徠卡機(jī)器人在水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

葛恒山（瀘州市納溪區(qū)黃桷壩水庫(kù)管理站，四川瀘州646300）

徠卡機(jī)器人在水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

葛恒山（瀘州市納溪區(qū)黃桷壩水庫(kù)管理站，四川瀘州646300）

本文主要對(duì)TCA2003自動(dòng)全站儀以及觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，同時(shí)也介紹了TCA2003監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的建設(shè)，并且對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了闡述，簡(jiǎn)單的介紹了徠卡機(jī)器人在水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

TCA2003自動(dòng)全站儀；大壩監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)處理

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也越來(lái)越重視，因此基礎(chǔ)設(shè)施逐漸的趨向完善。很多建筑和大中型水庫(kù)大壩工程的建設(shè)施工以及運(yùn)行監(jiān)測(cè)逐漸的被重視起來(lái)，它們關(guān)系到建筑和工程的質(zhì)量以及運(yùn)行安全。徠卡機(jī)器人由于在大中型水庫(kù)大壩工程和建筑的監(jiān)測(cè)方面有著豐富的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)的技術(shù)，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的限制，大量應(yīng)用了先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)、多傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及通訊技術(shù)，創(chuàng)建了新型的全自動(dòng)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 工程案例介紹

本文主要簡(jiǎn)單介紹了黃桷壩水利工程，水庫(kù)總庫(kù)容為3105.2萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積10.56萬(wàn)畝，為中型水利工程。大壩為混凝土面板堆石壩，大壩壩頂長(zhǎng)226m，壩頂寬度6.0m，壩頂高程402.3m，最大壩高51m，上游壩坡為1：1.4，采用混凝土面板防滲，下游壩坡為1：2.0，采用預(yù)制混凝土板護(hù)坡，設(shè)一級(jí)馬道，高程為383.0m。為了對(duì)黃桷壩水庫(kù)大壩的外部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要在大壩的壩頂及下游設(shè)置四條視準(zhǔn)線。采取TCA2003自動(dòng)全站儀對(duì)壩頂EL+3和EL-3視準(zhǔn)線、下游側(cè)EL-40和EL-84視準(zhǔn)線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的視準(zhǔn)線的觀測(cè)方法主要是覘牌法與小角法，而傳統(tǒng)的視準(zhǔn)線觀測(cè)方法在對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中容易出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：①會(huì)造成土石壩嚴(yán)重變形，嚴(yán)重超過(guò)覘牌量程；②在進(jìn)行視準(zhǔn)線觀測(cè)的時(shí)候會(huì)靠近大壩，這過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致視線抖動(dòng)或者折射，使得觀測(cè)的最終數(shù)據(jù)很難達(dá)到一定的精度；③該監(jiān)測(cè)方法只能夠?qū)ι舷掠畏较虻淖冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是垂直變形就進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量；④在進(jìn)行每次監(jiān)測(cè)之前，必須要先對(duì)中間的工作基點(diǎn)進(jìn)行校測(cè)。我們結(jié)合黃桷壩水庫(kù)大壩的實(shí)際情況，將水庫(kù)的視準(zhǔn)線的觀測(cè)采取TCA2003自動(dòng)全站儀進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。該視準(zhǔn)線觀測(cè)方法不但能夠使得觀測(cè)更加精確，有效的提高了效率，而且還能夠滿足對(duì)土石壩的變形監(jiān)測(cè)。大壩外部變形觀測(cè)方法主要有垂直位移觀測(cè)、水平位移觀測(cè)以及三維位移觀測(cè)，水平位移觀測(cè)是采取極坐標(biāo)法，垂直位移觀測(cè)采取的是幾何水準(zhǔn)法，觀測(cè)采取TCA2003全站儀，其主要的配置有：棱鏡、專(zhuān)用測(cè)量與通訊軟件、TCA2003自動(dòng)全站儀。

