测量机器人与精密水准仪在大坝变形监测中的应用

郎 强

（遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义563000）

1 大坝水平位移监测

1.1 测量机器人原理

测量机器人是一种自动搜索、识别、跟踪、和精准照准目标，从而获取角度、距离、三维坐标的智能型全站仪。测量机器人上的ATR部件自动识别并照准目标需要3个过程，分别为目标搜索过程、目标照准过程和目标测量过程。

人工粗略照准棱镜后ATR进行目标搜索过程，如没有发现棱镜，望远镜按螺旋式或矩形方式继续搜索目标，一旦发现目标即可精确照准目标，每次精准的照准目标提高了测量精度，减小了人工照准误差。在进行测量时，望眼镜不需要对目标照准和调焦，不但加快了测量速度，并且测量精度和观测人员水平无关，测量结果就更加稳定可靠。

水平方向观测采用“自动双照准法”，每个目标照准2次，读数2次。测量机器人在监测作业中，为了保证监测精度，必须考虑气压和温度对观测距离与角度的影响，应进行温度和大气对距离、高差、角度的差分改正。

测量机器人极坐标观测法原理如图1。

图1 极坐标法原理

计算公式：

式中 Xo，Yo，Zo分别为基准站O的坐标值；Xb，Yb，Zb分别为观测点B的坐标值；Dp为基准站与B点之间的距离；HOb为基准站到B点的方位角；Δhb为基准站到B点的高差。

1.2 测量机器人对大坝监测方法

某重力坝坝子区地势险峻，坝肩两岸均为陡壁，无法埋设视准线观测墩，该水库水平位移变形点监测采用莱卡TS50测量机器人进行监测，以大坝首级监测点TN01，TN02，TN03，TN04为起算，采用二等极坐标观测法进行监测监测网点位布设如图2。

图2 监测网点位

图2 中CH1，CH2，CH3，CH4为校核基点，TN1，TN2，TN3，TN4为工作基点，其余LD1-LD6为变形监测点。大坝在蓄水前已观测初始值，初始值观测分为4部分进行。

1.2.1 施工控制网

首先将施工控制网坐标引测到校核基准点上，使整个监测控制网与施工控制网在同一个坐标系里。在任意一个校核点上架设仪器，其余校核基点与两个施工控制点上分别架设棱镜，观测6个测回，将2个控制点坐标加入本次观测成果进行平差，求出每个校核基点的三维坐标。

1.2.2 校核基点的观测

任意校核基点架设仪器，其余校核基点架棱镜，观测12测回，同样方法在每个校核基点上都架设1次仪器，利用对向观测的方法每一测站都观测2次，解算出来的结果取均值做为校核基点初始值。

1.2.3 工作基点的观测

工作基点的观测同校核基准点的观测方法一致，取得最终值之后就可进行校核基点与工做基点的联测，联测目的是为了以后可定期检查工作基点有无变化。下一步选择监测基准网，监测基准网应由校核基点与部分工作基点组成。监测基准点应选择更稳固、可靠并且与变形监测点通视条件更好的点。单站无法观测完变形监测点可多站观测，但每期观测的方法及点位应一致。

1.2.4 变形监测点的观测

变形监测点的观测由参考系、变形体和基准站3部分组成，在基准点上架设仪器，选择3个以上的参考点与变形监测点同步进行观测，参考点（三维坐标已知）位于变形区以外，以保证监测成果的有效性，参考点除提供方位外，并为数据处理提供距离及高差差分计算提供基准。

变形监测的周期和测回数及限差可根据大坝变形监测等级要求来确定。每期观测的方法、仪器都应和观测初始值的一致，每次观测前必须对仪器进行检校，如2C互差、指标差、和ATR自动识别照准差等。

