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TCA2003边坡自动监测系统的研究

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TCA2003边坡自动监测系统的研究3徐佳,麻凤海,宋伟东,杨帆(辽宁工程技术大学测量工程系,辽宁阜新　123000)

摘要:文中在描述TCA2003测量机器人的技术组成和GeoBasic编程环境的基础上,着重研究了测量机器人自动监测系统的组成和软件设计。通过实验验证了TCA2003边坡自动监测系统能够完成数据采集的自动化。关键词:TCA2003;测量机器人;GeoBasic;自动监测中图分类号:P204 文献标识码:B 文章编号:1001-358X(2005)01-0049-04

3辽宁工程技术大学地理空间信息技术与应用实验室基金资助项目(20040114)

TCA2003全站仪又称测量机器人,是一种高精度测距仪(测距标称±(1+10-6e)mm、绝对编码度盘的电子经纬仪(测角标称精度为±015″)和较大容量计算机技术相结合的全站仪。TCA2003采用马达驱动和软件控制的TPS系统,它是智能型全站仪结合激光、通讯及CCD技术,采用国际计算机标准存储卡—PCMCIA卡做载体记录数据,具有自动搜索,锁定目标,自动观测,自动记录等多种功能。利用GeoBasic编程语言,可将实际需要的功能编译成应用程序上传到测量机器人中,以使全站仪更加智能化、专业化。滑坡地质灾害的发生常常会给矿山工程建设和生产带来很大影响,甚至造成生命财产的损失。TCA2003测量机器人广泛地应用于地形测量、变形监测等工作中,对大坝、边坡等可进行无人值守全天候、全方位自动监测。但现大多数的监测软件还不能实现脱离计算机,使得监测系统成本提高。本文提出利用GeoBasic开发TCA2003边坡自动监测系统实现脱机工作的研究。1　系统开发环境111　GeoBasic简介GeoBasic语言是Leica公司推出的专门用于开发TPS系列全站仪的机载程序的编程语言,最新推出的GBStudio具有了Windows的操作风格,其基本语法介于BASIC和VisualBasic语言之间,易学易用。然而它真正强大的功能在于可以通过嵌入式函数调用测量机器人上已有的子系统和对话框来实现参数设置、测量操作、专门的测量计算等多种任务。Geo2Basic主要包括四大组成部分:编辑器(Editor)、编译器(Com2piler)、调试器(Debugger)和仿真器(Simulator)。其中编辑器、编译器、调试器与在其他诸如VisualBasic或VisualC开发环境中所见到的相类似,只有仿真器是GeoBasic环境所特有的。Geobasic提供一个模拟全站仪的环境调试应用程序,应用程序在仿真器上调试完毕后,就可以开始真正的上传到仪器上调试。GeoBasic系统层次固件层从高级到低级分别为:APP———用户应用程序,用户通过调用各函数组成一个完成一项任务。BAP———基本应用函数,用于设置棱镜常数、测量角度距离及获取测量模式等。MMI———人机界面函数,主要用于创建菜单、对话框、输出信息等;利用GeoBasic开发全站仪,用MMI

技术,使用户界面从应用程序中分离出来,实现可制定式显示。TMC———经纬仪测量和计算函数,用于测量模式设置、测量观测量、仪器补偿状态等;

GSI———常规功能函数,主要用于文件管理,快速编码等;GM———大地测量数学计算函数,主要用于用数学的方法处理测量中的计算问题。利用GM函数编写机载程序,可以在野外实时地、方便地利用全站仪进行复杂测量计算,把全站仪变成测量专用“计算器”。CSV———中心服务函数,主要设置/获取TPS仪器的系统信息;

表1是程序中用到的一些重要的GeoBasic函数。112　GeoBasic程序编译过程GeoBasic的原代码文件被保存为1gbs文件,编译后生成四个文件:1gba可执行文件;1lng语言文件,把二者分开的目的仅在于提取出机载程序中与界面语言有关的信息(保存为1lng文件)便于提供该程序的不同语言版本;1gbd文件用来

