張思洪，江德軍

（國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610000）

1 研究背景

在水電站的施工和運(yùn)行過程中，為了保證水工建筑物及工程邊坡的安全，需要對(duì)其進(jìn)行高頻率、高精度的變形監(jiān)測(cè)［1-2］。但一般水電工程變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)分散且數(shù)量眾多、高差懸殊大，采用人工觀測(cè)方法，存在需人多、耗時(shí)長、安全風(fēng)險(xiǎn)大、監(jiān)測(cè)信息反饋慢，以及受雨、霧、雪、日光和大氣折光影響其觀測(cè)精度低或無法施測(cè)等技術(shù)難題，尤其是在工程遭遇有感地震、區(qū)域性暴雨、特大或超標(biāo)洪水等災(zāi)害時(shí)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、反饋安全信息和及時(shí)決策問題更為凸顯［3-4］。目前，國內(nèi)外變形監(jiān)測(cè)已具有一些研究成果，典型的如徠卡公司的GEOMOS就是最具代表性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［5-6］，我國的測(cè)量工作者也在研發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面做出了許多探索和嘗試，早在1977年中南大學(xué)張學(xué)莊教授就研制開發(fā)了“SMDAMS亞毫米級(jí)精度變形監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)”，提出了基線邊實(shí)時(shí)校準(zhǔn)解決亞毫米級(jí)精度測(cè)距的思想［7-8］。辰科公司研發(fā)的AMDS自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過建立高精度的基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了24 h連續(xù)無人自動(dòng)監(jiān)測(cè)［9-10］。武漢大學(xué)張正祿教授等也于2002年開發(fā)研制了GRT-DEMOS系統(tǒng)，并在三峽工程庫區(qū)己東滑坡段進(jìn)行了成功試驗(yàn)［11-12］。但縱觀國內(nèi)外變形監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀，均停留在自動(dòng)監(jiān)測(cè)的階段，未考慮監(jiān)測(cè)的智能化、最優(yōu)環(huán)境辨識(shí)、精密儀器野外保護(hù)等問題［13］。鑒于此，有必要在外部變形自動(dòng)化測(cè)量方法、監(jiān)測(cè)方案、儀器野外保護(hù)、自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析處理等方面開展研究。

2 整體構(gòu)架

本文結(jié)合當(dāng)前變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化現(xiàn)狀，提出了測(cè)量機(jī)器人（TPS）基線邊差分與氣象融合改正測(cè)量法，以提高復(fù)雜氣象條件下變形測(cè)量精度。同時(shí)為充分發(fā)揮測(cè)量機(jī)器人及GNSS各自優(yōu)勢(shì)，提出了測(cè)量機(jī)器人與GNSS定位監(jiān)測(cè)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方案，并研發(fā)了相應(yīng)的一體化智能測(cè)站與監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)保護(hù)裝置，開發(fā)了外部變形數(shù)據(jù)采集、分析、測(cè)站控制系統(tǒng)，將外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、成果實(shí)時(shí)輸出、異常值報(bào)警等集成為完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的快速預(yù)警和應(yīng)急處理。

