自动化变形监测

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 deformationmonitoringSubtract：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; visualization1 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0S 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 ∆ ''0iJ 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0h ∆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。

3.3 方位角的差分改正水平度盘"'0.000000o 方向的变化,对水平方位角的影响不可忽略。

在变形监测中,所求的变形量是相对第一周期而言的,故可把基准点第一次测量的水平方位角0ZJ H 作为基准方位角,其他周期对基准点测量的方位角'ZJ H 与基准方位角相比,有一差异Z H ∆ '0ZJZJ Z H H H -=∆ （9） 4 监测中对特殊问题的考虑4.1 视场内出现多个目标Leica 自动化全站仪的方法是缩小视场。

Sokkia 自动化全站仪的方法为“就近法则”，即通过特别的数学计算规则,查看视场内距离望远镜十字丝中心最近的棱镜是哪一个,全站仪就自动驱动轴系照准该棱镜。

这两种全站仪能够解决一部分视场内出现多个棱镜的情况,但是不能从根本上解决问题。

Trimble 全站仪通过棱镜编码技术和棱镜开关技术可以从根本上解决该问题，但是的价格高昂。

一般而言,在设置测站时尽量避免该情况的出现，不可避免时,可考虑采用硬件方法或软件方法辅助克服。

4.2 棱镜被遮挡的处理第1次测量被遮挡,则跳过该点进行下一点的测量,一轮测量完成后,对未能观测到的点进行新一轮搜索,如果搜索仍未找到,则弹出对话框由人工决定是继续寻找或放弃测量该点。

4.3 测站不稳定处理测站不稳定时的处理,主要有以下几种方法:方法(1):通过后方交会或者测边、边角交会求得测站点的坐标,然后计算各观测边方位角并取方位角均值作为定向数据。

方法(2):直接测量2个或以上控制点的坐标,通过基准点实测坐标和理论坐标求得坐标转换参数,将测站坐标转换到目标坐标系下后,修正测站以及定向数据,然后进行监测点的测量。

方法(3):直接测量2个或以上基准点的坐标以及所有监测点的坐标,通过基准点实测坐标和理论坐标求得坐标转换参数,将监测点坐标转换到目标坐标系下。

三种方法相比较而言,都可以解决测站不稳定的问题,第3种方法相对而言更加自由,程序实现也更加方便。

5 总结本文简单介绍了自动化变形监测系统的组成和系统的功能设计，提出了斜距差分改正模型、三角高程差分模型以及方位角的差分改正方法。

对于自动化变形监测系统中出现的视场内出现多个目标、棱镜被遮挡和测站不稳定问题也提出了相应的解决方案。

国内的自动化变形监测软件多针对某一工程或者某一类工程开发，功能比较单一，缺乏针对桥梁、隧道、基坑等类型建筑工程项目的特色软件。

因此，我们有必要根据建设工程行业的需求发展开发一套能够满足行业需求、行业特色鲜明的基于自动全站仪的自动化变形监测软件。

参考文献[1] 梅文胜, 张正禄.测量机器人变形监测系统软件研究[J].《武汉大学学报(信息科学版)》,2002,27(2):43～47.[2] 张冠宇，王海栋，李宗春，卫建东.变形测量数据采集自动化技术比较[J].《海洋测绘》，2007年11月，第27卷第6期[3] 张海玲. 基于TCA2003全站仪的自动变形监测系统的研制[D].济南:山东科技大学,2005[4] 夏才初,潘国荣.土木工程监测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2001,1-430.[5] 谷川,杨元伟. 全站仪自动化变形监测系统研究与开发(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海200092;2上海市政工程检测中心有限公司,上海201114)。