自动化变形监测
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自动化变形监测技术的研发与应用
摘要:在各项工程的变形自动化监测方面,测量机器人正逐步成为首选的自动化测量技术设备。与传统人工测量手段相比,测量机器人以它的高精度、高稳定性和高可靠性等优越性,在变形监测中发挥越来越重要的作用。自动化变形监测能够在无人值守情况下完成变形监测,完全能够取代人工测量,同时还为我们提供了可视化的动态变形信息,做到了信息化施工,也避免了工程事故的发生。
关键词:自动变形监测;传统人工测量;自动全站仪;可视化
The development and application of automatic deformation
monitoring
Subtract:In the project of the automation deformation monitoring, measuring robot is gradually becoming the preferred automation measuring technology equipment.The system is simple operation, high automation level. Compared with the traditional artificial measurement methods, measuring robot to its high precision, high stability and high reliability etc- advantages in deformation monitoring playing more and more important- role. When no one guards,it can complete deformation monitoring and completely replace artificial measurement. At the same time, it also provides us with a visualization of the dynamic deformation information. We can do the informatization construction and avoid engineering accident.
Key words: automatic deformation surveying ; The traditional artificial measurement; automatic total station; visualization
1 引言
传统的工程变形监测测量是靠人工实地测量,工作量大,测出的各项参数存在一定的系统误差和人工误差,还要受天气和现场条件状况的影响,资料的整理与分析周期也很长,不能及时地发现工程隐患。为了解决这些问题,测量机器人开始进入人们的视野。测量机器人通过CCD影像传感器和其它传感器对测量的“目标”进行识别,迅速做出分析、判断与推理,实现自我控制,并自动完成照准、读数等操作。自动化变形监测系统是采用测量机器人对各种工程进行自动化安全监测和数据处理的通用软件系统,可对各监测点进行实时监控、自动测量和变形过程显示等功能。国内外自动化变形监测系统的研究和开发也取得一定成果。例如,国内武汉大学张正禄开发研制的测量机器人变形监测系统等,国外德国Leica公司推出的Geomos(Geodetic Monitoring System)自动监测系统,已经相对比较完善。
2 系统整体设计
(1)工程管理:工程中保存着该变形监测项目在监测过程中的相关数据。
(2)系统初始化:实现各项通讯参数设置以及测量机器人的初始化设置等。
(3)学习测量:对所需观测的目标点进行首次人工测量,获取目标点概略空间位置信息,以便日后计算机控制测量机器人自动搜寻定位目标点,完成自动测量。
(4)自动测量:控制测量机器人在指定的时间段内实施无人值守的自动观测。
(5)智能处理:遮挡处理和超限处理情况的处理。
(6)自动报警:当测点变形量超过预先设定的限差时,进行自动报警。
(7)数据处理:实现目标点坐标计算以及变形分析。
Leica Geo Office 功能非常强大,以测量机器人在盘煤系统中的应用为例,只需要使用它的“表面”功能,如下图:
图1 数据处理结果
数据导入LGO 后即可得到堆体的三维模型,同时计算体积、表面面积、地面面积、周长等。煤体与地表面通过添加边界线或直接删除不需要的点来区分,这样即可便捷而又准确地得到煤场的数据。
(8)变形趋势图实时显示:动态显示变形趋势图,以此来判断目标点点位是否有位移。
(9)测量数据报表输出:对数据进行筛选与组合,然后输出到Excel 中进行管理。
(10)压缩工程数据
(11)通过网络实时传送观测数据:
3 差分功能算法研究
3.1 斜距差分改正模型
利用基准网的测量信息,可以在无需测量气象元素,简化系统设备配置的条件下,实时进行距离的大气折射率差分改正。因为测站点与基准点均设置在稳定的位置上,可以认为它们之间的距离是不变的。设监测站至某基准点的已知斜距为0
S i J -,在变形监测过程中,某一时刻实测的斜距为'i J S - ,两者之间的差异可以认为是由气象条件
变化引起的,按下式可求出气象改正比例系数i s ∆ ''0i
J i J i J i S S S s ----=∆ (1) 为了保证距离气象改正比例系数i s ∆的可靠性与准确性,实际中可以取多个基准点测定的距离气象改正比例系数i s ∆的平均数,用于距离测量的差分气象改正。 m s s m i
∑∆=∆1 (2)
根据平均气象改正系数∆s,分别应用于每个基准点,求出基准点的真实斜距i J S - '
''*)s 1(*i J i j i J i J S S s S S ----∆+=∆+= (3) 如果同一时刻测得的某变形点的斜距为'i p S -,经气象改正差分后的真实斜距为
'''*)1(*i p i p i p i p S s S s S S ----∆+=∆+= (4) 3.2 三角高程差分模型
在极坐标的单向测量中,必须考虑球气差对高程测量的影响。基准点与测站点之间的高
差0
h ∆是已知的。某一时刻测得测站点与基准点之间的三角高差'J h 为 l i s h J J -+∂=sin *' (5)
式中,J s 为测得的两点间的斜距,∂为垂直角,i 为仪器高,l 为目标高。将球气差写在一起,即令
c = 1 - k (6) 式中,k 为大气折光系数。那么即可求出球气差改正系数c R s h h c J J 2*cos )(22''0∂
-∆= (7) 式中,R 为地球平均曲率半径(取6371 km)。
在每周期变形点的监测过程中,由于测量时间较短(约数分钟),可以认为c 值对基准点与变形点的影响是相同的,故按照下式可求出变形点与测站点之间经球气差改正的三角高差p h ∆ l i R s c s h p p p -+∂
+∂=∆2cos **sin *22
(8)
式中p s 是经气象改正后的斜距。