基于測量機器人水利工程沉降變形監測精度分析

陳龍浩 (安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

隨著國民經濟的快速發展，我國大型水利工程建（構）筑物越來越普遍，與之而來的沉降變形監測顯得尤為重要[1]。現階段重點工程項目中常用的沉降變形監測方法主要為精密水準儀測量法，該方法測量精度高，但需耗費大量的人力物力。三角高程測量方法由來已久，觀測方法簡單，受地形限制較小，若將三角高程測量方法應用至沉降變形監測中，能很好地節省人力物力，但該方法高程精度受垂直角和測量距離影響較大。

本文針對這一問題，利用測量機器人實時獲取變形數據，并對垂直角和測量距離影響進行精度分析。

1 系統構成

為分析測量機器人全自動沉降變形監測精度受垂直角和測量距離影響程度，本文選用萊卡測量機器人（TM30）和自制照準裝置。該系統核心部件為萊卡TM30測量機器人，配合自制一體式監測照準裝置，可實現全天候無人值守連續觀測。

1.1 TM30測量機器人

測量機器人即為高精度、能自動監測的全站儀，其測量原理與全站儀相同。其配有伺服馬達驅動，在一定的范圍內，由系統控制，自動識別目標、追蹤目標并自動記錄觀測數據(水平角、垂直角、距離)，且其一般配有外接電源，能夠晝夜連續測量。

相比普通全站儀，測量機器人的監測精度較高，本文實驗選用徠卡公司的TM30，其測角精度標稱為±0.5″，測距精度標稱為±（1mm+1×10-6D）。且在此儀器的基礎上，對儀器進行實驗檢測，精確確定儀器的差分改正系數，實現溫度、氣壓、大氣折光等外部條件對測量距離、角度觀測值的實時差分改正，提高觀測的精度。

1.2 自制一體式監測照準裝置

為了使與TM30配套的棱鏡能和沉降監測點一起發生沉降，本系統制作了塑料套管和金屬連接桿（圖1）。塑料套管的兩端與監測點埋設鋼筋和金屬連接桿相連，再將金屬連接桿與棱鏡連接。使棱鏡固定在監測標石上方，與監測點同步下沉。

圖1 金屬連接桿與塑料套管實物圖

2 精度分析

三角高程測量方法簡單，但其受測量距離和垂直角影響較大。當測量的垂直角較大時，測量機器人高程測量精度遠低于平面測量精度。選用TM30對水利工程進行動態監測，因此有必要分析其高程測量精度是否能夠滿足相應水利工程下沉值監測的精度需求。由坐標正算公式及中誤差傳播定律，經過化簡得高程測量的中誤差公式為：

其中ms—測距誤差；

mα—測角誤差；

mi—儀器高測量誤差；

mv—覘標高測量誤差；

D—監測點到基準點間的平距；

α—垂直角。

TM30測角精度為0.5″，其含義是一測回方向照準誤差，一測回角度測量值為一測回兩個方向測量值之差，因此，儀器測距精度為 1mm+1×10-6D，一測回觀測進行兩次測量，取兩次測量距離的平均值為最終距離測量值，則。因為在本實驗中是連續測量監測點高程，每天只測量一次儀器高，無需計算在計算監測點相對上次監測的下沉值時，儀器高i和覘標高v被內差抵消，所以在連續監測變形點下沉值時不存在儀器高和覘標高的測量誤差，即在本實驗中ms=mv=0。計算當斜距S和垂直角α取不同值時由儀器引起的測量中誤差（單位：mm），計算結果見表1。

監測點高程測量中誤差正交表（單位：mm） 表1

由表發現，TM30測量機器人的高程測量精度隨著測量距離的增加降低，當垂直角大于30°后精度隨垂直角的增加降低，尤其當垂直角接近80°時高程測量精度急劇降低，因此在測量過程中應盡量避免垂直角過大。

根據所處位置、重要性及允許變形值大小，水利工程變形監測等級劃分為四個等級。依據本次實驗結果，若D≤100m，α≤5°，滿足一等水利工程變形監測要求（變形觀測點的高程中誤差0.3mm）；若D≤150m，α≤10°，可滿足二等水利工程變形監測要求（高程中誤差0.5mm）；若D≤300m，α≤10°，可滿足三等水利工程變形監測要求（高程中誤差1.0mm）；若D≤600m，α≤30°，可滿足四等水利工程變形監測要求（變形觀測點的高程中誤差2.0mm）。

3 結論

本文針對水利工程變形特點及現有變形監測方法的局限性，在三角高程測量方法的原理上，通過測量機器人和自制一體式照準裝置構成遠程自動全天候沉降監測系統。通過實驗分析，得出測量距離和垂直角對該系統精度影響，并針對不同水利工程監測等級，采用相應測量距離和垂直角來滿足要求。