3 TCA2003自動(dòng)全站儀及測(cè)量軟件

測(cè)量機(jī)器人該自動(dòng)全站儀具有自動(dòng)化與智能化等性能，可以很方便輕松的對(duì)水庫(kù)大壩的外部變形進(jìn)行三維位移觀測(cè)。TCA自動(dòng)全站儀可以進(jìn)行自動(dòng)正倒鏡觀測(cè)、電子整平以及自動(dòng)的將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄等活動(dòng)，另外只有其特有的ATR（Automatic Target Recognition）功能，能夠讓TCA自動(dòng)全站儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。ATR具有智能性，和望遠(yuǎn)鏡同軸，而且其功能性能較為穩(wěn)定。TCA自動(dòng)全站儀發(fā)出的紅外線經(jīng)反射棱鏡返回，這時(shí)候全站儀內(nèi)部安裝的CCD像機(jī)經(jīng)過(guò)判斷且接收以后，馬達(dá)則會(huì)將自動(dòng)全站儀驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向反射棱鏡，同時(shí)調(diào)整反射棱鏡中心的確切位置。因此工作人員就沒(méi)有必要進(jìn)行確切的照準(zhǔn)以及調(diào)焦，只需要大概的照準(zhǔn)反射棱鏡，TCA自動(dòng)全站儀就能夠找到準(zhǔn)確目標(biāo)，同時(shí)自動(dòng)照準(zhǔn)和調(diào)焦，這樣就使得工作效率大幅度提高。TCA自動(dòng)全站儀需要配合使用特定的測(cè)量軟件，這就能夠在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)觀測(cè)過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了智能化與自動(dòng)化。

對(duì)于黃桷壩水庫(kù)大壩壩頂及下游壩坡的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采取了TCA2003自動(dòng)全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該自動(dòng)全站儀是目前世界上測(cè)量最精確的儀器之一，該自動(dòng)全站儀測(cè)量測(cè)距精度范圍在±（1mm+1ppm×Dkm），標(biāo)稱(chēng)測(cè)角精度為±0.5″，單棱鏡測(cè)程為1.2km。對(duì)于大壩外部變形的監(jiān)測(cè)，則采取了（INspectiny V1.0）自動(dòng)全園測(cè)量軟件，這項(xiàng)軟件是我國(guó)自主研發(fā)的自動(dòng)全園測(cè)量系統(tǒng)。它是根據(jù)我國(guó)的觀測(cè)規(guī)范進(jìn)行合理的研發(fā)而成，界面清晰易懂，操作流程方便簡(jiǎn)單，工作人員很容易即可進(jìn)行操作。它可以對(duì)TCA2003自動(dòng)全站儀進(jìn)行控制，根據(jù)自動(dòng)全園觀測(cè)法，對(duì)大壩變形點(diǎn)的垂直角、水平角、儀器狀態(tài)以及斜距等進(jìn)行智能化采集。

4 TCA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于大壩外部變形TCA自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：TCA自動(dòng)全站儀、通訊、基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及變形點(diǎn)。

5 基準(zhǔn)控制網(wǎng)

對(duì)于大壩外部變形TCA觀測(cè)，其基準(zhǔn)控制網(wǎng)如圖1所示。

圖1 TCA基準(zhǔn)控制網(wǎng)點(diǎn)圖

選擇TCA2003自動(dòng)全站儀對(duì)基準(zhǔn)控制網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)。按照三等三角測(cè)量的要求對(duì)平面控制進(jìn)行邊角監(jiān)測(cè)。選擇DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀與條碼尺對(duì)高程進(jìn)行觀測(cè)，其中DNA03可以自動(dòng)讀數(shù)、記錄數(shù)據(jù)以及控制測(cè)站限差，選擇DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀有效的提高了工作效率和觀測(cè)的準(zhǔn)確度。

基準(zhǔn)控制網(wǎng)的計(jì)算一般會(huì)選擇NASEW95平差軟件，這項(xiàng)軟件能夠適用于所有測(cè)量控制平差的計(jì)算，也能夠?qū)Ω叱炭刂凭W(wǎng)以及所有規(guī)模的平面進(jìn)行設(shè)計(jì)、平差和概算，而且不需要進(jìn)行編程?？梢宰詣?dòng)對(duì)控制網(wǎng)路線閉合差進(jìn)行求解，并且能夠提供大量的自動(dòng)剔除與粗差定位功能。

表1

6 變形點(diǎn)的TCA監(jiān)測(cè)

變形點(diǎn)的TCA監(jiān)測(cè)主要包括：變形點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及基準(zhǔn)點(diǎn)，主要使用逐個(gè)監(jiān)測(cè)站、觀測(cè)組，分組后采用極坐標(biāo)法方法進(jìn)行變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

