（摄影测量与遥感专业论文）全站仪隧道围岩变形监测分析系统三维坐标法的研究及实现.pdf

摘要 摘要 全站仪隧道围岩变形监测分析系统三维坐标法( 简称三维坐 标法( c m a s x 3 ，t h e3 - dc o o r d i n a t em e t h o do nm o n i t o r i n ga n d a n a l y s i ss y s t e mo ft u n n e lc o u n t r y r o c k d e f o r m a t i o nu s i n ga u t o e l e c t r i ct o t a ls t a t i o n ) 任意点设站，运用自动电子全站仪机载 软件的控制，对隧道围岩上的变形监测点进行自动观测和数据记 录，再将记录的原始数据导入后处理软件( p c m a s t ，s o f t w a r eo f p o s td a t ap r o c e s so fc m a s t ) 处理，得到各变形监测点的三维坐 标( 基于某统一坐标系) ，然后对其进行计算处理，得到分析预报 预测数据和图形、各类数据报表等，从而能大大减少了工作量， 提高了工作效率，可以快速、及时、准确的了解隧道围岩的变化 情况，为高效、安全施工提供了可靠的保障。 本论文围绕上述系统，分五个大的专题部分进行论述： 一、基础部分 首先介绍了三维坐标法所属课题现状以及在课题中的重要地 位，同时介绍了隧道变形监测的发展和现状，指出三维坐标法是 该领域进行研究的一种先进的、高效的前沿方法； 接着介绍了有关全站仪的知识，包括全站仪的组成、技术参 数以及逸型，特别介绍了徕卡的有关机型，以其商精度、高自动 化的突出优点被我们系统所采用： 二、理论部分 首先指出了运用自动电子全站仪进行隧道围岩变形监测的两 类方法：测线法和坐标法。测线法是通过计算变形监测点之间空 间向量的长度变化来间接反映围岩的变形情况，它有一定的局限 性，不能直观反映各点的三维坐标的动态变化；而三维坐标法能 很好克服这点，并且把隧道外的统一坐标系引到各变形监测点 上，是一个大的进步。 接着介绍了得到统一坐标系下概算坐标的两种途径：一是运 用自由设站和相应的坐标转换；二是运用边长交会定点和相应的 测量计算方法。后者是本论文的创新和核心部分： 再接着介绍了三维坐标法的平差模型研究。提出了三维立体 网平差模型( a m t d n ( a d j u s tm o d e l o ft h r e ed i m e n s i o n a l n e t w o r k ) ，传统的平差网形为平面，而此处运用推导的竖直角改 正方程和传统的水平角和边长改正数方程共同组成) ，即将上述任 一途径得到的某统一坐标系下的概算坐标，运用间接平差的方法， 得到各变形监测点最或然坐标值和相应的精度指标，包括各点坐 摘要 标中误差和点位误差，以及各坐标平面的误差椭圆。 最后简要的介绍了各种预测预报分析的函数模型； 三、软件系统实现部分 整个软件部分包括：全站仪机载软件和后处理软件( 分别简 称b c m a s t ( s o f t w a r eo n - b o a r df o rt o t a l s t a t i o no fc m a s t ) 和 p c m a s t ( s o f t w a r eo f p o s td a t a p r o c e s so f c m a s t ) 。 机载软件是固化在电子全站仅上的，用来操纵仪器，实现按 要求的自动控制测量和数据记录； 后处理软件部分是整个软件的重要组成部分，它实现了统一 坐标系三维坐标法的设计要求，包括数据导入、坐标概算、平差、 得到精度、分析和预报、报表等功能。 四、实例部分 介绍了两个具体实验，一个是稳定状态下的，另一个是模拟 变形实验。通过p c m a s t 分析知道前者隧道趋于稳定，后者有两 个变形监测点变形较大，隧道需进一步加强监测。 五、结论部分 指出三维坐标法是一种全新的尝试，进一步完善其具有的价 值。 关键词： 全站仪；隧道围岩变形监测三维坐标法：测线法：自由设站； 三维立体网平差：竖直角改正方程：间接平差；机载软t i ：后处理软竹 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h e3 一dc o o r d i n a t em e t h o do nm o n i t o r i n ga n da n a l y s i s s y s t e mo f t u n n e lc o u n t r y - r o c kd e f o r m a t i o nu s i n ga u t oe l e c t r i ct o t a ls m t i o nu n d e ro n e u n i f i e dc o o r d i n a t es y s t e mf c m a s t ) c a r lm o u n ti n s t r u m e n tf r e e l y , l e tt h et o t a l s m f i o nf u l f i l lt h ew h o l em