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摘 要：介绍了移动式测量机器人在大朝山5#滑坡体变形监测中应用的基本情况，实际应用表明，采用移动式测量机器人对该滑坡体进行监测，具有观测速度快、自动化程度和观测精度高等特点，并可同时获得每个变形点的平面位移和垂直位移信息，克服了以往平面位移监测和垂直位移监测分别进行的缺陷。
关键词：测量机器人；移动式；滑坡；变形监测
【中图分类号】TP24
0 引言
测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。它是在全站仪基础上集成步进马达、CCD影像传感器并配置智能化的控制及应用软件而发展形成的。在工程建筑物及滑坡的变形自动化监测方面，测量机器人已逐渐成为首选的自动化测量技术设备。
测量机器人变形监测系统由基站、参考点、目标点、专用软件和计算机组成，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。利用测量机器人进行滑坡的自动化变形监测，按监测方法可分为固定式持续监测系统和移动式周期监测系统。固定式持续监测系统一般在测站上建立测量机器人监测房，配设供电、控制、计算、通信装置中心，而移动式周期监测系统只需测量机器人在每个测站上对周围目标点作周期观测，再用带有后处理软件的计算机进行数据处理即可。前者的优势是全自动、实时在线监测，然而系统相对复杂，造价昂贵，一方面这些昂贵的系统设备只能长期用于一个固定的变形监测项目，而且需要采取特殊方式进行保护管理并定期检测修复，另一方面没有多余观测量，测量的精度随着距离的增长而显著降低，且不易检查发现错误；后者是一种半自动变形监测系统，工程数据管理轻便灵活，测量精度高，周期测量后仪器即可拆除，适合半人工作业、变形缓慢需定期测量的工程项目，与传统作业方式大同小异，但是效率提高了3～4倍，在替代传统变形监测系统方面有着显著的优势，这种模式常采用测量机器人机载半自动化外业观测软件加计算机后处理软件共同构成。本文以Leica TCA2003为例来探讨移动式测量机器人在大朝山5#滑坡体变形监测中的应用。
1 工程概况
大朝山5#滑坡体位于云南省云县后箐乡境内的澜沧江右岸，距大朝山水电站坝址58.9km，是目前大朝山库区稳定性较差且规模相对较大的滑坡体。滑坡体由地表向下可分为滑坡堆积层、松动变形体、下伏基岩三部分，区域性的弯腰树断层从滑坡体中部通过。滑坡体前缘高程886m，后缘高程1205m，滑坡体长560m，宽400m，滑坡体堆積层厚5m～20m，下部的松动体厚10m～35m，滑坡体堆积体的方量约188.97×104m3，其下部松动体方量约156.04×104m3，两者总计达345.01×104m3。
从1976年起在1075m～1175m范围内曾经发生过几次表层滑坡，大朝山水电站2001年11月蓄水后，库水位在此雍高约30m，由于库水位的波动、冲蚀及浸润，下部岸坡局部表层的松散堆积和部分强风化岩体将会发生一定程度的岸坡再造，下部松散介质坍塌后，可能会加剧上部岸坡岩土体的变形，表部可能会产生新的失稳现象。
2 滑坡监测方案设计
1）变形监测网的布设。监测网的布设采用边角组合网的形式，蓄水前，在活动方向明显的区域按“十”字型布置了5个监测点，即J01～J05测点，其中在澜沧江左岸布设了KZD1、KZD2、右岸滑坡体影响区域外布设了KZD3作为参考基准点，2005年进行库区工程地质调查，经分析该滑坡体仍不稳定，在外界条件发生变化时，仍有进一步变形的可能，于是在同年9月又补埋了7个监测点，编号为J06～J12，新的监测网呈“丰”字型，这就较全面的兼顾了外围小型滑坡和次生复活的滑坡，其中J05测点在2006年6月损毁，同年9月在原J05测点位置重新埋设了J13监测点。变形监测网的布设如图1所示。
图1 变形监测网的布设
2）监测实施方案。根据有关规范和技术要求，每次进行滑坡体表面位移变形监测时，都要进行一次工作基准网的检验和校核，具体通过单三角各边长和角度与首期成果的比较，从而确定工作基准点稳定情况。当基准网中出现不稳定的工作基准点时，应及时进行基准网的复测，以稳固的基准点重新计算其坐标值。一般情况下，每年对基准网复测一次。基准网由KZD1、KZD2、KZD3组成，其各种限差和技术要求按《工程测量规范》中三等边角组合网和光电测距的有关要求执行。
