全站仪自动化变形监测.ppt

,全站仪自动化变形监测系统,AutoMoS/SubMoS林新烁,深圳市博飞仪器有限公司2013.05深圳,目录,一、变形监测精度要求（地铁、大坝）,二、全站仪极坐标测量精度分析三、自动化变形监测系统对全站仪的要求四、自动化变形监测误差处理技术五、全站仪自动化变形监测系统六、总结附录：SubMoS-地铁结构变形自动化监测系统,一、变形监测精度要求,地铁隧道围岩收敛控制标准（参考值）（1）洞室收敛：30mm（2）拱顶下沉：20mm,t,一、地铁结构变形监测精度要求变形监测精度要求,m,1,1,1,2,p,变形允许值t为置信区间内允许误差与中误差之比值，t=2p为概率值，相对位移一般可取p=0.995,一、变形监测精度要求,大坝变形监测精度要求（1）混泥土坝：1mm（2）土石坝：35mm,二、全站仪极坐标测量精度分析,1、极坐标测量原理,极坐标测量示意图,O,xScoscosyScossinzSsin,x,y,z,P,S,二、全站仪极坐标测量精度分析,2、极坐标测量精度计算公式三维坐标分量精度计算,2,m,2,m,m2,22yxz,z,myS,y,S,S点位精度计算,x2,D,D,yz,x,D,2,2,mz,m2,2,2,2,2,2,0,S,x,222,2,2,mSmm,S,D,mP,二、全站仪极坐标测量精度分析,3、极坐标测量精度理论估计,450,mS1mm1ppm,mm0.5,设：,0,10,二、全站仪极坐标测量精度分析,全站仪极坐标测量精度检测装置俯视示意图,激光干涉仪,Di,Di+1,i,i,全站仪,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室内30m双频激光干涉基线比测示意图,导轨小车全站仪极坐标测量精度检测装置立面示意图,激光干涉仪,全站仪,二、全站仪极坐标测量精度分析,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室内30m双频激光干涉基线比测部分结果,mP0.15mm,n,T,P,二、全站仪极坐标测量精度分析,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室外200m距离测微平台比测部分结果,JZ1,JZ0,X,Y,变形点GD4JZ3,北,主坝轴线,坝肩轴线,JZ2,二、全站仪极坐标测量精度分析,4、自动化全站仪极坐标实测精度统计（自动目标照准）室外200m距离测微平台比测部分结果,在X方向锯齿型误差为0.19mm,在Y方向锯齿型误差为0.16mm，转化为角度误差为0.24。,三、自动化监测系统对全站仪要求,1、全站仪的自动化全站仪轴系驱动自动化全站仪目标照准自动化自动照准精度：1mm200m自动照准距离：1000m自动照准分辨能力：具备特殊能力（就近照准法则、小视场、主动目标）自动照准目标类型：圆棱镜、360棱镜、反射片全站仪目标测量过程控制自动化提供丰富的计算机控制指令，便于编程开发,三、自动化监测系统对全站仪要求1、全站仪的自动化,三、自动化监测系统对全站仪要求,1、全站仪的自动化多棱镜目标自动化识别技术,一般的自动照准全站仪（非就近照准法则）（视场内有2个棱镜，不能正常测量）,索佳自动化全站仪（就近照准法则）（视场内有2个棱镜，仍能正常测量）,三、自动化监测系统对全站仪要求,2、可以自动化照准的合作目标360棱镜水平与垂直自动化照准精度匹配H=0H=30,自动照准点随着棱镜的水平方向转动，自动照准点上下会有偏差（可达2.5mm）,H=60,三、自动化监测系统对全站仪要求,在水平方向上有23mm的变化棱镜水平方向转动，自动照准点左右会有误差,2、可以自动化照准的合作目标360棱镜水平与垂直自动化照准精度匹配自动照准点,H=0,H=,H=,三、自动化监测系统对全站仪要求,H=0,H=30,H=60,自动照准点新型360棱镜，即使改变棱镜方向，自动照准点也几乎不偏移,2、可以自动化照准的合作目标360棱镜水平与垂直自动化照准精度匹配,三、自动化监测系统对全站仪要求,2、可以自动化照准的合作目标360棱镜水平与垂直自动化照准精度匹配,-3,-2,-1,0,1,2,3,-60-45-30-1501530棱镜水平方向转动角度deg,45,60,測定誤差mm,水平上下距離,索佳360棱镜,徕卡360棱镜,-3,-2,-1,0,1,2,3,-60,-45,-30-150棱镜水平方向转动角度,1530deg,45,60,測定誤差mm,水平上下距離,三、自