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徕卡大坝外观形变自动化监测系统


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 1921 1970 1986 1988 1990 1994 1997 在瑞士Aarau成立Kern公司 在瑞士Heerbrugg创立Wild公司 在新加坡成立第一家国际性工厂 与德国Leitz合并,成为Wild Leitz集团 Wild Leitz收购

瑞士Kern公司 与英国Cambridge仪器公司合组Leica集团 收购美国Magnavox 公司GPS部 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 2004 收购澳洲Tritronics公司 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

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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.......................................................................................................................... 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 ............................................................................................. 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 ................................................................................................................... 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................................................................................................................................... 37
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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

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第一章
§1-1
一、大坝外部变形监测工作概述

基本理论与技术

大坝外部变形监测现状

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。 最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
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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 系统的最大偏距值。 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 水双曲薄拱坝(坝长 109m) ,测量相对精度为 10-5~10-6。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。最新发展是采用 CCD 技术,消除了光斑随 机抖动的难题,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, 综合精度高达 1×10-7~2×10-7,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
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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

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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 ×10-6×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 气代表性误差等影响使测距精度降为 4×10-6,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, 系统最终的测距精度为±(0.2mm+0.3×10-6×D~0.2mm+0.4×10-6×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 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+1×10-6×D); TCA1800 全站仪,其标称精度测角为±1″,测距为±(1mm+2×10-6×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
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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,设计出最优的监 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,水平位移最早使用的是 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最高最新境界——自动化、智能化、网络化。

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§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,这项技朮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

TM3000D 带有 EDM 功能

TM3000V 带有 CCD 功能 图 1.1 TM3000 系列仪器照片

TM3000L 带有激光投点

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。 该系统特別适用于变形监测,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 图 1.2

自动工业测量系统 TM3000 系列仪器应用

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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, 这是徕卡最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 测距精度 单棱镜测程 机身重量 3″/2″/1.5″/ 1″ 2mm+2ppmD 2.5Km 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: ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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: TCA2003 测角精度 测距精度 1999~2003 年 0.5″ 1mm+1ppmD TCA1800 1″ 1mm+2ppmD

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。特別是“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。

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TCA1105/TCA1103/TCA1102/TCA1101 测角精度 测距精度 单棱镜测程 机身重量 5″/3″/2″/ 1.5″ 2mm+2ppmD 3.0Km 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最优化方案。 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 系统按最严格的标准,最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換使用。 学会其中一种就能掌握两种仪器的操作,不需额外培训。

GPS1200 图 1.5

TPS1200 徕卡 1200 联合作业系统

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图 1.6

徕卡 1200 系统联合作业示意图

徕卡 1200 系统最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換可随意进行。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最高效率。 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。
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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
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有在这种情况下,两种方法才能达到最佳匹配。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。

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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最小,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。
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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。

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表 1.1

TCA1100 与激光干涉测量平台比对测试情况 测量面 双面 单面 单面 重复 测量次数 5 3 3 有效测量 周期数 40 35 25 中误差 (mm) 0.11 0.10 0.10

棱镜移动间隔 第一次 第二次 第三次 约 0.5 米 约 0.2mm 约 0.1mm

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最高的全站仪之一,标称测角精度±0.5″,测距精度± (1mm+1ppm×D) 为被测距离) (D ,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, TCA2003 , 将 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(最小读数 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 1.13

X 方向棱镜位移趋势图

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图 1.14

Y 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, 150m 的距离上, 约 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 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:
-7

δ i ' = Pi +1 ? Pi =

?

?

(xi +1 ? xi )2 + ( yi +1 ? y i )2 + (z i +1 ? z i )2

(1-1) (1-2)

δ i = Di ? Di +1
因此δ’i 可以看成是真值δi 的观测值。故距离差值的真误差为:               ? i

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,

= δ i '?δ i        
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  (1-3)

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激光干涉仪 TCA2003 导轨 小车

图 1.15 TCA2003 全站仪极坐标测量精度检测装置立面示意图

Di

? Pi

δi

Di+1 激光干涉仪

? Pi +1

δi’

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 、 P2 、…、 Pn +1 ,对应的平移量分别为δ1、δ2……δn。那么有: 1

?

?

?

? ? ? 1 = P2 ? P ? δ 1 ? ? ? 2 = P3 ? P2 ? δ 2

.... ? ? ? n = Pn +1 ? Pn ? δ n
精度相同) ,那么 ? = ( ?1 , ? 2 ...? n ) 的协方差阵为:
T

(1-4)

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

0? ? 2 ?1 0 ?? 1 2 ? 1 ? ? ? D? = σ 2 ? 0 ? 1 2 0? ? ? ? 1? ? ?0 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:

(1-5)

mP = σ = ±
上式中,权阵 P 为:

?T P? n
?1

(1-6)

0? ? 2 ?1 0 ? ?? 1 2 ? 1 ? 0 ?1 2 P= 0? ? ? 1? ? ? 0 ?1 2 ? ?0
全站仪点位测量精度可以用下式近似代替:
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(1-7)

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mP = σ = ±

1 2

?T ? n

(1-8)

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 1.2 序号 TCA2003 全站仪对圆棱镜 ATR 一测回坐标测量 TCA2003 极坐标 X(m) 2.16220 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2.37860 2.59530 2.81220 3.02850 3.24515 3.46185 3.67845 3.89520 4.11185 4.32840 4.54500 4.76180 4.97820 5.19465 5.41150 5.62800 5.84480 6.06165 6.27825 6.49465 6.71125 6.92780 7.14440 7.36105 7.57750 7.79430 8.01075 8.22725 Y(m) 3.18590 4.16240 5.13865 6.11510 7.09105 8.06750 9.04380 10.01975 10.99615 11.97250 12.94850 13.92485 14.90120 15.87735 16.85380 17.83035 18.80630 19.78270 20.75925 21.73505 22.71155 23.68810 24.66375 25.64000 26.61660 27.59260 28.56890 29.54520 30.52150 Z(m) -0.23225 -0.23230 -0.23230 -0.23225 -0.23235 -0.23240 -0.23240 -0.23240 -0.23250 -0.23265 -0.23260 -0.23260 -0.23270 -0.23270 -0.23270 -0.23280 -0.23280 -0.23270 -0.23270 -0.23265 -0.23265 -0.23250 -0.23250 -0.23245 -0.23230 -0.23220 -0.23215 -0.23210 -0.23200 1000.19 1000.02 1000.25 999.63 1000.20 1000.06 999.70 1000.16 1000.09 999.74 1000.09 1000.13 999.85 1000.15 1000.34 999.64 1000.17 1000.34 999.55 1000.20 1000.28 999.39 999.99 1000.34 999.71 1000.08 1000.00 1000.02 极坐标反算 距离 δ
' i (mm)

