动化测量技术的研发与应用

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　　随着我国工程建设等行业的快速发展，我们对变形监测工作提出了更高的要求，逐渐形成了对自动化变形监测的实际需求。配有目标自动照准功能全站仪的发展和出现，使实现自动化变形监测成为了可能，相应的开发和研究也普遍开展起来。近几年来，国内外在自动化变形监测方面的研究也取得了一定的进展。
　　测量机器人[1]是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。在没出现机器人之前，传统的工程变形监测测量都是靠人工巡检和人工携带仪器设备到现场实地测量相关数据，测出的各项参数都会存在一定的系统误差和人工误差，并且人工测量的工作量很大，还要受天气和现场条件状况的影响，不能及时监测工程的各项技术参数，资料的整理与分析周期也很长，落后于生产，也不能及时地发现工程隐患，工程的安全性受到威胁。为了解决这些问题，测量机器人开始进入人们的视野，随之自动化变形监测技术也开始活跃起来。
　　1 系统整体设计
　　1.1 系统组成
　　基于自动全站仪的自动化变形监测系统由自动全站仪、棱镜组、控制电脑、软件、通讯设备等组成[5]。全站仪设立在基准点或工作基点上，要求点位相对稳定，能轻松找寻目标点并实现实时观测。棱镜布设在能反映结构体变形特征的特征点位置，并应注意加以保护。控制电脑放置在工作房内，通过有线或无线方式与仪器连接，通过电脑内安装的软件控制自动全站仪进行数据采集，并且自动进行数据分析与处理工作。
　　1.2 系统的整体设计
　　系统的整体设计主要包含11 个方面：(1)工程管理：每个变形监测项目都以工程形式进行管理，工程中保存着该变形监测项目在监测过程中的相关数据。(2)系统初始化：系统初始化实现测量机器人与计算机串口相连的各项通讯参数设置以及测量机器人的初始化设置等。(3)学习测量：学习测量即是对所需观测的目标点进行首次人工测量，获取目标点概略空间位置信息，以便日后计算机控制测量机器人自动搜寻定位目标点，完成自动测量。(4)自动测量：根据设置的自动观测时间段，控制测量机器人在指定的时间段内实施无人值守的自动观测。(5)智能处理：遮挡处理和超限处理情况的处理。
　　(6)自动报警：当测点变形量超过预先设定的限差时，进行自动报警。(7)数据处理：实现目标点坐标计算以及变形分析。包括：仪器加乘常数改正、位角改正、离差分改正、差差分改正。
　　(8)变形趋势图实时显示：动态显示变形趋势图，以此来判断目标点点位是否有位移。(9)测量数据报表输出：可根据不同需要，对数据进行筛选与组合，然后将数据，如观测周期、X坐标、Y 坐标和Z 坐标等输出到Excel中进行管理。(10) 压缩工程数据：可对工程数据进行适当的压缩以更好地利用存储空间。
　　(11)通过网络实时传送观测数据：因在实测场地实施的是无人值守自动监测，为方便用户在不到实测场地就能实时获得观测数据，系统提供通过网络实时传送观测数据至远程指定服务器[3]。

　　图1 全站仪自动化变形监测系统组成

　　1.3 软件功能设计
　　自动化变形监测软件的主界面主要由菜单操作区域、工程信息操作区域、观测数据区域、日志信息区域、图形区域几部分组成。
　　操作菜单完成了对软件操作，从而使仪器完成各种观测任务，软件进行各项分析、计算、绘图等任务。工程信息控制区域主要功能是显示观测数据区域和日志信息区域里的内容。
　　数据显示区域用来对测点观测数据信息输出。日志信息区域显示测量必要的中间计算结果和其过程中的行为，这样在测量发生问题时可以方便及时地查找问题和发现原因。图形显示区域主要显示测站点和观测等的位置信息，也可以进行三维平移、显示、缩放、旋转操作等功能。
　　2 监测中的特殊问题
　　2.1 视场内出现多个目标
　　多个目标出现在视场中的问题，引起了专家们的足够重视。Leica 公司对该问题的解决方法是缩小视场，但是若缩小视场后仍有二个以上棱镜，就不能再正常测量了。Sokkia 自动化全站仪对视场内存在多个棱镜的识别方法是“就近法则”。
　　通过设置的数学计算方法，查看视场内离望远镜的十字丝中心最近的棱镜是哪一个，然后全站仪就自动地照准该棱镜。
　　Trimble 自动全站仪采用的方法是选择目标模式，目标分为主动目标和被动目标。
　　Leica 的小视场方法和Sokkia 的就近原则解决了一部分视场内有多个棱镜的情况，但是并不能解决所有问题，所以这两种方法认为是软件方法。Trimble 全站仪使用棱镜编码和棱镜开关技术使该问题从根本上得到解决，因此被认为是硬件方法。一般情况下，设置测站的时候可尽量不让视野内有2 个以上的棱镜。当不可避免时，可考虑综合以上两种方法辅助克服。
　　2.2 棱镜被遮挡的问题
　　棱镜遮挡是测量过程中经常发生的现象，对于这一问题在软件中进行的处理如下：测量第一次时被遮挡，就跳过此点测量下一点，完成一轮测量后，对没有观测到的点进行新一轮搜索，如果仍未找到，则用对话框提示人们是继续寻找还是放弃测量该点。
　　2.3 测站不稳定问题
　　在基坑、桥梁等工程的变形监测中，由设置了多个棱镜，在基坑或者桥梁中部附近的位置架设仪器通常是最方便测量的[4]。
　　但是若在变形影响区内架设仪器，很可能产生位移，而架设在变形区之外，就会因为仪器的辐射角度变小，视场内的棱镜和目标容易被遮挡。因此，利用变形区外的控制点将所有目标点控制在同一坐标系内是一个不错的解决方法。解决测站不稳定问题的方法主要有以下几种：(1)通过后方交会或者测边、边角交会求得测站点的坐标，然后计算各观测边方位角并取方位角均值作为定向数据。(2)直接测量2 个或以上控制点的坐标，通过基准点实测坐标和理论坐标求得坐标转换参数，将测站坐标转换到目标坐标系下后，修正测站以及定向数据。(3)直接测量2 个或以上基准点的坐标以及所有监测点的坐标，通过基准点实测坐标和理论坐标求得坐标转换参数，将监测点坐标转换到目标坐标系下。此方法相对而言更加自由，程序实现也更加方便。
　　3 结语
　　本文简单介绍了自动化变形监测系统的组成和系统的功能设计，以及一些特殊问题的处理，提出了相应的解决方案。
　　由于国内的软件大部分是对某工程或某类工程开发，功能比较单一。因此，我们根据以上叙述，并针对关键问题，满足建设工程行业的需求发展开发了一套基于自动全站仪的自动化变形监测软件。系统对完全自动化功能还不够完善，加上系统的开发周期短，系统设计与实现有一些不足的地方，因此，自动化变形监测系统的研究工作还要不断改进和完善。
　　
　　

李小路

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