e a s u r e m e n t st ot a r g e tp o i n t su n d e rt h ec o n t r o lo ft h e s o f t w a r eo n ，h o a r dw h e r e a sn on e e dt oc e n t e rt h ee q u i p m e n ta n dm e a s u r ei t s h e i g h t ，a n dg e tt h ew h o l e d e f o r m a t i o np o i n t s 3 - dc o o r d i n a t e st h a ti su n d e ro n e u n i f i e dc o o r d i n a t e s y s t e mb yc a l c u l a t i n g o ft h e p o s t - p r o c e s s s o f t w a r e ( p c m a s t ) a f t e ri n p u t t i n gt h eo r i g i n a ld a t ar e c o r d e db yt h ei n s t r u m e n t i n t ot h ep c m a s t a n dp r e s e n tt h ed e f o r m a t i o ni n f o r m a t i o n ，s u c ha st h e c o o r d i n a t ed i s p l a c e m e n ti n3c o o r d i n a t ea x i s ，d a t aa n dg r a p h so f a n a l y s i sa n d f o r e c a s t i n ga n dr e p o r tt a b l e s 。w h i c h i sd e m a n d e db yu s e ra n dv e r yi m p o r t a n tt o t u n n e lc o n s t r u c t i o na n ds a f e t y i ti sp r o v e dt h a tc m a s ti saq u i c k , a c c u r a t e ， e f f i c i e n tw a yt om o n i t o rt h ed e f o r m a t i o n ，c a nb es a v i n gc o n s t r u c t i o nt i m ea n d s e r v eas t r o n gi n s u r eo ns a f e t y t h e f o l l o w i n g5p a r t s 瓤ed i s c u s s e d o nc m a s t p a r t1 ：b a s i ci n t r o d u c e so fc m a s t t l l i sp a nm a i n l yi n t r o d u c e st h et o t a ld e v e l o p m e n to ft h es u b j e c ta r e a , a n d p o i n t so u tt h a tc m a s t w h i c h i sau s e f u l ，a d v a n c e d a n de 艏c i e n tw a yw i l lb e u s e di nm o n i t o d n gt u n n e ld e f o r m a t i o n ，i st h ec o r ep a r to ft h ew h o l es y s t e m m o r e o v e r , s o m ei n f o r m a l i o na b o u t t h et o t a l s t a t i o n s u c h a st h e c o m p o n e n t s ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r a n dh o wt os e l e c ts u i t a b l ei n s t r u m e n t s c a t e r i n g f o rt h ed e m a n d s a a l s oe x p o u n d e d e s p e c i a l l y , t h e l e i c a s i n s t r u m e n ti su s e di n0 1 1 1 s y s t e mf o ri t sp r e d o m i n a n ta d v a n t a g e s p a r t 2 ：t h e o r i e s o f c m a s r - f i r s t l y , t h ep a r tp m s e n t s 2w a y st om o n i t o rt h et u n n e ld e f o r m a t i o n o n ei