自動監測系統在邊坡變形監測中的應用

曾 強

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司深圳分院，廣東深圳 518000)

1 TCA2003全站儀簡介

TCA2003全站儀由徠卡公司研制。這種全站儀是和較大容量計算機技術相結合，具有高測量精度的電子全站儀。其結構和功能上有較大的改進和發展。①TCA2003全站儀安置了精密伺服馬達，在測角時可由編程控制，伺服馬達將自動轉動儀器照準部進行觀測。②儀器裝有同軸自動目標識別裝置，可自動識別目標、自動瞄準進行測量，從而可實現人工智能采集觀測數據。③接收系統采用CCD元件，能夠自動識別和鎖定目標，并能進行跟蹤測量。④儀器存儲部分采用標準存儲卡——PCMC IA卡作為存儲工具，觀測數據，既可以記錄在內存中，也可以將數據傳輸到PC機上進行數據的處理。

2基于TCA2003全站儀的自動監測系統

2．1 自動監測系統的硬件組成

自動監測系統主要由自動監測站、基準點、變形點、控制機房和TCA2003自動化全站儀等5部分組成。

2．1．1 自動監測站

自動變形監測系統監測站要根據監測現場條件進行選擇。監測站需建有觀測墩來放置全站儀。為了滿足儀器防護、保溫等要求，同時具有良好的觀察條件，因此需要建造觀測房。

2．1．2 控制機房

控制機房應該在辦公區附近選址，這樣可以保證較好的供電條件。控制計算機利用電纜和全站儀相聯，以便控制機房能實時了解監測站全站儀的運行情況。同時，要通過機房埋設專用電纜給全站儀供電，以保證其供電安全。

2．1．3 基準點

基準點不能建在變形區內，一般應該選建在變形區外穩定的基巖上。

2．1．4 變形點

建在變形區上的監測點稱為變形點，包括每個基準點和變形點在內的監測點都要安置單棱鏡對準監測站。

2．1．5 自動化全站儀

使用帶伺服電機驅動的TCA2003全站儀，在全站儀的望遠鏡中安有同軸自動目標識別裝置，能自動瞄準普通棱鏡進行測量，同時，可采用電子氣泡精確整平儀器，進行縱、橫軸自動補償，提高整平精度。觀測數據存貯在SARM存貯卡上，或者用通信線纜傳輸到控制計算機上。

2．2 自動監測系統的軟件系統組成分析

2．2．1 數據采集模塊

由于監測地多在山區現代化通信不便地方，因此，自動變形監測網在應用中開發設計了監測數據采集模塊。該模塊的基本功能是:全站儀上建立工作基點和各監測點的坐標數據庫，當全站儀完成度盤定向后，逐一對觀測目標進行自動搜索并鎖定，將觀測數據實時地記錄到存儲卡中，同時將采集到的數據與預先設定的數值限差自動進行對比，一旦監測到超限值時，便啟動自動報警系統，再輔之以人工重測，直到獲得合格的觀測數據。

2．2．2 控制模塊

要想實現監測的全自動化，實時控制的軟件是必不可少的。TCA2003全站儀的控制模塊具有實時性、高度自動化和高可靠性特點。該模塊能夠在預訂時段內自動地對目標點進行測量，并可以將測量得到的數據實時顯示和輸出，并根據主要效應量的變化趨勢來做判斷，以確定進行中長期預報，還是短期預報。

2．2．3 數據處理模塊

觀測數據一般是指直接的觀測結果，但是也可以是經過特定處理以后的結果。因為任何觀測數據或多或少包含一些干擾成分，也就是誤差，因此，在采集數據過程中排除和減弱干擾部分影響非常重要。該系統的數據處理模塊具有高自動化、高通用性、計算容量大、速度快等特點，有利于數據采集過程中排除和減弱干擾部分對結果的影響。

2．2．4 數據管理模塊

由于對邊坡變形體監測的周期多、時間長，勢必造成監測數據量十分龐大。所以管理這些繁雜而又龐大的數據，關系到對邊坡變形的監測和預測預報質量。監測成果數據庫管理模塊是十分重要的，主要是針對觀測產生的大量原始資料，以數據庫為中心，實現對各類觀測數據進行簡單的整理、分析與管理等，例如對原始資料進行粗差檢驗、模型判斷以及對觀測異常值進行技術報警。

