郎 強(qiáng)

（遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義563000）

1 大壩水平位移監(jiān)測(cè)

1.1 測(cè)量機(jī)器人原理

測(cè)量機(jī)器人是一種自動(dòng)搜索、識(shí)別、跟蹤、和精準(zhǔn)照準(zhǔn)目標(biāo)，從而獲取角度、距離、三維坐標(biāo)的智能型全站儀。測(cè)量機(jī)器人上的ATR部件自動(dòng)識(shí)別并照準(zhǔn)目標(biāo)需要3個(gè)過(guò)程，分別為目標(biāo)搜索過(guò)程、目標(biāo)照準(zhǔn)過(guò)程和目標(biāo)測(cè)量過(guò)程。

人工粗略照準(zhǔn)棱鏡后ATR進(jìn)行目標(biāo)搜索過(guò)程，如沒(méi)有發(fā)現(xiàn)棱鏡，望遠(yuǎn)鏡按螺旋式或矩形方式繼續(xù)搜索目標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即可精確照準(zhǔn)目標(biāo)，每次精準(zhǔn)的照準(zhǔn)目標(biāo)提高了測(cè)量精度，減小了人工照準(zhǔn)誤差。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，望眼鏡不需要對(duì)目標(biāo)照準(zhǔn)和調(diào)焦，不但加快了測(cè)量速度，并且測(cè)量精度和觀測(cè)人員水平無(wú)關(guān)，測(cè)量結(jié)果就更加穩(wěn)定可靠。

水平方向觀測(cè)采用“自動(dòng)雙照準(zhǔn)法”，每個(gè)目標(biāo)照準(zhǔn)2次，讀數(shù)2次。測(cè)量機(jī)器人在監(jiān)測(cè)作業(yè)中，為了保證監(jiān)測(cè)精度，必須考慮氣壓和溫度對(duì)觀測(cè)距離與角度的影響，應(yīng)進(jìn)行溫度和大氣對(duì)距離、高差、角度的差分改正。

測(cè)量機(jī)器人極坐標(biāo)觀測(cè)法原理如圖1。

圖1 極坐標(biāo)法原理

計(jì)算公式：

式中 Xo，Yo，Zo分別為基準(zhǔn)站O的坐標(biāo)值；Xb，Yb，Zb分別為觀測(cè)點(diǎn)B的坐標(biāo)值；Dp為基準(zhǔn)站與B點(diǎn)之間的距離；HOb為基準(zhǔn)站到B點(diǎn)的方位角；Δhb為基準(zhǔn)站到B點(diǎn)的高差。

1.2 測(cè)量機(jī)器人對(duì)大壩監(jiān)測(cè)方法

某重力壩壩子區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻，壩肩兩岸均為陡壁，無(wú)法埋設(shè)視準(zhǔn)線觀測(cè)墩，該水庫(kù)水平位移變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)采用萊卡TS50測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以大壩首級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)TN01，TN02，TN03，TN04為起算，采用二等極坐標(biāo)觀測(cè)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位布設(shè)如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位

圖2 中CH1，CH2，CH3，CH4為校核基點(diǎn)，TN1，TN2，TN3，TN4為工作基點(diǎn)，其余LD1-LD6為變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。大壩在蓄水前已觀測(cè)初始值，初始值觀測(cè)分為4部分進(jìn)行。

1.2.1 施工控制網(wǎng)

首先將施工控制網(wǎng)坐標(biāo)引測(cè)到校核基準(zhǔn)點(diǎn)上，使整個(gè)監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)與施工控制網(wǎng)在同一個(gè)坐標(biāo)系里。在任意一個(gè)校核點(diǎn)上架設(shè)儀器，其余校核基點(diǎn)與兩個(gè)施工控制點(diǎn)上分別架設(shè)棱鏡，觀測(cè)6個(gè)測(cè)回，將2個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)加入本次觀測(cè)成果進(jìn)行平差，求出每個(gè)校核基點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1.2.2 校核基點(diǎn)的觀測(cè)