傳統(tǒng)的外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，單獨(dú)采用測(cè)量機(jī)器人和GNSS定位方法均存在一定局限性，如全站儀儀器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)必須通視，惡劣氣候如雨、雪、霧和強(qiáng)日照等條件下其精度會(huì)受到影響（甚至無法監(jiān)測(cè)），GNSS定位監(jiān)測(cè)垂直位移精度較差，且監(jiān)測(cè)成本較高。針對(duì)以上特點(diǎn)，為了達(dá)到地表三維變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)對(duì)精度與時(shí)效性的要求、規(guī)避2種常規(guī)監(jiān)測(cè)手段的缺陷，本文采用測(cè)量機(jī)器人與GNSS組合監(jiān)測(cè)的方式，即以測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)為主，GNSS衛(wèi)星定位測(cè)量法為輔的監(jiān)測(cè)方案。同時(shí)，為提高測(cè)量機(jī)器人在復(fù)雜氣象條件下的測(cè)量成果精度，提出基線邊差分與氣象融合改正測(cè)量法，配合自主研發(fā)的智能測(cè)站系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)條件的自主判別等，可顯著提升測(cè)量成果質(zhì)量?；诨ヂ?lián)網(wǎng)平臺(tái)開發(fā)大壩變形智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括大壩變形監(jiān)測(cè)智能測(cè)站系統(tǒng)及大壩變形監(jiān)測(cè)智能采集分析系統(tǒng)2大部分：大壩變形監(jiān)測(cè)智能測(cè)站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)智能測(cè)站的控制、最優(yōu)觀測(cè)時(shí)段的選擇等；大壩變形監(jiān)測(cè)智能采集分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)分析計(jì)算測(cè)量成果。同時(shí)，集成GNSS解算成果，對(duì)重要測(cè)點(diǎn)、測(cè)量機(jī)器人無法觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并定期對(duì)測(cè)站穩(wěn)定性、基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行分析檢校，確保整套系統(tǒng)的可靠。

通過該套系統(tǒng)將大壩變形監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)任務(wù)制定、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集到監(jiān)測(cè)任務(wù)結(jié)果分析一體化自動(dòng)實(shí)施，做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)播、數(shù)據(jù)及時(shí)分析、直接報(bào)表生成、直接控制、自動(dòng)報(bào)警等，同時(shí)預(yù)留接口與信息管理分析軟件有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的快速預(yù)警和應(yīng)急處置決策，其總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 地表三維位移智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)架Fig.1 Framework of the intelligent 3D surface displacement monitoring system

3 系統(tǒng)研發(fā)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)研發(fā)

3.1.1 測(cè)量精度保障

對(duì)于精密測(cè)量而言，空氣中各點(diǎn)大氣密度不均將造成測(cè)量水平角、垂直角和距離誤差。水電站一般地處高山峽谷區(qū)，大氣密度更加不均，采用何種方法能有效地削減或消除大氣折光影響，提高變形測(cè)點(diǎn)三維位移測(cè)值精度，是實(shí)現(xiàn)外部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化好與壞的關(guān)鍵。

本文提出通過在變形體周邊穩(wěn)定的巖基上設(shè)置若干個(gè)測(cè)量機(jī)器人校準(zhǔn)基點(diǎn)，按照測(cè)點(diǎn)分布進(jìn)行分層分組觀測(cè)，并實(shí)時(shí)采集氣象參數(shù)及基線邊數(shù)據(jù)用以改正每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)，消除或減弱大氣折光對(duì)測(cè)量精度的影響。為提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)與校準(zhǔn)基點(diǎn)的共性，提出利用分層（分組）的方法，縮小改正范圍，拉大不同分組測(cè)點(diǎn)的差異，提高同一組內(nèi)測(cè)點(diǎn)的共性，進(jìn)一步提高基線改正精度。同時(shí)，為減小單一后視點(diǎn)帶來的偶然誤差，選擇多個(gè)后視點(diǎn)，構(gòu)建多后視觀測(cè)法，實(shí)際測(cè)量時(shí)取各后視點(diǎn)觀測(cè)歸零方向的均值，以提高觀測(cè)的精度。另一方面，采用GNSS衛(wèi)星定位測(cè)量法為輔，在測(cè)站、校準(zhǔn)基點(diǎn)、后視點(diǎn)等部位安裝GNSS天線，能夠校核全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)各種地表外部變形的全天候監(jiān)測(cè)，滿足精度要求。同時(shí)各測(cè)點(diǎn)設(shè)置有強(qiáng)制對(duì)中與調(diào)平裝置，棱鏡和GNSS天線安裝時(shí)可調(diào)平，并做到同心布設(shè)，儀高也可設(shè)為定長，進(jìn)一步減少了測(cè)量誤差。