sm e t h o do fm e a s u r i n g - l i n e s w h i c hi sa ni n d i r e c tw a y t h r o u g ht h e d i v e r s i t yo ft h ev e c t o r , t h el i n e so ft w od i f f e r e n tm o n i t o r i n g p o i n t sb e d d e di n t h et u n n e l t t l i sw a yh a ss o m ed e f e c t s e s p e c i a l l yf o ri t sn o to f f e d n g3 - d c o o r d i n a t e sa n dc o o r d i n a t e sd i v e r s i t y a n o t h e rw a yi st h em e t h o do f3 - dc o o r d i n a t e s w h i c hc a r lo f f e ra l l m o n i t o r i n g p o i n t s c o o r d i n a t e s ，u n d e r o n eu n i f i e dc o o r d i n a t es y s t e m ，t h u s c o n q u e rt h ef l a w so ft h ef o r m e r 佩sm e t h o di s e 蚯c i e n t q u i c kw a y t o m o n i t o rt h ed e f o r m a t i o nd y n a m i c a l l y s e c o n d l ut h ep a r td i s c u s s e s2c h a n n e l st or e a l i z et h em e t h o do f 3 dc o o r d i n a t e s 1 1 1 a b s t r a c t o n ei st h ef r e es t a t i o na n dc o o r d i n a t ec o n v e r s i o nc o r r e s p o n d i n g l y 1 h e o t h e ri sf i r s t l yr e s t a t et h ep o i n t sc o o r d i n a t eo ft h ec e n t e ro ft h ei n s t r u m e n ti n t h es u r v e yt i m e ，t h e ng e tt h eo t h e rc o o r d i n a t e sb yc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o no f s u l - v e y i n g t h i sw a y i so b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h i sa r e a n 硼l y , a d j u s tm o d e lo ft h r e cd i m e n s i 0 1 1 a ln e t w o r k ( a m t d n ) i s m a i n l yi n t r o d u c c di nt h ep a r t , w h i c hi sf i r s td e d u c e db yu s a m t d nu s e st h e i n d i r e c ta n j u s tm o d e lt og e tt h e3 - d p r o b a b i l i s t i cc o o r d i n a t e so f a l ld e f o r m a t i o n p o i n t sa n ds o m ep r e c i s i o n sa n d e r r o re l l i p s e p a r t3 ：r e a l l z e ds o f t w a r eo fc m a s t 了m si st h em a i np a r to ft h ep a p e r , w h i c hi n v o l v e s2s o f tw a r e s ：b c m a s t ( s o f t w a r eo n b o a r df o rt o t a ls t a t i o no fc m a s t ) a n dp c m a s t ( s o f t w a r eo f p o s td a t ap r o c e s so fc m a s n t h ef o r m e r , w h i c hi ss e t t l e di nt h et o t a ls m f i o n c o n 仃o lt h ei n s t r u m e n tt o s u r v e ya n