基于测量机器人的自动变形监测系统

值， 换算成初始坐标系下的坐标差分值， 以此值作为 观测值， 以基准点的初始坐标及初始坐标差分值为 已 知数据进行平差计算， 即可得到本次观测各监测
ＷＥ Ｊ ｎ ｏｇ Ｉ － ｎ ｉ ｄ ａ
一、 言 引
测量机器人或称测地机器人是一种能代替人进 行自 动搜索、 识别、 跟踪和精确照准目 标并且获取角
进行探讨与分析。
二、 监测系统构成方式
由测量机器人构成的监测系统按监测方法可划 分为移动式周期监测系统和固定式持续监测系
Ａ ｔ ａｃ ｏ ａｏ Ｍｏｉｒ ｇ ｔ Ｂｓ ｏ Ｇｏ ｂｔ ｕ ｍ ｔ Ｄｆ ｍ ｔｎ ｎ ｏ ｎ Ｓｓｍ ｅ ｎ ｒ ｏ ｏ ｉ ｅｒ ｉ ｔ ｉ ｙ ｅ ａ ｄ ｅ ｏ
摘要 ： 主要针对测量机器人在自 动变形监测方面的 技术优势， 分析基于测量机器人自 动监测系统的主要构成方式， 研究极坐标测 量系统在变形点观测数据处理方面采取的主要方法， 并对系统主要采取的通讯方式、 远程控制与自 动报警技术进行探讨。 关键词 ： 测量机器人； 动监测系统； 自 监测网 多传感器集成； 络； 远程控制
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第 １期 ２
刚
绘
通
报
文章编号： ９－ １（０６１－ ４－ ０ ４ ９１２０）２ ０１ ４ ４ ０ ０ ０
中图分类号： Ｕ ９ Ｔ １６
文献标识码 ： Ｂ
基于测量机器人的自动变形监测系统
（ ２ 信息工程大学 刚绘学院， 郑州４０５） 河南 ５０
卫建东
该方法已在二滩〔等大坝的外部变形监测中得到 ３ 」
应用。
２ Ｐ Ａ便携计算机联机模式 ． ／ Ｄ 该模式是将单台测量机器人通过短通讯电缆 （ｍ １ 左右） Ｐ Ａ便携计算机相连， 与 Ｄ／ 数据采集与后
榨暑一１（２男 南城， ， 从测机人用变监数处方的究 薯娶ａ－９）， 项人 师 要事量器应及形测据理面研。 ２Ａｓ ，河 ００７ ０７ － ３－ ５１ － ２ 讲主
制全站仪进行自 动测量的程序。将测量机器人通过 现代通信技术与计算机连接起来， 利用计算机软件 实现测量过程、 数据记录、 数据处理和报表输出的自 动化， 实现真正意义上的监测 自 动化和一体化。目 前国内外已开发不少基于测量机器人的监测系统， 已 应用在大坝、 桥梁、 地铁隧道、 滑坡、 深基坑等构筑 物的变形监测中。本文对基于测量机器人监测系统 的构成方式、 数据处理方法、 通讯及控制技术等方面
组合模式 单台联机模式 单台远程在线模式 多台空间交会模式 多台网络模式 多传感器集成模式
漏 漏 高 高 高 高
视化程度
搬 高 高 高 高 高
否 否 能 能
范围 备成本 低 较大 低 较大 低 较小 高 较小 高 较大 高 大
三、 监测系统变形点观测数据处理方法
不管何种系统模式， 系统测量变形点的方法包 括空间前方交会、 组成控制网测量、 极坐标测量 ３ 种
时， 安装系统进行测量， 该周期测量结束后拆除系 统。该类系统主要采用机载软件加后处理软件组合 模式、Ｄ ／ Ｐ Ａ 便携计算机联机模式。固定式持续监测 系统是将全站仪长期固定在测站上（ 如在野外需在 测站上建立监测房）通过供电通信系统， ， 与机房内 的控制计算机相连， 实现无人值守、 连续监测、 自动 数据处理、 动报警、 自 远程监控等， 该类系统主要包 括单台极坐标在线模式、 多台空间前方交会在线模 式、 多台网络模式、 多种传感器集成模式。 １ 机载软件加后处理软件组合模式 ． 该模式是基于常规作业方法， 将测量机器人代 替一般全站仪。测量时将参数设置好后， 全站仪在 机载软件的控制下， 动完成本测站各方向测量， 自 测 量数据记人 Ｐ Ｃ卡中， 外业结束将卡中的数据导人 到计算机中， 利用后处理软件进行数据处理分析。 此类系统构网灵活， 在传统作业基础上， 免除了人工 照准、 读数、 记簿， 特别适合监测频率较低、 实时自 动 化程度要求不高、 需组网测量等环境下使用。目 前