3.1.2 全天24 h不間斷監(jiān)控

采用測(cè)量機(jī)器人為主、GNSS衛(wèi)星定位測(cè)量法為輔的水電站大壩及邊坡外部變形遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案，重要部位測(cè)點(diǎn)同時(shí)布置棱鏡、GNSS測(cè)點(diǎn)天線，彌補(bǔ)了惡劣氣候如雨、雪、霧和強(qiáng)日照等外界環(huán)境對(duì)全站儀測(cè)量精度的影響；采用伺服電動(dòng)缸升降桿啟閉，開發(fā)了與全站儀自動(dòng)化觀測(cè)同步的控制軟件，解決了全站儀測(cè)站全天候?qū)崟r(shí)啟動(dòng)及野外保護(hù)問題；同時(shí)滿足了全站儀自動(dòng)和人工2種測(cè)量方式，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的判斷、校正。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)集成

研發(fā)了全自動(dòng)在線地表三維位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)中心平臺(tái)，滿足一個(gè)或多個(gè)大壩數(shù)據(jù)的接收與統(tǒng)一分析處理。系統(tǒng)以信息中心數(shù)據(jù)平臺(tái)為主體，收集數(shù)據(jù)采集匯總、數(shù)據(jù)預(yù)處理、平差、信息發(fā)布（滿足遠(yuǎn)程方式的信息通報(bào)）。數(shù)據(jù)的采集采用多種方式實(shí)施：單站數(shù)據(jù)采集、多站數(shù)據(jù)采集、一個(gè)大壩采集、多個(gè)大壩同步采集等。平差采用多種方式處理（角度修正、距離修正、極坐標(biāo)、前方交會(huì)、后方交會(huì)等），力求反映建筑物的真實(shí)變形。平差處理完成后自動(dòng)生成多種形式的報(bào)表，并可實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程實(shí)施歷史演變過程的比對(duì)分析，建立獨(dú)立的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)并依附互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)演變過程比對(duì)分析、每天監(jiān)測(cè)的整體報(bào)表等，方便各個(gè)層級(jí)技術(shù)人員全面細(xì)致地了解大壩的情況，為分析決策提供最為準(zhǔn)確的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。

采集系統(tǒng)除用于按任務(wù)定義的觀測(cè)模式控制全站儀完成數(shù)據(jù)采集、限差實(shí)時(shí)判斷工作外，還集成了氣象條件（風(fēng)力、雨感、溫濕度）智能采集、判斷系統(tǒng)，以及觀測(cè)站啟閉罩智能控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、斷電遠(yuǎn)程恢復(fù)等。采集合格的數(shù)據(jù)既發(fā)往遠(yuǎn)端中心數(shù)據(jù)平臺(tái)，也會(huì)本地保存，保證數(shù)據(jù)安全；中心數(shù)據(jù)平臺(tái)用于定義相關(guān)配置參數(shù)，如全站儀類型定義、監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量模式定義、野外觀測(cè)數(shù)據(jù)限差設(shè)置、觀測(cè)點(diǎn)組編輯、觀測(cè)任務(wù)定義、觀測(cè)任務(wù)下發(fā)、多壩、多觀測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)管理等功能。監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量模式定義靈活，既可按國家規(guī)范觀測(cè)要求定義，也可根據(jù)實(shí)際情況由用戶自行定義；大壩變形分析系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的后處理工作，包括各觀測(cè)站原始數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)限差判斷、原始觀測(cè)數(shù)據(jù)修正（距離、水平角、豎直角），單站平差或雙站前方交會(huì)平差處理，平差成果入庫、查詢，變形曲線展示，并生成相關(guān)的圖形報(bào)表、文字報(bào)表、或定制報(bào)表等。

3.2 智能測(cè)站系統(tǒng)研發(fā)

3.2.1 大視場(chǎng)角及集中管控

研發(fā)了基于大視場(chǎng)角及多類型儀器設(shè)備集成集中的一體化智能測(cè)站，測(cè)站水平方向視場(chǎng)角達(dá)到335°左右，豎直方向視場(chǎng)角達(dá)到-45°～35°，增加了測(cè)站可監(jiān)控范圍，以減少投入更多測(cè)站所需費(fèi)用。以集成化產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念在一體化測(cè)站中集成氣象、空調(diào)、伺服電缸、測(cè)量機(jī)器人、棱鏡、GNSS天線、視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及各種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備于一體，實(shí)現(xiàn)了多類型儀器設(shè)備的集成化管理。

