Π 第 36 卷 第 3 期 2 0 0 5 年 3 月 　　文章编号 :1001 - 4179(2005) 03 - 0063 - 03 人 　民 　长 　江 Yangtze 　River Vol. 36 ,No. 3 Mar. , 2005 测量机器人变形监测自动化系统 高 改 萍 　李 双 平 　苏 爱 军 　张 京 生 　崔 政 权 (水利部 长江勘测技术研究所 ,湖北 武汉 430011) 摘要 :TCA 型测量机器人是在全站仪的基础上集成激光 、精密机械 、微型计算机 、CCD 传感器以及人工智能技术 发展起来的 ,在滑坡 、水工建筑物的变形监测中 ,能快速 、准确地获取资料 。论述了测量机器人技术系统的软硬 件设计与基于 GIS 技术的变形监测数据库管理 ,以及该系统在水工建筑安全监测 、滑坡变形监测上的应用 。该 系统的使用减少了人工劳动强度 ,提高了安全度 ,实现了滑坡 、水利工程的实时监控 。 关 　键 　词 :测量机器人 ; 变形监测 ; 位移观测 ; 系统设计 中图分类号 : TV698. 1 + 1 　　　文献标识码 : A 　　为了采集滑坡和水工建筑物及其基础的绝对和相对水平与 垂直位移量 、建筑物挠度变形量 、建筑物基础转动变形量 、近坝 区岩体的绝对水平位移与垂直位移量 ,需要建立变形监测系统 。 但目前的变形监测方法 ,由于其观测周期长 、实现自动化观测困 难或经济负担重等因素 ,已不能满足快速 、准确获取资料的需 要 。测量机器人是 20 世纪 80 年代由奥地利维也纳技术大学同 GEO DATA 和瑞士 Leica 公司共同开发的高新技术产品 ,测距可 达 3 km ,500 m 测程精度达 1 mm ,每个点高程与坐标计算不足 1 min ,可实现自动寻找被测目标并计算其高程与坐标 。该项技术 应用目前在我国滑坡监测方面的应用尚属起步阶段 。 1 　测量机器人简介 TCA 型测量机器人 (Measuring Robot) 是 20 世纪 80 年代由奥 地利维也纳技术大学同 GEO DATA 和瑞士 Leica 公司共同开发 的全自动型测量仪器 ,它是在全站仪的基础上集成激光 、精密机 械 、微型计算机 、CCD 传感器以及人工智能技术发展起来的 。它 通过 CCD 传感器识别目标并对所接受电磁波强度进行探测 ,在 计算机控制下驱动步进马达 ,实现目标的自动识别 ,精确照准和 测量数据的自动记录 ,并可实现对大量目标的无接触自动遥测 。 测量机器人最主要的特征是自动识别系统 (ATR ,Automatic Target Recognition) 。它发射红外光束 ,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 ,即使棱镜的移动速度达到 5 m s 时 (100 m 处) , 信号也不会中断 ,利用跟踪测量模式能实时测得动态数据 。 2 　测量机器人监测系统设计 2. 1 　硬件系统的设计 硬件系统的组成有基站 、参考点 、变形体 3 部分构成 。 (1) 基站 。基站用来架设测量机器人 ,要求具有良好的通 视条件 ,一般应选择在稳定处 ,特殊情况下也应选在相对稳定 处 。基站由观测墩 、测量机器人 、观测房组成 。 (2) 参考系 。参考系由一系列参考点组成 。参考点应位于 变形区以外的稳固处 ,有观测墩和棱镜 。参考系主要是为系统 数据处理时的距离及高差差分计算提供基准 ,如不采取差分计 算 ,可作为方位参考 。 (3) 变形体 。变形体用布置在其表面的大量目标点代替 。 目标点由观测墩 、正对基站的棱镜 、数字式温度计和气压计组 成 ,根据需要 ,目标点一般较均匀地布设于变形体上能体现区域 变形的部位 。 2. 2 　软件系统设计 大坝及滑坡变形监测自动化系统由 6 大模块组成 : ①数据 采集模块 ; ②控制模块 ; ③数据处理模块 ; ④数据库管理模块 ; ⑤数据分析 、预报模块 ; ⑥信息传输模块 。其中测量机器人与 联机监测模块之间的通讯方式有通过光纤有线连结和微波无线 通讯两种方式 ,由信息传输模块控制 。 2. 2. 