徕卡大坝外观形变自动化监测系统及其在我国大坝安全监测中的

徕卡大坝外观形变自动化监测系统及其在我国大坝安全监测中的 徕卡大坝外观形变自动化监测系统 及其在我国大坝安全监测中的应用徕卡测量系统发展简史 1819 在瑞士Aarau 成立Kern 公司 1921 在瑞士Heerbrugg 创立Wild 公司 1970 在新加坡成立第一家国际性工厂 1986 与德国Leitz 合并,成为Wild Leitz 集团 1988 Wild Leitz 收购瑞士Kern 公司 1990 与英国Cambridge 仪器公司合组Leica 集团 1994 收购美国Magnavox 公司GPS 部 1997 徕卡集团分为相机、显微镜系统和测量系统三个独立公司 与美国Helava 合组LH 系统公司 与ESRI 战略联盟 2000 徕卡测量系统在瑞士上市 购买美国Cyra 公司少量股份 增购加拿大NovaLIS 股份达到31% 2001 收购美国Laser Alignment 公司 收购美国Cyra 公司 购买德国AED公司 部分股 份 (25% ) 收购LH 系统公司 美国ERDAS 公司并入Leica 徕卡测量系统业务系统划分为六大业务部门: 工程测量系统、地学空间影像测量系统、大众测量系统、 工业测量系统、HDS 高清晰测量系统和特种仪器系统 2003 收购澳洲Tritronics 公司 2004 成立 徕卡测 量系统 (上 海) 有限公 司 成立 徕卡测 量系统 (武 汉) 有限公 司徕卡大坝外观形变自动化监测系 统 及其在我国大坝安全监测中的应用徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝 外部变形监测中的应用 目 录 第一章 基本理论与技术..3 ?1-1 大坝外部变形监测现状..3 一、大坝外部变形监测工作概述3 二、目前大坝外部变形点监测的主要方法..3 三、国内大坝外部变形监测现状 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 .7 ?1-2 徕卡 TCA自动全站仪及其变形监测系统..8 一、徕卡自动全站仪的发展历程8 二、徕卡自动全站仪 TCA的先进技术12 三、自动化监测系统软件21 1. APS Win 系统..21 2. GeoMOS系统.22 第二章 大坝外部变形监测的应用实例27 ?2-1 新疆昌吉三屯河水库大坝外部变形监测系统27 一、工程概况..27 二、主要技术要求27 三、监测控制网和变形点28 ?2-2 黄河小浪底水利枢纽工程大坝外部变形监测系统.29 一、工程概况..29 二、三级监测技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .29 三、监测控制网及变形点分布..30 ?2-3 安徽港口湾水库大坝外部变形监测系统..32 一、工程概况..32 二、基准网的复测33 三、变形点的监测34 ?2-4 山西垣曲后河水库大坝外部变形监测系统.35 一、工程概况..35 二、监测系统基准网..35 三、监测系统培训与调试36 ?2-5 广东乳源南水水电厂大坝外部变形监测系统37 一、工程概况..371徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中 的应用 二、基准网的复测38 三、变形点差分监测方案38 ?2-6 黑龙江莲花水电厂大坝外部变形监测系统.40 一、工程概况..40 二、变形监测点分布与分组..40 ?2-7 浙江青山水库加固改造自动化监测系统..42 一、变形监测基准网..42 二、GeoMoS 变形自动化监测系统42 三、变形点观测.43 ?2-7 四川省攀枝花二滩水电站大坝外部变形监测系统.43 一、工程概况..43 二、二滩水电站大坝外观变形监测的意义44 三、二滩水电站大坝外观变形监测网的布设及主要技术要求.44 四、TCA自动化全站仪监测效率总结.45 后 记..46 2徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 第一章 基本理论与技术 ?1-1 大坝外部变形监测现状 一、大坝外部变形监测工作概述 大坝外部变形监测工作是保证大坝营运期内安全生产的重要一环,在大坝设 计施工和营运管理 中都是必不可少的。只有这样,才能科学管理,防范于未然。 大坝外部变形监测工作是要即时获得大坝在不同情况下的变形状况与变形 趋势,因此在大坝变 形区以外(即非变形区)必需建立监测控制网,并要对其进行定期复测。这项 工作一般在实施变形 监测工作以前就要完成。 监测控制网又称基准网,它是利用大地测量的方法来布设的。主要类型有测角网、测边网和边 角同测网,亦可用导线网,要视环境条件和施测精度要求来优化选用。具体要求可参阅相关的《规 程》和《规范》。 变形测量点可分为控制点和观测点(变形点)。控制点包括基准点、工作基点以及联系点、检核 点、定向点等,统称为工作点。控制点由施测的监测控制网得到,而变形点可以从各类控制点对其 进行观测。变形点应选设在变形体(如大坝体)能反映变形特征的位置,且便于控制点的观测。 综上所述,大坝外部变形监测工作分为两大部分,一是建立监测控制网,二是对变形点进行观 测。前者是基础性工作,除了定期复测以外,不是经常要进行的工作。而变形点的观测,是一项经 常性的工作。 