动化监测系统对全站仪要求,索佳360棱镜,-3,-2,-1,0,1,2,-60-45-30-1501530棱镜水平方向转动角度deg,45,60,測定誤差mm,Trimble360棱镜,-3,-2,-1,0,1,2,-60-45-30-1501530棱镜水平方向转动角度deg,45,60,測定誤差mm,水平上下距離,2、可以自动化照准的合作目标360棱镜水平与垂直自动化照准精度匹配,3,水平上下距離,3,四、自动化监测误差处理技术,1、大气折射对全站仪测量结果的影响大气折射对电磁波测距的影响测定大气温度、气压等，对测距结果进行修正利用数字气象设备，可以实现大气参数采集的自动化一般在车站附近测定气象参数，存在较大的代表性误差问题大气折光对垂直角测量的影响地球弯曲及大气折光对垂直测量的影响与气候、地理环境等因素有关无法直接利用有关设备直接测定一般在已知高差、或对向三角高程观测求解球气差系数为了实现变形点三维监测，必须解决球气差的影响问题,四、自动化监测误差处理技术2、极坐标三维监测多重差分改正原理利用基准点信息求差分改正数,四、自动化监测误差处理技术,2、极坐标三维监测多重差分改正原理大气折射对测距影响的差分改正全站仪在基准点设站，对另一基准点上的棱镜测距，利用测距值d与基,J,准值d0之间的较差，求定大气折射对测距影响的改正系数。,J,d,d0,d,J,J,J,d,如果同一时刻测得某变形点的斜距为dP，那么经气象差分改正后的真实斜距为：ddddPPP,四、自动化监测误差处理技术,2、极坐标三维监测多重差分改正原理球气差对垂直角（三角高程）影响的差分改正全站仪在基准点设站，对另一基准点上的棱镜观测求得三角高差hJ，与两基准点间的已知高差h0比较，求解球气差系数C。,如果同一时刻测得某变形点的三角高程，经球气差改正后的高差结果为：,2dcos2,hhJ,c,J,0,hPdPsincdPcosihah,2,2,四、自动化监测误差处理技术,2、极坐标三维监测多重差分改正原理水平方位角的差分改正全站仪水平度盘零方向受仪器稳定性、外界条件的变化等因素的影响会发生变化，把基准点第一次测量的方位角作为基准方位角HZJ0，其它周期对基准点测量的方位角HZJ与基准方位角相比，有一差值HHH0ZZJZJ如果同一时刻观测其他变形点，其准确的方位角值为：,HZPHZPHZ,2、极坐标三维监测多重差分改正原理监测点三维位移量计算经上述多重差分改正后，消除大气等外部环境的综合影响，求得准确的监测三维坐标：,与第一周期的三维坐标相比，计算其他周期的三维位移量,XDcosHX0,ZhZ0,sinHY0,YD,PP,ZP,P,P,ZP,P,P,XXX1,ZZZ1,YPYPYP,PPP,1,PP,P,四、自动化监测误差处理技术,3、不同基准距离差分改正变形点精度影响理论分析单位：mm,四、自动化监测误差处理技术,4、实际应用案例差分改正效果统计某大坝变形监测点位分布图,X,Y,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,监测站,JZ1,JZ2,JZ3,北,主坝轴线,坝肩轴线,1020马道,四、自动化监测误差处理技术,四、自动化监测误差处理技术4、实际应用案例差分改正效果统计某大坝变形监测点差分改正效果统计（1个月664个周期）,4、实际应用案例差分改正效果统计某大坝变形监测点差分改正实测精度统计把其中1个或2个基准点当作“变形点”，其位移量即为误差影响量显而易见，长边基准差分改正短边变形点，有利于保证监测精度,四、自动化监测误差处理技术,5、监测误差处理技术新突破自适应方法极坐标测量原理可知，要获得准确的测量结果，必须有效解决大气折射率对测距的影响，以及球气差对三角高程测量的影响。仪器在稳定基准点设站多重差分技术仪器在欠稳定的工作基点设站自适应拟稳技术无需观测大气气象参数，并顾及球气差对单向三角高程观测的影响。