d r e c o r dt h es u r v e y i n gd a t a 功el a t t e ri st h ei m p o r t a n tp a r to fc m a s zw h i c hi n c l u d ed a t ai n p u t t i n g ， g e t t i n ga p p r o x i m a t e dc o o i d i n a t e s ，a d j u s t i n g ，a c h i e v i n ga c c u r a c y , a n a l y s i sa n d f o r e c a s t i n g ，t a b l e sa n dg r a p h s t os o n i ce x 把n t ，i ta c h i e v e dt h ed e m a n d so f d e s i g n p a r t4 ：e x a m p l e so fc m a s t t l l i sp a r tg i v e s2i n s t a n c e su s e di np r a c t i c e o n ei st e n dt os t a b l ew h i l et h e o t h e ri sn e e dt i m eb yt h ef o r e c a s t i n go fp c m a s t b e c a u s et h el a t t e rh a ss o m e d e f o r m a t i o ns e v e r e l y p a r t5 ：c o n d u s i o n t h ep a r tp o i n t so u tt h a tc m a s ti s l en e wm e t h o dt ou s ei nt u n n e l c o n s t r u c t i o n i fi t s a d v a n t a g e s a r e e x t r e m e l ye x p l o r e d ，w h i c hc a np r o v i d e i n f o r m a t i o na b o u tm o n i t o r i n ga n d a n a l y s i s a n df o r e c a s t i n go nt h et u n n e l c o u n t r yr o c kd e f o r m a t i o ni nt i m e ，m o l 、e o v e r , t h ep c m a s t i sw e l ld e s i g n e da n d p o w e r f u l t om e e tt h ed e m a n d s k e y w o r d s ： t o t a ls t a t i o n ；m e t h o do f 3 - dc o o r d i n a t e s ；m e t h o do f m e a s u r i n g - l i n e s ； f r e es t a t i o n ；a d j u s tm o d e lo f t h r e ed i m e n s i o n a ln e t w o r k ( a m to n ) ； i n d i r e c tm t j n s tm o d e l ；s o f t w a r eo n - b o a r df o rt o t a ls t a t i o n ； s o r w a r eo fp o s td a t ap r o c e s s i ， 第一章任务概述 第一章任务概述 1 ，1 任务背景 随着国民经济的腾飞，地下工程得到迅速发展，而隧道工程 施工是一项非常复杂，未知因素变幻莫测，充满潜在风险的系统 工程，尤其是大型长大隧道，地质复杂多变，围岩应力分布变化 主要反映在围岩的几何变形上，其变形位移是在多种复杂因素综 合作用f ，也是围岩整体力学形态变化和稳定状态最直接和可靠 的反映，因此，对围岩变形进行实时观测是保证施工安全、合理 确定隧道支护所不可缺少的工作，具有十分重要的作用，并对隧 道的施工管理、洞内各施： 工序间的衔接有重要的指导意义。 过去，隧道的变形监测主要靠人工拉尺读数，效率低下，与 施工相互干扰，测量结果容易受人为因素影响，当条件恶劣，隧 道跨度大时，这种方法几乎无法进行。这已经成为影响隧道施工 技术进步的重要障碍。目前，学术界和工程界正在探索用非接触 量测的方法对隧道围岩变形进行量测，但由于变形量测的精度要 求很高，通常的做法很难达到变形量测精度。所以研究用非接触 量测的方法完成围岩收敛量测，成为隧道工程界关注的蘑要问题。 国内外对这一问题的解决仍处于研究和探索应用阶段。 