激光干涉距 离 δ i (mm) 0.00 1000.13 999.98 999.98 999.91 1000.16 999.88 999.97 1000.07 1000.05 999.92 1000.07 999.90 1000.02 1000.13 999.97 999.84 1000.05 1000.45 999.57 1000.10 1000.13 999.83 999.93 1000.10 999.94 999.99 1000.02 1000.10

距离差 ? i (mm)

0.06 0.04 0.27 -0.28 0.04 0.18 -0.27 0.09 0.04 -0.18 0.02 0.23 -0.17 0.02 0.37 -0.17 0.12 -0.11 -0.02 0.10 0.15 -0.44 0.06 0.24 -0.23 0.09 -0.02 -0.08

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表中极坐标反算距离 δ i 由相邻两点的三维坐标差按(1-1)式求得,并按(1-3)式求得与双频
'

激光干涉测距值之间的差值 ? i 。在检测过程中,棱镜移动间距约为 1 米,总移动距离约为 28 米。 根据表 1.2 中的数据,按(1-6)(1-7)式算得 TCA2003 全站仪在近距离对标准圆棱镜 ATR 自 、 动照准一测回三维坐标点位测量中误差为: m p = ±0.15mm 。从上述实际检测结果可以看出,在 30 米的距离范围之内,某 TCA2003 全站仪(仪器号为:438541)对标准圆棱镜一测回点位测量中误差 (1σ)为:±0.15mm。 (3)极坐标点位测量精度室外检测 目前,ATR 不仅装备在专业型全站仪上,而且业已装备到价格较低的实用型全站仪(如 TPS700auto)上,其应用越来越广泛。但尽管 ATR 已经问世近十年,国内尚未出现相应的检定规程, 无法对 ATR 给定的技术指标进行评价。因此在当前,研究和探讨对 ATR 的检测方法具有较强的必 要性和紧迫性。 ATR 的测量精度可分为内部精度和外部精度。内部精度取决于 CCD 阵列的分辨力、测量时机、 测量条件、棱镜的位置和其它因素。在特定时间里,仪器工作在最佳条件下可达到该精度;而外部 精度就是前面所提到的棱镜定位精度,它特别容易受棱镜型号和环境条件的影响。如果在某时间间 隔内重复进行测量,可得到外部精度。测量时,由 ATR 自动目标识别来确定棱镜的位置,其精度既 取决于它本身的内部精度也取决于其外部精度。 通常, 无法测试 ATR 的内部精度, 厂家在用户手册里提供的可度量的指标只有外部精度。 因此, 对用户和检测单位来说,评价 ATR 的外部精度非常重要。 ATR 的外部精度又分为两部分: 一定距离 (如 TCA1800, 规定 200m) 是一固定值, 内, 如±1mm; 在此距离外,与仪器本身的测角精度一致(如 TCA1800,精测方式为 1 秒) 。因此根据所测距离不 同,评价其外部精度的限差也不同。对于限定距离之内,由于无法直接测出棱镜定位的偏移距离, 因此往往通过测角的方法来间接解算。测角限差应是:

α限 =

md × 10 ?3 × 206265 D

;m 式中: D 为测站至镜站的距离(m) 限为水平方向或垂直角标准偏差限差(″) d 为 ATR 标称定 ;α 位精度(mm) 。 这样以来,无论是距离远近,均可使用测角方法来评价 ATR 的精度。几年来,测绘学院检修中 心用两种方法做过多次实验,下面作以简单介绍。 方法一:徕卡厂家方法。在室外设 3 个目标,仪器放在测站由徕卡专用软件 Hz-Dist 控制,以 ATR 方式在盘左自动进行各方向连续测角和测距,测回数可以任选。测完后对每一方向、距离,单 独求其标准差,即不考虑角度间的影响,求单方向的重复精度。 测量结果表明,对于 TCA2003,无论是距离远近,单方向标准差一般在 0.6″~1.0″之间。这种 方法由于是在单面进行的,且计算方法不同,所以结果偏高,属于厂家自用方法 方法二:DIN18723 方法。徕卡技术手册明确指出 ATR 精度的依据是 DIN18723,因此整个测试 基本遵照了 DIN18723 的要求。分别利用学院内、大学基线、南三环基线和 GPS 实验场的固定观测 墩,在不同的环境条件下、不同的距离上进行测试。每次测试均以全圆观测法,通过自编软件控制 ATR 全站仪对近似等距离的四个镜站进行盘左盘右连续观测, 每次不少于 10 个测回, 观测时间约需
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半个小时。全部测回观测完毕,现场算出一测回水平方向和垂直角标准差。 表 1.3 列出了几次测量结果(距离为当次测量几个方向中最远边,精密测量方式) 。 表 1.3
型 号 TCA2003 TCA2003 TCA2003 TCA2003 TCA2003 TCA2003 TCA2003 TCA2003 TDA5005 TCA5005 编 号 438514 438638 438638 439629 439629 439629 439635 439635 439548 439548

ATR 定位精度野外测试结果
时 间 11/08/2000 01/24/2003 01/24/2003 05/12/2003 05/12/2003 05/22/2003 05/22/2003 05/25/2003 06/09/2003 06/09/2003 距 离 73m 67m 67m 290m 290m 130m 190m 478m 58m 15m 水平方向 标准偏差 0.25″ 0.20″ 0.24″ 0.48″ 0.30″ 0.65″ 0.79″ 0.27″ 0.42″ 0.24″ 垂直角 标准偏差 0.39″ 0.37″ 0.34″ 0.42″ 0.41″ 1.07″ 1.22″ 0.90″ 0.45″ 0.23″ 限 差 2.82″ 3.08″ 3.08″ 0.69″ 0.69″ 1.59″ 1.08″ 0.5″ 不详 不详