存储调试信息;1app文件为可选的存储应用程序信息。各种文件之间的关系可以通过图1描述。

图1　各种文件之间的关系调试过程如下:

(1)在图1所示GBStudio的编辑器中键入GeoBasic原代码。

(2)GBStudio的编译器编译1gbs文件,检查代码是否有

错,若无错则生成1gba和1lng文件进行下一步。94

第1期2005年3月 矿　山　测　量MINESURVEYING No11Mar12005表1　程序中用到的一些重要的GeoBasic函数函 数功 能MMI_CreateMenultem(“AutoMeasure”,“main”MMI_MENU_PROGMENU“Automeasure”)创建菜单项

MMI_AddButton(MMI_F1_KEY,“EXIT”)创建菜单上的按钮MMI_GetButton(iButtonld,True)获取被按键的指针

CSV_SetATRStatus(True)打开自动照准目标功能

BAP_PosTelescope(BAP_POSIT,BAP_POS_NOMSG,dHz,0,0)将望远镜照准水平角为dHz,垂直角为dV的方向BAP_FineAdjust(0.00025,0.00025)精确照准目标

MMI_BeepLong()发出出错警告的声音

BAP_MeasDistAngle(iDistMode,dHz1,dV1,dDist,False,“Dist”)获取角度和斜距值TMC_GetAngle(Hz_Angle,iReturnCode)获取角度值

CSV_LibCallAvailable(“AutoSurveyor”,“Entry_1”,Exist_SSy)检查来自其它程序中的子程序是否有效

CSV_LibCall(“AutoSurveyor”,“Entry_1”,“”)通过函数入口调用函数CSV_SysCall(Cld)调用一个系统函数

(3)在仿真器的File->LoadBasicApplication中装载编译好的1gba文件,即可在仿真器查看机载程序的效果了。(4)用仿真器调试完毕后,可以开始真正的上传到仪器上的调试。可用厂家提供的共享软件———桌上秘书(Sur2veyOffice)中的“软件上传”功能直接从电脑将机载程序上传到测量机器人的内存中。该过程也可以以PC卡作为中介,使用机器人上的上载程序功能(LoadApplication…)完成。2　变形监测系统的组成和软件的设计TCA2003边坡自动监测系统的研究主要针对于数据采集完全自动化、监测过程的无人职守,并能实时传输数据,及时分析数据,作出预报。211　变形监测系统的组成TCA2003边坡自动监测系统主要由测量机器人、基点、参考点、目标点组成,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职守。(1)基点。监测前首先依据边坡上目标点及参考点的分布情况,合理安置TCA2003测量机器人。要求具有良好的通视条件,一般应选择在稳定处,使所有目标点与全站仪的距离均在设置的观测范围内,且避免同一方向上由两个监测点,给全站仪的目标识别带来困难。为了仪器的防护、保温等需要,并保证通视良好,应专门设计,建造监测站房。(2)基准点(参考点)。参考点(三维坐标已知)应位于变形区以外,选择适当的稳定的基准点,用以在监测变形点之前检测基点位置的变化,以保证监测结果的有效性。点上放置正对基站的单棱镜(采用强制对中装置)。参考点要求覆盖整个变形区域。参考系除了为极坐标系统提供方位外,更重要的是为系统数据处理时的距离及高差差分计算提供基准。(3)目标点(变形点)。根据需要,在变形体上选择若干变形监测点,这些监测点均匀分布在变形体上,到基点的距离应大致相等,且互不阻挡。每个监测点上安置有对准监测站的反射单棱镜。基点、基准点、目标点三者之间的关系如图2所示。

图2　基点、基准点、目标点三者之间的关系212　系统软件设计(1)数据采集工作流程

(2)系统功能模块

为了实现数据采集的完全自动化,达到全过程的无人值守,系统设计两个应用程序,通过应用程序之间的调用完成自动监测过程。(1)设置功能应用程序由参数设置、测站设置、学习测