任意校核基點(diǎn)架設(shè)儀器，其余校核基點(diǎn)架棱鏡，觀測(cè)12測(cè)回，同樣方法在每個(gè)校核基點(diǎn)上都架設(shè)1次儀器，利用對(duì)向觀測(cè)的方法每一測(cè)站都觀測(cè)2次，解算出來(lái)的結(jié)果取均值做為校核基點(diǎn)初始值。

1.2.3 工作基點(diǎn)的觀測(cè)

工作基點(diǎn)的觀測(cè)同校核基準(zhǔn)點(diǎn)的觀測(cè)方法一致，取得最終值之后就可進(jìn)行校核基點(diǎn)與工做基點(diǎn)的聯(lián)測(cè)，聯(lián)測(cè)目的是為了以后可定期檢查工作基點(diǎn)有無(wú)變化。下一步選擇監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)由校核基點(diǎn)與部分工作基點(diǎn)組成。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)選擇更穩(wěn)固、可靠并且與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)通視條件更好的點(diǎn)。單站無(wú)法觀測(cè)完變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)可多站觀測(cè)，但每期觀測(cè)的方法及點(diǎn)位應(yīng)一致。

1.2.4 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)

變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)由參考系、變形體和基準(zhǔn)站3部分組成，在基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)儀器，選擇3個(gè)以上的參考點(diǎn)與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步進(jìn)行觀測(cè)，參考點(diǎn)（三維坐標(biāo)已知）位于變形區(qū)以外，以保證監(jiān)測(cè)成果的有效性，參考點(diǎn)除提供方位外，并為數(shù)據(jù)處理提供距離及高差差分計(jì)算提供基準(zhǔn)。

變形監(jiān)測(cè)的周期和測(cè)回?cái)?shù)及限差可根據(jù)大壩變形監(jiān)測(cè)等級(jí)要求來(lái)確定。每期觀測(cè)的方法、儀器都應(yīng)和觀測(cè)初始值的一致，每次觀測(cè)前必須對(duì)儀器進(jìn)行檢校，如2C互差、指標(biāo)差、和ATR自動(dòng)識(shí)別照準(zhǔn)差等。

1.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)

該水庫(kù)的測(cè)角與測(cè)距的精度誤差如表1，表2。

表1 該水庫(kù)測(cè)角精度誤差

表2 該水庫(kù)測(cè)距精度誤差

由表1和表2可知，最弱邊是TN03-LD01邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/157000，距離最大中誤差0.3418mm，最弱點(diǎn)絕對(duì)誤差橢圓0.3mm，方向觀測(cè)單位權(quán)中誤差0.164 s。根據(jù)GB/T17942—2000 《國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范》，二等測(cè)角中誤差為±1s，邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/120000，從數(shù)據(jù)分析，本次監(jiān)測(cè)完全滿足二等要求。

為了能提高精度，減弱誤差對(duì)觀測(cè)值的影響，所有數(shù)據(jù)需要差分處理，其基本原理是每一個(gè)測(cè)量周期都按照極坐標(biāo)方法觀測(cè)工作基點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距，將測(cè)站點(diǎn)和具有代表性的工作基點(diǎn)或校核基點(diǎn)與初始值對(duì)比，求出差值，工作基點(diǎn)均埋設(shè)在基巖上，同時(shí)定期對(duì)工作基點(diǎn)進(jìn)行檢查，因此可認(rèn)為工作基點(diǎn)是穩(wěn)定的，將這一差值看作是受溫度、氣壓及儀器等因素影響的結(jié)果。測(cè)量機(jī)器人可以在短時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)周期的測(cè)量，大氣、溫度儀器等對(duì)工作基點(diǎn)及變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響相同，可把工作基點(diǎn)的差值加到變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)成果中進(jìn)行差分處理，計(jì)算出來(lái)的三維位移量可利用工作基點(diǎn)所提供的改正數(shù)來(lái)消除共同誤差，從而提高了變形監(jiān)測(cè)的精度。

監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析主要是對(duì)數(shù)據(jù)處理得到的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和初始值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以及對(duì)觀測(cè)值的中誤差、工作基點(diǎn)的穩(wěn)定狀況、每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一定時(shí)區(qū)內(nèi)的變化大小及走向、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量隨時(shí)間變化情況等進(jìn)行分析。對(duì)其結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示，可以得到直觀形象的結(jié)果。

