全站仪自动化变形监测.ppt

1、,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,a,- 2 -,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,a,- 3 -,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,a,- 4 -,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 ,

2、, 变形允许值 t 为置信区间内允许误差与中误差之比值，t = 2 p 为概率值，相对位移一般可取 p = 0.995,a,- 5 -,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,a,- 6 -,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,x S cos cos y S cos sin z S sin ,x,y,z,P,S,a,- 7 -,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 , , ,2 2 y xz , , z , my S ,

3、y , , S , S 点位精度计算, x 2, , , D , D , yz , , , x , , D , , , 2 , 2, mz , m2 ,2,2,2,2,2,0,S,x,2 2 2,2,2,mS m m, S , D ,mP , , ,a,- 8 -,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,mS 1mm 1ppm,m m 0.5,设：,0, 10,a,- 9 -,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

4、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,a,- 10 -,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,m P 0.15mm,n,T,P,a,- 11 -,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 GD4 JZ3,北,主坝轴线,坝肩轴线,JZ2,a,- 12 -,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

5、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。,a,- 13 -,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,a,- 14 -,三、自动化监测系统对全站仪要求 1、全站仪的自动化,a,- 15 -,三、自动化监测系统对全站仪要求,1、全站仪的

6、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）,a,- 16 -,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=0 H=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,a,- 17 -,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

7、匹配 自动照准点,H=0,H=,H=,a,- 18 -,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,a,- 19 -,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 -15 0 15 30 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

8、,3,-60,-45,-30 -15 0 棱镜水平方向转动角度,15 30 deg,45,60,測定誤差 mm,水平 上下 距離,a,- 20 -,三、自动化监测系统对全站仪要求,索佳3 6 0 棱镜,-3,-2,-1,0,1,2,-60 -45 -30 -15 0 15 30 棱镜水平方向转动角度 deg,45,60,測定誤差 mm,Trimble 3 6 0 棱镜,-3,-2,-1,0,1,2,-60 -45 -30 -15 0 15 30 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

9、,水平 上下 距離,3,a,- 21 -,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,a,- 22 -,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

10、改正数,a,- 23 -,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 ,d 0,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： d d d d P P P,a,- 24 -,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

11、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：,2 d cos2 ,h hJ,c ,J,0,h P dP sin c dP cos ih a h,2,2,a,- 25 -,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 H H H 0 Z Z J Z J 如果同一时刻观测其他变形点，其准确的方位角值为：,HZ P

12、 HZ P HZ,a,- 26 -,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, ,X D cos H X0 ,Z h Z0, sin H Y0,Y D,P P,Z P,P,P,Z P,P,P, , ,X X X1 ,Z Z Z1,YP YP YP,P P P,1,P P,P,四、自动化监测误差处理技术,a,- 27 -,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,a,- 28 -,4、实际应用案例差分改

13、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,a,- 29 -,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）,a,- 30 -,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,a,- 31 -,5、监测误差处理技术新

14、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,a,- 32 -,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,a,- 33 -,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,a,- 34 -,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

15、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-,a,- 35 -,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-,a,- 36 -,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(

16、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,a,- 37 -,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,a,- 38 -,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,a,- 39 -,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,a,- 40 -,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

17、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,a,- 41 -,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,a,- 42 -,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）

18、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。,a,- 43 -,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）,a,- 44 -,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）,a,- 45 -,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）,a,- 46 -,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）,a,- 47 -,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

19、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。,a,- 48 -,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）,a,- 49 -,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）,a,- 50 -,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,a,- 51 -,五、全站仪自动化变形监测系统,4、地铁监测设备安装 目

20、标棱镜,a,- 52 -,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）,a,- 53 -,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,a,- 54 -,www.z-,五、全站仪自动化变形监测系统,5、通信系统 有线方式,a,- 55 -,五

21、、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、Pacific Crest and Freewave 电台 Satelline 2AS and 3AS 模块, 典型通讯距离: 典型通讯波特率:,最大约为 1km 9600 bps,a,- 56 -,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,a,- 57 -,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RS23

22、2中读 取数据一样，从因特网中读取数据,W&T 58231 Com- Server Highspeed Compact,a,- 58 -,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,a,- 59 -,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,a,- 60 -,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,a,- 61 -,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,a,- 62 -,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,a,- 63 -

23、,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,a,- 64 -,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,a,- 65 -,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,a,- 66 -,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,a,- 67 -,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,a,- 68 -,五、全站仪自动化变形监测系统 6、监测系统软件 报表输

24、出 报表打印或另存文本文件,a,- 69 -,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 .）,a,- 70 -,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,1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 1 -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。,a,- 71 -,五、全站仪自动化变形

25、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,a,- 72 -,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,a,- 73 -,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

26、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,a,- 74 -,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,a,- 75 -,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

27、顶长度332m，最大坝高47.2m,a,- 76 -,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,a,- 77 -,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,！,a,- 78 -,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

28、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,a,- 79 -,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。,a,- 80 -,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,a,- 81 -,

29、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12mm 3、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,a,- 82 -,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

30、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）。,a,- 83 -,附录：,地铁结构变形监测专用系

31、统,SubMoS,目 录,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,a,- 85 -,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,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,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,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,- 89 -,2.1 历史经验的积累 广州地铁黄沙站 2003

32、，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,STN3,2. 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。,2. 国内最专业地铁监测系统 SubMoS,2.2 独门绝技 专门为地铁