3.2.2 遠(yuǎn)程智能控制

開發(fā)了與測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化觀測(cè)同步的“測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)站一體化控制系統(tǒng)”，解決了測(cè)量機(jī)器人測(cè)站全天候?qū)崟r(shí)啟動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)了升降窗的定時(shí)及手動(dòng)臨時(shí)啟閉。通過智能測(cè)站系統(tǒng)，在測(cè)量任務(wù)開始前，一體化測(cè)站升降窗預(yù)先自動(dòng)打開，使測(cè)量機(jī)器人適應(yīng)外部環(huán)境。測(cè)量任務(wù)結(jié)束后，一體化測(cè)站升降窗口立即關(guān)閉，以保護(hù)測(cè)量機(jī)器人免受損壞。同時(shí)，滿足了精密儀器的野外防盜、防雷、防打砸等要求。

3.2.3 測(cè)站狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控及溫濕度智能調(diào)控

一體化測(cè)站內(nèi)的精密儀器均長期位于野外測(cè)站內(nèi)，測(cè)站內(nèi)溫、濕度隨著季節(jié)周期性變化，年變幅＞50℃，這極不利于全站儀等精密儀器的長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，測(cè)站內(nèi)的各類儀器運(yùn)行狀態(tài)直接影響著測(cè)量數(shù)據(jù)的精度及可靠性，因此在測(cè)站內(nèi)設(shè)置了溫、濕度調(diào)節(jié)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)站內(nèi)溫、濕度調(diào)控，確保儀器長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.4 一體化測(cè)站智能控制與測(cè)量

目前，一般的測(cè)量機(jī)器人測(cè)站無法智能判斷外界環(huán)境，遇到雨、雪、霧時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將嚴(yán)重失真，影響對(duì)大壩及邊坡變形情況的正常監(jiān)測(cè)，同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均按照定時(shí)、固定頻次采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在特殊工況下適應(yīng)性較差。鑒于此，提出了采樣頻率自適應(yīng)、觀測(cè)時(shí)段自尋優(yōu)、應(yīng)急場(chǎng)景自識(shí)別、最優(yōu)模型自匹配、精密儀器自防護(hù)功能。其中采樣頻率自適應(yīng)是指在邊坡或大壩變形加劇時(shí)自動(dòng)將監(jiān)測(cè)頻次增多，采集更多的數(shù)據(jù)反饋工程安全，在變形平緩時(shí)頻次自動(dòng)減少；觀測(cè)時(shí)段自尋優(yōu)是指自動(dòng)選擇最適合的測(cè)量時(shí)間啟動(dòng)測(cè)量任務(wù)，如選擇降雨間隙、大霧天氣的間隙等，同時(shí)可記錄歷史情況，逐步迭代尋優(yōu)；應(yīng)急場(chǎng)景自識(shí)別是指關(guān)聯(lián)地震、洪水等信息，在大洪水、地震等場(chǎng)景下，自動(dòng)識(shí)別上述場(chǎng)景，自動(dòng)啟動(dòng)加密監(jiān)測(cè)或應(yīng)急監(jiān)測(cè)；最優(yōu)模型自匹配是指根據(jù)當(dāng)前外界條件，自動(dòng)匹配最優(yōu)處理模型，如當(dāng)特殊天氣無法實(shí)現(xiàn)交匯測(cè)量時(shí)，自動(dòng)按照極坐標(biāo)處理；精密儀器自防護(hù)是指精密儀器長期置于野外，該套技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精密儀器的野外安全防護(hù)、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，非法破壞等聲光報(bào)警，信息推送等。

3.3 精密儀器野外保護(hù)

