刘朋俊 丁万庆 况福华 周国庆（测绘总队）

[摘要]介绍了变形监测系统的硬件与软件构成，对差分测量和常规测量两种观测方案进行了比较、分析，然后对TC2002人工观测结果与TCA2003自动观测结果进行了对比，形成了集TCA2003全站仪实现野外数据采集、内业数据处理，建立变形监测数据库，实现对变形监测数据的综合管理与变形分析于一体的自动化变形监测系统。

[关键词] 外部变形监测 自动化系统 TCA系列全站仪 小浪底工程

1  引言

    随着电子技术的发展，各种精密测量仪器不断出现，为测绘技术的发展提供了广阔的前景。工程测量所使用的光学经纬仪和电磁波测距仪已逐渐被电子全站仪所取代。近期，由徕卡公司推出的TCA系列全站仪，是采用马达驱动和软件控制的TPS（Total station Position system）系统，它是智能型全站仪结合激光、通讯及CCD技术，集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标、遥控、自动记录数据于一体的测量系统。TCA系列智能全站仪又称“测量机器人”，它以其独特的智能化、自动化性能应用于变形监测中，使用户轻松自如的获取变形观测数据，及时进行监测预报。本文通过小浪底工程坝顶EL283视准线监测方案的设计及项目的实施，探讨了利用新一代智能型全站仪TCA2003进行野外自动化数据采集、内业数据处理，建立变形监测数据库，实现对变形监测数据的综合管理与变形分析于一体的自动化变形监测系统。

2 变形监测系统的构成及特点

    变形监测系统由系统硬件和系统软件两部分构成。

2.1系统的硬件构成

    变形监测系统如图1所示，由五部分组成：监测站、控制计算机房、基准点、变形点和测量机器人(如TCA2003)。

    监测站：根据现场条件，选择自动变形监测系统监测站。该站需建观测墩，安置测量机器人（如TCA2003）。为了仪器防护、保温等需要，并保证有较好的通视条件，还需专门设计、建造观测房。

    控制计算机房：控制计算机房一般选设在办公区附近，有较好的供电等条件。机房内的计算机通过通讯电缆或数据电台和监测站全站仪相联。在控制机房能实时了解监测站全站仪的运行情况。另外，通过埋设于机房与监测站的专用电缆给全站仪供电。

    基准点：在变形区以外，需建多个稳定的基准点。

    变形点：根据需要，在变形体上选择若干变形监测点，每个监测点上安置有对准监测站的单棱镜。

    自动化全站仪：TCA2003智能全站仪标称测角精度为0. ″5，测距精度为（1mm+1ppm*D）（D为被测距离）。测程范围：单棱镜可达2500米，三棱镜可达3500米。本全站仪由马达驱动，在望远镜中安有同轴自动目标识别装置ATR（Automatic Target Recognition）,能自动瞄准普通棱镜进行测量。可采用电子气泡精确整平仪器，并采用图形和数字形式显示垂直轴的纵、横向倾斜量，只需将仪器整平至10″即可，具有纵、横轴自动补偿器，提高了仪器整平精度。仪器内置的Flash存贮器可装载应用软件，并独立运行于仪器上。数据存贮在SRAM存贮卡上，也可用通讯电缆或数据电台与计算机连接由计算机存贮数据并控制全站仪。

2.2  系统的软件构成

    目前，我们接触到的系统软件有两套。一套为Apswin+MRDiff自动极坐标实时差分系统；另一套为Inspector加后处理，即大坝变形监测及大地控制测量自动控制网及检验机载软件加数据后处理软件。

2.2.1 Apswin+MRDiff+DSREP监测系统

    Apswin是瑞士徕卡公司推出的自动极坐标系统。该软件控制TCA自动化全站仪，按极坐标的方式智能化的实时采集目标点的水平角、垂直角和斜距，并显示仪器的状态信息。MRDiff+DSREP是解放军信息工程大学测绘学院研制开发的多重实时差分软件和变形点信息报表软件。MRDiff挂接到Apswin中，主要完成大气等条件的变化对极坐标测量系统误差的实时差分改正；DSREP跟踪变形点测量信息，自动形成动态三维报表。如日报表、月报表和年报表。并可输入每日的库水位、气温及风向、风力等。