全站仪隧道围岩变形监测分析系统三维坐标法( 以下全部简 称为三维坐标法( c m a s t ) ，t h e3 - d c o o r d i n a t em e t h o do i l m o n i t o r i n g a n d a n a l y s i ss y s t e m o ft u n n e l c o u n t r y r o c k d e f o r m a t i o n u s i n g a u t oe l e c t r i ct o t a l s t a t i o nu n d e ro n eu n i f i e d c o o r d i n a t es y s t e m ) 是铁道部研究课题“隧道围岩变形监测分 析多功能非接触量测系统”的后续和完善部分。该课题由北京交 通大学、隧道工程局、成都经纬科技仪器公司于2 0 0 0 年联合承担， 研究用全站仪进行隧道围岩变形非接触量测的技术手段、方法， 并形成一套便于操作的技术产品的课题，研究成果将直接服务于 隧道的施工和建设。因此，整个课题的研究具有十分重要的理论 和实际意义。 第章任务概述 该课题主要任务、研究内容和预期目标如下： 主要的任务是通过项目的实施，研究满足精度要求的隧道围 岩变形非接触量测一体化集成量测系统，并对其技术指标、实用 性进行评价。 主要研究内容和预期目标： ( 1 ) 仪器设备系统的选型配套，在性能、价格、操作性等方面 的对比研究： ( 2 ) 适合于隧道净空位移监测的高精度测量方法研究； ( 3 ) 测量数据的采集、分析和处理及软件丌发； ( 4 ) 可靠性分析及监测效果评价： ( 5 ) 总结提出适合现场条件的隧道围岩变形菲接触量测一体化 集成量测系统。 该课题研究成果已先后在北京城铁1 3 号线东直门隧道、渝怀 线圆良山隧道，以及中铁三局六处、四处、隧道局处、二处及 铁十七局的隧道现场得到应用。馒用情况表明，系统的工作傍况 良好，仪器使用中无须进行对中、量仪器高等繁杂过程，操作人 员只需给出少量指令，让仪器通过学习，即可自动完成对目标的 观测和数据采集，然后由计算机进行所有的后处理工作，包括对 测量数据的存储、分析计算、管理和输出，通过量测数据和有关 断面地质状况、施工情况的计算机数据库管理，可以随时查询有 关数据和资料，并按要求输出报表和图形，很好地保证了施工的 安全顺利进行和管理。提高了工作效率，在生产中发挥了重要作 用，取得了很好的经济和社会效益。 三维坐标法( c m a s t ) 是该课题的进一步探索和完善，如果能 满足要求，将有很好的理论及应用价值。 1 。2 全站仪隧道围耢变形监测分析系统三维坐标法( c m a s t ) 在课 题中重要的地位 该课题的重要组成部分是：集测量数据的导入、分析和处理、 预测预报的后处理软件( 以下全部简称p c m a s t ( s o f t w a r e o fp o s t d a t a p r o c e s so f c m a s t ) ) 开发。 而已有的后处理软件采用的是测线法，它通过测线的长度变 化闯接反映变形监测点的移动情况( 图】) 。而我所研究的全站仪 隧道围岩变形监测分析系统三维坐标法( c m a s t ) ，是通过自动 2 第一章任务概述 电子全站仪传给后处理软件的数据，得到基于某统一坐标系下的 三维坐标，直接反映变形监测点的x ，y ，日方向的移动大小( 也可 以计算测线的长度，完全同于测线法) ，从而通过各变形监测点的 三维坐标变化直接反映隧道围岩的变形情况。由此可见，该方法 的明显优于前者。 臼宙圆圈 圈1 国岩变形监涮测线布置圈 第二章隧道承岩变形监测 第二章隧道围岩变形监测 2 1 目的 得到隧道围岩变形的第一手资料，发现异常变形，指导施工， 防止发生事故；并对变形监测的数据进行合理的分析，运用数学 模型进行拟合，实现预报功能。 2 2 探测方法 目前可以通过对隧道断面上布置变形监测点( 数量由隧道具 体条件而定) 进行观测，可以运用问接和直接的方法进行。间接 法是探测测点之间的测线长度( 空间向量长度) ，通过不同观测时 段的测线长度的变化来了解隧道围岩的变形，直接法是直接得到 各测点的三维坐标，通过比较计算可得到坐标的变化量。一般而 占，间接探测较直接探测容易实现。 2 3 监测环境 现代的隧道，一般是跨度大，施工要求商。隧道旌工机械化 程度较高，故掘进速度较快，且机器密集，材料堆积较多，交通 繁忙，环境恶劣，通视情况不好，而变形监测精度高，故对变形 监测的测量工作较为不利。 2 4 精度要求 隧道围岩监测的精度要求很高，要求到l o - 1 删n 级。 2 5 监测方法 隧道围岩监测的方法很多。 按方法发展的时间先后顺序可分为：传统的变形监测方法和现 代变形监测方法。 传统的变形监测方法一般采用钢尺收敛计和挂铡尺抄平等接 触方式进行，此类方法具有成本低、操作简便和适应恶劣施工环 境的优点，但这种方法一般无法进行三维观测，并且影响施工、 效率低下、自动化程度低等诸多缺点。 而现代的变形监测方法则采用电子水准仪、电子经纬仪、自动 全站仪进行，甚至尝试过运用摄影测量、遥感、g p s 进行变形监 测。但在隧道内，只能采用前者。 按进行监测时是否接触变形监测点可分为：接触式的变形监测 方法和非接触变形监测，如传统的变形监测都是触式的变形监测 4 第二章隧道围岩变形龉测 方法，而现代的变形监测方法大多是非接触变形监测。 现代的非接触监测技术在同本、瑞士等国已经用于地下工程的 净空位移量测中。