二、目前大坝外部变形点监测的主要方法 大坝外部变形观测的方法按观测目的主要分为水平位移监测、垂直位移监测、三维监测等。 1. 水平位移监测 水平位移监测有如下几种方法:引张线法,视准线法,激光准直法,正、倒垂线法,前方交会 法和精密导线法等。 (1)引张线法 该法采用一条不锈钢钢丝直径 0.6~1.2mm在两端点处施加张力,使其在水平面的投影为直线 从而测出被测点相对于该直线的偏距。同视准线法相比,该法的基准线是一条物理的直线。引张线 法的特点是:受外界影响小,应用普遍。其测量精度主要取决于读数精度,人工读数精度为?0.2mm~ ?0.3mm,自动读数精度优于?0.1mm,但引张线的两端一般要设有正倒垂线,以提供测量的基准, 客观上增加了系统的成本。 昀新的引张线测量系统采用线阵 CCD 传感器实现自动读数,其量程为几厘米,精度优于? 0.1mm。引张线法的发展趋势是双向引张线,能够同时观测水平和垂直方向的位移,提高了观测效 率。 (2)视准线法3徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 视准线法用于测量直线型大坝的水平位移,对于非直线型大坝,可采用分段视准线的方法施测。 视准线法又可分为活动觇牌法和测小角法。测小角法精度稍优于活动觇牌法。视准线法的特点 是:工程造价低,精度低,不易实现全自动观测,受外界条件的影响比较大,而且变形值不能超出 系统的昀大偏距值。 提高视准线法精度及自动化程度的措施有:改进观测技术和操作方法,选用高精度的仪器,如 瑞士徕卡公司生产的 TCA2003 自动跟踪全站仪,可显著提高观测精度和自动化观测水平。 (3)激光准直法 激光准直法利用激光的单色性好和方向性强的特点,建立起一条物理的视准线作为测量基准, 根据测量原理的不同可分为直接准直和衍射法准直,后者精度高于前者。对于衍射法准直,根据其 传播介质不同,主要有 2 种方式:大气激光准直和真空激光准直。 a. 大气激光准直 大气激光准直让激光直接在大气中传播,应用对象是坝长小于 300m、坝高较低的大坝,如泉 -5 -6 水双曲薄拱坝(坝长 109m),测量相对精度为 10 ~10 。大气激光准直由于受大气折射及湍流影响 而引起光束的抖动,测量精度低且不易实现自动化观测。昀新发展是采用 CCD技术,消除了光斑随 机抖动的难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,实现了自动化监测,测量精度达?0.1mm,在南桠河闸坝顶及 陕西韩城电厂等工程 中有着成功的应用。 b 真空激光准直 真空激光准直将波带板激光准直系统置于一个真空管道中,减少了光束的折射和抖动的误差, -7 -7 综合精度高达 1×10 ~2×10 ,与引张线法相当,主要用于长坝、高坝的变形观测,已成功应用于 太平哨、丰满、龚咀、云峰、桓仁、宝珠寺等工程。激光准直法的发展方向是双向位移观测垂直位 移和上下游水平位移,在两端点处安装倒垂线作为水平位移的基准点,安装双金属标作为垂直位移 的基准以实现双向位移观测。另外为了拓展其应用空间,可考虑实现真空激光转角,使其亦可用于 曲线型大坝的变形观测。 (4)正、倒垂线法 正、倒垂线既可以实现水平位移监测,又可实现土坝的挠度观测。正垂线是一端固定于坝顶附 近,另一端悬挂重锤,以便观测坝体各点间及坝体相对于坝基的位移观测,以及坝体的挠度观测。 倒垂线是一端埋设在大坝基础深层基岩处,另一端浮起,来测定大坝的绝对位移。 新近研制的垂线观测仪采用线阵 CCD 传感器实现自动读数,在 x,y 方向上的坐标精度优于? 0.1mm。 (5)前方交会法 对于拱坝的拱冠或下游面等观测效率比较低或观测位置不易到达的点位进行观测时,可以用角 度前方交会法测定其水平位移。 前方交会的误差源有:测角误差,交会角及图形结构、基线长度、外界条件的变化等因素。其 实际精度一般为?1mm~?3mm,精度较低,另外其测量和计算过程复杂,因此不单独使用,而是 作为备用手段或配合其他方法使用。 (6)精密导线法 精密导线作为监测拱坝水平位移的方法,应用比较广泛,但量边工作量大,测角的旁折光影响 大。为克服这些问题,宜布设成类似于高能物理加速器工程中的测高直伸环形网,通过测量狭长三 4徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 角形的边长和高的途径来间接提高测角精度,从而避免旁折光的影响。该法的精度取决于量边精度, 如果用铟瓦尺量边,精度完全可以达到亚毫米级。但观测方法繁琐,计算复杂,误差逐点累加,可 靠性差,工作效率低。 2. 垂直位移监测 垂直位移监测主要有几何水准法和流体静力水准法连通管法。 (1)几何水准法 几何水准法是垂直位移监测的主要方法,精度容易满足。主要的测量工作有: a. 由水准基准点校测各工作基点,对混凝土大坝和土坝分别用一、二等水准测量; b 用工作基点测定各变形点,较上述要求可降低一个等级。 几何水准法可以满足大部分要求,主要问题是观测自动化问题,目前可考虑采用电子水准仪每 公里往返测高差中误差?0.3mm~?0.4mm,可以显著提高工作效率。 (2)流体静力水准法 流体静力水准法测量原理是连通管原理。用连通管法测定垂直位移,一般可采用移动式的连通 管,根据起测基点的高程,通过连通管测得的高差,来引测标点的高程。连通管由胶管、玻璃管及 刻划尺等组成。