测试结果表明: ——ATR 的定位精度基本上能满足手册里的规定。 一般情况下, 垂直角精度比水平方向差一些, 其原因可能是气象条件的影响; ——在气象条件稳定的情况下,近距离测试精度会提高,可以达到或超过远距离精度(即仪器 标称测角精度) ; ——ATR 方式测角对环境条件的要求比测距仪要苛刻,例如大气的湍流、测线上人员的晃动等 都会明显地影响测量精度。表 1.3 中凡是测试精度高的,一般都是在下午 5、6 点钟进行的。 因此建议: ——对 ATR 的检测使用与 DIN18723(手册规定方法)基本一致的方法(在即将颁布的军标中 也推荐了这种方法) ; ——检测场地应避开行人、车辆; ——检测时间应尽可能选择在温度逆转点附近; ——测站和镜站应稳定可靠(最好用强制对中) ; ——在软件里加进对测量粗差的控制功能,防止偶然因素出现的粗差而影响整个测量。 三、自动化监测系统软件 徕卡自力于研发的自动全站仪 TCA, 其目的就是要使传统的监测工作用现代科技水平武装起来, 从手工劳动变成实时自动无人干预的全自动高时效性的工作模式。相继推出 APS 系统、APS Win 系 统、GeoMOS 系统。 1. APS Win 系统 APSWin(Automatic Polar System for Windows)自动极坐标测量系统软件由瑞士徕卡公司研制。 最早的 DOS 版本于 1990 年研制成功。经过硬件与软件开发人员的改进和完善,APS 的功能不断提
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高,目前已发展到以 Windows 为操作平台的 1.41 版(如图 1.17 所示) 。

图 1.17

APSWin1.41 软件界面

APSWin 软件需要运行在 Microsoft Windows 3.1 或更高版本。 它兼容徕卡公司所有的 TM3000 系列马达驱动式经纬仪、TPS1000 系列中的马达驱动式经纬仪、自动照准全站仪、TCA2003 以 及无马达全站仪 TC2002 的联机与脱机方式。 APSWin 软件具有以下优点: ·使所有的工作计算机化,节约了大量的人力和时间 ·可以全天 24 小时连续自动地测量与记录 ·系统断电后自动保存测量数据,通电后按原配置参数继续进行自动测量 ·可以实现测站无人值守 ·强大的数据库功能,无观测点数的限制 ·连接气象传感器自动进行测距的气象改正 ·可用标准 RS232 接口或 Modem 进行作业现场与办公室间的数据通讯 ·可以自动运行用户编写的外部应用程序,具有强大的生命力 APSWin 功能强大,应用广泛。它可以进行大坝变形监测、滑坡监测、冷却塔监测、指导隧 道机械掘进、采石场采量测量、油钻机定位、管线定位等等。 2. GeoMOS 系统 GeoMOS 是一套现代监测和分析软件,适用于自动监测、变形测量、山体滑坡、沉降测量,同 样也适用于其他监测任务。不管需要的是小型的还是大型的系统,是暂时的还是长期的监测任务, GeoMOS 总能滿足需要。该软件于 2001 年第二季度全面推出。 ① GeoMOS 系统组成

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GeoMOS 可以将各种不同类型的传感器连接到一起工作。系统采用标准的 XML 文本文件定义 传感器。一般来说,不需另外专门编程。 GeoMOS 软件主要包括监测(Monitor)和分析(Analyzer)两部分。两种软件都可以在计算机 上运行,在小型系统中运行在单机上,在大型系统中运行在远程计算机上。 ② GeoMOS 监测部分 监测部分是一个在线的工作软件,主要负责控制传感器、数据的收集以及事件的管理。主界面 如下:

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③ 监测部分操作流程

④ GeoMOS 分析部分 分析部分是一个分体式的软件,主要用于测量数据的分析、可视化和后处理。主界面如下:

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⑤ 分析部分操作流程

⑥ GeoMOS 的独特之处 全开放式系统结构允许可以在世具任何地方对系统进行遥控与配置 可以选择小型或大型系统配置 支持多用户进入的大型数据库(SQL-Server) 可以连接不同的传感器进行一体化作业(TPS、GPS、气象和地质监测传感器) 使用电缆、无线数据链、调制解调器、GSM、LAN 和 WAN 自动完成数据同步和分配 使用标准数据交換技术保证实时数据传输和数据安全 使用完全测量或仅仅距离测量都能快速完成测量过程 远距离测量能力达 5 公里 精确管理复杂的测量流程 测量区域的气象网络建模(气象模型) 自动计算形变结果,包括计算结果的有效性检查 強大的 Analyzer Toolbox,提供可视化和数字分析手段 对于历史数据的编辑和后处理 強大的事件管理能力(超限、电力故障、盗窃)
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可以通过 E-mail 或数据 I/O 接口(SMS 和传呼机)发送系统信息 提供与其他系统的接口(ASCII、DGN、WMF、标准 Excel 格式) 备份和存档功能

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第二章

大坝外部变形监测的应用实例

§2-1
一、工程概况

新疆昌吉三屯河水库大坝外部变形监测系统

三屯河水库位于新疆昌吉市以南 32 公里处,距乌鲁木齐市约 70 公里,位于天山山脉北侧, 主坝轴线为南北走向,地理位置为:经度 86° 57′,纬度 43° 46′,海拔高程 1000m。 三屯河水库是一座以灌溉为主,结合防洪、发电等综合效益的中小型山区拦河水库,主坝为 100 细石砼浆砌石重力坝,最大坝高 52m,底宽 44m,顶宽 6m,坝顶高程 1037m,坝底高程 984.6m, 大坝总长 274m,其中主坝长 144m。正常蓄水位 1031m,相应库容 2600 万方;设计蓄水位 1035m, 相应库容 3355 万方。1971 年“民办”上马。1976 年,以“民办公助”形式正式开始水库工程修 建。1986 年基本建成,1987 年投入运行。
#