由于GNSS測(cè)點(diǎn)天線、測(cè)點(diǎn)棱鏡均為野外布設(shè)，防盜、防雷、防打砸等問題嚴(yán)峻。鑒于此，設(shè)計(jì)了棱鏡測(cè)點(diǎn)及GNSS測(cè)點(diǎn)保護(hù)裝置（如圖2），將測(cè)點(diǎn)棱鏡、GNSS測(cè)點(diǎn)天線設(shè)置同一形體尺寸的保護(hù)罩與狹窄的棱鏡觀測(cè)窗口，采用內(nèi)部螺栓固定方式和專用工具啟閉，有效解決了野外測(cè)量儀器安全防護(hù)與防盜難題。

4 系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)行情況

4.1 系統(tǒng)建設(shè)

本系統(tǒng)目前已在瀑布溝水電站壩前、壩后2個(gè)測(cè)站進(jìn)行了應(yīng)用。瀑布溝水電站是大渡河流域梯級(jí)規(guī)劃中的第17個(gè)梯級(jí)，工程攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m。水庫正常蓄水位850 m，汛期運(yùn)行限制水位841 m，死水位790 m，消落深度60 m，總庫容53.37億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。瀑布溝大壩壩后外部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)共計(jì)49個(gè)測(cè)點(diǎn)，壩前外部變形自動(dòng)化系統(tǒng)共計(jì)39個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用了10套徠卡GNSS設(shè)備（GMX902接收機(jī)/GM10接收機(jī)＋AR10天線），2臺(tái)TM30（0.5″）全站儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，2種測(cè)量方式相互校對(duì)，互為補(bǔ)充，分別對(duì)大壩壩頂、壩后坡及大壩壩后左右岸邊坡、壩前拉裂變形體、古拉裂體、GIS樓邊坡、老柯瑪邊坡及部分平面控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

壩后外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2014年7月29日正式投入試運(yùn)行后，壩前外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2015年12月投入試運(yùn)行，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全天不間斷實(shí)時(shí)觀測(cè)，不受日照光線、雨霧等天氣的影響且數(shù)據(jù)平穩(wěn)，監(jiān)測(cè)精度較高，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程集中管控。

圖2 一體化測(cè)點(diǎn)保護(hù)罩效果Fig.2 Drawing of protective cover for integrated measuring point

4.2 系統(tǒng)可靠性及測(cè)量精度分析

以2014年7月29日啟動(dòng)試運(yùn)行的瀑布溝壩后變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及試運(yùn)行，該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，TM30全站儀及GNSS兩種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量數(shù)據(jù)吻合，且規(guī)律性更好。

圖3為壩頂TP11、TP13測(cè)點(diǎn)上下游方向位移過程線。從上下游方向位移量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與庫水位的關(guān)系曲線可以明顯看出，TP13和TP11兩個(gè)點(diǎn)的上下游方向位移量與庫水位關(guān)系密切，當(dāng)庫水位上升時(shí)，其上下游方向的位移量增大，當(dāng)庫水位下降時(shí)，其上下游方向的位移量下降。這一變形規(guī)律與前期人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，且從過程線來看，數(shù)據(jù)跳動(dòng)小，測(cè)量精度較高。

圖3 壩頂TP11、TP13測(cè)點(diǎn)上下游方向位移過程Fig.3 Process lines of displacements in upstream and downstream directions of TP11 and TP13 measuring points on dam crest

圖4為壩頂TP11、TP13測(cè)點(diǎn)沉降位移過程線。由沉降位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與庫水位的關(guān)系曲線可以看出，各測(cè)點(diǎn)垂直方向的位移量受庫水位影響不大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，說明壩體在逐漸沉降，符合土石壩變形一般規(guī)律，且過程線較為平滑，測(cè)量精度能夠滿足土石壩及一般工程邊坡監(jiān)測(cè)的需要。

圖4 壩頂TP11、TP13測(cè)點(diǎn)沉降位移過程Fig.4 Process lines of settlements of TP11 and TP13 measuring points on dam crest