其实现的方法大致有三种：一是以多台电子经 纬仪为主要设备的三维解析测量；二是以全站仪为主要设备的变 形监测；三是以近景摄像机为主要设备的近景变形量测。目前， 利用全站仪为主要设备的隧道净空三维变形监测方法是主要发展 方向。研究表明，利用全站仪进行隧道围岩变形非接触监测是可 行的。 由于电子自动全站仪的突出优点，故现代的变形监测方法多采 用电子自动全站仪进行的，可以进行间接或直接的隧道围岩变形 监测。而本文所提的隧道围岩监测技术都是针对徕卡自动电子全 站仪( l e i c at c r a l l 0 1 ，1 1 0 2 系列) 为基础进行论叙的。 2 6 基于自动电子全站仪的隧道围岩变形监测的非接触量测方 法综述 目前，用全站仪进霉亍隧道围岩变形监测的常用方法是基于自 由设站的。按其采用变形探测的手段可分为：测线法和三维坐标 法；按采用的坐标形式可分为：独立坐标系和统一坐标系；按其 架设仪器的不同可分为单站法和双站法。 故其采用的具体形式有：基于独立坐标系的测线法，基于统一 坐标系的单站双站三维坐标法及单站双站测线法。其中基于独 立坐标系的测线法是比较成熟的一种方法。 基于自动电子全站仪的隧道围岩变形监测分折系统三维坐标 法( c m a s t ) ，自由设函与，无须对中，由于它采用的计算坐标是基 于统一坐标系的坐标，故该方法下的测线法是区别于基于独立坐 标系的测线法的。 5 第三章全站仪进行隧道嗣岩变形监测 第三章全站仪进行隧道围岩变形监测 3 1 全站仪简介 全站仪的全称为全站型电子速测仪，它由光电测距仪、电子 经纬仪和数据处理系统组成。一台全站仪，除能自动测距、测角 图2 垒站仅结构原理圈 外，还能完成一个测站所需完成的工作，包括平距、高差、高程、 坐标等、它具有多功能、商精度、自动化等优点。全站仪的结构 原理如图2 所示。 全站仪主要有以下特点；采用同轴双速控制、微动结构， 使照准更加快捷、准确：控制面板提供了良好的入机界面，具 有强大的人机对话功能，操作简便，能有效减少按键时出现的错 误，另外也有助于减轻作业人员的疲劳感；设有双向倾斜补偿 器可以自动对水平和竖直方向进行修正，以消除竖轴倾斜误差 的影响；机内设有测量应用软件，可以方便题进行三维坐标测 量、后方交会、放样测量及其他铡量等工作；具有双路通讯功 能，可将量测数据传输给电子手薄或外部计算机，也可接受电子 手薄和外部计算机的指令和数据。 目前，全奎占仪技术的发展使得量测工作在许多方面得到了极 大的简化。某些全站仪具有独特的无反射量测功能。将这类全站 6 第三章伞站仪进行隧道阐岩变蟛监测 仪经过进步的二次开发，用于隧道变形量测，不仅能够达到量 测速度快、操作简便、精度满足要求，而且，还能将量测数据存 储起来，从而可以进行长期监控量测的数据集= l 处理、分析和管 理。由于隧道位移具有长时效性，因而能够做到长期的监控量测， 对隧道的施工和养护，都将起到巨大的作用。 从上述分析比较可知，在目前所研究和探索的围岩变形非接 触量测的几种方法中，全站仪三维非接触量测无疑是目前最实用 的方法，研究利用全站仪进行这工作具有重要的理论和实用价 值。这是因为在我国工程测量中，全站仪已逐渐得到广泛使用， 普通全站仪( 测程达2 5 0 0 0 m ) 和无反射全站仪( 测程在2 1 0 0m 范围内) ，测距精度一般能达到+ - _ ( 1 m m + 1 p p m ) 或 ( 2 r a m + 2 p p m ) ，随着测量仪器和计算机技术的进步，为隧道无 尺化净空量测奠定了必要的硬件条件。然而，将全站仪用于隧道 围岩变形量测技术的研究在我国仍处于起步阶段，由于隧道开挖 旋工现场狭窄且环境恶劣，测点多数在顶拱和边墙上，采用全站 仪进行隧道三维收敛变形非接触测量，必须找到一种适合隧道施 工环境特点的实施方法，完善一套行之有效的测量平差分析系统。 虽然这方面的研究仍存在许多问题需要解决，但我们认为，利用 全沾仪组成围岩位移非接触量测系统，只要能灵活结合高精度的 三维测量方法和合理的数据处理技术，解决好现场反射膜标志的 快速安装及其在隧道施工条件下的正常工作、保护等技术问题， 通过完善的软件技术和必要的测量措施来保证量测的可靠性，可 以将测量精度控制在亚毫米级，达到隧道净空量测的技术要求， 组成符合现场需要丽实用的非接触隧邀净空量测和断面量测系 统，这对实现隧道信息化设计施工具有重要意义。 3 2 全站仪关键技术分析 基于系统霈要灵活、实用和高效率自动观测、适应隧道施工恶 劣环境的考虑，主要从全站仪的一些关键技术进行分析： 1 高频测距技术 全站仪相位法测距中一个最重要的参数就是测尺，即测距调制 信号的半波长。测尺最短的调制信号频率称为精测频率，长的统 称为粗测频率。通常，调制频率个数的设置需根据仪器的测程范 7 第三章全站仪进行隧道瑚岩变形监测 围来确定。 当测相器的精度一定时，测尺越短，测距仪的分辨率越高，精 度越高。例如，当测相器的精度为1 0 4 时，不同测尺有不同的测距 精度，见表l 。 表1 频率5 0 舭 3 0 舭1 5 舭1 5 m h z1 5 0 k h z1 5 j r 战 波长6 m1 0 m2 0 m2 0 0 m2 0 0 0 m2 0 k m 测尺长3 m5 ml 啪1 0 0 0 m1 0 0 0 m1 0 k m 测距精 度 0 3 m 小0 5 m 小1 c m1 0 c m1 0 c ml 小 显然，测尺越短，溅距精度越高，但由于测相器的分辨率和精 度有限，以及全站仪电路噪声、背影噪声等原因，大幅度提高精 测频率的技术难度很大。