,四、自动化监测误差处理技术,四、自动化监测误差处理技术5、监测误差处理技术新突破自适应方法,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成单台站系统大坝监测,五、全站仪自动化变形监测系统,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,1、自动化变形监测系统的组成单台站系统大坝监测基准点自然表面,太阳能板市电(220v),全站仪监测站AutoMoS专业版软件,数据通讯,变形点,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成多台站系统（分布式，大坝监测）,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成多台站系统（分布式-大坝监测）,供电与通信系统,公司局域网,水电大楼远程监控计算机,功控计算机(1),功控计算机(2),视频监视器,功控计算机(5),功控计算机(4),功控计算机(3),监控中心服务器,自动全站仪观测站(L1),自动全站仪观测站(L2),自动全站仪观测站(L4),自动全站仪观测站(L3),自动全站仪观测站(L5),变形监测棱镜变形监测棱镜变形监测棱镜,变形监测棱镜,变形监测棱镜,为手机短信报警装置,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成地铁监测系统,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成单台站系统地铁监测,五、全站仪自动化变形监测系统,1、自动化变形监测系统的组成多台站系统地铁监测,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装为测站设备（全站仪）提供稳定的架设条件仪器墩为测站设备提供必要的防护测站小屋防盗窃防气候（雨、雪、风、阳光）防灰尘,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装测站仪器墩双层混泥土(或钢管)仪器墩，防土层移动、防温度影响如可能，锚到基岩或稳定土层注意与监测站房建筑结构的隔离强制对中装置外环层缝隙中填入泡沫或沙子,俯视图,侧视图,内芯标不锈钢强制对中盘,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装测站小屋测站小屋的作用保护全站仪抵御外界环境影响，有利于提高监测精度设计建造小屋时需要考虑的因素满足监测点位的通视要求开放式还是密闭式（测量视线是否要穿过玻璃）气候控制（空调）仪器墩的位置安排考虑座椅空间满足穿越电缆的需要，等等。,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装测站小屋国内版（防护功能，兼顾旅游景点）,五、全站仪自动化变形监测系统2、测站设备安装测站小屋国内版（防护功能，兼顾旅游景点）,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装测站小屋国际版（防护功能，讲究实用）,五、全站仪自动化变形监测系统,2、测站设备安装测站小屋国际版（防护功能，讲究实用）,五、全站仪自动化变形监测系统,3、镜站设备安装特别注意让棱镜准确朝向仪器测站（特别是当距离超过500米时）如果有多个测站观测同一棱镜，则需使用360棱镜便宜的棱镜将会降低精度、影响测程，并缩短使用寿命棱镜的安装方法取决与基础性质(岩石、泥土、混泥土等)。如果在降雪区域，需要注意提升棱镜高度，避免被后雪掩埋。,五、全站仪自动化变形监测系统,3、镜站设备安装国内版（注重防护，比较复杂）,五、全站仪自动化变形监测系统,3、镜站设备安装国际版（结构简单，讲究实用）,五、全站仪自动化变形监测系统,4、地铁监测设备安装监测站,五、全站仪自动化变形监测系统,4、地铁监测设备安装目标棱镜,五、全站仪自动化变形监测系统5、通信系统一般通过串口实现全站仪通信最简单的方法通过RS232的Y型电缆进行联机通讯，但通讯距离有限（小于30m）。因此当进行远距离通讯时，需要采用以下之一的通讯方法：RS485无线电台移动无线网络（LAN）,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统有线方式电缆：RS232、RS485等光缆：光端机设备,接全站仪(含供电),AC220V电源,通讯电缆,电缆通信与供电盒,光端机和接线盒,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统有线方式,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统无线方式数传电台常用的电台：Satel、PacificCrestandFreewave电台Satelline2ASand3AS模块,典型通讯距离:典型通讯波特率:,最大约为1km9600bps,五、全站仪自动化变形监测系统5、通信系统无线方式数传电台,