图 2.1

三屯河水库

水库投入运行后,存在一些大坝抗滑稳定系数小于规范值、坝体和坝肩渗漏严重、没有大坝变 形监测手段等病险情况。1992 年,经水利部批准立项后,开始大坝的加固除险。其中大坝外部变形 监测系统,经充分调研后,决定采用具有当今国际先进水平的 APSWin+RMDiff 自动极坐标实时差 分监测系统,并于 1999 年 11 月投入使用。 二、主要技术要求 三屯河水库大坝外部变形监测系统的主要技术要求为: ⑴ 监测系统具有全自动化功能,可在无人值守的情况下不间断定时观测; ⑵ 采用远离全站仪监测站的计算机中心控制机房监控方式,值班人员在控制机房可全面了
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解监测系统的运行情况。 ⑶ 控制机房和监测站的全站仪之间采用双向有线通讯方式,实现控制计算机对全站仪的远 距离在线控制。另外,控制机房还应具有对监测站全站仪的供电能力。 ⑷ 监测系统在短时间内完成过变形点的三维坐标测量,可同时获得每变形点的平面位移和 垂直位移信息。根据要求,提供各变形点位移信息的日、月、年等报表。 ⑸ 监测系统对变形点三维坐标的测量精度不低于 1 毫米。 三、监测控制网和变形点 监测控制网由一中点四边形组成,如图 2.2 所示,GD 为中间过渡点。自动监测系统从 1999 年 11 月 8 日 12 时开始正常运行,并以该时刻各变形点的观测值为初始值,以 1 个小时为一个监测 周期,全天 24 小时无人值守全天侯、实时同步三维地获取了大量监测数据。截止到 2000 年 10 月, 由长江科学院对一年的变形监测数据进行了综合分析,鲜明地反映出了大坝变形的规律性。

图 2.2

三屯河水库大坝基准点与变形点分布图

基准点 JZ1~JZ3

监 测 站 变形监测点 S1~S7

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§2-2
一、工程概况

黄河小浪底水利枢纽工程大坝外部变形监测系统

黄河小浪底水利枢纽工程位于河南省洛阳市以北 40 公里黄河中游最后一段峡谷出口处, 控制黄 河流域面积 69.4 万平方公里,占黄河流域面积的 92.3%。水库总库容 126.5 亿立方米,长期有效库 容 51 亿立方米,是一座具有以防洪、防凌、减淤为主,兼顾灌溉、供水和发电等综合效益的特大型 水利枢纽。大坝为壤土斜心墙堆石坝,最大坝高 154m,坝顶长 1667m,总填筑量 5185 万立方米, 是中国填筑量最大的土石坝。 鉴于小浪底水利枢纽工程地质条件差,建筑物结构复杂,又在黄河下游防洪调度中具有十分重 要的作用,直接关系到黄河下游两岸人民的生命财产的安全,为了保证正确施工及竣工后的安全运 营,必须对枢纽建筑物进行安全变形监测。

图 2.3

小浪底大坝外景

小浪底大坝表面变形监测设计方案为视准线法, 由于土石坝在施工期和建成初期的变形量很大, 无法按视准线方法观测(变形量超过觇牌量程) ,一般将平面位移改为用 GPS 或全站仪观测,竖向 位移仍采用几何水准测量。这种观测方法的主要缺点是外业工作量大,复测周期长,平面位移和竖 向位移分别观测时效性差,关键时刻难以及时提供变形资料。为了克服这些缺点,提高观测的速度 和精度,必需建立 GPS+TPS 的综合自动监测方案。 二、三级监测技术方案 小浪底工程地理位置特殊,规模宏大,结构复杂,被许多著名国内外水利工程专家称为世界上 最复杂、最具挑战性的工程之一。根据工程特点,利用全球定位系统 GPS、全站仪定位系统 TPS 和

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自动化通讯技术建立外部变形综合自动化监测系统。该方案由解放军信息工程大学测绘学院与小浪 底建管局于 2000 年 11 月共同拟定,目前还在组建中。 小浪底水利枢纽工程外部变形综合自动监测系统主要由数据采集、数据传输、系统总控、数据 处理、 数据分析和数据管理等部分组成的, 如图 2.4 所示。 采用的徕卡监测软件有 APS Win、 GeoMOS, 国内开发的软件有 ADMS、Inspector 等。

图 2.4

小浪底水利枢纽工程外部变形综合自动监测系统组成框图

在坝区建立 GPS 外部变形综合监测网,为 GPS、TPS 监测系统提供基准点和工作基点。进行全天 侯、实时、三维变形(平面位移及垂直位移)监测。用 GPS 和 TPS 两种技术结合形成监测系统对整 个枢纽外部变形进行监测,实现从数据采集、传输、处理、分析、显示、存储、报警全过程的自动 化。 三、监测控制网及变形点分布 总体设计分为三级布设站点:首级是 GPS 基准网(该网作为小浪底外部变形监测的基准,在该 网基础上设 GPS 实时观测站) ,二级是各测区工作基点网(主要为 TPS 监测站和差分工作基点) , 三级是对变形点进行监测,如图 2.5 所示。

