开采沉陷三维自动监测系统.pdf

第 1 5卷 第 2期 山 东 矿 业 学 院 学报 1 9 9 6年 6 月 J OURNAL OF S HAND ONG M I NI NG I NS TI TUTE Vo1 ． 1 5 № 2 J u n． 1 9 9 6 ／千 了 。／ 开 采 沉 陷 三 维 自 动 监 测 系 栾元重 山 东矿 业 学院 王 宜振 袁 上 惺 矿 罗 7 ／ 7 摘要末文 详细 地探讨 了利 用两 台奎站 忸及 计 耳机 { 星 备 ， 宴现 沉 陷 观测 的原 理 、 糸 统组 成 、 计 算 方 法 等 问题。 谊 系统 宴现 了 自动 监测 、 数据 自动处 理 和数 据 昔理 ， 通 用性 强， 发 展 了矿山 自动监 驯 枝 术 关键 词三维 平差 ； 中 图分 类号TH7 6 行荤 开 采沉陷 自动化监测． 一直 是我 国采矿工业 关键技 术之 一。 目前 ， 国外生产测量机器 人的 厂家 生产的机动化 电子速测仪 整体 或组 合式 、 机动化视频 经纬 仪或 扫描 干涉仪， 用于工业测 量 、 工程测量 、 水道删量等方面 ， 实现了全 自动测量 。 国外许多 厂家 已研制 出 了多种经 纬仪 系 统⋯， 且在 自动化测量 中得到 了 广泛 的 应用， 这些 系统 主 要硬件 为配有 测距 装 置的 马达驱 动 的精 密型经纬仪 及计算机 等设备 。这些 系统是 用双 向通讯方 式将 三个模件 带 反 光镜 的 目标 模件 、 机器 人摸件 、 控制 及数据 存储 模件 联接起 来， 并 用 C C D摄影机搜寻望远镜 内的影像． 经 无线电 传送到 电子外业手 薄上 的平 面电视屏上 ， 测量员用光笔在 电视屏上选择适当的菜单， 从 而控 制整个操作 ； 系统 自动照准被观测 的物体上 所有测 点， 并具 有极高 的照准精 度 ； 系统采 用 集成化 的、 界面友好的软件 自动管理所有测量过 程。这些系统测量精度高， 具有 广阔的应用领 域， 可 用于非接触点位检查或监测工作 ， 如矿 井井 筒监测 、 大坝 变形 监测等 ， 在航 天航 空工业 、 汽车制造专业和 造船工业 中， 已被广泛 应用， 实现 了 自动测量 。 这些 系统 在我国还是空 白， 国外 于 9 0年 代 已有部分 系统转 为商 用． 如果我 们整套 引进， 耗 资 巨大 ． 每套标价 7 0万美元左 右， 一般 的测量单 位 无力购 买。本文 的设计 是立 足于国 内 已有 的硬件 ． 如全站仪 、 计 算机等， 以全站仪 为传感器 ． 利用 自动控制 技术， 研制 适合于 我国 国情 的 三维 自动监 测系统， 改变过 去” 单打 一式” 、 “ 分散 式” 测 量系统 ， 本文称这套 系统 为经纬仪 系统 。 1 经 纬仪 系统 附图为经纬仪 系统基本原理， 它 主要 由两 台全站 仪 、 计 算机 或便携 式 微机 、 基准 尺 1 m 长或数 r f t 长 及数据 处理 和数据管 理软件组 成。下面叙述它的基本原理。 l 1 局部 三维 坐标 系统 的建 立 如 附图所示， A、 B 为两 台经纬仪 的旋转 中心， B 为 B在 A 点所在水平面上的投影 ， △h 收稿 H朔 1 9 9 5 ． 0 1 ． 2 0 鱼 维普资讯 1 5 0 山 东矿业 学院学报 第 1 5卷 二 玉 ， 为两台经纬仪 旋转 中心 的高差 ； D 为基准 尺， 且 两端设 有照 准标 志 D 和 D2 ， 引进 D 的 目的是为 系统提供尺度 标准 。 局部三维 坐标 系统 一般 是 以 A 为原 点 ， A B 方 向为 轴， 过 A 点 的铅垂线 为 z轴 ， y轴 由 轴和 z 轴按 右手 规则确 定。此 时． A 点 的坐标 为 O ， o ， O ， B点坐标为 L， O ， △h 。其 中 L 为基 线 长 度， △ h 为 A、 B之高差 ， 后续 求出 P点即沉 陷测点 的三 维坐 标就是相对该坐标 系而言 的。 1 ． 2系统 定向 由于两 台 全 站 仪 同 时 测 定 待 定 点 P的 三 维 坐 标 ． 属于前方交会， 需 要确 定两 台经纬仪 水 平 度盘 在 基 线方 向上的读 数， 常 用 的方法 是 将基 线 两端 的 经 纬 仪相 互 照准， 将 两 台仪 器视准 线 转换 成 同一条 视 准线 ， 并记下 各 自的水平度 盘读 数。 附图 经 纬仪 系统 原理 示意 囝 接着确定上述的 L和△ h ， 虽然可以直接 量出。但不 易达到较高精度， 故 实际作业中采 用 下述 间接方法来确定 L及△ 将两 台经纬 仪分 别照准 基准 尺 D 两端 的标 志 D 和 D 2 ， 相应 的水平角为 。 