所以目前市场上流通的全站仪，其精测 频率多为1 5 m 战和3 0 m h z 。 在对不同全站仪的比较中，瑞士徕卡仪器的t c wi i i 型测距头， 精测频率能达到1 0 0 m h z ，这是目前测绘仪器中精测频率最高的 测距仪。测试结果表明，这种利用高频技术测距的全站仪，工作 稳定，数据离散不大，受环境条件的影响小，其测距精度远高于 全站仪本身的标称精度。正是这一特点，能较好的保证了围岩收 敛非接触量测达到较高的精度和可靠性。 2 温控与动态频率校正技术 测距频率是决定测距精度的重要因素，它的稳定与否直接关系 着钡0 距仪比例误差的大小。测距频率由石英晶体振荡器产生，其 频率稳定度一般能达到5x 1 0 4 。实际测距时，环境气象条件的 变化，特别是温度的变化，将直接影响晶体振荡器的稳定，保证 晶体振荡嚣的频率稳定度的技术措施一般有； 温度补偿晶体振荡器。当温度变化时，温补网络里热敏电阻 引起的频率变化量与晶体振荡器的频率变化量近似相等且符号相 反，从而提高频率稳定度； 频率综合和锁相技术。即在采用高稳定温补晶体振荡器的基 础上，用频率合成的方法得到所有需要的频率，如精测、租测、 主、本振频率。使各个频率之间严格相关，具有与温补晶振相同 的频率稳定度； 晶振器件老化。一般来说，器件使用初期老化进程最快，为 了不把这种变化带给用户，工厂在仪器制造时，先进行晶体老化 工作。这样在仪器投入使用后，老化进程将变得极为缓慢。 8 第三章全站仪进行隧道暖岩盘形临测 不同厂商生产的全站仪大多采用了上述技术来使测距频率稳 定。但由于频率稳定度是有限的，当达n - 定程度时，进一步的 提高十分困难。旦频率发生偏离或漂移，测尺将会不准，产生 比例误差，使测距精度降低。 在仪器的选型分析中，我们发现徕卡全站仪能较好地满足了 频率稳定的技术要求，这是因为除了应用上述技术外，该仪器还 使用了另1 一种其专有的动态频率校j 下技术。即通过对晶体在整个 温度范围内的变化进行严格的测试，得出其在标准温度下的频率 f o ，同时还测出了在其它温度状态下的三个温度系数k 1 ，k 2 ，k 3 ， 求出晶体随温度变化的多项式函数曲线和表达式： ，o ) = f o + k l t + k 2 t 2 + k 3 t 3 工作原理如图3 。 圈3 工作原理圈 测距仪工作时，将受到环境、自身元器件运作时的发热等温 度的影响。因此，晶体振荡器频率即测距频率必然会产生变化。 使仪器内部的温度传感器适时地测出此时晶体附近的温度，将其 送往c p u ，代入k 1 ，k 2 ，k 3 所组成的温度表达式对f o 进行校正， 得出该温度状态下的计算频率和测尺来参加最终距离解算。由于 这一过程与发射、接收过程同步进行，动态地对测尺进行校正， 因此可以有效造保证实际测距频率参与计算的准确性和可靠性， 从而大大提高了距离测量的精度。据9 7 年以来在某计量单位受检 的3 0 0 多台采用该项技术的徕卡仪器检测结果，其综合精度评定 平均值大多优于标称精度指标l 倍以上。 9 芒 第三章全站仪进行隧道围岩变彤监测 3 无棱镜测距技术 无棱镜( r e f l e c t o r l e 黜) 测距，又叫做无接触( n o n c o n t a c t ) 测距， 指的就是全站仪光束经自然表面反射后直接测距。这种技术始于 9 0 年代初，早期采用脉冲法测距技术，脉冲法用测量发射和接收 信号之间的时问间隔来计算距离，多次测量得出平均距离：随着 技术进步，相位法测距法得以应用于这种测距模式，从而使测距 精度得到了很大提高。 对测量难以接触的点位来讲，尤其是隧道酮岩非接触测量， 无反射棱镜全站仪具有明显的先进性。它可以方便地获得被测点 的位置信息。由于无反射棱镜全站仪测距光路设计成发射与接收 同轴，望远镜瞄准被测点，只要被测点在测程之内，就可以测得 该点的坐标。 在生产全站仪的厂商中，最早将无棱镜技术应用于整体式全 站仪的是瑞士徕卡公司，它将其相位法测距的精度优势应用在了 无棱镜测距上。由于徕卡仪器无棱镜测距的准确度也是由特殊的 频率系统即采用动态频率校正技术来保证，因此这种方式的精度 相对同类产品来说具有很强的优势，而且有棱镜测距和无棱镜测 距两种方式的精度几乎相等。 在围岩变形非接触量测中，对无棱镜测距技术，需要考虑的 另一重要因素是全站仪发射的激光光斑尺寸的大小，这是因为无 反射棱镜测量通过收集整个返回信号来汁算距离。当测量较大的 目标表面，光点全部落在被测目标上，所有反射回的光线代表基 本一样的距离。但是，在较特殊情况下进行测量，光斑很小的优 越性就表现得非常突也。如：边缘测量、围岩变形测量中、需要 发射的光束很细，对边缘部分的分辨能力很强，不至于测到邻近 的物体上，或一部分测到目标表面上，一部分测到邻近目标表面 上，得到不可靠的结果。这方面因徕卡的技术比较成熟，其发射 激光柬为一1 2 r a m 宽、4 m m 高的梯形，在5 0 米的距离上大约为 l o m m 2 0 r a m ，在8 0 米处它大约为椭圆，尺寸为2 0 r a m 2 5 r a m 。 