量、测站检查、角度和距离测量、测量平差、文件管理等七个模块组成。参数设置模块。设置该次测量要求的各项限差,如:归零差、2C互差、方向值较差等,这些限差将在整个测量过程中,

实时监控观测质量。各项参数可以预先设定并通过文件形式上传到仪器中,在没有找到参数文件时,可以使用系统默认参数。为了满足特殊情况的要求,系统设计可以在观测前随时输入各参数值。该模块的应用程序为Configuration(),调用了读取参数—ReadConfigdata()和保存参数—SaveConfigura2tion()两个子程序,实现了参数设置的读取和存储。05

第1期 矿　山　测　量 2005年3月图3　系统工作流程测站设置模块。设置总观测周期数、每周期观测时间间隔、每周期测回数、测站名、方向数、目标点名。各项数据也可以预先设定并通过文件形式上传到仪器中,在没有找到测站设置文件时可以使用系统默认参数。同样,系统设计了可以在观测前随时输入各参数值。该模块的应用程序为Station2Setup()在程序中调用了ReadStationSetup()和SaveStationSet2up()两个应用程序,实现了测站设置的读取和存储。学习测量模块。通过该模块进行初始的训练学习测量以获得各目标点初始空间位置信息,使测量机器人能够在每个

目标概略位置的视场范围内自动搜索目标。学习测量结果保存在指定的学习文件中。在学习模块中,设置3个主要功能键:READ(读取功能),当目标点较多时,可以直接从文件中读取各目标点的概略位置信息,调用程序ReadLearnPoint();

Hz0(定向功能),即在学习之前,首先观测一基准点,并将此设定为零方向,确定了系统整个的监测过程的初始方向;

MEAS(测量目标点功能),既当目标点较少时,按一定的顺序测量每个目标点,并将结果记录到指定文件中。调用程序BeginLearn()。

测站检查模块。当观测任务开始进行时,应该检查测站位置与预先计算的偏差。通过该模块观测参考点位置,计算出在全站仪坐标系中测站位置,检查测站位置移动情况,为各目标点的变形提供相应改正。此模块中设置2个主要功能键:MEAS(测量参考点功能),观测参考点水平角、垂直角和斜距,调用程序MeasRefePoint();CHECK(检查功能),计算测站在全站仪坐标系中的位置,通转坐标转换到参考系中,检查测站,调用函数Calculation()。测量模块。实现角度和距离的自动观测、检合和记录数据。对于角度测量,系统采取全圆观测法(BeginMeasure2HzAngle()),每半测回倒镜。对于距离测量(MeasureDist()),是通过垂直角和斜距计算获得。通过图4描述测量模

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基于TCA2003的测边交会法应用分析

基于TCA2003的测边交会法应用分析

收 稿 日期 ：０ ｏ０ —６修 改 日期 ：０ ｏ０ —２ ２ １一５０ ； ２ １一６１
制 网加密 等工程 中得 到 了广泛地 应用 ， 再加 上徕卡 等 高智 能 系列全 站仪本 身 固化有测 边后 方交会 的程序 ， 使得 这一 方法 的应用 更加 方便 和灵活 ， 同时 也保 障了
精密工程 中的可行性 ， 弥补了极坐标 、 直角坐标等普通测设方法在精密工程 中的缺 陷。 关键词 ： 直角坐标法 ； 精度估算 ； 精密工程 ； 全站仪 ； 测边交会
中 图分 类 号 ： ２ ８Ｐ ０ Ｐ ０ ；２ ９ 文 献 标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６３５ ８ （ ００ ０ —４ ８０ １ ７—７ １ ２ １ ）４０ ６—３
法 和极坐 标法 为例 ， 一般 测设 方法进 行分 析 。 对 （ ）极 坐标法 。是一 种 常用 的测 设方 法 ， 方 法 １ 该
２ 测 边 后 方 交会 的理 论
测边 后方交 会 法是 指 通 过 观测 测 站 点 到两 个 以
上控 制点 的水平 距 离 ， 以快 速确定 测 站点平 面位置 的
测量 的精 度 。
作者简介 ： 郝长春 （９ ２ ）男 ， １８ 一 ， 河南杞县人 ， 合肥 工业大学硕士生 ；
高 飞 （９ ２ ）男 ， 徽 天 长 人 ， １６ 一 ， 安 合肥 工业 大 学 教 授 ．
４ ８ 《 程 与 建设 》 ２ １ 第 ２ ６ 工 ０ ０年 ４卷 第 ４期
破 坏 ， 以在 全站 仪逐 步 普 及 的条 件 下 ， 方法 正 逐 所 该 渐 被 自由设站 方式 所取代 。
控 制点 不通视 ； 在设 备安 装 时某 些部 件上 的控制 点 只 能放棱镜 而 不适 宜 架 设 仪 器 等情 况口 。以往 为 了解 ］
TCA2003全站仪工业测量系统的若干思考