该法不受大气折光的影响,很容易实现读数及传输的自动化,测量精度优于?0.1mm, 在垂直位移监测中有着广泛的应用。但连通管法受温度的影响较大,不够稳定,而且测点基本上要 处于同一水平位置,高差测量范围较小。近年来研制开发出了通过压力传感器测量液体压力的变化 来计算高差变化的仪器,扩大了测量范围。 3. 三维位移监测 以上各种监测方法是将变形点的水平位移和垂直位移分别施测,测量成果不具有同时性,降低 了成果的科学性和使用价值,而且采用常规方法观测周期长,无法实时地了解建筑物的变形情况。 随着测量仪器和测量技术的发展,这些问题已经基本上得到了解决。目前已研制出能实时连续观测 变形点水平位移和垂直位移的测量系统,由于此系统测量的是变形点的三维位移值,故称为“三维 位移监测系统”,按其原理和观测方法可分为 GPS 法、距离交会法、极坐标差分法。 (1)GPS 法 该系统由武汉大学测绘学院完成,用于清江隔河岩水库大坝监测。GPS 测量不需要测量点间通 视,但要求对空通视。在数百米到 1~2km 的短基线上 GPS 测量可以获得亚毫米级的定位精度。该 系统主要有数据采集、总控、数据处理、分析、管理 5 大模块。数据采集部分有 2 个基准点,5 个 变形点,因此共有 7 台 AshtechZ-12 接收机;数据传输因为数据量非常庞大,采用局域网传输;数 据处理结果有 1~2h 解和 6h 解,1~2h 观测的水平精度优于?1mm,垂直精 度优于?1.5mm,6h 观 测的水平精度优于?0.5mm,垂直精度优于?1mm,而 GPS 瞬时观测的水平位移精度为?3mm~? 5mm,垂直位移精度为?8mm。 该系统能够实现自动连续观测,精度高,但有以下缺点需要克服:a. 不能实时得到观测数据; b. 观测点必须对空开阔,不能少于 4 颗卫星;c. 每增加一个观测点就必须添加一台 GPS 接收机, 成本较高。对此问题的解决依赖于用一台接收机接收多个天线的办法实现。 (2)TPS距离交会法 该法由中南工大学提出,其全称为“SMDAMS 亚毫米级精度大坝变形自动观测系统”,在五强 5徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 溪大坝有成功的应用。中南工大学认为,对于测角标称精度为?0.5〃,测距标称精度为?1mm+1 -6 ×10 ×D的自动跟踪全站仪,由于大气折射与自动照准误差的影响,实际测角精度为?2〃,因大 -6 气代表性误差等影响使测距精度降为 4×10 ,不能实现大坝监测所要求的亚毫米级精度,因此解决 办法是:不用角度信息,只用距离信息;距离信息施加各种改正,使其达到亚 毫米级。主要步骤有: a. 用测边和三边交会法确定变形点的 3 维坐标,三边是不在同一平面上的 3 条边,点位的平面 坐标用两条互相垂直的边交会确定; b. 用频率校准仪、高稳定度高精度温度计、气压计与湿度计等对所测边长施加频率改正和气象 改正; c. 用自动周日观测技术测定大气代表性误差规律,削弱大气代表性误差的影响。通过这些改造, -6 -6 系统昀终的测距精度为? 0.2mm+0.3×10 ×D~0.2mm+0.4×10 ×D,可以实现 1km 左右距离上 亚毫米级的监测精度,在某些场合取代 ME5000 将有更高的性能价格比。 该系统的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 配置包括,一套高精度自动测距系统(其构成见图)、数据通信设备、反射棱镜 组、系统软件、中央控制室主计算机等。由于该方法需要在野外建立高精度的观测基线,故此系统 适用于大坝、桥梁的变形观测,目前无法用到地铁结构的变形观测中。另外,由于整套系统费用较 高,目前还没有成功的实际应用。 (3)TPS极坐标差分法 该方法采用瑞士 Leica 公司的具有 ATR(自动目标识别)功能的 TCA系列 的全站仪(又称测量 -6 机器人)进行作业,如 TCA2003 全站仪,其标称精度测角为?0.5〃,测距为?1mm+1×10 ×D; -6 TCA1800 全站仪,其标称精度测角为?1〃,测距为?1mm+2×10 ×D,该系列仪器能对目标进 行自动搜索、自动照准、自动观测,实现角度、距离测量自动化,其测量原理是极坐标法。该系统 的标准配置包括 TCA全站仪、APSWin 或 GeoMoS软件、精度数字式温度计、气压计。此系统已成 功地应用于香港九龙塘地铁隧道运营监测,新加坡地铁公司已将其作为常规装备用于地铁监测。 按照 TCA全站仪的标称精度,显然达不到亚毫米级,必须采用先进的数据处理方法来进行修正 测量值。为此解放军信息工程大学测绘学院将该套系统作了改进,舍去了高精度数字式温度计、气 压计,实现了原理创新。其基本思路是:由于测量实现了自动化,使得观测时间缩短,在短时间内, 大气环境可视为相对不变,故利用基准点的观测信息,在无需测量气象元素的条件下实现大气折射、 大气折光的实时差分改正,测试结果显示,在 200m的距离上,距离测量精度 为?0.2mm,水平方向 测量精度为?0.24〃,坐标测量精度达?0.2mm,说明在近距离上达到了比较高的精度。该系统配置 有 TCA全站仪、APSWin 监测软件、RMDiff 实时差分改正软件、光学反射棱镜,已成功地应用于 新疆昌吉市三屯河水库大坝的外部变形观测,其系统的组成框图如下所示。此系统经过近一年的运 行,观测资料的变化规律基本上与大坝变形特征相一致,说明系统是成功的。 