2 大壩垂直位移監(jiān)測(cè)

該水庫(kù)大壩采用萊卡DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)，從而代替機(jī)器人極坐標(biāo)監(jiān)測(cè)法的沉降位移量，這樣更有效的提高了本次監(jiān)測(cè)精度。以工作基點(diǎn)BM1為高程的起算點(diǎn)，采用二等水準(zhǔn)觀測(cè)規(guī)范要求進(jìn)行往返閉合監(jiān)測(cè)，閉合差0.3mm，點(diǎn)位誤差最大0.15mm。

垂直位移監(jiān)測(cè)一般選用精密水準(zhǔn)測(cè)量，具有精度高、方便簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，垂直位移中的點(diǎn)分為水準(zhǔn)基點(diǎn)、工作基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

以埋設(shè)在距離大壩1～3km基巖上的3個(gè)點(diǎn)為水準(zhǔn)基點(diǎn)，水準(zhǔn)基點(diǎn)初始值的觀測(cè)應(yīng)觀測(cè)2次往返閉合環(huán)平差后，取均值作為水準(zhǔn)基點(diǎn)的初始值。

工作基點(diǎn)一般埋設(shè)在壩肩兩邊的基巖上，工作基點(diǎn)初始值的觀測(cè)，應(yīng)選擇較方便、可靠穩(wěn)定的水準(zhǔn)基點(diǎn)，同樣利用往返測(cè)2次工作基點(diǎn)平差后，取均值作為工作基點(diǎn)的初始值。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)與水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)的位置大致相同，監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)選擇方便、可靠較為穩(wěn)定的工作基點(diǎn)，往返測(cè)2次監(jiān)測(cè)點(diǎn)平差后，取均值作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值。

取得初始值之后，垂直位移觀測(cè)主要分3步驟：（1）檢查水準(zhǔn)基點(diǎn)是否有變動(dòng)；（2）檢查工作基點(diǎn)是否有變動(dòng)；（3）利用工作基點(diǎn)測(cè)定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量，一般每半年就要以基準(zhǔn)點(diǎn)為起算檢查一次水準(zhǔn)工作，但是每一期觀測(cè)都需要工作基點(diǎn)之間互相檢查，若數(shù)據(jù)發(fā)生疑異，應(yīng)隨時(shí)以水準(zhǔn)基點(diǎn)為起算檢查工作基點(diǎn)。

水準(zhǔn)測(cè)量精度要求高，一般采用精密水準(zhǔn)儀和因瓦鋼尺，每次觀測(cè)時(shí)要對(duì)儀器進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，要把觀測(cè)方法、儀器、路線固定下來(lái)，使每次觀測(cè)條件基本相同，可減少外界條件變動(dòng)對(duì)觀測(cè)成果的影響，提高觀測(cè)精度還能提高工效。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）變形監(jiān)測(cè)工作為大壩的安全運(yùn)營(yíng)提供了基礎(chǔ)參照數(shù)據(jù)，測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)法改變了傳統(tǒng)視準(zhǔn)線觀測(cè)法的不足。

（2）視準(zhǔn)線觀測(cè)法由于視線較長(zhǎng)，使照準(zhǔn)誤差增大，甚至可能照準(zhǔn)困難。精度低，不宜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)，受外界條件影響較大，操作不當(dāng)時(shí)，誤差不容易控制，精度會(huì)受明顯影響。位移標(biāo)點(diǎn)的位移量不能超出系統(tǒng)的最大偏距值，否則無(wú)法觀測(cè)。要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置測(cè)站點(diǎn)、方向點(diǎn)、和檢校點(diǎn)建立視準(zhǔn)線，各種點(diǎn)的設(shè)置受環(huán)境影響較大。

（3）測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)法自動(dòng)化程度高、實(shí)用性強(qiáng)、觀測(cè)精度高，受環(huán)境條件影響較低，設(shè)站靈活、操作方便、快速等優(yōu)點(diǎn)為大壩變形監(jiān)測(cè)提供了可靠的位移量。