变形监测网由12个测点组成，通过设立在滑坡对岸的两个工作基点，按四等测量精度采用两方向边角前方交会的方法进行，按照方向观测法观测4个测回，由于方向比较多，为了缩短每组观测时间，采用分两组观测，其中KZD3为两组共同零方向。观测周期为每年的汛前、汛中和汛后各观测一次，遇特殊情况时再加密观测。
3）坐标系统及位移量符号规定。水平位移监测采用近视1954年北京坐标系（边长投影至1000m高程面），X坐标表示南北方向（澜沧江上下游），测点向北方向（向上游）位移为正，反之为负；Y坐标表示东西方向（近似滑坡方向），测点向东方向（向河床）位移为正，反之为负。垂直位移监测采用1956年黄海高程系，H高程表示垂直位移方向，下沉为正，上抬为负。
3 作业效率
该滑坡监测网网点的初始坐标和前24次复测均采用Wild T2经纬仪和Wild DI2002红外测距仪的方式观测（传统方式），该方式作业劳动强度大，外业观测时间长，平均每次观测需6天左右，需要投入熟练、经验丰富的观测人员、记录人员和其它人员将近10人左右，所有的观测均需观测人员手工操作，技能要求高。而采用移动式测量机器人进行变形监测网的施测，平均每次观测只需2天就可完成，投入技术人员2名，放置棱镜投入一般人员3名，观测过程中测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数、全自动地寻找目标，精确照准目标、记录观测数据、计算各种限差，做超限重测或等待人工干预等，完成一个测点的工作之后，人工将仪器搬到下一个施测的点上，如此重复，直至所有外业工作完成。这种移动式观测模式大大减轻观测者的劳动强度，所获得的成果精度更好，较传统方式具有很高的效率。 4 数据处理及精度评定
利用控制测量与变形监测软件DAM6.0，对边长进行改正、数据检验和对各种闭合差进行检查，再进行经典自由网平差、精度分析、成果输出及导入监测数据库，最后在数据库中查看位移量表、图。
为了便于观测成果的对比分析，平面监测网每期均利用KZD1为已知点，KZD1—KZD2方向为已知方向进行经典自由网平差计算，平差后各期监测网点点位中误差及单位权中误差见表1，从表1可以看出，离工作基点较远的J06、J01监测点点位中误差较大，但未超过±12mm，单位权中误差在±0.49″～0.86″之间，未超出±2.5″，平面监测网观测成果满足规范要求。
表1 各期平差后监测点点位中误差及单位权中误差
点名 平差后各期点位中误差/mm
第25期 第26期 第27期 第28期 第29期 第30期
J01 2.76 4.17 3.11 3.44 4.84 3.29
J02 2.49 3.78 2.81 3.11 4.39 2.98
J03 2.45 3.73 2.77 3.07 4.33 2.94
J04 2.46 3.74 2.79 3.08 4.34 2.95
J06 2.79 4.22 3.14 3.48 4.90 3.33
J07 2.24 2.56 2.55 2.82 3.97 2.70
J08 2.25 2.57 2.56 2.83 3.99 2.71
J09 2.08 2.38 2.37 2.63 3.70 2.51
J10 2.10 2.41 2.40 2.65 3.74 2.54
J11 2.06 2.37 2.35 2.61 3.67 2.49
J12 2.09 2.41 2.40 2.65 3.74 2.54
J13 2.37 3.60 2.68 2.97 4.18 2.84
0.49 0.71 0.55 0.61 0.86 0.58
注： 为平差后单位权中误差。
高程監测网每期均以KZD1为已知点进行经典自由网平差，平差后每千米观测高差中误差在±3.90mm～6.84mm之间，网中精度最弱点为J06测点，其在各期的高程中误差在±3.13mm～5.40mm之间，未超过±10mm，满足规范要求。
5 监测成果分析