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图 2.5

小浪底水利枢纽工程外部变形综合自动监测系统网点分布图

小浪底外部变形观测基准网由 3 个点组成,作为小浪底外部变形观测的基准点。该网应 建立在远离坝区,基础稳定的地方。为了便于与原监测系统联结,基准站由 JZ01(原首级施 工控制网点 P101) 、JZ02(原外部变形观测基准网点固 4) ,新建 JZ03(建管局院内)组成(如 图 2.5) 。 基准点采用 GPS 进行定期观测。点位精度要求优于 1mm。 为了提高 GPS 观测精度,给其它的观测手段(如 TPS)提供基础,建立 GPS 连续观测站。连续 观测站有建管局院内新建 JZ03 点,该点是基准网中连续观测站;坝顶控制楼附近进水口高边坡上新 建点 GP01(该点也作为进水口高边坡实时监测点) ;GP02(大坝上游 EL283 视准线原工作基点 46 号 点) ,如图 2.5 所示。 JZ03 点离小浪底建管局办公楼较近,便于看护。数据采集传输电缆直接连接到办公楼上,通过 内部网络和电话线连接至控制中心。进水口高边坡上新建点 GP01、大坝上点 GP02 采集数据的电缆 可直接连接到塔顶控制楼上。 连续观测站 JZ03、GP01 点是永久性跟踪站点,每天 24 小时连续观测,GP02 点按连续观测站建 造,可根据情况来进行连续观测。 连续观测站点的精度要求同基准网点。 工作基点网为整个测区变形监测的工作基准点网,工作基点上要架设 TPS 或 GPS 观测设备。工 作基点采用 GPS 来进行测量控制,确保工作基点网的精度。工作基点需定期复测,复测周期为一季
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度一次。 工作基点网有 15 个点组成,其中架设 TPS 观测仪器的观测站 7 个,编号为 TP01~TP07;架设棱 镜的差分点 8 个,编号为 TS01~TS07、GP02。 工作基点点位精度为 2mm,其分布图如图 2.5 所示。 其中 GP02 点在大坝变形体上, 故需利用 GPS 对该点进行实时监测, TPS 提供准确的坐标基 为 准。因 GP02 在大坝坝顶中部,它为 TP01、TP02 监测站提供了具有良好距离条件和气象代表性的基 准站。对 GP02 点进行实时的 GPS 监测,还可及时掌握大坝的宏观变形情况。 变形监测点的点位精度为 3mm。 根据小浪底工程建筑物分布情况,小浪底的变形点大致分布为两个大区:即大坝区和泄 洪区。共有 128 变形监测点。

图 2.6

小浪底大坝 TCA(无线通讯)变形监测中

小浪底水利枢纽工程外部变形综合自动监测系统三级监测技术方案由解放军信息工程大学测 绘学院与小浪底建管局于 2000 年 11 月共同拟定,目前还在组建中。由于坝区大,管理工作较为复 杂。近年来的监测工作还是野外分区半自动和全自动的进行数据采集,室内进行数据处理与分析。

§2-3
一、工程概况

安徽港口湾水库大坝外部变形监测系统

港口湾水库位于安徽省宣城市宁国市内水阳江上游支流西津河上,距宁国市城区 18 公里,水库 流域地处皖南山区,最南端在绩溪县山匀岭,最北端在西津河河口上约 5 公里处,西在旌德县俞村

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乡,东与中津河相连。流域中心经度约 118°50'、纬度约 30°30'。

图 2.7

港口湾水库

该工程是治理水阳江流域洪涝灾害的骨干控制工程,其任务以防洪为主,结合发电、灌溉等综 合利用。水库控制流域面积 1120 平方公里,总库容 9.41 亿立方米,电站总装机容量 60 兆瓦。工程 建成后,将有效减免水阳江中下游地区的洪水灾害,保护沿江农田 55 万亩和 45 万人,提高宣城、 宁国市等城镇的防洪标准到 20 年一遇,并可改善和扩大灌溉面积 46 万亩。 港口湾水库工程由砼面板堆石坝、溢洪道、泄洪遂道、发电引水隧洞、发电厂房、地面开关站 以及副坝等组成。水库正常蓄水位 135 米(吴淞系) ,设计洪水位 140.71 米,校核洪水位 145.16 米。 主坝最大坝高 68 米,坝顶长 252 米, 为安徽省第一座砼面板堆石坝。 水库于 1998 年开工建设, 2001 年 11 月正式蓄水。 为改善港口湾大坝外部变形观测的工作条件,提高大坝外观测观测精度和观测质量,保持与内 观的同步,加强大坝管理的科技含量,决定组建港口湾水库大坝外部变形自动观测系统,对大坝的 运行状态进行实时监测。 二、基准网的复测 2000 年 11 月,安徽省水利水电勘测设计院建立港口湾水库的首期外部变形监测控制网。2002 年 3 月至 5 月,安徽宣城市水利水电建筑勘测设计院对该变形监测网进行复测。变形监测网包含 7 个基准点、17 个工作基点和校核基点。2002 年 12 月,港口湾水库安装自动外部变形监测系统。根 据系统安装要求,对变形监测网的 7 个基准点进行再次复测,为自动监测系统提供差分依据。 由于本次测量采用的是高精度、智能化、高速度的自动全站仪 TCA2003,考虑该仪器的优势, 确定本次基准网采用边、角同测的方案。采用 AMIS 软件进行野外测量与平差。本期基准网复测结果 与前两期的比较结果看,基准点坐标的复测值大都介于第一、二之间。可以说,本期复测成果是可 信的,各基准点的点位也是相对稳定的。
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图 2.8

港口湾水库基准网及测量示意图

三、变形点的监测 采用自动化变形监测软件,设置一个固定监测站,进行全自动、无人值守的变形点三维测量。

监测站

变形点分布

计算机房

港口湾水库大坝坝体上设置了 26 个变形监测点,左岸山坡上有 6 个工作基点和校核点,右岸有 6 个工作基点和校核点。
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考虑到监测目标多,分布面比较广等特点,必须采用分组监测方案,以便保证和提高差分改正 效果。在顾及实际地形地貌和大气分布规律的基础上,通过多次实测调试,决定分 3 组监测,其点 组定义为:LT4-29;ALS1-7;ALS2-10。 港口湾大坝外部变形自动监测系统安装调试组于 2002 年 12 月 3 日进入坝区现场,在近一个月 的时间内先后开展了基准网的复测、系统通讯和供电电缆的铺设与维护、全站仪软件系统更新升级、 计算机监测软件功能调整与完善等安装调试工作,并提出监测点分组与系统周日监测运行的初步方 案。12 月 23 日下午 2 点大坝外部变形自动监测系统进入模拟运行,到 26 下午 5 点连续正常运行了 75 小时。通过变形点几天周日监测平均结果之间的比较,实现了亚毫米级的三维坐标监测精度,较 好解决了大气和玻璃折射等外界条件影响,系统基本达到了各项性能指标。因此,12 月 28 日开始, 港口湾大坝外部变形自动监测系统正式投入运行。

