自动监测系统在边坡变形监测中的应用

曾 强

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司深圳分院，广东深圳 518000)

1 TCA2003全站仪简介

TCA2003全站仪由徕卡公司研制。这种全站仪是和较大容量计算机技术相结合，具有高测量精度的电子全站仪。其结构和功能上有较大的改进和发展。①TCA2003全站仪安置了精密伺服马达，在测角时可由编程控制，伺服马达将自动转动仪器照准部进行观测。②仪器装有同轴自动目标识别装置，可自动识别目标、自动瞄准进行测量，从而可实现人工智能采集观测数据。③接收系统采用CCD元件，能够自动识别和锁定目标，并能进行跟踪测量。④仪器存储部分采用标准存储卡——PCMC IA卡作为存储工具，观测数据，既可以记录在内存中，也可以将数据传输到PC机上进行数据的处理。

2基于TCA2003全站仪的自动监测系统

2．1 自动监测系统的硬件组成

自动监测系统主要由自动监测站、基准点、变形点、控制机房和TCA2003自动化全站仪等5部分组成。

2．1．1 自动监测站

自动变形监测系统监测站要根据监测现场条件进行选择。监测站需建有观测墩来放置全站仪。为了满足仪器防护、保温等要求，同时具有良好的观察条件，因此需要建造观测房。

2．1．2 控制机房

控制机房应该在办公区附近选址，这样可以保证较好的供电条件。控制计算机利用电缆和全站仪相联，以便控制机房能实时了解监测站全站仪的运行情况。同时，要通过机房埋设专用电缆给全站仪供电，以保证其供电安全。

2．1．3 基准点

基准点不能建在变形区内，一般应该选建在变形区外稳定的基岩上。

2．1．4 变形点

建在变形区上的监测点称为变形点，包括每个基准点和变形点在内的监测点都要安置单棱镜对准监测站。

2．1．5 自动化全站仪

使用带伺服电机驱动的TCA2003全站仪，在全站仪的望远镜中安有同轴自动目标识别装置，能自动瞄准普通棱镜进行测量，同时，可采用电子气泡精确整平仪器，进行纵、横轴自动补偿，提高整平精度。观测数据存贮在SARM存贮卡上，或者用通信线缆传输到控制计算机上。

2．2 自动监测系统的软件系统组成分析

2．2．1 数据采集模块

由于监测地多在山区现代化通信不便地方，因此，自动变形监测网在应用中开发设计了监测数据采集模块。该模块的基本功能是:全站仪上建立工作基点和各监测点的坐标数据库，当全站仪完成度盘定向后，逐一对观测目标进行自动搜索并锁定，将观测数据实时地记录到存储卡中，同时将采集到的数据与预先设定的数值限差自动进行对比，一旦监测到超限值时，便启动自动报警系统，再辅之以人工重测，直到获得合格的观测数据。

2．2．2 控制模块

要想实现监测的全自动化，实时控制的软件是必不可少的。TCA2003全站仪的控制模块具有实时性、高度自动化和高可靠性特点。该模块能够在预订时段内自动地对目标点进行测量，并可以将测量得到的数据实时显示和输出，并根据主要效应量的变化趋势来做判断，以确定进行中长期预报，还是短期预报。

2．2．3 数据处理模块

观测数据一般是指直接的观测结果，但是也可以是经过特定处理以后的结果。因为任何观测数据或多或少包含一些干扰成分，也就是误差，因此，在采集数据过程中排除和减弱干扰部分影响非常重要。该系统的数据处理模块具有高自动化、高通用性、计算容量大、速度快等特点，有利于数据采集过程中排除和减弱干扰部分对结果的影响。

2．2．4 数据管理模块

由于对边坡变形体监测的周期多、时间长，势必造成监测数据量十分庞大。所以管理这些繁杂而又庞大的数据，关系到对边坡变形的监测和预测预报质量。监测成果数据库管理模块是十分重要的，主要是针对观测产生的大量原始资料，以数据库为中心，实现对各类观测数据进行简单的整理、分析与管理等，例如对原始资料进行粗差检验、模型判断以及对观测异常值进行技术报警。