服了纯 Ｇ Ｓ Ｐ 监测系统监测点不能太多、 监测点周围
方法。空间前方交会和组网测量， 多余观测条件较 多， 在精确测定气象元素、 保证测距精度的条件下， 可以获得较高的点位测量精度。而极坐标测量时， 方向误差对点位精度的影响与距离成正比， 减弱或 消除大气折射及其他因素对方向测量精度的影响是 采用极坐标测量方法数据处理的主要 目 标。
主 要有Ｚｉ 的Ｅａ 系列，ｏ ｏ 的Ｇ Ｓ０Ａ ｅ。 ｌＳ ｓ ｔ Ｔｐ ｎ Ｔ－ ｘ／ ｃ ８
Ａ 系列，ｏｋ 的 Ｓ Ｔ２ Ｍ等 Ｍ 自动照准型， Ｒ Ｓｋｉ ａ Ｅ ３Ｄ Ｔｉｂ 的 Ｔｉｂ５０ 系列，ｅａ Ｔ Ａ系列全 ｒ ｌ ｍ ｅ ｒ ｌ６０ ｍｅ Ｌｉ 的 Ｃ ｃ
站仪。在上述全站仪中，Ｃ Ｔ Ａ系列全站仪提供用户
委员会勘测设计公司等单位装备了 Ｇｏ ｏ 系统。 ｅＭ Ｓ 加拿大 Ｎ ｗ ｕｓｉ 大学开发的 ＤＭ Ｎ 系统 ｅ Ｂ ｎｗｃ ｒ ｋ ＩＯ Ｓ
已 应用在南水〔等大坝的 ４ 〕 外部变形监测中。
３ 单台极坐标在线模式 ． 该模式采用单台全站仪， 按极坐标原理计算目 标 点的３ 维坐标。 该类系统的优点是系统配置简单， 设 备利用率高。但监测范围较小， 由于只有一台全站仪 且设站位置固定， 无法组网测量， 要达到亚毫米级精 度必须采取合理的测量方案和数据处理方法。特别 适用于小区域（ １ 澎） 需实时自动化监测的测 约 ｋ 内， 量场合。由于该模式成本低， 动化程度高， 自 又实时
大气折射对方向测量影响， 是非常困难的， 另外考虑 到气象元素测定的代表性等因素， 通常选择合理的 数据处理方法， 在不测定气象元素的条件下消除或 减弱外界条件所引起的测量误差。 １ 系统差分 ． 系统差分建立在基准点与测站点相对位置固定 且已知条件下， 当观测区域不大， 基准点和变形点所 在位置的气象条件一致时， 测站点对基准点观测值 在不同周期内的变化， 主要是气象因素所引起测量 误差和仪器水平度盘 ０ 方向的漂移所致， 认为该影 响对变形点观测值的影响是一致的， 利用基准点观 测值在两测量周期的差异， 来修正变形点观测值， 这 就是差分的思想。差分改正包括距离的差分改正、
坦的地面监测不宜采用。
能否 自 动化 一体化和可 监测 系统设
组网 程度 能 能
５ 多台网络模式 ．
多台网络模式是将多台测量机器人和多台或一 台计算机通过网络、 通讯和供电电缆连接起来， 组成 监测网络系统。该模式根据现场情况， 布设多个设 站点， 每个设站点均安装全站仪， 按极坐标法测量各 自管辖的监测点群。另外各设站点与基准点组成控 制网， 以确定各测量周期设站点相对于基准点的坐
在各周期测量时全站仪直接测量得到的各基准点、 监测点的坐标和高程， 计算两相邻点之间在各周期 的坐标差分值， 利用基准边（ 两相邻基准点） 在第 ｉ － 周期和第 １ 周期的坐标差分值， 计算第 ｉ 周期观测 坐标系与初始坐标系（ １ 第 周期坐标系） 的夹角和坐 标比 例尺度。然后将第 ｉ 周期各相邻点的坐标差分
进行二次开发平台 Ｇｏａ。 ｅＢｓ 和开发接口ＧｏＯ ａ ｉ ｅ Ｍ Ｃ
Ｇｏａｃ ｅＢｓ 集成开发环境是开发 Ｔ Ａ全站仪机 ｉ Ｃ 载软件的二次开发平台， 利用此平台开发的自 动监 测程序可直接在全站仪上运行。ＧｏＯ ｅＣ Ｍ是应用
开发接口， 该接口 把全站仪的各种功能模块作为客 户端被组织成一个个子系统封装到 Ｇ Ｏ Ｏ Ｄ Ｌ Ｅ Ｃ Ｍ．Ｌ 中， 用户只需利用 Ｇ Ｏ Ｏ Ｄ Ｌ提供的函数， Ｅ Ｃ Ｍ． Ｌ 即 可在 Ｖ 或 ＣＣ 十 Ｂ ／ 十开发环境下， 开发外部计算机控
度、 距离等 信息的 智能型电 子全站仪［。 标自 ’ 其目 〕
动寻找、 识别和精确照准功能， 可在短时间内对多个 目 标点作持续和重复观测， 在结构物外部变形监测 方面拥有极大的优势和应用前景。目 有多个测 前， 绘仪器厂家生产的全站仪属于测量机器人的范畴。
统２ 移动 ［。 式周期监测系统是当 １ 某周期开始测量