该系统的特点是:差分方案达到亚毫米级,减少了气象仪器,全天 24h 无人值守,获取 3 维坐 标信息,反射棱镜价格低廉,有利于增加变形点数。 此后,解放军信息工程大学测绘学院又研制出了 ADMS 自动变形观测软件,这是完全本地化 的软件,该软件将自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势等智能化的功能合为 一体,是进行各类建筑物自动变形观测、滑坡监测、露天矿开采及指导隧道机械掘进的理想系统, 完全替代了国外的 APSWin 软件。 该系统在 2001 年的广州地铁一号线陈家祠站“非地铁施工时对地铁结构的影响”项目中,应 6徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 用非常成功。此外,还成功地用在了宁波招宝山大桥、湖南澧县艳州水电站、 宜昌宜陵长江大桥、 山西后河水库等项目的变形观测中。 (3)GPS+TPS 联合作业法 GPS 技术已得到广泛的应用,从精密控制网的建立方面有其独特的优势。GPS 控制网不需要控 制点之间直接通视,可在大的区域进行实施。如在我国研究地壳板块运动的网络工程中,就采用 GPS 技术。TPS控制网相对而言,控制的面积小,而且控制点之间要能直接通视。尤其是使用 ATR 功能, 只能在一公里以内测量。 在 GPS 测站上,均要有一部仪器才能进行作业。在 TPS测站上有仪器,而镜站上只需有一个反 光棱镜即可。所以相对于 GPS 的控制网而言,TPS控制网投资要少一些,使用起来要便捷一些。这 两种技术,在大坝外部变形监测中可以视工程具体情况,取长补短相互搭配使用, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出昀优的监 测方案。 三、国内大坝外部变形监测现状分析 1. 老方案使用老的监测仪器 老方案是指上个世纪九十年代以前所提出的《规程》、《规范》中所界定的方案,都是将水平位 移和垂直位移(沉降)分开,用不同类型的仪器与方法在不同时间测得的。即 上述提到的引张线法、 视准线法等。老方案使用老的监测仪器,从常规测量而言,水平位移昀早使用的是 T3 光学经纬仪, 直到 T3 停产以后为 T2000S和 T3000电子经纬仪所代替。垂直位移使用 N3 光学水准仪,以后为 NA3000 电子水准仪所代替。控制网的测量多采用常规大地测量的测角网方案实施,有了高精度的 测距仪 ME3000和 ME5000 即可施测边角同测网,以提高点位精度。 2. 老方案使用新的监测仪器 随着科学技术的不断进步,国外仪器也不断更新换代,性能日趋完善与提高。由手工的模拟量 测量、人工纸质记录到手工数字量测量、自动磁介质记录,直到现在的自动全站仪 TCA自动数字测 量,数据的自动记录、传输与处理,整个测量过程完全由计算机控制,无需人工干预。而我国大坝 管理的《规程》、 《规范》还来不及跟上新仪器、新技术的发展,仍然停留在原有老方案的旧框架中。 此时,购买不到老的仪器了,可以用新的自动全站仪 TCA来代替。由于这类仪器是全自动的,完全 可以按照我国传统的老方案进行控制网的测量和变形点的监测工作。方案不变,而且还能自动化测 量,提高工效,是用户容易接纳的一种过渡性的使用方法。这种方式在国内用 户中占有相当大的市 场份额。 3. 新方案使用新的监测仪器 老方案是将水平位移和垂直位移分开测量,而且无法实现无人值守的数据自动采集、传输与处 理,在应急情况下就束手无策了。新方案是前面所介绍的三维位移监测方案,在固定的测站上安置 自动化全站仪 TCA,配合自动监测软件,在计算机的控制下实施全自动的工作。无需人工干预全自 动的采集、传输与处理变形点的三维数据。利用因特网或其他局域网,还可实现远程监控管理。这 是大坝监测实现完全自动化的昀高昀新境界??自动化、智能化、网络化。7徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 ?1-2 徕卡TCA自动全站仪及其变形监测系统 一、徕卡自动全站仪的发展历程 徕卡是一个国际品牌,是世界测量仪器发展的先行者。早在上个世纪 80 年代的中后期就着手自 动全站仪的研制开发与定型生产。到目前为止,这项技?与产品是十分成熟与完善的,不但在高端 仪器有这种配置,在中低端仪器也用上了。可以说是十年磨一剑,绝功献精品。 下面就概要回眸自动全站仪的发展历程。 1988 年 TM3000 系列 该系列有三种仪器图 1.1所示 TM3000V带有 CCD功能 TM3000L 带有激光投点 TM3000D带有 EDM 功能 图 1.1 TM3000 系列仪器照片 该系统是在精密电子经纬仪 T3000 的基础上开发的,保持高精度稳定可靠的优良特性,水平 角和垂直角的测角精度均为 0.5〃,机身重量约 13 公斤。水平和垂直轴系由马达驱动,CCD系统 自动照准目标,还能自动调焦。 该系统特?适用于变形监测,亦可组成自动工业测量系统 ATM3000。所有的工作由计算机控 制进行图 1.2所示。 大坝监测自动工业测量系统 图 1.2 TM3000 系列仪器应用 8徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 1990 年 APS 监测软件与 TM3000V/D组成自动监测系统 APS(Automatic Polar coordinates System)自动极座标系统是在 DOS 操作平台上开发的软件, 这是徕卡昀早推出的变形监测软件。