2．2．5 觀測數據分析、預報模塊

該模塊的主要功能是對監測的數據進行分析，主要采用統計模型對災害做出預測、預報的期限為幾年、幾個月、甚至幾天。例如做出滑動即將發生的預測時，為了提高預報模型的精度，本系統模型庫能夠將啟動降雨量預報模型、線性灰色預報模型、反函數預報模型等多個模型整合為滑坡預報綜合判斷模型，進行綜合預報。

3 自動變形監測系統的聯機工作方式分析

3．1 自動有線監測系統的工作方式

這種工作方式由單臺或多臺TCA2003全站儀、有線傳輸系統、監控計算機及數據分析軟件組成。該模式基于TCA2003全站儀的自動變形監測系統必須有完善的網絡，整個監測網絡可分數據采集、數據傳輸和數據處理部分。數據采集部分為固定在測站上的TCA2003全站儀以及為TCA2003全站儀供電的外部電源等，數據傳輸采用的是有線傳輸方式，數據處理部分即計算機及相關軟件。在這種工作方式下，TCA2003全站儀不需要人員值守，由計算機遠程控制全站儀的開關機及相關操作。工作過程是首先由控制計算機對全站儀發出指令，然后指令通過經傳輸系統傳到全站儀上，TCA2003全站儀根據收到的指令自動進行測量，測量完畢后會將觀測數據反饋到控制計算機上，然后經由數據處理軟件得到的數據進行分析處理后得出結果。在工作中TCA2003全站儀無需人員值守，實現真正意義上的自動觀測。

3．2 自動無線監測系統的工作方式

這種工作方式由單臺或多臺TCA2003全站儀、無線傳輸系統、控制計算機及數據分析軟件組成。這種工作方式的工作原理與有線模式大致相同，但也有所區別。其中最主要的區別是這種工作方式下TCA2003全站儀是通過無線傳輸的方式進行接受或發射的信號。同樣，控制計算機所發出的測量指令以及接受TCA2003全站儀傳回的數據信息也是通過無線傳輸的方式進行?？刂芓CA2003全站儀進行自動觀測的軟件及數據處理軟件都安裝于控制計算機上，這樣就做到了TCA2003全站儀無需人員值守，只是將TCA2003全站儀安置在觀測機房的觀測墩上，如果要進行控制測量或其他測量時可將TCA2003全站儀從觀測墩上移下。TCA2003全站儀以及數據發射電臺均是外部電源供電，為保證供電電壓的穩壓和避免突然停電給測量機器人帶來損害，必須在整個系統網絡中給TCA2003全站儀安裝單獨的供電部分。除以上兩點外其他方面情況與自動觀測有線模式完全相同。

4 測量方法與精度分析

4．1 自動監測系統測量方法

目前，自動監測系統測量常采用極坐標法、測角交會法、測邊交會法等三種方法作為邊坡變形的監測方法。這三種方法各有其特色。一般來說來說，當距離＜200 m、而精度要求很高的情況下，應該采用測角交會法;當測量范圍在200～500 m左右的情況下，應該采用極坐標法;當距離＞500 m的情況下，應該考慮測邊交會法。

4．2 自動監測系統測量精度分析

4．2．1 基準控制網精度分析

由于邊坡變形觀測的位移量指的是同一監測點在不同時間點的觀測坐標的差值。所以，監測基本控制網的點位誤差對邊坡變形監測基本沒有影響，因此，監測基本控制網的相對點位誤差基本為零。

4．2．2 監測點精度分析

以常用的兩方向測邊測角前方交會法為例，其監測點的點位觀測誤差估算公式為:mP=±(ms2+mβ2)/2式中，mP為點位中誤差，ms為測距中誤差，mβ為測角中誤差。

5 結語

目前，新技術高速發展，日新月異，隨著社會經濟的不斷發展，變形監測自動化系統的應用越來越廣泛，并產生了巨大的社會效益和經濟效益。本文探討了基于TCA2003全站儀的通用變形監測系統的組成和工作模式，及其在邊坡變形監測中的應用方法，對于提高變形監測系統的應用，提高邊坡變形監測預報的準確性和時效性，具有一定的參考價值。

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