1.3 监测数据处理及数据

该水库的测角与测距的精度误差如表1，表2。

表1 该水库测角精度误差

表2 该水库测距精度误差

由表1和表2可知，最弱边是TN03-LD01边长相对中误差为1/157000，距离最大中误差0.3418mm，最弱点绝对误差椭圆0.3mm，方向观测单位权中误差0.164 s。根据GB/T17942—2000 《国家三角测量规范》，二等测角中误差为±1s，边长相对中误差为1/120000，从数据分析，本次监测完全满足二等要求。

为了能提高精度，减弱误差对观测值的影响，所有数据需要差分处理，其基本原理是每一个测量周期都按照极坐标方法观测工作基点和变形监测点的水平角、垂直角和斜距，将测站点和具有代表性的工作基点或校核基点与初始值对比，求出差值，工作基点均埋设在基岩上，同时定期对工作基点进行检查，因此可认为工作基点是稳定的，将这一差值看作是受温度、气压及仪器等因素影响的结果。测量机器人可以在短时间内完成一个周期的测量，大气、温度仪器等对工作基点及变形监测点的影响相同，可把工作基点的差值加到变形监测点的观测成果中进行差分处理，计算出来的三维位移量可利用工作基点所提供的改正数来消除共同误差，从而提高了变形监测的精度。

监测的数据分析主要是对数据处理得到的变形监测点的坐标数据和初始值数据进行分析，以及对观测值的中误差、工作基点的稳定状况、每个监测点在一定时区内的变化大小及走向、监测点位移量随时间变化情况等进行分析。对其结果进行图形化显示，可以得到直观形象的结果。

2 大坝垂直位移监测

该水库大坝采用莱卡DNA03数字水准仪进行沉降变形点监测，从而代替机器人极坐标监测法的沉降位移量，这样更有效的提高了本次监测精度。以工作基点BM1为高程的起算点，采用二等水准观测规范要求进行往返闭合监测，闭合差0.3mm，点位误差最大0.15mm。

垂直位移监测一般选用精密水准测量，具有精度高、方便简单等优势，垂直位移中的点分为水准基点、工作基点和监测点。

以埋设在距离大坝1～3km基岩上的3个点为水准基点，水准基点初始值的观测应观测2次往返闭合环平差后，取均值作为水准基点的初始值。

工作基点一般埋设在坝肩两边的基岩上，工作基点初始值的观测，应选择较方便、可靠稳定的水准基点，同样利用往返测2次工作基点平差后，取均值作为工作基点的初始值。

监测点的埋设与水平位移监测点埋设的位置大致相同，监测点观测选择方便、可靠较为稳定的工作基点，往返测2次监测点平差后，取均值作为监测点的初始值。

取得初始值之后，垂直位移观测主要分3步骤：（1）检查水准基点是否有变动；（2）检查工作基点是否有变动；（3）利用工作基点测定各监测点的位移量，一般每半年就要以基准点为起算检查一次水准工作，但是每一期观测都需要工作基点之间互相检查，若数据发生疑异，应随时以水准基点为起算检查工作基点。

水准测量精度要求高，一般采用精密水准仪和因瓦钢尺，每次观测时要对仪器进行严格检验，要把观测方法、仪器、路线固定下来，使每次观测条件基本相同，可减少外界条件变动对观测成果的影响，提高观测精度还能提高工效。

3 结语

（1）变形监测工作为大坝的安全运营提供了基础参照数据，测量机器人观测法改变了传统视准线观测法的不足。

（2）视准线观测法由于视线较长，使照准误差增大，甚至可能照准困难。精度低，不宜实现自动观测，受外界条件影响较大，操作不当时，误差不容易控制，精度会受明显影响。位移标点的位移量不能超出系统的最大偏距值，否则无法观测。要通过现场设置测站点、方向点、和检校点建立视准线，各种点的设置受环境影响较大。

（3）测量机器人监测法自动化程度高、实用性强、观测精度高，受环境条件影响较低，设站灵活、操作方便、快速等优点为大坝变形监测提供了可靠的位移量。