自2005年9月新监测网建立以来，滑坡体监测点水平合位移过程线图和垂直位移过程线图分别如图2，图3所示，由图可知，在2007年下半年，滑坡体A区上埋设的各测点呈现出明显的向河床滑动和向下沉降的态势，当时变化最大的是J13测点，水平位移增加了303.4mm，垂直位移增加了188.9mm。目前A区上部J13、中部J07和下部的J10、J11测点的水平合位移明显大于或接近垂直位移，各测点合位移方位角变化很小，且大致相同（介于104°～125°之间），与主滑坡方向基本一致，说明滑坡体A区属整体移动，并非局部松动。从2008年1月至2011年11月，各测点位移量变化趋势较平缓，最大水平合位移为388.2mm（J02测点），最大下沉量为396.9mm（J02测点），从现场巡视情况看，滑坡后缘没有发现新的裂缝，无明显的错落、下沉，中部和两侧地表未见裂缝和崩塌形成的显著地坎，无新出现的隆起、沉陷，前缘水位以上无新生剪口出现，未见明显的横向张拉裂缝，说明滑坡体是基本稳定的。
图2 滑坡体监测点水平合位移过程线图
图3 滑坡体监测点垂直位移过程线图
6 结语
应用移动式测量机器人TCA2003对大朝山5#滑坡体进行变形监测所取得的成果来看，有以下初步认识：
1）由监测成果分析可知，大朝山5#滑坡体变形监测方案设计是合理的，以主要滑坡体变形监测为主，并兼顾了其他小型滑坡体；平面网和高程网观测精度高，监测点较好地代表了边坡的实际变形情况。
2）鉴于滑坡体A区仍在变形、蠕变过程中，若遇特殊工况下（如库水位发生大的变动、长时间强降雨及附近发生地震等），滑坡体的稳定性将有所降低，有可能局部产生变形破坏，这时应加强监测。
3）山区作业，观测方向有时高差较大，以及边长观测差异较大的情况下，应每站调整好电子气泡，以确保三轴关系正确无误。
4）由于测量机器人采用CCD摄影成像原理进行目标搜索，对气象条件反应较为敏感，所以在测量时一定要选择一个好的观测时段和气候条件。
5）移动式测量机器人自动化程度高，观测速度快，省事省力，能代替人工，有着传统方法所无法比拟的优势和便利。
参考文献
[1]梅文胜，张正禄，黄全义.测量机器人在变形监测中的应用研究[J].大坝与安全，2005，5：33-35.
[2]赖金富，李向新，王正祥.测量机器人在金坪子滑坡变形监测中的应用[J].测绘信息与工程，2008，33（2）：22-23.
[3]GB 50026-2007，工程测量规范[S].北京：中国计划出版社，2008.
[4]DZ/T 0221-2006，崩塌、滑坡、泥石流监测规范[S].北京：中国标准出版社，2006.
关键词：测量机器人；移动式；滑坡；变形监测
【中图分类号】TP24
0 引言
测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。它是在全站仪基础上集成步进马达、CCD影像传感器并配置智能化的控制及应用软件而发展形成的。在工程建筑物及滑坡的变形自动化监测方面，测量机器人已逐渐成为首选的自动化测量技术设备。
测量机器人变形监测系统由基站、参考点、目标点、专用软件和计算机组成，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。利用测量机器人进行滑坡的自动化变形监测，按监测方法可分为固定式持续监测系统和移动式周期监测系统。固定式持续监测系统一般在测站上建立测量机器人监测房，配设供电、控制、计算、通信装置中心，而移动式周期监测系统只需测量机器人在每个测站上对周围目标点作周期观测，再用带有后处理软件的计算机进行数据处理即可。前者的优势是全自动、实时在线监测，然而系统相对复杂，造价昂贵，一方面这些昂贵的系统设备只能长期用于一个固定的变形监测项目，而且需要采取特殊方式进行保护管理并定期检测修复，另一方面没有多余观测量，测量的精度随着距离的增长而显著降低，且不易检查发现错误；后者是一种半自动变形监测系统，工程数据管理轻便灵活，测量精度高，周期测量后仪器即可拆除，适合半人工作业、变形缓慢需定期测量的工程项目，与传统作业方式大同小异，但是效率提高了3～4倍，在替代传统变形监测系统方面有着显著的优势，这种模式常采用测量机器人机载半自动化外业观测软件加计算机后处理软件共同构成。本文以Leica TCA2003为例来探讨移动式测量机器人在大朝山5#滑坡体变形监测中的应用。
1 工程概况