1 　数据采集模块 由于滑坡和大坝的监测多在山区进行 ,可能会造成现代化 通讯的不便 ,因此 ,针对大坝及滑坡变形监测网的应用 ,开发设 计了外业机载监测数据采集软件模块 。 该模块的基本功能可概括为 :在 TCA2003 全站仪上建立实 测大坝变形监测网工作基点及各监测点的概略坐标数据库 ,当 全站仪安置在测站点上并完成起始方向和度盘定向后 ,仪器按 软件预先在该点设定的观测点集 、观测顺序以及规定的等级测 回数 ,依次对观测目标进行自动搜索 ,锁定目标 ,并测角 、测边 ; TCA2003 全站仪实时地将观测结果记录到 PCMCIA 存储卡的文 件中 ,且将采集的数据与安置的各项规范限差自动进行对比 ,当 出现超限值时便自动报警 ,再以人工方式干预返工重测 ,直至最 终获得合格的外业观测数据文件 。机载软件所拥有的上述功能 均可在 TCA2003 全站仪 LCD 显示器上按菜单操作实现 。 2. 2. 2 　控制程序模块 为了真正地实现监测的全自动化 ,必须开发对数据采集元 收稿日期 :2005 - 01 - 15 作者简介 :高改萍 ,女 ,水利部长江勘测技术研究所遥感与信息技术研究室 ,高级工程师 ,硕士 。 

46 　　　人 　民 　长 　江 2005 年 件进行实时控制的软件 ,于是在学习 、消化 、吸收瑞士 Leica 公司 研制的自动极坐标测量系统 APSWin 的基础上 ,将其汉化 ,通过 实际的工程应用 ,并结合国内用户的实际需求 ,并添加一些功 能 ,研制出本地化的智能型自动变形监测中文软件模块 。 该模块具有实时性强 、自动化程度高 、可靠性强等优点 ,其 主要功能有 : ①对所要测量的点位进行初始的学习测量或通过 初始坐标进行点位的计算和确定 ; ②在用户设置的时段内自动 地对所有目标点进行测量 ; ③测量结果实时显示 ,并可以 ASCII 码文件输出 ,测量数据可按照用户所要求的格式进行报表输出 。 2. 2. 3 　数据处理模块 测量数据或观测数据使用一定的仪器 、工具 、传感器或其他 手段获取的反映实体空间分布有关信息的数据 。观测数据可以 是直接测量的结果 ,也可以是经过某种变换后的结果 。任何观 测数据总是包含信息和干扰两部分 ,干扰也可称为误差 ,采集数 据就是为了获取有用的信息 ,因此要设法排除和减弱干扰部分 的影响 。在此前提下 ,结合实际情况和本系统特点开发了该模 块 。 该模块有数据预处理 、数据平差处理和数据输出 3 大部分 组成 ,具有自动化程度高 、通用性强 、数学公式级处理方法严密 、 计算容量大等特点 。 2. 2. 4 　数据库管理模块 数据库管理模块基本框架见图 1 。对变形体 (尤其是水库 库岸滑坡体和大坝) 需要多周期 、长时间的变形监测 ,有的项目 观测了数十至数百周期 ,时间长达几年至几十年 ,其数据量非常 庞大 。面对这些繁杂而又庞大的数据 ,能否管理利用好 ,关系到 监测变形和预测预报变形体变形工作能否实现和实现后的质 量 。为此 ,设计和建设高效率的 、使用方便的变形监测成果数据 库管理系统是必要的 ,它与变形监测一样具有重要的实用意义 和科学意义 。 归分析模型 、时序分析模型 、滑坡稳定性计算模型等 ,它从主要 效应量的变化趋势来作判断 。利用计算模型对监测资料进行分 析 ,确定进入中长期预报或是短期预报阶段 。 (2) 中长期预报是依据滑坡自变形开始到加速之初阶段的 变形监测资料及影响滑坡变形 、失稳的外部因素资料 (如降雨 等) ,预报变形发展趋势及最短安全期 。当变形阶段判别结论是 未进入加速变形阶段时 ,利用监测资料不能作失稳时间预测 ,只 能作最短安全期预测 。中长期预报通过对变形趋势动态预测 , 了解滑坡变形进入加速变形阶段的可能性 ,并边预测边判断 ,随 时掌握滑坡的变化趋势 。 (3) 短期预报是变形进入加速阶段后 ,利用变形监测资料 及影响变形失稳的主要外部因素资料 (降雨) 对滑坡的失稳时间 及变形趋势做出预测 。预报的期限为几年 、几个月 、甚至几天 。 