2.2.2 Inspector+后处理系统

    本系统主要由机载Inspector数据采集软件、变形观测数据准备软件、变形观测数据处理系统组成。机载Inspector软件的作业模式和限差控制是按照我国现行的有关规范要求，可进行边角网、测边网、测角网和极坐标网的全圆多测回作业。该模式不但适用于变形监测网作业，而且能对大地控制网进行观测。机载Inspector软件可独立运行于仪器上，外业不需要附加额外的笔记本电脑和电源、电缆等外部设备，降低了系统的成本。

    Inspector软件可以在全站仪上内置数据库，建立起实际大坝变观监测网基准点及变形点的概略坐标数据库。当全站仪实时安置在某个基准点上，完成点位判别和度盘定向后，仪器将按机载软件预先在此点上设定的观测点集、顺序以及规定测回数依次对观测目标进行边、角测量，实时将观测结果记录到全站仪SRAM存储卡的文件中，并将实时采集的数据与相关规范的限差自动进行比对，若超差则报警，弹出对话框等待人工干予。当最终取得合格外业观测数据文件后与内业计算机变形观测数据处理系统软件接口，直接将观测数据送入处理系统。

    变形观测数据准备软件可以在存贮卡上建立基准点及已有变形点坐标数据库，并备份在计算机上，以备复测时调用。通过变形观测数据准备软件对观测数据进行处理，打印输出或按文本文件形式输出，为网平差提供数据。

    变形观测数据处理系统调用变形观测数据并形成OBS数据格式文件，利用清华山维控制网平差软件NASEW进行控制网平差，并做精度评定。读取平差成果中的点位坐标加入变形观测数据库，并对多期成果进行比较，相邻两次观测结果比较，每期变形观测结果与初始值比较，输出变形量图表。

3 Inspector+后处理变形监测系统作业流程

3.1 外业数据采集

    对已有二维坐标的变形点进行观测时，首先将Inspector机载软件加载到全站仪，然后利用变形观测数据准备软件建立工作基点及变形点的二维坐标数据库，并存贮在仪器的SRAM存贮卡上。操作全站仪设置外业观测参数，TCA2003智能全站仪自动搜索目标，进行外业数据采集，观测数据存贮在SRAM存贮卡上。

3.2 内业数据处理

    将SRAM存贮卡中的数据调入计算机，利用数据处理软件对水平角、垂直角进行测站平差，并对所测的斜距进行气象改正、倾斜改正、投影改正、折光改正以及测距仪常数改正。最后将水平角和改化后的平距调入并形成obs数据格式，利用清华山维NASEW控制网平差软件进行平差计算。

3.3 数据管理及成果输出

    将平差结果（二维坐标）调入小浪底变形观测数据库，由数据库完成本期观测值与基准值及上一期观测值的对比分析后，输出变形点成果表、位移量成果表、位移量图和变化趋势图。

4  实验方案及数据精度

    变形观测数据处理系统中有两种数据处理方法：差分数据处理和常规数据处理。为了验证这两种观测方案的数据处理精度，布设了以下两种实验方案。

4.1 差分极坐标方案

    为了充分发挥TCA2003智能全站仪的优越性，减少作业员的工作量，测距时不进行温度和气压的测定，直接得到变形点的三维坐标。采用极坐标法进行施测，然后对施测结果进行差分处理。即：按极坐标的方法测量测站点（基准点）至其它基准点和变形点的斜距、水平角和垂直角（见图1），将测站点至具有代表性气象条件的基准点测量值与其基准值（基准网的测量值）相比，求得差值。由于变形观测采用同样的仪器和作业方法，并且基准点均埋设在基岩上，认为基准点是稳定的，故将这一差值认为是受外界条件影响的结果。每站观测可以在短时间内完成，并且是基准点和变形点同时观测，可以认为外界条件对基准点和变形点的影响是相关的，可把基准点的差异加到变形点的观测值上进行差分处理，计算变形点的三维位移量。