D n D 2 、 f 、 2 ， 天顶 距 【 、 2 、 【 、 。假 定 L 的近 似值 为 L0 ， 懈 算 L和 △的方法， 可利 用三维 同平差法 ， 也可 用下述 方法 及公式 P点 ． r坐标为 X L c 0 S n 【 s i n a 2 ／ s i n n【 口 2 1 P点 y坐标为 Y L。 s i n a 】 s l n a 2 ／ s i n I n 2 2 P点 高程 为 Zt g 9 0 。 一y 【 √ 3 分别计算 D】和 D2的坐标近假值 x。 I 、 y。 】 、 z。 I 、 X。 2 、 Y。 2 、 Z’ 2 ， 上 式中的 n 】 和 。 2分 别 为两台经纬仪对任意 点 P的水平 角 观测值 ， y ．为 A 经纬 仪 的天 顶距 观测值 。然后分别 计 算 D 的近似值 D。 D ／ x 。 2 一x 。 】 Y z Y 】 z 。 2 一z 。 】 利用相似原理 和基准尺的 已知 长度 D 求 出L L L D／ D 至于△h， 可按 下述方法 求出 由 A 点对 D【 、 D 2的观测 值计 算 出 Df 、 D2的 z坐 标 z 【 、 Z z ； 再 由 B点亦可计算出 D 、 D2的 z坐标 z 、 2 ， 其 公式为 z 【 √x { Y t g 9 0 。 一 【 ， 2 √x i Y ； t g 9 0 一 2 Z J{ - 二 _ L ． t g 9 0 。 一 ， Z B 2 _ 二 一 t g 9 O 一 2 式中 x J y J x2 y2 是用 J J 代替 1 、 2 式 中的 J J 而计算 出的 D 、 D2 点 的平面 坐标。然 后可 计 算 出△ h △ h [ z B 【 一 z 】 2一 2 ] ／ 2 求出了 J J 和△ h之后 ， 即可测沉 陷点 的坐标。 维普资讯 第 2期 栾 元 重 等 开 采沉 陷三 维 自动 监 测 系统 1 5 1 1 ． 3沉 陷 观 测 开 采沉 陷观测站的测点布设 可分 为 网状 及线状 即 沿矿 体走 向和倾 向主断面 布设测 点 ， 两 台监 ．删电子经纬仪可设置 在室 内， 向外观 测 ； 也可设置于工业 广场 楼顶 上或安置沉陷区边缘 某点 ， 由电缆连接到 室 内计算机， 实现数据 自动 处理 和管理 。对 于 一般 沉 陷区， 系统的 各经纬 仪逐 点测定各测点 ， 对于沉陷 区的积 水区测点 ， 或井筒变形 监测， 这样一些不 可触 及的 地方 ， 可 将某 台全站仪的望远镜 装上 激光 目镜 ， 发射 激光 井通过 物镜 聚 焦， 在 目标处 形成激 光投射 点， 其 它各台经纬仪跟踪照 准该点。对测 点坐标计算， x、 Y坐标 仍采用 1 、 2 式求 出， 而 z坐 标 应 用下式计 算 ， 一 一 Z【 t g 9 0 一 y【 X y Z2 t g 9 0 一 y 2 ／ L x y △h Z Z【 Z2 ／ 2 测点数据 处理 由与各台全站仪相连 的微机 完成 ， 获得 实时坐标数据 ， 也 可用全 站仪 所附的 数据终端 将数据记录下来， 然后再 由计 算机处理。 2 数据处理与数据管理方式 开采沉陷监测点的 各期 坐标值 x ， Y ， z ， 由经纬仪 系统 自动监 测并计 算坐 标后， 直接转 入 库文件中， 考虑 数据 长期保 存． 分别 建立 原始数据库 、 处理 数据库 和成 果数据库， 系统管理 软件 采用 f o x b a s e 编写 ， 内部调用高级语 言。管理 计 算 入库 库 内容转成高 级语 言的 数据文件等一 系列的转 换和使 用部体 现在 f o x b a s e 管理程 序中 。 2 ． 1 变形值 计算 在管理 系统 中， 专门开发 了“ 变 形值 计算” 模块 ， 是 由每个测点 的观 测数据与首次观测成果 通过 程序 处理 获得 。 2． 1 1 垂 直移动和变形的计算 各点的下沉值 、 相邻两点 间的平均倾 斜和相邻两 边平均 曲率值 的计 算公式 如下 0 9 Z 一Z i ⋯ 】 l 一 ／ L一 【 k ⋯ 2 2 i ⋯ 1 一i 1 ～ 2 ／ L⋯ 【 L 1 ～ 2 式 中 Z 、 Z 号点在 采前 和采后 的高 程 ； 、 l 号和 nl号点在 采 后的下 沉 值 ； i ⋯ 【 ， i 1 ～ 2 号 至 n1号点和 l号至 2号 点之 间在 采后的平均 倾斜 ； L ⋯ 】 、 L 】 ⋯2 号至 1号点 和 nl号 至 n2号点 之间 在 采后的 水 平 距离 ； 女 ⋯ 2 号 至 ”2号点之间在采后的平均 曲率 。 2 ． 1 2水平 移动和水平变形的计算 测点在 方向水平移动 “ 一 测点在 Y方向水平移动 ” Y 一乩 1删点水平移动量为 “ √“ “ 2 水平变形为 ￡ △ 一△。 ／ △ 埘 式 中 、 测 点 采 后 与 采 前 坐 标 值 ； Y 、 测 点采 后 与 采 前 Y 坐 标 值 ； △ 维普资讯 1 5 2 山 东 矿业学院学报 第 1 5卷 △ 观 删线 上 至 1点采后与采前 的坐标增量， 即 △ √△ △ ， △。 ／ △ △ 。 2 ． 2库文件接 口技 术 数据库 文件 与高级语 言数据共 享问题， 是按 如下方 法解决的。 将库文件转 变成文本 文件 ， 以便录 入高级语 言的程序中。 U S e Lyz c o p y t O ABy s 、 TXT d e l l 将 数据 处理 生成结 果文件 T XT 转 入库文件中， 以便于保存成果。 u s eAy y a p p e f r o m ABy s TXT d e l l 这里库结构与 T XT文件的生成 ， 长度 匹配要 完全 一致 。 2 3机助绘图 在变形分析中， 需要绘制 平面图 、 立体图 ， 各类 变形 等值线 及二维变形 曲线 ， 以便于准确地 确定岩移参数 在两台全站仪野 外采 集 中， 将数据一 次 批量进 入 Au t o c a d成初级 图， 并进 行 适 当的屏幕编辑和注记， 即可完成绘 图工 作， 绘 图仪 采用 HP系列。其 中 Au t o c a d与高级语言 之 间的接 口由转换文 件 DXF实现， 图例符合用 Au t o L i s p编程实现 。 3结语 本文根据我 国现有 的开采沉陷观删设 备， 利用 自动控制技 术及计算机编程技术， 设计 了经 纬仪 系统 ， 旨在提 高监测效率 和精 度， 满 足采矿生 产的需要 同时 ， 也 使我 国在 这方 面接近 国 外先进水平， 推动我国测绘技 术的 发展 。 参 考文 献 1 Ti mo t h y P Rob e r t s ． Ni c h o l s M M o f fiu ke rn v ㈣f o r po s i t i o n i n g a n d a u【 。 ma I r d i n a t e e v a l u a t n⋯e a I t ⋯y s [ iY t fo r i n du s t r l a l ⋯nn e n 【 ， s n 1 As p k s ． I 9 87 ， 3 2栾元 重 矿 山测量 现代化 倍息管 理 系统中南 工业太 学硕士 论文， 1 9 9 4 l 2 Th e Thr e e ． di m e ns i o na l Au t o m a t i c M o ni t o r i ng S y s t e m of M i ni ng Su bs i de nc e Lua n Yua n z ho ng W a ng Yi z he n 1 e p o f G s c i e n c e Qh u a n s h a t k C o a lmi n e ABS T RACT I n t h i s p a p e r ，we d i s u s s e d t h e p r o b l e ms ，s u c h a s r e a l i z i n g s u b s i d e n c e me a s u r r n e n t w i t h t wo e l e c t r o ni c t a c h o m e t e r s a n d a c o m p ut e r s ys t em c om p o s i t i o n a nd c a l c ul a t i n g me t ho d，et c The s ys t e m r e a l i z e d t h e au t o m a t i c m o ni t o r i ng， a ut oma t i c da t a pr oc e s s i n g a nd d a t a m a n a g e m e nt I t i s p o we r f u l i n c o mmo n U Se，a n d d e v e l o p s t h e mi n e a u t o ma t i c mo n i t o r i n g t e c h n o l o g y ． KEY W ORDS Th r e e d i me n s i o n a l e r r o r a d j u s t me n t ；a u t o ma t i c mo n i t o r i n g s y s t e ms ；d a t a b a s e s u b s i de nc e o bs er v a t i on 维普资讯