在进行短期预报中 ,除了考虑滑坡在自身重力作用下加速蠕变 外 ,随着变形的发展 ,滑坡抵抗外力的能力逐渐降低 ,能够引起 变形跃迁的降雨量逐渐降低 ,当滑坡即将发生时 ,很小的降雨也 能引起变形的跃迁 ,甚至失稳 。因此在进行滑坡变形趋势及失 稳时间的预测后 ,特别是做出滑动即将发生的预测时 ,为了提高 预报模型的精度 ,本系统模型库将以 Suaj 模型 、启动降雨量预 报模型 、线性一阶灰色预报模型 、Verhulst 反函数预报模型等多 个模型为基础的滑坡预报综合判断模型 ,开发综合预报软件 。 2. 2. 6 　信息传输模块 该模块的主要功能是实现软件与测量机器人之间的通讯 , 有两种方式 :即有线通讯方式和无线通讯方式 。 2. 3 　测量机器人监测方案设计 2. 3. 1 　半自动变形监测系统 一台测量机器人 (TCA 型) 和机载软件组成外业半自动化系 统 。一台 PC 机和数据后处理分析软件组成内业半自动化系统 (见图 2) 。 图 1 　数据库管理模块基本框架 数据库模块是该系统数据的存贮和交换的主要承载体 ,是 系统的核心 。数据管理部分主要是针对大量原始观测资料 ,以 数据库为中心 ,实现对各类观测数据的存储 、更新 、增加 、删除 、 修改 、检索 、查询 、统计 、简单加工 、绘制图表及各种过程曲线等 。 数据处理部分有常用的应用软件 ,对观测资料进行粗差检验 、模 型判断 、数据拟合 、内插 ,对观测异常值进行技术报警 。 2. 2. 5 　监测数据分析 、预报模块 该模块的主要功能是对监测的数据进行分析 ,它包括各自 独立而又相互补充的 3 个部分 。 (1) 这部分主要采用统计模型对灾害作出预测 ,如多元回 图 2 　高精度半自动变形监测系统示意 在利用半自动模式进行滑坡变形监测时 ,将 TCA 型测量机 器人置于观测墩上 ,调用内存的各观测点坐标数据库或学习目 标点位坐标 ,限差参数设置等工作后 ,仪器将会在机载软件的驱 动下自动地多测回 、全面观测多个目标点并将边长 、角度等数据 实时存入 PC 卡中 。在某观测墩上完成观测后可将仪器移至另 一观测墩上作业 ,直到完成全部测量工作 。完成所有测量工作 后将仪器拿回室内 ,将 PC 卡上所存的边角数据传入电脑 ,再利 用后处理软件进行平差处理分析 ,最终得出成果 。 2. 3. 2 　高精度全自动有线变形监测系统 该方式由单台或多台测量机器人 、有线传输系统 、控制计算 机 、监控及数据分析软件组成 。该模式与半自动模式的不同在 

第 3 期 高改萍等 :测量机器人变形监测自动化系统 56 于需要建立完善的网络 ,整个网络可分为数据采集部分 、数据传 输部分和数据处理部分 。数据采集部分为固定在测站上的测量 机器人以及为测量机器人供电的外部电源及在线 UPS 等 ;数据 传输部分是有线传输系统 ;数据处理部分即计算机及相关软件 。 这种模式下 ,测量机器人无需操作人员值守 ,测量机器人的开 机 、关机及相关操作均由计算机进行控制 ,计算机对测量机器人 发出指令 ,指令会经传输系统传到仪器上 ,在指令的驱动下测量 机器人将自动进行测量 ,所测数据会经相同路线传到计算机上 , 计算机将利用数据处理软件将传回的数据进行处理后立即得出 结果 。另一个不同点是测量机器人无需操作人员值守 ,实现真 正意义上的自动观测 。 2. 3. 3 　全自动无线变形监测系统 该方式由单台或多台测量机器人 、无线传输系统 、计算机 、 监控及数据分析软件组成 。 该模式的工作原理与自动观测有线模式大体相同但也有区 别 。两者最大的区别在于测量机器人接受或发射信号均是通过 数字电台而无需数据线传输 。另外 ,计算机发出的指令以及接 受测量机器人发出的数据信号也是通过数字电台 ,无需通过数 据线传输 。驱动测量机器人自动观测的软件及数据后处理软件 都安装于计算机上 ,测量机器人无需操作人员值守 ,可固定安置 在观测墩上 ,进行控制测量或进行其它测量时可将测量机器人 从观测墩上移下 。测量机器人以及电台均是外部电源供电 ,为 保证电源 12 V 的稳压并确保突然停电而不会给测量机器人带 来损害 ,所以整个网络中给测量机器人供电部分须安装 UPS。 除此以外 ,其他有关情况完全同于自动观测有线模式 。 