移； 变形观测点发生移动 ”。 ④ 〔」 进行数据处理的
目的， 就是减弱、 消除或确定前面 ３ 个方面的影响，
最终获得观测点发生移动的大小和方向。 在实际工程中， 精确测定气象元素， 测定和改正
３ 全站仪非固定站差分法 ． 全站仪非固 定站差分方法「］ １， ４ 基本思想是利用
工程中。
７ 各模式的总体比较 ．
表１ 从能否组网测量、 动化程度、 自 一体化和可 视化程度、 监测范围、 系统设备成本 ５ 个方面对以上 各模式进行了比较。在实际应用中， 选取何种模式， 要根据具体的变形区条件、 监测目的和要求来决定。 例如某项监测工程监测范围大， 自动化程度要求 对 高， 要求实时测量， 这就要选择多台网络模式或多传 感器集成模式； 如果不要求实时测量， 动化程度 对自
库区巴 东滑坡［、 ［ 新疆三屯河水库大坝［、 湾水 ２ Ｊ ５ 港口 ］ 库大 “广州地铁［ 行了 坝［、 〕 ［ ７ １ 等进 很好的 应用。 ４ 多台空间前方交会在线模式 ．
主要采用距离空间前方交会， 以三边或多边交 会法确定监测点的 ３ 维坐标， 采用此模式的主要意 图是利用高精度的边长， 获取高精度的点位。采用
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处理都在计算机内完成。该模式在使用条件上与组 合模式相比没有区别。但在其他方面各有优缺点： 组合模式由于受全站仪本身内存、 屏幕、 操作系统的 限制， 在数据管理、 处理、 界面提示等方面不如联机 模式直观， 数据需通过 Ｐ Ｃ卡转接， 不如联机模式安 全。 但联机模式需 Ｐ Ａ 便携计算机、 Ｄ／ 通讯电缆， 在 携带和使用上不如组合模式简单方便。目 前该模式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
标 变化。 该类系统已 在广州地铁得到应用［。 ９ 系 ］
统的优点是， 可以组网测量， 实现控制网测量、 变形 点测量的完全自动化， 非常适合较大变形区域变形 体的自 动监测。
６ 多种传感器集成模式 ．
该模式将 Ｐ 、 Ｇ Ｓ测量机器人、 气象传感器等集 成在一起 ， 组成适合大范围监测的系统。该模式克
利用极坐标测量， 观测点在测量周期间坐标发
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生变化的原因， 归根结底有 ４ ① 气象条件变化 条： 引起距离和方向观测值的误差； 测站点本身发生 ② 移动； 测量周期间仪器水平度盘 ０ ③ 方向发生漂
７ 参数转换模型需要基准点数量 ３ 个以上， 参数转 ５ 换模型需 ２ 个以上。
监测， 前运用该模式开发系统较多， 目 已在三峡工程
已 美国 在 加州Ｄ ｍｎ Ｖｌ 水库进行很好的使 ｉ ｏ ａｙ ａ ｄ ｌ ｅ
用， 该水库包括 ３ 个坝， 采用了 ５台 Ｇ Ｓ ８台 Ｐ和
ＴＡ Ｃ 全站仪， 坝体上共设 ２８ ２ 个棱镜「１ １。国内在 ０
Ｇ Ｓ测量机器人两者集成构成系统方面做了不少 Ｐ、 工作， 前还没有自主开发集成系统应用于实际 但目
要开阔等缺点， 同时也克服了测量机器人监测范围 小的弱势。系统采用 Ｇ Ｓ Ｐ 建立基站和参考点， 全站 仪作快速的周期观测变形点， 两者相结合取长补短，
优 互 ２ 国 徕卡 开 势 补〔。 外， 公司 发的Ｇｏ 系 １ ｅ ｏ 统， Ｍ Ｓ
集成了Ｔ ＳＧ Ｓ大气传感器和地壳传感器， Ｐ，Ｐ、 功能 比较强大。目 信息工程大学测绘学院、 前， 黄河水利
要求不高， 可采用组合模式或单台联机模式， 以降低
设备成本。
表 １ 各种系统模式比较
模式
三 边交会系统已 应用在五强溪大坝监测中“ 该 〔。 〕
系统为提高测距精度， 配置计算机控制的自 动可自 校准高精度光电测距仪频率校准仪、 高精度温度计、 气压计与湿度计。此类系统的优点是测量精度高， 可达亚毫米级， 但系统配置过于庞大， 成本较高， 设 备利用率较低， 同时由于受几何图形结构限制， 较平