6.1 變形點(diǎn)的分組

因?yàn)槊恳粭l視準(zhǔn)線有著大量的變形點(diǎn)，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，不可能一下子全部監(jiān)測(cè)，所以要進(jìn)行變形點(diǎn)的分組。而且每一組的點(diǎn)不能太多，如果偏多則會(huì)使得棱鏡的使用量增多、觀測(cè)時(shí)間增加，觀測(cè)條件有了改變。每一組的點(diǎn)也不能太少，如果偏少則會(huì)使得點(diǎn)組變多，使得工作量增加。結(jié)合黃桷壩水庫(kù)大壩的監(jiān)測(cè)條件和，將大壩上的變形點(diǎn)分為2組，每組監(jiān)測(cè)的時(shí)間大約是10min。

6.2 TCA監(jiān)測(cè)

因?yàn)榇髩螇雾數(shù)淖冃尾皇呛芏?，這就要求監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度夠高。選擇TCA2003自動(dòng)全站儀進(jìn)行觀測(cè)，水平角則要采用全圓觀測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，距離與天頂距則要逐點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，在進(jìn)行距離觀測(cè)時(shí)需要確定天氣因素。EL+3和EL-3視準(zhǔn)線上的D1～D10共10個(gè)變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)采取極坐標(biāo)法，儀器布置在J1監(jiān)測(cè)站，TCA2003自動(dòng)全站儀后視E4基準(zhǔn)點(diǎn)。在監(jiān)沒(méi)變形點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)E8基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)得的E8基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)用于比對(duì)本次監(jiān)測(cè)精度的初判。

大壩壩頂EL-3和下游EL-40及EL-84視準(zhǔn)線上的D6～D17共12個(gè)變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)采取極坐標(biāo)法，儀器布置在J2監(jiān)測(cè)站，TCA2003自動(dòng)全站儀后視J1監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。在監(jiān)沒(méi)變形點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)E8基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)得的E8基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)用于比對(duì)本次監(jiān)測(cè)精度的初判。大壩壩頂?shù)腄6～D10變形點(diǎn)進(jìn)行了2次測(cè)量，可對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)比對(duì)。

7 數(shù)據(jù)分析處理

利用 Excel表格與計(jì)算軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)TCA觀測(cè)數(shù)據(jù)改正、計(jì)算和精度處理。

7.1 數(shù)據(jù)的處理程序

①應(yīng)該是輸出TCA觀測(cè)數(shù)據(jù)；②對(duì)邊長(zhǎng)進(jìn)行改化和制定高差表；③計(jì)算平差；④進(jìn)行成果表輸出；⑤輸出位移量表和圖，最后將其錄入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

7.2 成果計(jì)算

在對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正之后，將其輸進(jìn)NASEW3.0軟件，再進(jìn)行平差的處理計(jì)算。高程是把外業(yè)高差經(jīng)尺長(zhǎng)改正、閉合差改正之后，制定的高差表，計(jì)算出大壩的所有點(diǎn)的坐標(biāo)。

將大壩第一次觀測(cè)的變形點(diǎn)坐標(biāo)（X′p1、Y′p1、Zp1）當(dāng)做初始值，故此每個(gè)變形點(diǎn)的變形量是：△X′p=X′p-X′p1、△Y′p=Y′p-Y′p1、△Zp=Zp-Zp1。

7.3 位移量表、圖

把每個(gè)變形點(diǎn)的坐標(biāo)輸進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)程序可以得到每一個(gè)變形點(diǎn)的位移量，還有成果輸出。把每個(gè)變形點(diǎn)的位移量輸進(jìn)表格，則會(huì)自動(dòng)編制出垂直位移量圖與主變形位移量（見(jiàn)表1）。

8 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用TCA2003自動(dòng)全站儀可以有效的對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且還能夠自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，降低了人為誤差因素，有效的提高了工作效率，從而使得監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確。

[1]黃聲亨，尹 暉，蔣 征.變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

[2]喻興旺，程鳴堅(jiān)，徐忠陽(yáng)，等.TCA2003全站儀在港口灣水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2015，27（5）：48～50.

[3]趙景瞻.TCA2003全站儀及其在二灘大壩外部變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2015，26（2）：34～38.

TP242

A

2095-2066（2016）24-0045-02

2016-8-15