2．2．5 观测数据分析、预报模块

该模块的主要功能是对监测的数据进行分析，主要采用统计模型对灾害做出预测、预报的期限为几年、几个月、甚至几天。例如做出滑动即将发生的预测时，为了提高预报模型的精度，本系统模型库能够将启动降雨量预报模型、线性灰色预报模型、反函数预报模型等多个模型整合为滑坡预报综合判断模型，进行综合预报。

3 自动变形监测系统的联机工作方式分析

3．1 自动有线监测系统的工作方式

这种工作方式由单台或多台TCA2003全站仪、有线传输系统、监控计算机及数据分析软件组成。该模式基于TCA2003全站仪的自动变形监测系统必须有完善的网络，整个监测网络可分数据采集、数据传输和数据处理部分。数据采集部分为固定在测站上的TCA2003全站仪以及为TCA2003全站仪供电的外部电源等，数据传输采用的是有线传输方式，数据处理部分即计算机及相关软件。在这种工作方式下，TCA2003全站仪不需要人员值守，由计算机远程控制全站仪的开关机及相关操作。工作过程是首先由控制计算机对全站仪发出指令，然后指令通过经传输系统传到全站仪上，TCA2003全站仪根据收到的指令自动进行测量，测量完毕后会将观测数据反馈到控制计算机上，然后经由数据处理软件得到的数据进行分析处理后得出结果。在工作中TCA2003全站仪无需人员值守，实现真正意义上的自动观测。

3．2 自动无线监测系统的工作方式

这种工作方式由单台或多台TCA2003全站仪、无线传输系统、控制计算机及数据分析软件组成。这种工作方式的工作原理与有线模式大致相同，但也有所区别。其中最主要的区别是这种工作方式下TCA2003全站仪是通过无线传输的方式进行接受或发射的信号。同样，控制计算机所发出的测量指令以及接受TCA2003全站仪传回的数据信息也是通过无线传输的方式进行。控制TCA2003全站仪进行自动观测的软件及数据处理软件都安装于控制计算机上，这样就做到了TCA2003全站仪无需人员值守，只是将TCA2003全站仪安置在观测机房的观测墩上，如果要进行控制测量或其他测量时可将TCA2003全站仪从观测墩上移下。TCA2003全站仪以及数据发射电台均是外部电源供电，为保证供电电压的稳压和避免突然停电给测量机器人带来损害，必须在整个系统网络中给TCA2003全站仪安装单独的供电部分。除以上两点外其他方面情况与自动观测有线模式完全相同。

4 测量方法与精度分析

4．1 自动监测系统测量方法

目前，自动监测系统测量常采用极坐标法、测角交会法、测边交会法等三种方法作为边坡变形的监测方法。这三种方法各有其特色。一般来说来说，当距离＜200 m、而精度要求很高的情况下，应该采用测角交会法;当测量范围在200～500 m左右的情况下，应该采用极坐标法;当距离＞500 m的情况下，应该考虑测边交会法。

4．2 自动监测系统测量精度分析

4．2．1 基准控制网精度分析

由于边坡变形观测的位移量指的是同一监测点在不同时间点的观测坐标的差值。所以，监测基本控制网的点位误差对边坡变形监测基本没有影响，因此，监测基本控制网的相对点位误差基本为零。

4．2．2 监测点精度分析

以常用的两方向测边测角前方交会法为例，其监测点的点位观测误差估算公式为:mP=±(ms2+mβ2)/2式中，mP为点位中误差，ms为测距中误差，mβ为测角中误差。

5 结语

目前，新技术高速发展，日新月异，随着社会经济的不断发展，变形监测自动化系统的应用越来越广泛，并产生了巨大的社会效益和经济效益。本文探讨了基于TCA2003全站仪的通用变形监测系统的组成和工作模式，及其在边坡变形监测中的应用方法，对于提高变形监测系统的应用，提高边坡变形监测预报的准确性和时效性，具有一定的参考价值。

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