基于测量机器人水利工程沉降变形监测精度分析

陈龙浩 (安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230022)

随着国民经济的快速发展，我国大型水利工程建（构）筑物越来越普遍，与之而来的沉降变形监测显得尤为重要[1]。现阶段重点工程项目中常用的沉降变形监测方法主要为精密水准仪测量法，该方法测量精度高，但需耗费大量的人力物力。三角高程测量方法由来已久，观测方法简单，受地形限制较小，若将三角高程测量方法应用至沉降变形监测中，能很好地节省人力物力，但该方法高程精度受垂直角和测量距离影响较大。

本文针对这一问题，利用测量机器人实时获取变形数据，并对垂直角和测量距离影响进行精度分析。

1 系统构成

为分析测量机器人全自动沉降变形监测精度受垂直角和测量距离影响程度，本文选用莱卡测量机器人（TM30）和自制照准装置。该系统核心部件为莱卡TM30测量机器人，配合自制一体式监测照准装置，可实现全天候无人值守连续观测。

1.1 TM30测量机器人

测量机器人即为高精度、能自动监测的全站仪，其测量原理与全站仪相同。其配有伺服马达驱动，在一定的范围内，由系统控制，自动识别目标、追踪目标并自动记录观测数据(水平角、垂直角、距离)，且其一般配有外接电源，能够昼夜连续测量。

相比普通全站仪，测量机器人的监测精度较高，本文实验选用徕卡公司的TM30，其测角精度标称为±0.5″，测距精度标称为±（1mm+1×10-6D）。且在此仪器的基础上，对仪器进行实验检测，精确确定仪器的差分改正系数，实现温度、气压、大气折光等外部条件对测量距离、角度观测值的实时差分改正，提高观测的精度。

1.2 自制一体式监测照准装置

为了使与TM30配套的棱镜能和沉降监测点一起发生沉降，本系统制作了塑料套管和金属连接杆（图1）。塑料套管的两端与监测点埋设钢筋和金属连接杆相连，再将金属连接杆与棱镜连接。使棱镜固定在监测标石上方，与监测点同步下沉。

图1 金属连接杆与塑料套管实物图

2 精度分析

三角高程测量方法简单，但其受测量距离和垂直角影响较大。当测量的垂直角较大时，测量机器人高程测量精度远低于平面测量精度。选用TM30对水利工程进行动态监测，因此有必要分析其高程测量精度是否能够满足相应水利工程下沉值监测的精度需求。由坐标正算公式及中误差传播定律，经过化简得高程测量的中误差公式为：

其中ms—测距误差；

mα—测角误差；

mi—仪器高测量误差；

mv—觇标高测量误差；

D—监测点到基准点间的平距；

α—垂直角。

TM30测角精度为0.5″，其含义是一测回方向照准误差，一测回角度测量值为一测回两个方向测量值之差，因此，仪器测距精度为 1mm+1×10-6D，一测回观测进行两次测量，取两次测量距离的平均值为最终距离测量值，则。因为在本实验中是连续测量监测点高程，每天只测量一次仪器高，无需计算在计算监测点相对上次监测的下沉值时，仪器高i和觇标高v被内差抵消，所以在连续监测变形点下沉值时不存在仪器高和觇标高的测量误差，即在本实验中ms=mv=0。计算当斜距S和垂直角α取不同值时由仪器引起的测量中误差（单位：mm），计算结果见表1。

监测点高程测量中误差正交表（单位：mm） 表1

由表发现，TM30测量机器人的高程测量精度随着测量距离的增加降低，当垂直角大于30°后精度随垂直角的增加降低，尤其当垂直角接近80°时高程测量精度急剧降低，因此在测量过程中应尽量避免垂直角过大。

根据所处位置、重要性及允许变形值大小，水利工程变形监测等级划分为四个等级。依据本次实验结果，若D≤100m，α≤5°，满足一等水利工程变形监测要求（变形观测点的高程中误差0.3mm）；若D≤150m，α≤10°，可满足二等水利工程变形监测要求（高程中误差0.5mm）；若D≤300m，α≤10°，可满足三等水利工程变形监测要求（高程中误差1.0mm）；若D≤600m，α≤30°，可满足四等水利工程变形监测要求（变形观测点的高程中误差2.0mm）。

3 结论

本文针对水利工程变形特点及现有变形监测方法的局限性，在三角高程测量方法的原理上，通过测量机器人和自制一体式照准装置构成远程自动全天候沉降监测系统。通过实验分析，得出测量距离和垂直角对该系统精度影响，并针对不同水利工程监测等级，采用相应测量距离和垂直角来满足要求。