已成功用于国外的大坝监测之中,我国还未引进。 1995 年 TCA1000 系列自动全站仪 该系列有四种仪器 TCA1100/TCA1500/TCA1700/TCA1800 测角精度3〃/2〃/1.5〃/ 1〃 测距精度 2mm+2ppmD 单棱镜测程 2.5Km 机身重量 7.1Kg图 1.3 TCA1000 系列 这类仪器除精度以外其他主要性能要优于 TM3000 系列,集成度高了,主要功能有: ? 自动照准:具有 ATR(Automatic Target Recognition)功能,即自动目标识别功能。使测量 工作更省力、更精确。在 1000 米距离内,不分白天夜晚均可自动照准目标棱镜。 ? 锁定跟踪:在锁定(Lock)模式,当照准目标后,目标移动时,仪器能自动跟踪目标。这 对于组成单人测量系统特别有利,也可用于动态测量。 ? 用户编程:徕卡于 1994 年推出的开放的测量世界??OSW 理念的基础上,并提供了编程 的基本工具 GeoCOM 和 GeoBASIC,用户可根据需要选用。 ? 联机控制:有两种模式:一是在线模式“online”,全站仪由计算机控制,也称有线式;另 一种为遥控模式“Remote”,徕卡选配件有 RCS1000 系统,利用 RCS无线遥控器,可以在 镜站操作仪器。 1997~1998年 相继发布 APS Win 1.3V和 APS Win 1.4V 相继发布在 Windows 平台上的极坐标系统软件 APS Win 1.3V和 APS Win 1.4V,同时推出两款 高精度的自动全站仪: TCA2003TCA1800测角精度 0.5〃 1〃测距精度 1mm+1ppmD 1mm+2ppmD 1999~2003年 TCA1100 系列自动全站仪和 GeoMOS 专业监测软件 该系列同样具备 TCA1000 系列仪器的功能,机身更轻,测量和搜索的速度更快。特?是“plus” 型仪器,在短时间距离测量和自动识别目标方面有更优越的性能。 9徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 TCA1105/TCA1103/TCA1102/TCA1101 测角精度 5〃/3〃/2〃/ 1.5〃 测距精度 2mm+2ppmD单棱镜测程3.0Km 机身重量 4.9Kg 图 1.4 TCA1100 系列 GeoMoS监测软件在 APS Win 的基础上更加智能化、网络化、模块化和多用性。可以接入各种 类型的监测传感器,如 GPS、TPS、气温气压计等。这样就增加使用的灵活性和监测预报分析的整 体要求,是现代自动化监测的昀优化方案。 2004 年 徕卡 1200 联合作业系统 该系统是由 GPS1200和 TPS1200 组成,可称为积木式的超站仪系统(Super Total Station) 。TPS 测角精度有 1〃~5〃多种选型,测距精度均为 2mm+2ppmD,单棱镜测程 3km,机身重约 5kg。 徕卡 1200 系统按昀严格的标准,昀先进的测量技术进行设计生产。具有高效性和高可靠性,可 以完成任何恶劣环境的工作。系统的用户操作界面通俗易懂功能完备,可用户编程。所有的操作性 能特点对于 1200 系统中的 GPS 和 TPS 两种仪器都是通用的,操作者可在两者之间直接切?使用。 学会其中一种就能掌握两种仪器的操作,不需额外培训。 GPS1200 TPS1200 图 1.5徕卡 1200 联合作业系统10徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 图 1.6 徕卡 1200 系统联合作业示意图 徕卡 1200 系统昀大的特点就是强大的数据管理系统。 TPS、GPS 和 LGO(Leica Geo Office)的 数据格式都相同,这就使仪器互相之间、电脑和仪器之间的无缝数据链接交?可随意进行。附加模 块扩展了 LGO的基本功能。所有的附加模块基于同样的设计理念,能在无缝数据链接的情况下实现 工作,从而使整个测量工作达到昀高效率。 2005 年 徕卡 Smartstaton 系统 该系统将 GPS1200 和 TPS1200 集成于一台设备之中,可称为集成式超站仪 系统。 图1.7 徕卡 Smartstaton 系统介绍 这是全世界的第一台,测量仪器划时代的里程碑。在全球的任何地方,不需要长距离引测控制 点,随时随地可以独立开展测量工作。11徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 测量工作变得更加便捷、快速和前卫??测量仪器发展的新境界。 二、徕卡自动全站仪TCA 的先进技术 1. 原理介绍 全站仪发射红外光束,并利用自准直原理和 CCD 图象处理功能,无论在白天还是黑夜,都能实 现目标的自动识别、照准与跟踪。这是徕卡全站仪向自动全站仪迈进的关键一步。图 1.8 TCA全站仪望远镜系统在全站仪望远镜里面,安装了一个 CCD(Charge Coupled Device)阵列用作图像处理,如图 1.8 所示。 工作时,发射二极管(CCD光源)发射一束红外激光,通过光学部件被同轴地投影在望远镜轴 上,从物镜口发射出去,由测距反射棱镜进行反射。望远镜里专用分光镜将反射回来的 ATR光束与 可见光、测距光束分离出来,引导 ATR 光束至 CCD阵列上,形成光点,其位置以 CCD阵列的中心 作为参考点来精确地确定。