§2-4
一、工程概况

山西垣曲后河水库大坝外部变形监测系统

后河水库工程系小浪底水库移民补偿工程大坝,位于小浪底库区上游 30km 处的山西省垣曲县 历山镇后河村梁王脚,允西河上游天然峡谷中,控制流域面积 240km2,水库总库容 1370 万 m3,电 站装机容量 2000kw,灌溉面积 7.5 万亩,以灌溉为主,兼顾人畜吃水,结合发电。属三等工程,工 程规模中型。水库大坝为浆砌石重力拱坝,由右岸非溢流坝段、溢流坝段、左岸非溢流坝段及 1# 沟 回填混泥土组成。坝底高程 620m,坝顶高程 693.3m,最大坝高 73.3m,坝底最大厚度 54m,坝顶厚 度 7.5m,坝顶长 134m。

山西后河水库

二、监测系统基准网 根据大坝外部变形监测系统的需要,首先建立可供基准差分改正的基准网。在建初始,以大坝
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上的变形监测点 B2 至 B8 的连线作为大坝的轴线, 建立如图 2 所示的坐标系。 即以大坝轴线为 X 轴, 向左岸为正;在平面内与 X 正交为 Y 轴,向下游为正;以左手坐标系确定垂线高程(Z 轴)指向, 向上为正。 根据后河水库大坝附近的地形情况,在大坝下游约 100m 左、右岸的基岩上建立稳定的基准点 J1、J2、J3,为了构成一个大地四边形,选定大坝上的 B2 监测点参与构成基准网的观测,基准网图 形如图 2.8 所示。
库区 B2 大坝 y J3 J2 允西河 x

J1

图 2。8

大坝变形监测基准网示意图

三、监测系统培训与调试 在大坝外部变形监测基准网的基础上,在 J1 点上设站,TCA2003 全站仪在自动变形监测系统 软件的控制下,可自动对坝顶上的 B1?B8 变形点进行监测,监测图形如图 2.9 所示,测量原理为实 时差分极坐标测量。在 J1 点上建立了图 2.10 所示的敞开式监测亭。

库区 B5 B1 大坝 B8

变形监测点(B1?B8) 允西河 J2

J3

J1 全站仪监测站(J1)

图 2.9

大坝变形监测点位分布示意图

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图 2.10

敞开式监测亭

2003 年 7 月 24 日,在图 2.9 所示的监测现场对大坝管理方的技术人员进行了实测操作培训, 并进行了必要的调试。考虑设备安全方面等因素,TCA2003 不能长期安置在 J1 监测点上,所以每次 监测时需要重新安置仪器。为了减弱大气折光等因素变化的影响,同时兼顾人员看守方便,拟确定 上、下午分多周期监测,取其均值作为当天的监测结果。监测当天,一般要求在上午 9 点开始,每 隔 2 小时监测一周期,下午 5 点结束。每周期监测时间大约需要 12 分钟,故一天的实际合计监测时 间约为 1 小时。

§2-5
一、工程概况

广东乳源南水水电厂大坝外部变形监测系统

南水大坝位于广东省北部的乳源瑶族自治县境内。 大坝是 60 年代采用定向爆破技术方法完成大 部分坝体方量,随后用人工填筑方法加高和加宽剖面,同时修建上游面防渗粘土斜墙而成的一座堆 石坝。坝体呈折线型,大爆破后两岸岩体稳定性较差。从 1983 年 8 月开始,主要由布设在坝区内的 三角网按前方交会法进行大坝水平位移观测。1989 年 8 月起,曾对南水大坝位移观测系统进行优化 改进。

图 2.11 南水水电站大坝迎水面

图 2.12 南水水电站大坝背水面

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二、基准网的复测 2004 年 1 月,南水大坝安装自动外部变形监测系统。根据系统安装要求,对变形监测基准网的 8 个基点进行再次复测,为自动监测系统提供差分改正依据。 本次复测采用 TCA2003 全站仪,利用其 ATR 功能自动识别和照准目标,照准过程不需调焦, 故可不考虑每测站方向之间的距离差异,并尽量联测多的方向,以希望进一步提高基准网的图形强 度。如图 2.13 所示,由一个大地四边形和一个中点多边形组成。

图 2.13 南水水电厂大坝变形观测布网图 采用自动全站仪测量控制网,与一般高精度的经纬仪和全站仪相比,无论从测量的速度,还是 从测量的精度上,都有较明显的优越性。 三、变形点差分监测方案 如图 2.14 所示,南水大坝布设了 20 个变形监测点。其中大坝上游坡(坝前)第二马道设有 5、 6、7、8 共 4 个位移点通常都被水淹没,仅在低水位时才能观测。第一马道分别设有:9、10、11、 12、13 共 5 个测点;坝面设有 14、15、16、17-1、17-2 共 5 个测点;坝下游坡(坝后)第一、第二 马道分别设有:18、19、20、21 和 22、23 共 6 个测点。因通视条件的限制,大坝变形监测分以下 2 组进行。 ⑴ 上游变形点监测:监测站点:J4;差分基准点:J3、J5;上游变形监测点 9 个:第 1 马 道:9、10、11、12、13;第 2 马道:5、6、7、8; ⑵ 上游和下游变形点监测:监测站点:J7;差分基准点:J4;坝面变形监测点 5 个:14、 15、16、17-1、17-2;下游变形监测点 6 个:第 1 马道:18、19、20、21;第二马道: 22,23

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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

J5 J3 坝面 9 坝前 5 6 7 8 13 17-2 10 11 12 15 16 1714 18 坝后 19 22 20 21 23

J7

J4

图 2.14

南水大坝变形监测点分布图

南水大坝自动监测系统安装调试组于 2004 年 1 月 13 日进入坝区现场,在近一星期的时间内先 后开展了基准主点网的复测、大坝变形点自动差分监测系统的安装调试工作。 TCA2003 自动化全站仪的应用,在计算机自动观测软件的配合下,高效率地完成了基准主网的复 测。其中外业观测时间约为 1.5 天,观测结束后即可进行平差计算,现场就能得到三角形闭和差、 高差闭和差等外业观测质量检核,合限后即可进行整体平差计算。很重要的一点是,在得到基准网 平面成果的同时,也可以得到高程的平差成果,极大减少了水准测量的工作量。 主网复测三维坐标(x、y、z)的精度优于 1.5mm。变形点三维监测精度优于 1.0mm,系统各项 性能达到了指标要求。