3 　应用实例 3. 1 　滑坡监测试验 试验所选上台子滑坡位于清江水布垭大坝下游左岸 ,距离 大坝轴线约 1. 5 km ,滑坡体体积 780 万 m3 ,面积约 23 万 m2 ,属 特大型滑坡 。该滑坡于 2000 年 10 月开始监测 ,观测周期为 4～ 6 次 7 月 8 日 、9 月 20 日 、11 月 15 日 ,用 TCA2003 型仪器进行了观 测 ,以右岸的 S01、S02、S03、S04 为基站 ,左岸的 W01、W02 为已知 点 ,对滑坡体上的 7 个监测点进行的观测 (见图 3) 。 a ,至 2004 年 11 月 ,已取得 36 期观测值 。2004 年 4 月 8 日 、 S01～W01、W02 的距离分别为 1 016. 605、1 247. 12 m ,S02～ W01、W02 的距离分别为 1 108. 872、1 046. 989 m ,S03～W01、W02 的距离分别为 1 227. 3、987. 805 m ,S04～W01、W02 的距离分别为 1 227. 3、987. 805 m。在观测中 ,自动化全站仪 TCA2003 安置在 S01、S02、S03、S04 上 , 两个基准点 ( W01、W02) , 7 个 变 形 测 点 (TS01～TS07) 上放置棱镜 。TCA2003 全站仪在软件的控制下 ,自 动照准目标棱镜 ,采集基准点 ,变形测点的水平角 、垂直角和距 离数据 ,然后对所采集的数据进行一系列的处理 ,全自动地测量 滑坡体上变形测点的三维坐标 。在每个基站点上的工作时间只 需 10 min 左右 。而且避免了由人工照准 、读数 、记录带来的误 差 ,大大提高了观测效率 。 　　监测点平面坐标采用北京坐标系 ,高程采用吴淞高程系 ,位 移量符号规定 :水平位移 X 向下游方向为正 、Y 方向为主滑方 向 ,向清江方向为正 ,垂直位移下沉为正 。 图 3 　上台子滑坡体地表监测点布置 3. 2 　三峡永久船闸高边坡监测试验 永久船闸边坡于 1994 年开始监测 ,布置监测点 109 点 ,每 月一次 ,到 2004 年 11 月共监测 120 次 ,2004 年 9、11 月分别用测 量机 器 人 对 其 进 行 监 测 , 观 测 中 选 择 最 简 网 点 TN19CZB、 TN17CZB、TN15CZB 为基站 ,南坡的 TN10CZB、TP37GP02 为基点 , TP18GP02、TP20GP02、TP22GP02、TP26GP02、TP27GP02、TP32GP02、 TP38GP02、TP48GP02 为监测点 。观测时 ,在基站上安置测量机 器人 ,在基点上 、监测点上安置棱镜 ,测量机器人自动采集和保 存观测数据 ,通过一系列的数据处理自动得出监测点的三维坐 标 。 4 　结 语 该监测系统在变形监测中可以实现无人值守及自动进行监 测预报的功能 。该系统在监测基准网的基础上 ,采用差分处理 , 可以消除和减弱各种误差对测量结果的影响 ,大幅度地提高了 测量精度 。可同时获得每变形点的平面位移和垂直位移的信 息 ,克服了以往平面位移监测和垂直位移监测分别进行的缺陷 。 该系统可以实现连续 24 h 自动监测 ,实时数据处理 、分析 、输 出 ,提供图形 ,多点 、多项目 、全自动和可视化 ,达到亚毫米以内 的精度 ;可以自动进行气象改正 ,克服气象代表性误差 。 该系统的初步应用表明 ,它可以进一步提高我国滑坡 、水坝 等人工建筑物安全监测工作的技术水平 ,提高工程安全监测的 效率 ;减少工作人员的劳动强度 ,提高安全度 ,节省大量的人力 、 物力和资金 ;实现对水利工程 、滑坡形变的实时监测 。 参考文献 : 1 　崔政权 ,李宁. 边坡工程 ─理论与实践最新发展. 北京 :中国水利电 力出版社 ,1999. 2 　陈永奇. 监测数据库处理. 北京 :测绘出版社 ,1998. 3 　梅文胜. 测量机器人在变形监测中的应用研究. 大坝与安全 ,2002. (编辑 :常汉生) 欢 迎 订 阅 　　欢 迎 投 稿 　　欢 迎 刊 登 广 告