圖5 壩頂TP13測(cè)點(diǎn)同軸測(cè)量機(jī)器人及GNSS數(shù)據(jù)上下游方向位移過程Fig.5 Curves of displacements in upstream and downstream directions of TP13 on dam crest measured by coaxial measuring robot and GNSS

圖5為壩頂TP13測(cè)點(diǎn)同軸測(cè)量機(jī)器人及GNSS數(shù)據(jù)上下游方向過程線，當(dāng)選取統(tǒng)一基準(zhǔn)值時(shí)，2條過程線基本重合，說明GNSS與測(cè)量機(jī)器人測(cè)值吻合度較高，測(cè)量精度符合要求。

4.3 自動(dòng)化系統(tǒng)與前期人工精度對(duì)比

通過對(duì)比自動(dòng)化系統(tǒng)與前期采用TCA2003人工觀測(cè)點(diǎn)位中誤差可以看出，典型測(cè)點(diǎn)TB02、TB03、TB07三個(gè)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)位中誤差的各項(xiàng)指標(biāo)比人工測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)位中誤差的各項(xiàng)指標(biāo)要低，見表1。

表1 自動(dòng)化與前期人工測(cè)量精度對(duì)比Table 1 Comparison of accuracy between automation and early manual measurement

同時(shí)，從長時(shí)間監(jiān)測(cè)可知，大壩左右岸方向變形與庫水位相關(guān)性較小，在短時(shí)間范圍內(nèi)，可認(rèn)為大壩左右岸方向各測(cè)點(diǎn)未發(fā)生變化，則該時(shí)間段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)變化量均應(yīng)在0附近波動(dòng)。從左右岸方向位移量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與庫水位的關(guān)系曲線（圖6）可以得知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沿壩軸線方向發(fā)生的位移量基本都在0上下波動(dòng)，這一規(guī)律與往年的人工測(cè)值位移量變化規(guī)律相符，也滿足土石壩壩體變形的一般規(guī)律。

圖6 主監(jiān)測(cè)斷面左右岸方向位移與庫水位的關(guān)系Fig.6 Relation between the displacement in left and right bank direction of the main monitoring section and the water level fluctuation

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合當(dāng)前外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，提出了集成測(cè)量機(jī)器人與GNSS定位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并提出了相應(yīng)的一體化測(cè)站與測(cè)點(diǎn)保護(hù)方案。同時(shí)，構(gòu)建了以全站儀分層差分與氣象融合改正測(cè)量法為主、GNSS衛(wèi)星定位測(cè)量法為輔的地表三維位移高精度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、成果實(shí)時(shí)輸出、異常值報(bào)警等集成為完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的快速預(yù)警和應(yīng)急處理。通過對(duì)應(yīng)用工程實(shí)例的數(shù)據(jù)分析可知，該外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，實(shí)測(cè)精度較高，滿足土石壩及一般工程邊坡外部變形監(jiān)測(cè)的需要，可為類似工程外部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。但該系統(tǒng)也存在需繼續(xù)改進(jìn)完善之處，主要表現(xiàn)在：

（1）目前測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)部分后視點(diǎn)未同步進(jìn)行GNSS共點(diǎn)監(jiān)測(cè)，無法借助GNSS測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)后視點(diǎn)穩(wěn)定性、兼容性進(jìn)行檢驗(yàn)。且該方法有假設(shè)前提，即測(cè)站、后視基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)固可靠或其穩(wěn)定性可做檢驗(yàn)校核，后視點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在共性誤差，但這往往是難以實(shí)現(xiàn)的。后續(xù)仍需在差分改正前對(duì)測(cè)站點(diǎn)、后視基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性和兼容性進(jìn)行檢驗(yàn)校核，以便進(jìn)一步提高極坐標(biāo)差分模型的準(zhǔn)確性。

（2）該方法在三角高程方面精度仍不能完全達(dá)到二等變形監(jiān)測(cè)的要求，在混凝土壩三維變形監(jiān)測(cè)上仍有限制，需進(jìn)一步研究提高豎向監(jiān)測(cè)精度的方法。