TCA2003全站仪工业测量系统的若干思考

TCA2003全站仪工业测量系统的若干思考1 测量系统最佳测量条件要求（1）全站仪、干湿温度计、气压计等计量器具须经过有关计量检定部门检定合格。

（2）测站架至与测量对象较近距离，同面或共线，并且处于测量对象几何形状的中心线上，中点为理想最佳测点，见图1：图1 测站布置图（3）测量时排除较大电磁、震动、人为等干扰，有条件时应该先做重复性测量。

（4）准确整平并启动仪器，输入气象修正参数，包括温度、气压、湿度。

（5）进行平面度、直线度测量时，磁座目标应均匀布满整个平面或直线，对于平面度测量应以其对角线为起始，均匀布点，以确保所布点能最大程度地接近测量平面的真实情况，推荐布点见图2：图2 平面度建议布点图下面以坐标测量原理为基础，通过对相关误差指标测量不确定度的计算来分析测量条件对本系统测量结果的影响，从而总结出测站的最佳布置。

2 已知原理及条件2.1 坐标测量原理公式2.2 TCA2003型全站仪计量性能参数根据仪器说明书及检定规程知该仪器：2.2.1 测距最大允许误差为U（S）=1mm+1mm/km，按均匀分布处理，则其测距标准不确定度u（S）=U（S）/2.2.2 水平角、竖直角测量标准差u（H）=u（V）=0.5〞/（其中为化秒系数为206265），不妨取。

3 点坐标及直线度、平面度测量不确定度分析3.1 由公式演算坐标测量合成标准不确定度根据上列公式（1）、（2）、（3），演算坐标测量合成标准不确定度如下：当测量距离小于329m（该系统的工作范围正在此区间），公式（11）可以表示为：显然，对于相同的距离，当V=90°时上式有最小值。

3.2 由公式和推导得出的结论3.2.1 系统效应带来的不确定度对坐标点测量的影响，明显地随测量距离增加而增大，故测站架设离测量对象的距离越近越好（大于最短视距）。

3.2.2 综合点位测量合成标准不确定度，只与测量距离和天顶距有关，并且在小距离测量时，随距离特别是随天顶距变化不显著。

TCA2003几种测角方法的比较及精度分析

TCA2003几种测角方法的比较及精度分析

TCA2003几种测角方法的比较及精度分析摘要：文中给出了TCA2003三种水平角测量的方法，并分析了各种方法的优缺点。

结合实例比较了短边和长边导线测量时，各种测角方法对应的测角精度和点位中误差，实例计算表明短边导线测量时，三种测角方法对应的测量精度显著差异。

关键词：TCA2003；测角方法；精度分析中文分类号：P 221 文献标识码：A一、引言角度观测作为一项大地测量的基本任务，长期以来实现高精度的角度观测是测量工作者一直追求的目标。