CCD阵列将接收到的光信号,转换成相应的影像,通过复杂的图像处理 算法,计算出图像的中心。图像的中心就是棱镜的中心。假如 CCD阵列的中心与望远镜光轴的调整 是正确的,ATR 方式测得的水平方向和垂直角,可从 CCD阵列上图像的位置直接计算出来。 ATR 自动目标识别和照准可分为三个过程:目标搜索过程、目标照准过程和测量过程。启动 ATR 测量时,全站仪中的 CCD 相机视场内如果没有棱镜,则先进行目标搜索;一旦在视场内出现棱镜, 既刻进入目标照准过程;达到照准允许精度后,启动距离和角度的测量。 ATR 照准差的校准是提高其测量精度的重要一环。常规的 ATR 校准工作允许检查和测定 CCD 相 机的中心与望远镜光轴的重合度。测定 ATR 的照准差,必须人工将望远镜对准棱镜中心。视准线(十 字丝)和 CCD 相机中心之间在水平和垂直方向上的偏差由仪器计算出来。校准过程中确定的偏差改 正被应用在 ATR 方式下的角度测量上。当度盘扫描系统进行测量时,这些改正数被用来改正相对于 视准线的值。 如果在测角中既用 ATR 方式,又用人工方式,检查和测定 ATR 照准差则是十分必要的。因为只 12徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 有在这种情况下,两种方法才能达到昀佳匹配。 ATR 的校准可通过仪器上校 准对话框进行。 2. 精确照准 三个顺序进行的过程形成了精确定位的特点:搜索过程、目标照准过程和测量过程。 在手动对棱镜粗略进行照准之后,ATR 的精确定位将是完全自动的。首先 ATR 检查粗略照准的 棱镜是否位于望远镜的视场里面,如果它探测不到棱镜,它将从头开始搜索过程即望远镜进行螺旋 式的连续运动。扫描的速度可以选择以便使被扫描区域里影像之间没有间隙。一俟探测到棱镜,望 远镜马上停止运动。如图 1.9 所示。 当使用 ATR测量技术的时候,没有必要十分严格地手工照准棱镜中心来确定水平方向和垂直角。 定位时,马达螺旋式地转动望远镜来照准棱镜的中心并使之处于预先设定的限差之内,一般情况下, 十字丝只是位于棱镜中心附近。它之所以没有定位于棱镜中心,是为了优化测量速度。因为确定十 字丝和光学照准间的偏差比靠马达准确地定位于棱镜中心要快些。图 1.9 ATR扫描 为确定偏差,ATR 测量十字丝和棱镜中心间的水平和垂直偏移量。这些偏移量被用来改正仪器 上所显示的水平和垂直角。所以,虽然十字丝没有精确地照准棱镜中心,但它 是以棱镜中心为准的, 实质上是精确定位的。 ATR 需要一块棱镜配合进行目标识别,为了使工作更加简化,ATR 的角度测量与距离测量同时进 行。在每一测量过程中,角度偏移量都被重新确定,相应地改正了水平方向和垂直角,进而精确地 测量出距离或计算出目标点坐标。图 1.10 说明了 ATR 测量过程的顺序。 ATR 标准设置中的测量精度与仪器本身的角度测量精度相一致。如果选择了不同于标准设置的 测距方式,ATR 的测量精度应选用所对应测量方式的精度级别。例如,距离测量方式“fast”将缩 短测量时间,允许在近距离对不稳定的手持棱镜进行测量。 当使用 ATR方式进行测量时,由于其望远镜不需要人工聚焦或精确照准目标,测量的速度将会 得到非常明显的增加,其精度不依赖于观测员的水平,基本上保持常数。13徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 图 1.10 ATR测量过程的顺序 3 锁定跟踪 目标跟踪基本上是一种自动控制系统或反馈环(见图 1.11) 。经纬仪的驱动以及控制范围,包 括两个轴,每一轴均由伺服马达、传动和度盘扫描系统组成。ATR 是一个测量系统,它不仅仅提供 实际值,而且也提供实际值与所需值之间的偏差,以及来自电子或光学视准线的在水平和垂直方向 上的改正值。自动控制系统试图使测量值偏差昀小,而不考虑目标的速度和加速度。偏差以视频速 度读出,通过仪器控制电路来确定马达转动所需要的电流,以便获得所需目标位置。 图 1.11 目标跟踪反馈环 这个过程连续运行在整个测量活动中。如果与目标的联系丢失,例如,棱镜员走到了障碍物的 后面,跟踪就会中断。此时代替上述偏差值的为一估计值,该值基于一个运动模型,这个模型假定 棱镜员在水平和垂直方向的速度是不变的。这个假定的速度源自对失去目标前几秒钟内运动的数学 处理,即滤波。滤波的作用是为了消除重叠的抖动如行走时垂直部分的运动。由于该模型只是对以 前运动的估计值,所以它的应用周期仅有几秒的时间。 例如,当棱镜员走到一些小的障碍物后,如树、小建筑物或者卡车,ATR 将会中断一小会儿。 14徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 在这种情况下,仪器将保持在它所预测的棱镜的轨迹移动 3 秒钟。这种预测的根据是其对失去目标 前几秒钟里棱镜的移动情况计算出来的平均速度和方向。一旦棱镜重新进入 望远镜的视场,仪器将 会立即锁住它。然而,如果在 3 秒钟内没有找到棱镜,仪器将会自动开始对失去棱镜前后的区域进 行搜索。此时实际的搜索窗口大小依赖于它预测的路径长度和方向。 安装有版本 2.0的 TPS1100 系列,仪器会象版本 1.21 那样搜索棱镜。但是搜索路径的形状已经 改变,即从螺旋形变成矩形(见图 1.12)。这是因为,在许多应用里,当进入目标跟踪方式后,棱 镜主要在水平方向移动而不是在垂直方向移动。