图 2.15 监测站

图 2.16 变形点镜站

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§2-6
一、工程概况

黑龙江莲花水电厂大坝外部变形监测系统

莲花电站位于黑龙江省海林市三道乡木兰集村下游 2km 处,在牡丹江干流上。本工程以发电为 主,兼顾防洪、灌溉等综合利用效益。 水库为不完全多年调节水库,正产蓄水位▽218.0m,水库总库容 41.8 亿 m3。该电站为引水式电 站,装机容量 550MW,多年平均发电量 7.97 亿 kWh。 坝址地处寒冷地区,多年平均气温 3.2℃,冬季漫长严寒,低温持续时间长达 5 个月以上。 大坝采用混凝土面板堆石坝,长 902m,最大坝高 71.8m,上、下游坝坡比 1:1.4。该坝于 1993 年开始填筑,1997 年达到设计高程。其间于 1996 年 8 月下闸蓄水,同年底首台发电机组开始发电。

图 2.17 二、变形监测点分布与分组

莲花电站大坝

莲花电站大坝与二坝坝体在调试阶段安装了 3 个基准点 L9、L10、L8,18 个变形监测点,其位 置图表如图 2.18 与表 2.1 所示。 表 2.1
部位 防浪墙 坝顶 P71 P68 G2 下游马道 坝脚 G4 P80 P86 G3 P66 P65 G1 P76 G5 P77 P74 P73 P64 P59 P58 主 坝

基准点与监测点位置表
二 坝 基准点 L9 L10 L8

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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 2.18

基准点与监测点位置图

莲花电站监测方案有两个测站,分别为 L4、L6,原来采用边角前方交会方案,因精度达不到要 求,故现更改为极坐标实时差分测量的方案。因此,可以实现 L4、L6 测站各监测一部分测点,经过 多次调整基准使用方案,决定: 1)L4 测站采用基准点 2 个:L9、L10,监测大坝坝体上的 13 个变形点:G1、G2、G3、G4、G5、 P65、P66、P68、P71、P76、P77、P80、P86,点组名为 L4-PS1。 2)L6 测站采用基准点 2 个:L10、L8,监测大坝坝体上的 1 个变形点 P64 与二坝坝体上的 4 个 变形点:P58、P59、P73、P74,点组名为 L6-PS1。 莲花电站大坝外部变形自动监测系统安装调试组于 2004 年 10 月 16 日进入坝区现场, 用一个星 期左右的时间先后开展了系统通讯和供电电缆的连通、L4、L6 测站监测点位的初测学习、计算机监 测软件安装调试、基准点的分析选取等工作,并提出监测点分组与系统周日监测运行的初步方案。 10 月 17 日下午大坝外部变形自动监测系统进入模拟运行,到 10 月 22 日下午连续正常运行了 120 小时。通过变形点 4 天完整周日监测结果之间的比较,实现了准亚毫米级的三维坐标监测精度,较 好解决了大气等外界条件的影响,系统基本达到了各项性能指标。因此,莲花电站大坝外部变形自 动监测系统可以正式投入运行。

图 2.19

莲花电站大坝外部变形监测站

图 2.20

通讯及供电控制盒

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§2-7
一、变形监测基准网

浙江青山水库加固改造自动化监测系统

青山水库位于浙江省杭州市境内。大坝如图 2.21 所示。为了给变形监测提供基准,建立了如图 2.22 所示的 4 点(A、B、C、D)大地四边形控制网。

图 2.21

浙江青山水库

全站仪工 作基点站 A

大坝上游

校核基点 变形点 B

D

C

图 2.22

大坝变形监测基准网

基准网野外观测使用 TCA2003 自动化全站仪,测站分别尝试了人工观测(人工粗瞄,ATR 精确照准,12 测回,每一测站约 1 小时)和自动观测(用 MCHO 软件,只在 C 站试用,每一测站 约 30 分钟) 。野外观测时间为:2004 年 7 月 22 日 5:00-8:00,18:00-19:00,7 月 23 日 6:00-7: 00。四个三角形闭合差的质量检核分别为:±0.3”、 ±0.3”、±0.7”、±1.3”。三角网平差结果标明,各 基准点的三维坐标测量误差都小于 1mm。 二、GeoMoS 变形自动化监测系统 变形观测沿坝轴线布置6个表面变形观测横断面、4排观测标点。4排观测标点分别埋设于上游坝 坡小平台、下游坝肩35.5m高程、24.16m高程平台及下游坝脚外5m处。另外,溢洪道变形监测共设6 个变形观测标点。共计变形观测点数30个。
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图 2.23 自动化全站仪监测站

图 2.24

变形监测点

图 2.25

溢洪道监测点

大坝自动化监测系统的建立包括两大部分:即建筑工程、设备及安装工程。建筑工程包括工作 基点房、各种观测墩的土建,棱镜的保护装置、各种联接器的加工等;而基本的设备及安装工程如 下表: 数据采集设备
TCA2003 自动化全站仪 全站仪供电设备 数据电缆 徕 卡 原 装 单棱镜 及 配 套 设备 强制对中基座 通讯光缆 光端机及配套设备 光缆套管 控制机房供电设备 计算机与打印机 各种避雷器 维护工具与各种备件 光端机

系统软件
控制网自动观测软件 控制网三维平差软件 GeoMoS 监测软件

TCA 全站仪 光端机 接线盒 光纤

PC 机 光端机 接线盒

数据接口软件 专用数据分析软件

接线盒

通讯与控制设备

三、变形点观测 系统在GeoMoS监测模块的控制与管理之下自动运行。每一变形点盘左盘右观测,30个变形点一 个周期观测时间约13分钟。 变形数据分析软件为水利科学研究院大坝监测中心自行编制。该软件采用 SQL 数据库,只要将 由 GeoMoS 记录的观测数据转换成该分析软件要求的数据格式即可。