4.1.1 差分测量原理

    由于气温和气压对距离影响较大，大气折光和球气差对垂直角影响较大，因此主要对距离和高差进行差分。

    （1）距离的差分改正。监测站和基准点建立在基岩上，认为它们之间的距离是稳定不变的。设监测站至某基准点1和基准点2的已知斜距分别为、，在变形监测过程中，某一时刻实测的斜距分别为、，按下式可求出气象改正比例系数：

 (1)

实测测站至某变形点的斜距为，则经气象差分改正后的斜距为：

 (2)

    （2）高差的差分改正和平距计算。在极坐标的单向测量中，由于大气折光和球气差的影响，要对所测的高差进行差分处理。基准点与测站点之间的高差是已知的，实测得监测站与基准点1、基准点2的高差分别为、：  (3)

式中，棗垂直角；

      棗仪器高；

      棗棱镜高。

根据下式可求出高差改正系数：

 (4)

利用两个基准点按（4）式求得高差改正系数，由于测量时间较短，可以认为值对基准点与变形点的影响是相同的，故按下式可求出变形点与监测站之间经高差改正后的高差：

 (5)

求得监测站与各变形点间的斜距和高差后，按下式可求出监测站至变形点间的平距：

 (6)

    （3）变形点坐标的计算。综合以上各项差分改正，按极坐标计算公式可准确求出每周期各变形点的坐标：

 (7)

式中：——为监测站至变形点的方位角；

      ——为监测站的坐标值和高程值。

4.1.2差分测量试验

    大型水利工程的变形监测要求精度较高，为研究差分方法的精度，进行了实验。实验方案如下：利用6个已有的工作基点，将其中一个作为基准站，选择另外两个作为基准点1和基准点2，其它三个作为变形点，采用极坐标法对基准点和变形点进行施测。利用所测基准站至基准点1、基准点2的距离和角度与原有的成果，计算差分改正比例系数、，根据差分原理计算出变形点的三维坐标，并与原成果进行比较见表1。由表1中数据可以看出，平面坐标精度较好，△S最大为3.2mm，基本可满足精度要求不太高的监测网。通过这次实验，发现差分后坐标的精度与监测点相互间的距离和测站至各测点之间的距离关系较大，当测点分布比较分散且距离较远时，差分后的精度要差一些。

    差分后坐标与已知坐标比较 表1

    当监测部位在每个周期中的变形量较大时，采用差分处理方法方便快捷，但在精度要求较高，或对基点网进行复测时，精度不能满足要求，这就要求采用更加严密的作业、计算方法。 

4.2 观测方案及精度对比

4.2.1  观测方案。结合小浪底变形监测的进度情况，对小浪底大坝下游坝顶EL283视准线进行监测。由于小浪底为土石坝，坝顶测点位移量较大，位移量往往超出活动觇牌的量程，无法用视准线法进行观测。且EL283视准线较长，坝下制高点少，给变形观测带来一定的难度。根据地形条件，确定在大坝下游EL283视准线上采用边角交会的方法对其进行监测。

    大坝施工期间，承包商在大坝两端造埋了大量的观测墩，从中选择位于基岩上的4个点（SZX1、SZX2、SZX3、SZX4）；并以变形网中的一等点基1、基2作为工作基点网的起算点，组成具有6个点的基点网。大坝下游EL283视准线中间有两个转折，为了使水平位移△X、△Y分别代表监测点在坝轴线方向和垂直于坝轴线方向的偏移量，将其分为三个网建立各自独立的坐标系。