为了提高效率,徕卡将经常性的搜索集中在水平方 向上,这样,获得目标的速度得到加快。 图 1.12 搜索路径的形状 4. 遥控测量 遥控测量系统 RCS1100对所有徕卡仪器来说是个选项,它在连接具有自动目标识别的仪器时特 别有用。RCS1100 的控制器、电池、无线电调制解调器以及天线形成一个小巧的装置。它可以很容 易地安装在棱镜杆上。控制器的显示屏和键盘与全站仪的一样,因此仪器的所有功能,包括应用程 序,均可以从目标点调用。 特别是在放样时,遥控测量系统容易在目标点区域获取重要的现场信息,提供明显的有利条件。 测量时,从反射棱镜到放样点的距离差被计算并显示在控制器上,这样可以使放样过程变得更加容 易和快速,同时也可在目标点直接检查放样的精度。 EGL 导向光装置为放样提供更多的帮助。它是一束闪烁的光源,可以被装在任何望远镜的外壳 里。它能使棱镜员处于仪器的视准线上,从而及时地知道自己的位置。 5. TCA 的实测精度 为了验证 TCA自动化全站仪测量的分辨精度,分别在不同的环境条件下进行了对比测试试验。 (1)TCA1100 全站仪与双频激光干涉测量平台的对比测试 本次测试是使用TCA1100全站仪(其测角精度3〃,测距精度2+2ppm)与测绘学院仪器检修中心开 发的双频激光干涉测量平台(其测程为35米,测距度为?0.16 ?m)在室内恒温的条件下进行了三次比 对测量。试验的方法是让 TCA1100(启动 ATR 功能)与激光干涉测量平台同时测量同一个棱镜沿光轴方 向的位移量。第一次让棱镜每移动 0.5 米,测量一次,移动距离约为 20 米。第二次与第三次分别在近 距离和远距离处(对 TCA1100 而言)让棱镜每移动约 0.15mm 测量一次。由于激光干涉测量平台的测量 精度高,其测量位移的结果相对TCA1100而言,可视为真值。TCA1100的测量位移的结果与其进行比对, 可求出中误差。结果如表1.1所示。 15徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 表 1.1 TCA1100与激光干涉测量平台比对测试情况 重复 有效测量 中误差棱镜移动间隔 测量面 测量次数 周期数 mm 第一次 约0.5米 双面 5 40 0.11 第二次 约0.2mm 单面 3 35 0.10 第三次 约0.1mm 单面 3 25 0.10 从上表可以看出,三次测试的中误差均为 0.1mm。这就说明使用 TCA1100 在室内恒温条件下 ATR 测量距离变化的分辨率为 0.1mm。 (2)TCA2003 全站仪与测微平台的对比测试 TCA2003 全站仪是当今世界上测量精度昀高的全站仪之一,标称测角精度 ?0.5 〃,测距精度 ? (1mm+1ppm ×D) (D为被测距离) ,ATR的测量在200m距离内优于 ?1mm。为了考查TCA2003全站仪的实际 测量精度,我们在室外进行了以下试验。 1999年11月3日中午(风力2至3级转4至5级) , 在新疆三屯河水库大坝变形监测现场, 将TCA2003 全站仪安置在监测站的仪器墩上,安置有徕卡单棱镜的测微平台放在稳定的观测墩上,平台可以带动棱 镜在两个互相垂直的导轨上移动。移动量通过平台上的测微器精确测定(昀 小读数 0.01mm,其精度可保 证优于?0.1mm) ,因而棱镜的位移量可视为已知值。试验时,让测微平台的某一导轨移动方向和全站仪 的度盘零方向保持一致,定为坐标X轴,用以考察在室外测量环境中TCA2003的ATR测量距离变化的分 辨率;测微平台另一导轨移动方向定为坐标Y轴,用以考察ATR测量角度变化的分辨率。 首先,保持Y、Z方向不变,在X方向上测微平台每次移动棱镜0.2mm,每次移动棱镜,全站仪就进行一 次全自动的 ATR 坐标测量。理论上讲,全站仪测量的 X 坐标变化应与测微平台的位移量一致。图 1.13 为测微平台在 X 方向移动 6mm 时 TCA2003 全站仪坐标测量结果示意图。同样的试验,图 1.14 给出了测 微平台在Y方向移动时全站仪坐标测量结果示意图。 图 1.13X方向棱镜位移趋势图16徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 图1.14Y方向棱镜位移趋势图 从图1.13和图1.14可以看出,在短时间内,约150m的距离上,忽略大气条件变化的影响,TCA2003 全站仪的ATR测量能以较好的线性形式分别反映出在X、Y(即距离变化和角度变化)两方向上0.2mm步 幅的位移变化趋势,而其他两个方向(Y、Z或X、Z)在0附近浮动,基本没有 位移。经统计,图1.13、 1.14中全站仪ATR坐标测量分别在X、Y方向上的线性锯齿型误差为?0.19mm和?0.16mm。其中Y方向 转化为角度误差为?0.24〃。 由此可以看出, TCA2003全站仪在室外约 200m的距离上 ATR的坐标测量精度可达到?0.2mm。 (3)极坐标点位测量精度室内检测 为检验自动目标识别全站仪在 ATR 模式下的极坐标点位测量精度,我们用双频激光干涉仪对 TCA2003 全站仪的点位测量精度进行了检验。 解放军测绘学院在室内建立了一条约 30 米长的双频激光干涉基线测量系统,并于 2001 年11 月 -7 通过总装备部的建标验收,该基线测长精度为?0.16 ?m+5 ×10 L。