相同。其配有伺服馬達驅(qū)動，在一定的范圍內(nèi)，由系統(tǒng)控制，自動識別目標(biāo)、追蹤目標(biāo)并自動記錄觀測數(shù)據(jù)(水平角、垂直角、距離)，且其一般配有外接電源，能夠晝夜連續(xù)測量。

相比普通全站儀，測量機器人的監(jiān)測精度較高，本文實驗選用徠卡公司的TM30，其測角精度標(biāo)稱為±0.5″，測距精度標(biāo)稱為±（1mm+1×10-6D）。且在此儀器的基礎(chǔ)上，對儀器進行實驗檢測，精確確定儀器的差分改正系數(shù)，實現(xiàn)溫度、氣壓、大氣折光等外部條件對測量距離、角度觀測值的實時差分改正，提高觀測的精度。

1.2 自制一體式監(jiān)測照準裝置

為了使與TM30配套的棱鏡能和沉降監(jiān)測點一起發(fā)生沉降，本系統(tǒng)制作了塑料套管和金屬連接桿（圖1）。塑料套管的兩端與監(jiān)測點埋設(shè)鋼筋和金屬連接桿相連，再將金屬連接桿與棱鏡連接。使棱鏡固定在監(jiān)測標(biāo)石上方，與監(jiān)測點同步下沉。

圖1 金屬連接桿與塑料套管實物圖

2 精度分析

三角高程測量方法簡單，但其受測量距離和垂直角影響較大。當(dāng)測量的垂直角較大時，測量機器人高程測量精度遠低于平面測量精度。選用TM30對水利工程進行動態(tài)監(jiān)測，因此有必要分析其高程測量精度是否能夠滿足相應(yīng)水利工程下沉值監(jiān)測的精度需求。由坐標(biāo)正算公式及中誤差傳播定律，經(jīng)過化簡得高程測量的中誤差公式為：

其中ms—測距誤差；

mα—測角誤差；

mi—儀器高測量誤差；

mv—覘標(biāo)高測量誤差；

D—監(jiān)測點到基準點間的平距；

α—垂直角。

TM30測角精度為0.5″，其含義是一測回方向照準誤差，一測回角度測量值為一測回兩個方向測量值之差，因此，儀器測距精度為 1mm+1×10-6D，一測回觀測進行兩次測量，取兩次測量距離的平均值為最終距離測量值，則。因為在本實驗中是連續(xù)測量監(jiān)測點高程，每天只測量一次儀器高，無需計算在計算監(jiān)測點相對上次監(jiān)測的下沉值時，儀器高i和覘標(biāo)高v被內(nèi)差抵消，所以在連續(xù)監(jiān)測變形點下沉值時不存在儀器高和覘標(biāo)高的測量誤差，即在本實驗中ms=mv=0。計算當(dāng)斜距S和垂直角α取不同值時由儀器引起的測量中誤差（單位：mm），計算結(jié)果見表1。

監(jiān)測點高程測量中誤差正交表（單位：mm） 表1

由表發(fā)現(xiàn)，TM30測量機器人的高程測量精度隨著測量距離的增加降低，當(dāng)垂直角大于30°后精度隨垂直角的增加降低，尤其當(dāng)垂直角接近80°時高程測量精度急劇降低，因此在測量過程中應(yīng)盡量避免垂直角過大。

根據(jù)所處位置、重要性及允許變形值大小，水利工程變形監(jiān)測等級劃分為四個等級。依據(jù)本次實驗結(jié)果，若D≤100m，α≤5°，滿足一等水利工程變形監(jiān)測要求（變形觀測點的高程中誤差0.3mm）；若D≤150m，α≤10°，可滿足二等水利工程變形監(jiān)測要求（高程中誤差0.5mm）；若D≤300m，α≤10°，可滿足三等水利工程變形監(jiān)測要求（高程中誤差1.0mm）；若D≤600m，α≤30°，可滿足四等水利工程變形監(jiān)測要求（變形觀測點的高程中誤差2.0mm）。

3 結(jié)論

本文針對水利工程變形特點及現(xiàn)有變形監(jiān)測方法的局限性，在三角高程測量方法的原理上，通過測量機器人和自制一體式照準裝置構(gòu)成遠程自動全天候沉降監(jiān)測系統(tǒng)。通過實驗分析，得出測量距離和垂直角對該系統(tǒng)精度影響，并針對不同水利工程監(jiān)測等級，采用相應(yīng)測量距離和垂直角來滿足要求。