    水平角观测和距离采用[±0.5″、±（1mm+1ppm）]级TCA2003和TC2002全站仪以相同的条件，采用相同的观测纲要同时进行。基点网：水平角观测6测回，距离双程观测4测回；监测网：水平角观测4测回，距离单程观测2测回。视准线的水平位移监测，采用TC2002人工进行首次施测，各监测点取得了初始值。第一次复测时，采用TC2002全站仪人工观测的同时，用TCA2003对视准线上均匀分布的8个监测点同时进行了观测。

4.2.2  观测精度比较。对TC2002人工观测成果与TCA2003自动观测成果进行数据处理，利用测站平差后的水平角和改化后的平距采用清华山维NASEW控制网平差软件按方向进行平差。对施测精度和平差后的坐标进行了对比，详细情况见表2和表3。

TC2002人工与TCA2003自动观测精度比较表 表2

TC2002人工与TCA2003自动观测坐标比较表 表3

    由表2可以看出，TCA2003自动观测的整体精度略高于TC2002人工观测的精度。由表3可以看出，TCA2003自动观测和TC2002人工观测平差后坐标基本一致，△X最大为-1.4mm，△Y最大为-1.6mm，则△S最大为2.1mm。根据两种方法绘制的大坝主变形方向的变化线基本吻合，见图2。从以上数据的比较结果中可以得出结论，TCA2003自动观测精度能够满足变形观测的精度要求。

5 成果输出及资料分析

    采用清华山维控制网平差软件NASEW进行平差计算，得到变形点的X、Y坐标及精度评定（点位精度、点位误差椭圆、测角中误差、最弱边边长中误差）。向观测数据库调入变形点的平差成果（X、Y坐标），然后对变形点多期的坐标进行比较，相邻测次间和各次与初始值比较，形成相应的报表与变形图。大坝下游EL283视准线第十次复测成果见表4，主变形（Y）方向偏移量见图3。

    由图3 可以看出变形点在垂直坝轴线方向的变形情况。变形点建造在150多米高的土石坝顶，目前小浪底水库正处于蓄水期，由于水位抬高，大坝上游面压力增大，因此大坝在垂直于坝轴线方向呈向下游位移。小浪底库区为V型河谷，大坝上游中部水最深，所受的压力最大，因此大坝中部变形最大。大坝两端坐在基岩上，相对比较稳定，变形量较小，且相邻周期间的变形基本相同。

大坝下游EL283视准线位移量表 表4

6  结语

    黄河小浪底工程外部变形监测自动化系统，从仪器设备到软件的开发，以及变形控制网的布设，均采用了现代新技术和科学的管理方法。TCA2003用于工程变形监测可以实现全自动化，具有以下明显的特点和优势：

6.1 无人值守，完全自动。系统能对各个监测点进行全自动（定时或连续）长期监测，无论酷暑严冬、刮风下雨、白天黑夜从不间断，不丢失信息；尤其是在监测点行将崩塌，人不可到达时，监测仍能继续，便于取得崩塌期间最宝贵的数据。

6.2 监测精度高。系统能以目前大地测量方法所能达到最高精度?毫米级精度测定监测点的位移。如此高的精度对尽早发现异常，分析变形规律，将灾害消灭在萌芽状态以及确切进行预警和预报非常必要。

6.3 实时处理，可视化显示。系统经计算机采集的数据是实时处理和可视化显示的---测边和监测点三维坐标测量的结果是实时处理，而不是多少个小时的数据处理结果。这保证真实再现现场情况，便于洞察变化趋势，尤其在抗洪等紧要关头，能给领导决策提供科学依据。

6.4 可靠性高，运行成本低。系统构成主要由全站仪、计算机和它们之间的通讯、供电电缆组成。控制软件按“傻瓜”要求设计的，可以按无人值守长期连续工作型，还可以按半自动、人工操作方式运行。因此故障率低，维护比较方便，运行成本较低。仪器可自动处理停电后续测、数据永久存储等。

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