TM30 測量機器人在某水庫地質災害防治中的應用

吳國宏，楊 偉，李國權，劉 賀

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州450003）

某水庫居民點庫岸地質災害防治工程監測項目設計方案中，地表監測設計有水平位移、垂直位移監測和相對位移監測，地下設計有深部位移監測、地下水監測等。 地表水平位移監測可采用交會法、邊角網法、極坐標差分法、GNSS測量、激光掃描測量等。 由于地質災害監測點多、戰線長、分布零散、監測受時間、地形條件的限制，使用常規測量儀器和方法進行觀測困難較大。為了克服這些缺點，探求使用TM30測量機器人按極坐標法進行自動化觀測的新方法具有重要意義。 本文研究了利用TM30測量機器人全站儀進行自動化監測的技術，采用極坐標法監測的可行性及精度分析。

1 TM30功能及作業方法

1.1 TM30功能

TM30測量機器人是由徠卡公司研發生產的全站儀，它是一個自動搜索、跟蹤、辨識和精準瞄準目標，進行測量角度、距離、三維坐標并且自帶自動化系統及應用軟件［4］。 TM30測量機器人實現目標自動精準照準、小視場、數字影響自動采集等先進技術，使測量機器人的適用范圍進一步擴大， 滿足庫岸地質災害監測需求。

1.2 作業方法

借助于TM30測量機器人全站儀，最方便的測量坐標方法是極坐標法。 測量機器人的優勢在于能夠代替人工自動地完成監測、記錄、儲存等任務。 由于該儀器測角精度為±0.5″， 且與之匹配的測距精度達到±（1mm+1ppm），能夠滿足多種安全監測的要求。

如圖1，O點和A點為已知點，P點為待定點，預測P點的坐標，可在O點設置儀器，以正、倒鏡鏡測角β，測出O點到P的平距D，則P點坐標可用式（1）計算［6］：

圖1 測量機器人極坐標測量

若不考慮已知點誤差，微分式（1）轉換成為中誤差形式［6］，得

可見，待定點P的點位中誤差，與測角和測距的精度，以及P點距離O點的平距有關。

1.3 監測點距離設置及精度分析

使用TM30測量機器人全站儀，極坐標法測站點和后視點選擇在靠近邊坡或滑坡體范圍以外的穩定地方，測站點和監測點高差不宜超過100m，邊長不宜超過1000m［6］。 因此，測站點和監測點之間邊長選擇是影響測量精度的重要因素。

在某水庫地質災害防治工程監測項目中，以TM30測量機器人采用極坐標法監測，若最遠點的距離D=800m，一測回Mβ=±1.0″，則由式（3）可估算出Mp=±4.3mm， 能夠滿足邊坡與庫岸不穩定區變形監測精度要求。

2 TM30測量機器人在某水庫地質災害防治工程監測中的應用

某水利樞紐位于湖北省境內、 漢江與丹江匯口以下800m處， 是開發漢江的第一個控制性大型骨干工程，具有防洪、發電、引水、灌溉、航運、養殖等綜合效益。 樞紐分兩期開發，第一期工程壩頂高162m，正常蓄水位157.0m，相應總庫容174.5億m3，裝機容量90萬kW，年平均發電量38.3億kW·h。大壩加高后，設計正常蓄水位升高13m，水庫段回水至河南省淅川縣境內，回水長度92.68km。 庫岸線總長度為4610.6km［5］。

目前，大壩加高工程已基本進入正常蓄水，水庫蓄水位抬高后， 庫岸再造將直接影響沿岸居民點及重要基礎設施的安全。因此，庫區地質災害監測預警工作具有十分重要的地位和作用［5］。

2.1 監測方法

本項目選擇使用TM30測量機器人，按極坐標法直接測定變形點的三維坐標。

2.2 監測方案布設

監測區域為兩面臨水岸坡，左邊為臨水緩坡、右邊為臨水陡岸，居民點在岸坡上。監測方案布設主要針對庫岸表層變形、不均勻沉降等因素進行監測，根據監測范圍內的地形、地質條件等因素在穩定區域布設了5個C級GPS觀測墩（TN01，TN02，TN03，TN04，TN05），作為水平位移監測網的基準點［5］，并選擇通視條件好、施測距離適當的基準點（TN01和TN03）作為測量機器人的測站點和后視點，在庫岸邊坡上埋設了6個有強制對中盤的觀測墩，作為地表變形觀測點（TP01，TP02，TP03，TP04，TP05，TP06），使用TM30測量機器人，按極坐標法直接測定變形點的三維坐標，最小監測距離300m，最大監測距離不超800m，布設方案如圖2。

圖2 監測點方案布設

2.3 監測資料分析

該項目從2014年初開始進行實地查勘、 監測網的設計、觀測墩的埋設等準備工作，從5月份開始觀測，監測周期按照《監測設計方案》確定為：一般情況每月觀測1次，汛期每月觀測2次，雨雪天相應的增加觀測次數，本文主要對2014年5月～2017年1月之間的42次觀測資料進行分析［5］。

2.3.1 累計監測資料統計該監測區內6個變形點累計位移量統計如表1。

表1 監測點位移量變化統計

由表1可知， 監測點位移量中，TP06點水平位移量最大， 達38.7mm，TP01 位移量相對較最小，達21.6mm，整個庫岸邊坡在緩慢的移動中，從相鄰觀測周期的監測情況來看，變異量較小，達不到預警條件。

2.3.2 典型監測點資料統計

以TP06監測點作為典型監測點， 統計和分析被監測體變化情況， 由表2中TP06監測點42次監測位移量變化可知，監測數據變化有正值和負值，這是由于庫水位變化、 膨脹土隨著雨季和旱季季節變化而引起的，總體趨勢正在緩慢移動。

3 TM30測量機器人在應用中提高精度的措施

以TM30測量機器人全站儀測角精度而言，儀器測角標稱精度為±0.5″。這種精度是儀器內部精度，是在室內理想條件下獲得的數值， 不能代表在外業中的精度。 據對TM30及其同類儀器長期使用的情況統計，邊長在1km左右，采用強制對中，觀測條件良好的情況下，一個測回的測角中誤差大約為±1.5″。 TM30測量機器人采用自動顯示技術，相比于光學經緯儀，儀器本身精度得到很大提高。

表2 TP06監測點累計位移量一覽表

同樣，若SA=SP=800m，meT=±2.0mm，則mβ=±0.6″。因此，在使用測量機器人按極坐標測量中，減弱目標偏心的誤差也應該引起重視。

就目前TM30測量機器人而言， 測角精度主要取決于大氣折光差的影響。使用測量機器人按極坐標測量時，要盡量選擇良好的觀測時段和氣象條件。 若控制點較多時，應優先選擇高差適中、通視條件好的測站點和后視方向，使視線避開折光、旁光差的影響［1］。

4 結語

（1）結合水庫庫岸地表變形監測的具體條件，使用TM30測量機器人全站儀的監測精度可滿足水庫地質災害防治工程變形監測要求。

（2）選擇合適的監測距離，可提高TM30測量機器人全站儀的監測精度， 庫岸監測的最大監測距離不宜超過800m。

（3）使用測量機器人按極坐標測量時，應優先選擇高差適中、通視條件好的測站點和后視方向，要盡量選擇良好的觀測時段和氣象條件。