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统无线方式无线网络（GPRS）通过RS232连接全站仪与通讯服务器通过通讯服务器进入局域网或因特网通讯服务器有固定的IP地址计算机建立一个虚拟的COM端口，以便计算机象从RS232中读取数据一样，从因特网中读取数据,W&T58231Com-ServerHighspeedCompact,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统无线方式无线网络（GPRS）GSM/GPRS模式,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件软件主界面,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件全站仪的联机控制设备初始化,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件监测点位的学习功能,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件自动化监测点组定义,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件自动化监测点组定义,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件自动化监测定时器设置,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件自动化监测连接点组与定时器,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件自动化监测无人值守、自动运行按事先定义好的定时器和点组，自动运行监测系统实时显示监测点位的位移过程曲线,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件报表输出选择报表输出内容,五、全站仪自动化变形监测系统6、监测系统软件报表输出报表打印或另存文本文件,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件变形监测分析与预报趋势分析多元线性回归分析灰色系统分析（GM（1,1）模型）时间序列分析（ARMA模型）多种模型组合分析（趋势分析+时序分析、GM模型+时序分析.）,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件变形监测分析与预报GM（1，1）模型拟合得到的拟合与残差曲线,0.20-0.21-0.4,6,11,16,21,26,31,36,41,曲线为原始变形曲线，曲线为拟合曲线，为残差曲线。,五、全站仪自动化变形监测系统,6、监测系统软件变形监测分析与预报实测变形量与预报结果进行比较，考核预报效果从表中可以看出，组合趋势+MA（4）模型预报精度较高，预报效果最好,五、全站仪自动化变形监测系统,7、实际应用案例精度统计（1）某混泥土重力坝（西北地区）坝顶总长：274m（主坝长144m），最大坝高：52m，库容：3355万m3平均监测点边长约为200m，监测精度统计：mx=0.61mm，my=0.24mm，mz=0.54mm,五、全站仪自动化变形监测系统,7、实际应用案例精度统计（2）某混泥土面板堆石坝（华东地区）坝顶长：252m，最大坝高：68m，库容：9.41亿m3平均监测点边长约为350，监测精度统计：mx=0.57mm，my=0.23mm，mz=1.01mm,五、全站仪自动化变形监测系统,7、实际应用案例精度统计（3）某混泥土面板堆石坝（东北地区）主坝坝顶长：902m，最大坝高：72m，库容：41.8亿m3平均监测点边长约为600m，监测精度统计：mx=1.16mm，my=0.72mm，mz=1.54mm,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（1）大坝基本情况主坝：混凝土面板堆石坝，坝顶长902m，最大坝高72m，库容41.8亿m3副坝：粘土墙堆石坝，坝顶长度332m，最大坝高47.2m,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（2）原监测方案下游河滩地区，布设2台自动化全站仪监测站（L4、L6）目标为双层单棱镜，前方交会观测方法,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（3）原监测方案主要问题许多点不能完成自动化测量监测精度不能满足要求全站仪与计算机之间的通信系统不稳定整个系统迟迟不能投入正常运行,！