由于红激光光斑很小，可使可能的散射差别达到最小，从而得出 可靠的数据。因而，对于围岩变形观测，选择徕卡全站仪较为合 适的。 4 a t r 自动目标识别及定位 自动目标识别( a t r ) 是红外光束通过光学部件被同轴地投影 在望远镜轴上，从物镜口发射出去，反射回来的光束，形成光点， 由内置c c d 相机接收，其位置以c c d 相机的中心作为参考点来 1 0 第三章夸站仪进行隧道嘲岩变形监测 精确地确定。假如c c d 相机的中心与望远镜光轴的调整是正确 的，则以a t r 方式测得的水平角和垂直角，可从c c d 相机上光点 的位置直接计算出来。 在隧道施工条件下，对围岩变形的监测宜快速进行，尽量减 少与施工的相互干扰，采用自动目标识别定位的全站仪，对提高 速度和效率十分有效。故选择自动目标识别定位的全站仪很有必 要。 3 3 全站仪选型 参照以上对全站仪关键技术的分析，将瑞典捷创力、德国蔡 司、日本索佳、宾得、托普康、尼康、瑞士徕卡等全站仪进行比 较，总体而言，徕卡全站仪更能满足围岩变形非接触薰测的需要。 本课题选择l e i c at c r a l l 0 0 系列全站仪作为主要开发仪器，这 主要还表现在它还有如下特点： 1 稳定性好、可靠性强 t c r a l l 0 0 的性能非常稳定，测量数据的离散性很小，比如对 某不变量( 固定的长度或坐标点) ，仪器在不同的时间不同的环 境条件下对其进行测量，测量数据的变化极小。它能够在各种环 境下工作。如高低温、寒冷、潮湿、多雨、灰尘、震动、机械应 力和电磁场等十分恶劣的条件下工作，工作性能稳定，测量数据 精度可靠。所以l e i c a 全站仪普遍应用于地下隧道、沙漠地区、 高寒地区等特殊工作环境中。这是其它品牌仪器所不能及的地方。 2 仪器灵敏度高 灵敏度高，它能有效监测极小的变化显值。比如对某变化量( 长 度或坐标值) ，lt c r a l l 0 0 全站仪熊够准确真实地测量出其变化 量值，哪怕是极小的变化量。 为了保_ i 正t c r a l l 0 0 全站仪的稳定性和灵敏性，全站仪的出 厂精度指标规定得非常保守。富余量较大它的实际测最精度远 高于仪器的标称精度( 详见表2 ) 。 第三章全站仪进行隧道罔岩变形箍测 表2z c r a l l 0 0 全站仪检定精度与出厂标称精度比较裹 一测回水平方b 厂标称精度 仪器名称仪器号标称精度综合评定 向标准偏差 测角测距 r c 尺a 1 1 0 26 2 0 9 9 7 0 9 3 ” f o 3 2 n u n + 0 4 8 p p m ) 2 ” + ( 2 r a m + 2 p p m ) 粥见4 1 1 0 26 2 1 4 3 2 0 8 7 ” 土f 0 4 0 m m + 0 2 0 p p m ) 2 ” + ( 2 r a m + 2 p p m ) 力：- 兄4 1 1 0 26 2 2 4 0 90 7 9 ” 爿o 4 0 m m ) 2 ” + - ( 2 r a m + 2 p p m ) n ：见4 “0 26 2 2 4 6 40 7 5 ” “o 4 9 r a m ) 2 ” + ( 2 m m 十2 p p m ) n 0 昆4 1 1 0 26 2 2 4 6 20 6 3 ” ( 0 4 8 w a n ) 2 ” + ( 2 m m + 2 p p m ) r ( j 见4 l1 0 26 2 2 5 0 7 0 9 1 ” “0 5 6 r t m a ) 2 ” + ( 2 m m + 2 p p m ) 形r a l l 0 26 2 0 7 1 l o 8 8 ” f 0 4 5 m m ) 2 ” + ( 2 m m + 2 p p m ) 力：r a l l 0 26 2 0 7 2 5 0 7 5 ” - t - ( 0 3 8 n u n ) 2 ” + ( 2 m m 十2 p p m ) n ：烈1 1 0 26 1 8 8 4 0 0 8 2 ” “0 3 8 n u n ) 2 ” ：l ：( 2 m m + 2 p p m ) 刀= 烈1 1 0 26 2 1 3 8 6 0 8 7 ：t - ( o 4 0 m m ) 2 ” + ( 2 m m + 2 p p m ) 7 1 c r 4 l1 0 26 2 1 3 8 4 0 6 8 ” “o 4 8 m m ) 2 ” f 2 m m + 2 p p m ) r c j r a l1 0 26 2 1 3 8 90 9 1 ” 2 5 m m ) 2 ” 2 r a m + 2 p p m ) z ( j 忌4 11 0 26 2 1 3 8 80 6 0 + ( 0 4 6 r a m ) 2 ” _ + ( 2 r a m + 2 p p m ) 7 1 ：烈l 1 0 26 2 0 3 5 2 0 6 5 ” a ：( o 4 5 m m + o 4 5 p p m ) 2 ” + ( 2 r a m + 2 p p m ) 从上表中1 4 台t c r a l l 0 2 全站仪的检定情况可以看出：实际 检定精度远小于出厂标称精度，不到出厂标称精度的l ，3 ，用这 种型号的全站仪进行隧道围岩变形监测，通过4 6