大朝山5#滑坡体位于云南省云县后箐乡境内的澜沧江右岸，距大朝山水电站坝址58.9km，是目前大朝山库区稳定性较差且规模相对较大的滑坡体。滑坡体由地表向下可分为滑坡堆积层、松动变形体、下伏基岩三部分，区域性的弯腰树断层从滑坡体中部通过。滑坡体前缘高程886m，后缘高程1205m，滑坡体长560m，宽400m，滑坡体堆積层厚5m～20m，下部的松动体厚10m～35m，滑坡体堆积体的方量约188.97×104m3，其下部松动体方量约156.04×104m3，两者总计达345.01×104m3。
从1976年起在1075m～1175m范围内曾经发生过几次表层滑坡，大朝山水电站2001年11月蓄水后，库水位在此雍高约30m，由于库水位的波动、冲蚀及浸润，下部岸坡局部表层的松散堆积和部分强风化岩体将会发生一定程度的岸坡再造，下部松散介质坍塌后，可能会加剧上部岸坡岩土体的变形，表部可能会产生新的失稳现象。
2 滑坡监测方案设计
1）变形监测网的布设。监测网的布设采用边角组合网的形式，蓄水前，在活动方向明显的区域按“十”字型布置了5个监测点，即J01～J05测点，其中在澜沧江左岸布设了KZD1、KZD2、右岸滑坡体影响区域外布设了KZD3作为参考基准点，2005年进行库区工程地质调查，经分析该滑坡体仍不稳定，在外界条件发生变化时，仍有进一步变形的可能，于是在同年9月又补埋了7个监测点，编号为J06～J12，新的监测网呈“丰”字型，这就较全面的兼顾了外围小型滑坡和次生复活的滑坡，其中J05测点在2006年6月损毁，同年9月在原J05测点位置重新埋设了J13监测点。变形监测网的布设如图1所示。
图1 变形监测网的布设
2）监测实施方案。根据有关规范和技术要求，每次进行滑坡体表面位移变形监测时，都要进行一次工作基准网的检验和校核，具体通过单三角各边长和角度与首期成果的比较，从而确定工作基准点稳定情况。当基准网中出现不稳定的工作基准点时，应及时进行基准网的复测，以稳固的基准点重新计算其坐标值。一般情况下，每年对基准网复测一次。基准网由KZD1、KZD2、KZD3组成，其各种限差和技术要求按《工程测量规范》中三等边角组合网和光电测距的有关要求执行。
变形监测网由12个测点组成，通过设立在滑坡对岸的两个工作基点，按四等测量精度采用两方向边角前方交会的方法进行，按照方向观测法观测4个测回，由于方向比较多，为了缩短每组观测时间，采用分两组观测，其中KZD3为两组共同零方向。观测周期为每年的汛前、汛中和汛后各观测一次，遇特殊情况时再加密观测。
3）坐标系统及位移量符号规定。水平位移监测采用近视1954年北京坐标系（边长投影至1000m高程面），X坐标表示南北方向（澜沧江上下游），测点向北方向（向上游）位移为正，反之为负；Y坐标表示东西方向（近似滑坡方向），测点向东方向（向河床）位移为正，反之为负。垂直位移监测采用1956年黄海高程系，H高程表示垂直位移方向，下沉为正，上抬为负。
3 作业效率
该滑坡监测网网点的初始坐标和前24次复测均采用Wild T2经纬仪和Wild DI2002红外测距仪的方式观测（传统方式），该方式作业劳动强度大，外业观测时间长，平均每次观测需6天左右，需要投入熟练、经验丰富的观测人员、记录人员和其它人员将近10人左右，所有的观测均需观测人员手工操作，技能要求高。而采用移动式测量机器人进行变形监测网的施测，平均每次观测只需2天就可完成，投入技术人员2名，放置棱镜投入一般人员3名，观测过程中测量机器人会按照预置在机内的观测点顺序、测回数、全自动地寻找目标，精确照准目标、记录观测数据、计算各种限差，做超限重测或等待人工干预等，完成一个测点的工作之后，人工将仪器搬到下一个施测的点上，如此重复，直至所有外业工作完成。这种移动式观测模式大大减轻观测者的劳动强度，所获得的成果精度更好，较传统方式具有很高的效率。 4 数据处理及精度评定
利用控制测量与变形监测软件DAM6.0，对边长进行改正、数据检验和对各种闭合差进行检查，再进行经典自由网平差、精度分析、成果输出及导入监测数据库，最后在数据库中查看位移量表、图。
为了便于观测成果的对比分析，平面监测网每期均利用KZD1为已知点，KZD1—KZD2方向为已知方向进行经典自由网平差计算，平差后各期监测网点点位中误差及单位权中误差见表1，从表1可以看出，离工作基点较远的J06、J01监测点点位中误差较大，但未超过±12mm，单位权中误差在±0.49″～0.86″之间，未超出±2.5″，平面监测网观测成果满足规范要求。