,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（4）主要改造内容之一在不增加监测站的条件下，把交会法观测方法改为极坐标法，并进行合理的监测点组分配，尽可能缩短测站与监测点之间的距离,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（4）主要改造内容之二要求水库管理部门，改造监测站的密封方法，用平板玻璃替换有机玻璃，减少玻璃等因素的影响，确保监测精度。,五、全站仪自动化变形监测系统,8、某大坝全站仪监测系统方案改造（4）主要改造内容之三把原来的基于电话线调制解调器的通信系统，改为基于RS482的电缆通信系统（最终使用光缆通信系统），提高通信系统的稳定性。,接全站仪(含供电),AC220V电源,通讯电缆,六、总结,全站仪自动化极坐标监测系统测量精度1、在200m左右的监测范围内，比较容易实现亚毫米的三维监测精度2、在400m左右的监测范围内，通过合理配置差分改正与系统运行方案，三维监测精度可达12mm3、在800m左右的监测范围内，通过合理配置差分改正与系统运行方案，三维监测精度可达23mm附：极坐标测量精度理论估计,六、总结,全站仪自动化极坐标监测系统主要特点（1）利用严密的多重实时差分改正原理，最大限度地消除或减弱大气等外界环境对测量精度的影响，并为系统自动化运行创造了条件；（2）无需外接数字气象等附加设备，简化了系统组成，降低了系统成本，提高了系统运行的可靠性；（3）在无人值守的情况下，可在全天24小时内周期性自动启动系统进行监测，如遇特殊情况（如变形量超过限差值）可通过短信等方式自动报警；（4）监测点变形过程趋势实时多态图解显示，可以同时显示用户设置断面上的所有点的位移量；（5）监测数据可按照用户要求自定义格式，进行报表输出；（6）可以自动地执行用户编制的外部程序，具有良好的开放性；（7）计算机遭遇突然断电等故障，重新开机后系统可自动初始化全站仪，按照原来的各项参数设置自动开始下一周期的测量；（8）系统组成简单，维护方便，增加监测点位比较方便（加设普通棱镜即可）。,附录：,-83-,地铁结构变形监测专用系统,SubMoS,目录,-84-,一、市场机遇与需求,二、国内最专业地铁监测系统SubMoS三、SubMoS性能特点四、SubMoS系统组成五、总结,1.市场机遇与需求,1.1国地铁建设加速发展引发市场机遇,-85-,1.市场机遇与需求,1.2既有地铁安全运行保障需求地铁周边基坑开挖房地产开发、其他工程项目介绍,-86-,1.2既有地铁安全运行保障需求地铁换乘站新线建设对既有线的影响,-87-,1.市场机遇与需求,2.1历史经验的积累广州地铁陈家祠站2001，国内首次应用,2.国内最专业地铁监测系统SubMoS,-88-,-89-,2.1历史经验的积累广州地铁黄沙站2003，首创组网监测新模式,2.国内最专业地铁监测系统SubMoS,2.国内最专业地铁监测系统SubMoS,2.2独门绝技专门为地铁变形监测而研发双线多测站组网实时监测方案国内首创SubMoS支持地铁隧道上、下行双线多个测站的组网实时监测，即在狭长的地铁隧道中设置多个自动化全站仪测站，解决隧道弯曲对视线通视的影响，满足大区域地铁隧道结构变形自动化监测的需求。,STN1,STN4,JZ1,JZ2,JZ3,JZ4,JZ1,JZ2,JZ4,JZ3,上行线,下行线,STN2,STN3,-90-,2.国内最专业地铁监测系统SubMoS,2.2独门绝技专门为地铁变形监测而研发自适应数据处理技术国际领先多年前，辰维科技在国内首次提出的“多重差分”变形监测技术，已被业界普遍认可、广泛引用。辰维科技再次创新，在世界上首次研发“自适应”监测技术，再次实现新的突破。有了“自适应”监测技术，有效解决了全站仪在非稳定区设站的问题，使地铁隧道环境下多测站组网监测成为可能。,-91-,2.国内最专业地铁监测系统SubMoS,2.2独门绝技专门为地铁变形监测而研发抗干扰功能设计智能可靠为了实现24小时无人值守自动化监测，必须有效解决地铁列车运行期间对SubMoS监测环境产生干扰的问题。列车通过变形监测区域时，会带来震动、遮挡全站仪视线等环境干扰。SubMoS监测系统针对这