测量机器人在变形监测中的应用

　　一、固定式全自动持续监测方式的系统及实现  　　1、系统组成  　　该方式是基于一台测量机器人的有合作目标（照准棱镜）的变形监测系统，可实现全天候的无人值守监测，其实质为自动极坐标测量系统，其结构与组成方式。如图：  　　图1：测量机器人变形监测系统组成  　　（1）基站  　　基站为极坐标系统的原点，用来架设测量机器人，要求有良好的通视条件和牢固稳定。  　　（2）参考点  　　参考点（ 三维坐标已知）应位于变形区域之外的稳固不动处，点上采用强制对中装置放置棱镜，一般应有3～4个，要求覆盖整个变形区域。参考系除提供方位外，还为数据处理提供距离及高差差分基准。  　　（3） 目标点  　　均匀地布设于变形体上能体现区域变形的部位。  　　（4） 控制中心  　　由计算机和监测软件构成，通过通信电缆控制测量机器人做全自动变形监测，可直接放置在基站上，若要进行长期的无人值守监测，应建专用机房。  　　2、软件功能模块及软件实现  　　主要包括工程管理、系统初始化、学习测量、自动测量、数据处理、数据查询、成果输出、工具、帮助等功能模块。  　　工程管理：将变形监测项目作为一项工程来管理，对应一个数据库文件，保存所有该变形监测项目的所有数据，如初始设置信息、原始观测值和计算分析成果等。  　　系统初始化：计算机与测量机器人的串口通讯参数设置；测量机器人初始化，如自动目标识别、目标锁定、补偿器开关状态，搜寻范围、测距模式设置，距离、角度、温度、气压的单位设置；测前测量机器人的检校，如2C互差、指标差和自动目标识别照准差等。  　　学习测量：通过初始训练获取目标点概略空间位置信息。  　　自动测量：按设计的观测方案及观测限差控制测量机器人自动做周期观测。观测方案包括总观测期数、两期观测间隔时间、每期测回数、是否盘右观测等。自动观测中，软件能自动处理一些异常情况，如超限时，自动判断并指挥测量机器人按要求重测；若目标被挡，软件会控制测量机器人做三次重测尝试，不成功则暂时放弃，待其余目标观测完毕再试，若仍不成功则等待一段时间（一般 1/10期间隔）后补测，还不成功则会最终放弃并记录相应说明信息。自动报警用声音或屏幕提示等方式在测量过程中实现。  　　数据处理：包括对原始观测值做特殊的距离差分和高差差分处理、目标点坐标的计算和变形分析。数据查询与成果输出：查询和用报表的形式输出选定时期和目标点的观测、计算和分析成果。  　　工具：提供自由设站观测与计算工具，用来检查基站的稳定性或基站不稳的情况下得到基站的精确坐标。  　　二、移动式半自动变形监测系统组成与实现  　　固定式全自动变形监测系统可实现全天候的无人值守监测，并有高效、全自动、准确、实时性强等特点。但也有其缺点：  　　（1）没有多余观测量，测量的精度随着距离的增长而显著地降低，且不易检查发现粗差；  　　（2）系统所需的测量机器人、棱镜、计算机等设备因长期固定而需采取特殊的措施保护起来；  　　（3）这种方式需要有雄厚的资金做保证，测量机器人等昂贵的仪器设备只能在一个变形监测项目中专用。  　　移动式半自动变形监测系统的作业与传统的观测方法一样，在各观测墩上安置整平仪器，输入测站点号，进行必要的测站设置，后视之后测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数、全自动地寻找目标，精确照准目标、记录观测数据，计算各种限差，做超限重测或等待人工干预等。完成一个测点的工作之后，人工将仪器搬到下一个施测的点上，重复上述的工作，直至所有外业工作完成。这种移动式网观测模式可大大减轻观测者的劳动强度，所获得的成果精度更好。  　　对于该模式我们采用测量机器人机载半自动外业观测软件加微机自动化数据处理软件共同构成测量机器人移动式变形监测系统。  　　1、机载半自动外业观测软件设计  　　软件在Leica公司提供的机载应用程序专用开发语言―GeoBASIC上进行，GeoBASIC能通过简单地调用仪器的内部库函数来使用仪器已有的内置功能及菜单。用户可以很快地开发出所需要的应用程序，并可上载到仪器内部存储器中，与仪器的系统软件融为一体。  　　GeoBASIC主要由四个部分组成： GeoBASIC编译器；GeoBASIC解释程序；TPS1000仿真器（可在PC机Windows平台上模拟出仪器面板和一个调试窗口，用户可在仿真环境上直接开发）；用户文档（包括例子程序和详细的函数调用说明）。  　　GeoBASIC提供了大量的功能及系统调用函数。GeoBASIC函数分为标准函数与系统函数两大部分，标准函数主要是标准BASIC提供的函数；系统函数主要是与仪器系统相关的一些函数。机载半自动外业观测软件主要包括作业管理、限差设置、测站设置、初始观测、  　　后视定向、水平角自动测量、测回差检查、距离自动测量、观测数据自动记录、文件操作功能等功能模块。其作业过程为：由仪器PCMCIA卡中的数据文件，建立起实际控制网点的概略位置信息，仪器在某个网点上安置好后，首先进行测站设置，主要包括测站限差、角度及距离测回数、测站名设置、天气状况、观测时间等，再后视定向，之后仪器将按机载软件预先在此点上设定的观测点集、顺序以及测回数依次按规范要求对观测目标进行边、角测量、将观测结果记录到全站仪PCMCIA存储卡的文件中，并及时与相关规范的限差自动进行比对，若超差则报警，弹出对话框等待人工干预。当最终取得合格外业观测数据文件后，该数据文件可直接输入到自动化数据处理软件中。  　　2、自动化数据处理软件开发  　　自动化数据处理软件以Microsoft Visual Basics语言为编程环境，并采用数据库技术来存储与管理各种数据。该软件可将存储在PCMCIA卡中的各个测站的数据导入到一个统一的工程中进行管理；包括对各站数据的整理、检查、测站平差；将合格角度、距离数据按规范规定的格式以标准外业手簿的形式自动输出；当整个工程外业观测完成后，可直接在软件中进行网平差计算，也可以外部  　　文件的形式输出“科傻”系统或清华“山维”接受的平差数据文件在“科傻”或清华“山维”软件中平差。该软件除具有上述自动化数据处理功能外，还移植了机载软件的所有功能，软件通过计算机与测量机器人在线通讯的方式完成机载软件的所有自动观测、限差检查、自动记录等功能。  　　结 语：测量机器人技术是近年来发展起来的自动化测量技术，在固定式全自动变形监测方面具有高效、快速、省时省力等诸多优势，是测绘行业发展的一个热点方向。而移动式半自动变形监测系统则因其采用与传统的变形监测网完全一致的观测量，但比传统方式具有高得多的效率。  　　参考文献：  　　[1] 梅文胜 张正禄 郭际明 黄全义.测量机器人变形监测系统软件研究.武汉大学学报（信息科学版）2002，27（2）.  　　[2] 张正禄.测量机器人介绍.测绘通报，2001，5：17.  　　[3] 郭际明 梅文胜 张正禄 黄全义.测量机器人系统构成与精度研究.武汉测绘科技大学学报，2000，25（5）.  　　[4] 王双洪 王斌.测量机器人在地壳形变监测中的应用[J].防灾技术高等专科学校学报，2005，7（3）；38.  　　[5] 张国辉.全自动全站仪滑坡监测数据的远传和处理[D].阜新： 辽宁工程技术大学，2005.