表1 各期平差后监测点点位中误差及单位权中误差
点名 平差后各期点位中误差/mm
第25期 第26期 第27期 第28期 第29期 第30期
J01 2.76 4.17 3.11 3.44 4.84 3.29
J02 2.49 3.78 2.81 3.11 4.39 2.98
J03 2.45 3.73 2.77 3.07 4.33 2.94
J04 2.46 3.74 2.79 3.08 4.34 2.95
J06 2.79 4.22 3.14 3.48 4.90 3.33
J07 2.24 2.56 2.55 2.82 3.97 2.70
J08 2.25 2.57 2.56 2.83 3.99 2.71
J09 2.08 2.38 2.37 2.63 3.70 2.51
J10 2.10 2.41 2.40 2.65 3.74 2.54
J11 2.06 2.37 2.35 2.61 3.67 2.49
J12 2.09 2.41 2.40 2.65 3.74 2.54
J13 2.37 3.60 2.68 2.97 4.18 2.84
0.49 0.71 0.55 0.61 0.86 0.58
注： 为平差后单位权中误差。
高程監测网每期均以KZD1为已知点进行经典自由网平差，平差后每千米观测高差中误差在±3.90mm～6.84mm之间，网中精度最弱点为J06测点，其在各期的高程中误差在±3.13mm～5.40mm之间，未超过±10mm，满足规范要求。
5 监测成果分析
自2005年9月新监测网建立以来，滑坡体监测点水平合位移过程线图和垂直位移过程线图分别如图2，图3所示，由图可知，在2007年下半年，滑坡体A区上埋设的各测点呈现出明显的向河床滑动和向下沉降的态势，当时变化最大的是J13测点，水平位移增加了303.4mm，垂直位移增加了188.9mm。目前A区上部J13、中部J07和下部的J10、J11测点的水平合位移明显大于或接近垂直位移，各测点合位移方位角变化很小，且大致相同（介于104°～125°之间），与主滑坡方向基本一致，说明滑坡体A区属整体移动，并非局部松动。从2008年1月至2011年11月，各测点位移量变化趋势较平缓，最大水平合位移为388.2mm（J02测点），最大下沉量为396.9mm（J02测点），从现场巡视情况看，滑坡后缘没有发现新的裂缝，无明显的错落、下沉，中部和两侧地表未见裂缝和崩塌形成的显著地坎，无新出现的隆起、沉陷，前缘水位以上无新生剪口出现，未见明显的横向张拉裂缝，说明滑坡体是基本稳定的。
图2 滑坡体监测点水平合位移过程线图
图3 滑坡体监测点垂直位移过程线图
6 结语
应用移动式测量机器人TCA2003对大朝山5#滑坡体进行变形监测所取得的成果来看，有以下初步认识：
1）由监测成果分析可知，大朝山5#滑坡体变形监测方案设计是合理的，以主要滑坡体变形监测为主，并兼顾了其他小型滑坡体；平面网和高程网观测精度高，监测点较好地代表了边坡的实际变形情况。
2）鉴于滑坡体A区仍在变形、蠕变过程中，若遇特殊工况下（如库水位发生大的变动、长时间强降雨及附近发生地震等），滑坡体的稳定性将有所降低，有可能局部产生变形破坏，这时应加强监测。
3）山区作业，观测方向有时高差较大，以及边长观测差异较大的情况下，应每站调整好电子气泡，以确保三轴关系正确无误。
4）由于测量机器人采用CCD摄影成像原理进行目标搜索，对气象条件反应较为敏感，所以在测量时一定要选择一个好的观测时段和气候条件。
5）移动式测量机器人自动化程度高，观测速度快，省事省力，能代替人工，有着传统方法所无法比拟的优势和便利。
参考文献
[1]梅文胜，张正禄，黄全义.测量机器人在变形监测中的应用研究[J].大坝与安全，2005，5：33-35.
[2]赖金富，李向新，王正祥.测量机器人在金坪子滑坡变形监测中的应用[J].测绘信息与工程，2008，33（2）：22-23.
[3]GB 50026-2007，工程测量规范[S].北京：中国计划出版社，2008.
[4]DZ/T 0221-2006，崩塌、滑坡、泥石流监测规范[S].北京：中国标准出版社，2006.