随着科学技术的进步，光学经纬仪和电子经纬仪的测角精度也有很大的提高。

目前，TCA2003型测量机器人是测绘领域公认的测角高精度最高的仪器之一，其标称测角精度±0.5″，测距精度。

仪器所具备的ATR （Automatic Target Recognition）功能是基于全站仪发射的红外光束，通过光学部件被同轴投影在望远镜轴上，从物镜口发出，经棱镜反射回来的光束形成光点，被仪器内置CCD相机判别接受后，马达驱动全站仪自动瞄准棱镜，实现目标的自动搜索、识别和观测[1]。

ATR模式能够自动识别目标，操作人员不再需要精确照准和调焦，一旦粗略照准棱镜后，全站仪就可搜寻到目标，并自动精确照准。

TCA2003的自动照准功能也是很多常规仪器所不具备的，然而，自动照准时要求棱镜面正对着仪器望远镜视线，在实际测量时往往很难满足该项要求，势必存在测量误差。

因此本文比较了几种常用的测角方法，并给出了精度分析，以便尽可能地提高测角精度。

二、几种测角方法及比较2.1 几种测角方法顾及TCA2003的特有功能，提出如下三种测角方法：1）自动照准法，在角度观测时，先粗略地照准棱镜，然后启动ATR模式自动目标识别，当仪器发送的红外光被反射棱镜返回并经内置的CCD相机判别接受后，马达就驱动仪器自动转向棱镜，并自动精确测定；2）瞄棱镜中心法，就是测角时人工精确照准棱镜十字中心，该方法也是常规经纬仪最常用的方法；3）瞄底部法，如图1所示，在点的标志中心立上测钎，测量人员精确地瞄准测钎的底部。

基于TCA2003的精密三角高程测量研究

基于TCA2003的精密三角高程测量研究

基于TCA2003的精密三角高程测量研究【摘要】文章分析了三角高程测量的原理和误差来源，进一步分析了对向观测的误差源，得出了减弱各项误差和提高精度的一些结论。

结合目前的TCA2003测量机器人，探讨了实现精密三角高程测量的可行性和便利性。

【关键词】精密三角高程测量；过河水准；测量机器人；精度估计由于受到仪器精度、大气折光、垂线偏差、地球曲率等因素的限制，三角高程测量的精度一直没有得到突破性的提高。

三角高程测量作为一种灵活的高程测量方法，在很多时候仅能应用于低等级水准测量、较低精度要求的施工控制等测量中。

三角高程测量是测量高程的传统方法，以其快速、简便且能保证一定精度而深受测绘工作者喜爱。

特别是近年来全站仪的发展提高了测角和测距的精度，目前TCA2003测量机器人测角精度达到±0.5″，测距精度达到MD＝±（0.5mm +10-6×D），同时自动化程度越来越高。

自动全站仪能自动识别、跟踪和精确照准目标，大大提高了工作效率。

因此，以测量机器人代替水准仪进行高程测量，无疑具有明显的经济效益和社会效益。

目前，三角高程测量已可以代替三四等跨河水准测量，但用于代替更高等级的精密过河水准测量仍处在研究阶段。

1 三角高程测量原理及误差分析三角高程测量的基本思想是利用测站对照准点所观测的竖角（天顶距）和距离，计算测站点与照准点之间的高差。

在不考虑大气折射、地球曲率等因素的影响下，可得(1)（1)即为利用三角高程计算A、B两点高差的基本公式。

三角高程测量误差主要可分为三个方面，即测距误差、测角误差和外界环境的影响，详细可分为仪器高、觇标高、垂线偏差、地球曲率影响等误差。

考虑这些误差影响后，三角高程测量单向观测的高差计算为(2)其中，为平距；为垂直角；为仪高；为标高，为大气垂直折光系数；为地球半径。

令，一般称为球气差系数。

由此可以看出，三角高程测量的精度受测距中误差、垂直角观测中误差、仪器标量高误差外，大气折光和地球曲率的共同影响。