2001 年 12 月,利用该系统对某 徕卡 TCA2003 全站仪(仪器号为:438541)的极坐标点位测量精度进行了检测。 图 1.15 给出了双频激光干涉基线测量系统的立面示意图。在固定导轨上有一可以电动控制行走 的小车,小车板上安装二块角锥棱镜,分别指向全站仪和双频激光干涉仪。TCA2003 全站仪测站偏 置于基线轨道轴线(如图 1.16 所示)。TCA2003 全站仪测量小车上棱镜三维 坐标的同时,激光干涉 仪测量小车上另一棱镜的距离。当小车在激光干涉仪测量指示之下行走一已知距离后,TCA2003 全 站仪测得另一位置相应棱镜点的三维坐标。由全站仪测得的两点三维坐标求出该两点之间的距离, 并与双频激光所测距离进行比较,就可得到 TCA2003 全站仪通过测量两点坐标求距离的误差,进而 求得 TCA2003 全站仪极坐标点位测量的精度。 如图 1.16 所示,设测距仪棱镜在导轨上的移动量为 δ’i,干涉仪棱镜的移动量为 δ’i,显然有:2 2 2 δ ' P ?P xx +yy +zz (1-1) i i +1 i i +1 i i +1 i i +1 i δ D ?D (1-2) i i i +1 由于二块棱镜安装在同一平台上,且在一条直线上滑行,而双频激光干涉仪的测量精度很高, 因此 δ’ 可以看成是真值 δ 的观测值。故距离差值的真误差为: i i δ 'δ (1-3) i i i 17徕卡 TCA自动化全站仪及其在我国大坝外部变形监测中的应用 激光干涉仪 TCA2003 小车 导轨 图 1.15 TCA2003 全站仪极坐标测量精度检测装置立面示意图 D i D δ i i+1P ’ i δ i 激光干涉仪 Pi +1 TCA2003 图 1.16 TCA2003 全站仪极坐标测量精度检测装置俯视示意图 设全站仪的观测值分别为P、P 、„、P ,对应的平移量分别为δ1、δ2„„ δn。那么有: 1 2 n +1 P ?Pδ 1 2 1 P ?Pδ 2 3 2 2 (1-4) P ?Pδ n n +1 n n 忽略双频激光干涉仪的测量误差,设全站仪的测量点位误差为(近距离条件 下可认为点位测量 T 精度相同) ,那么 , 的协方差阵为: 1 2 n 2 ?1 0 0?1 2 ?1? 2? D σ 0 ?1 2 0(1-5)10 0 ?1 2? 根据方差公式,全站仪的点位测量精度可按下式计算: TPm σ ? (1-6) P n 上式中,权阵 P 为:1 2 ?1 0 0?1 2 ?1? P 0 ?1 2 0(1-7)?1? 0 0 1 2 全站仪点位测量精度可以用下式近似代替:18徕卡 TCA自动化全站仪及其 在我国大坝外部变形监测中的应用 T 1? m σ ? (1-8) P n 2 以标准圆棱镜为合作目标,启动 TCA2003 全站仪的 ATR(自动目标识别)功 能自动照准棱镜中 心,取盘左、盘右三维坐标观测值的中数作为一测回观测值,结果如表 1.2 所示。表 1.2TCA2003 全站仪对圆棱镜 ATR 一测回坐标测量 TCA2003 极坐标 极坐标反算 激光干涉距 距离差 序号 ' 离 δ mmmm 距离 δ mm i i Xm Ym Zm i 2.16220 3.18590 -0.23225 0.001 2.37860 4.16240 -0.23230 1000.19 1000.13 0.06 2 2.59530 5.13865 -0.23230 1000.02 999.98 0.04 3 2.81220 6.11510 -0.23225 1000.25 999.98 0.27 4 3.02850 7.09105 -0.23235 999.63 999.91 -0.28 5 3.24515 8.06750 -0.23240 1000.20 1000.16 0.04 6 3.46185 9.04380 -0.23240 1000.06 999.88 0.18 7 3.67845 10.01975 -0.23240 999.70 999.97 -0.27 8 3.89520 10.99615 -0.23250 1000.16 1000.07 0.09 9 4.11185 11.97250 -0.23265 1000.09 1000.05 0.04 10 4.32840 12.94850 -0.23260 999.74 999.92 -0.18 11 4.54500 13.92485 -0.23260 1000.09 1000.07 0.02 12 4.76180 14.90120 -0.23270 1000.13 999.90 0.23 13 4.97820 15.87735 -0.23270 999.85 1000.02 -0.17 14 5.19465 16.85380 -0.23270 1000.15 1000.13 0.02 15 5.41150 17.83035 -0.23280 1000.34 999.97 0.37 16 5.62800 18.80630 -0.23280 999.64 999.84 -0.17 17 5.84480 19.78270 -0.23270 1000.17 1000.05 0.12 18 6.06165 20.75925 -0.23270 1000.34 1000.45 -0.11 19 6.27825 21.73505 -0.23265 999.55 999.57 -0.02 20 6.49465 22.71155 -0.