§2-7
一、工程概况

四川省攀枝花二滩水电站大坝外部变形监测系统

二滩水电站位于四川省攀枝花市轄区内的雅砻江干流上,离攀枝花市约 40Km,距砻江入金沙
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江河口处约 33Km,是中国目前已建成的最大水电站。 二滩水电站属国家 I 等工程,是以发电为主的综合利用水力枢纽,由混凝土双曲拱坝、左岸地 下厂房、右岸泄洪隧洞、左岸木材过坝设施等建筑物组成。水库正常蓄水位为海拔 1200m,总库容 量为 58 亿 m3,有效库容 33.7 亿 m3,属季调节水库。电站内安装 6 台 55 万 KW 机组,总装机容量 330 万 KW,年发电量 170 亿度。 二滩水电站大坝系混凝土双曲拱坝,坝高 240m,拱冠顶部厚度 11m,拱冠梁底部厚度 55.74m, 拱端最大厚度 58.51m,拱圈最大中心角 91.49,上游面最大倒悬度 0.18。坝顶孤长 775m。坝内设有 二条检查廊道、一条交通廊道、一条水平段基础廊道及岸坡段基础廊道。 二、二滩水电站大坝外观变形监测的意义 由上所知,二滩水电站大坝坝高 240 米,居亚洲第一,在世界上也属第三高坝。从它的施工 开始到竣工,一直不断地进行监测,其目的主要是了解和掌握其变形情况,及时发现问题,以保证 工程建设的安全。大坝建成后在营运期间仍要求不断地监测,主要有以下二方面的意义: (1) 实用上, 用于检查大坝建筑物和近坝区地质构造和岩体的稳定性, 可及时发现存在的问题, 以便采取相应对策,化害为利,保障安全生产,造福于人民。 (2)科学目的上,可更好地了解和掌握大坝构筑物变形的机理,验证工程设计的理论,为完善 大坝变形的预报理论和方法,提供丰富的实测数据。 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 二滩水电站大坝外观变形监测网,是在原大坝浇筑期及蓄水初期为监测大坝变形情况设置的 临时监测网的基础上,为进一步了解大坝外观变形及近坝区岩体变形而补充完善的水平位移基准网 (如图 2.26)和监测网(如图 2.27)所构成(此处略去垂直位移基准网和监测网) 。

图 2.26

水平位移基准网图

其中,水平位移基准网由基准点 C3~C12 及监测网两个水平位移工作基点(III06、III11)共十 三个点组成。C1~C4 为校核网,因故暂时未观测。基本图形结构为大地四边形,并以测边方式连接 所有能通视的点,形成坚强的边角网图形,最大边长 1486m,最小边 355m,平均边长 764m。水平 位移基准网以离大坝下游 1.02Km 的 C3~C4 方向作为水平位移基准网起算基准。水平位移监测网由
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一个坝顶七点网和两个坝后五点网组成(详见图 2.22) 。

图 2.27 水平位移监测网 主要技术要求为: ? ? 水平位移基准网和监测网的边、角观测,均按一等导线边、一等三角测量要求和观测纲要作 业。 精度应满足“混凝土大坝安全监测规范”要求,即径向位移量中误差不大于±2.0mm;切向 位移量中误差不大于±1.0mm。 四、TCA 自动化全站仪监测效率总结 全站仪仪器本身稳定可靠,所测成果准确可信。 ⑴ 观测速度较常规仪器平均快 0.5~1 倍。 ⑵ 减少了记录员,从而避免了人工读、听记录中可能产生的差错。 ⑶ 自动观测可以不受观测员技术水平、经验、情绪、精力等人为因素的影响,一般测量人员能 较快地达到既快又准的效果。 ⑷ 目标点无须使用回光灯照明即可进行夜间作业,可充分利用夜晚时段观测。对日温差大,气 候干燥、光照强烈的攀枝花地区,特别是精度要求很高,网型复杂的二滩大坝监测网,夜间观测的 优越性尤其明显; ⑸ 利用大坝变形监测自动化观测机载软件的控制,其智能化的自动搜索,锁定目标,并测角测 边代替了作业员的繁重劳动。大大简化了测站上的工作。如:各种改正元素均可实现仪器设置、自 动进行各种限差判断、自动进行改正计算等。 ⑹ 各种数据采集,自动内存上卡、并通过 PC 卡直接向微机传输,既避免了传抄的差错,又提 高了速度; ⑺ 由于仪器在观测过程中,水平角与垂直角角同时采集完成、故垂直角平均值实际上也是 12 个测回的,比较常规仪器 6 个测回的平均值精度更高。

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大坝外部变形监测的自动化、智能化和网络化在近二十年的时间内,在国际上已经发展得比较 成熟,应用甚为广泛。从方案设计、硬软件配置到大型工程中的应用,都取得了长足的进步和令人 滿意的结果。同时也看出这项技术广泛的应用前景。 我国应用这类技术还是近六、七年的事情,时间是很短的。但从大坝外部变形监测工程的应用 上已取得了零的突破,逐步为业内人士所认可。 下面引用 《瞭望东方周刊》 “我国约四成水库有隐患, 曾发生世界最大垮坝灾难”一文中的一段: “中国如今已建成各类水库 90000 余座,其中小型水库 81000 座,占水库总数的 96.2%。水利 部门管辖的 83700 座水库中,有病险水库 30413 座,约占水库总数的 36%,其中大型 145 座,中型 1118 座,小(1)型 5410 座,小(2)型 23740 座。大中型水库的病险率高达 40%以上,个别省的病险库 甚至超过水库总数的一半。” 我国大坝数量是相当大的,而病险率又如此之高。从大坝外部变形监测工作的需求来看,采用 这种国际流行的自动监测技术还仅仅是开始。目前所做的工作只是冰山的一角,应该说任重而道远。 从目前大坝安全的现状来看,也是迫在眉捷,应尽快在大坝监测中配置这种真正意义上的自动变形 监测系统。将大坝的营运管理纳入现代科学的范畴之内,科学、即时、有效,确保人民生命财产的 安全和社会的稳定与安宁,为构建和谐的生存环境,作出应有的贡献。

瑞士徕卡测量系统股份有限公司北京代表处 徕卡测量系统(上海)有限公司

二 OO 五年十月

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■ ■ ■ ■ ■ ■

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坦诚及具有建设性的沟通 (Open and constructive communication)

徕卡大坝外观形变自动化监测系统 采用徕卡TCA自动化全站仪和GeoMoS等软件进行 大坝外观的形变监测,在几秒钟之内能够完成一个 目标点的观测,并对多个目标作持续和重复观测, 可实现24小时无人值守,并具有远程控制和自动报 警等功能。

When it has to be right.

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