專利名稱：高填方機場邊坡單臺全站儀的自由設站變形監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機場建筑工程，特別是一種高填方機場邊坡單臺全站儀的自由設站變形監(jiān)測方法。
背景技術：
由于航空事業(yè)發(fā)展，空中資源越來越緊張，勢必導致機場選址一定程度上“空決定地”，由于國家土地緊控政策，勢必導致機場建設“上山下海”，由此機場建設不得不選擇在地質不良地基上，如東南沿海的軟土地基、西南西北山區(qū)高填方地基等，在這類地基上修建的機場通常稱為高填方機場。東南沿海軟土地基，為了滿足洪水頻率防洪水位設計要求，通常需要進行填方；山區(qū)高填方地基，由于山區(qū)地形波狀起伏、丘川間錯、溝谷縱橫，必然要削山填壑，就地進行土石方平衡，形成填筑體，由于填筑體的形成破壞了自然地面的原有平衡狀態(tài)，同時填筑體本身也由于多種因素發(fā)生變形，表現(xiàn)形式為地基沉降，邊坡位移等。由于變形發(fā)生機理的各向異性和變形理論計算、穩(wěn)定驗算分析的不確定性，變形監(jiān)測作為獲得發(fā)生變形真實量的唯一手段，對于工程的安全性評價顯得尤為重要，也是信息化、科學化施工的重要手段，一方面可以驗證地基處理設計方案的合理性，另一方面可為下一步施工提供科學的依據(jù)。現(xiàn)有變形監(jiān)測方法按觀測目的分為水平位移監(jiān)測、垂直位移監(jiān)測和三維監(jiān)測水平位移監(jiān)測有如下幾種方法引張線法，視準線法，激光準直法，正、倒垂線法， 前方交會法和精密導線法等。垂直位移監(jiān)測主要有幾何水準法和流體靜力水準法(連通管法)。以上各種監(jiān)測方法是將變形點的水平位移和垂直位移分別施測。隨著測量儀器和測量技術的發(fā)展，這個問題已經(jīng)基本上得到了解決。目前已研制出能實時連續(xù)觀測變形點水平位移和垂直位移的測量系統(tǒng)，由于這些系統(tǒng)測量的是變形點的三維位移值，故稱為“三維位移監(jiān)測系統(tǒng)”，按其原理和觀測方法可分為GPS法、距離交會法、極坐標差分法和前方交會法。GPS (包括“一機多天線”技術)靜態(tài)相對差分方法雖然可行，但信號受高邊坡影響嚴重，同時儀器價格昂貴，針對單一項目成本投入過大，在網(wǎng)中布設多點條件下，觀測效率很低。距離交會法和極坐標差分法都需要專門的測量系統(tǒng)進行配合，整套系統(tǒng)費用較高。在高填方機場邊坡的變形監(jiān)測中，應用最為普遍的是前方交會法，該方法的誤差源有測角誤差，交會角及圖形結構、基線長度、外界條件的變化等。總體而言該方法勞動強度大、測量和計算過程復雜、計算精度不理想。究其根本原因是在觀測過程中出現(xiàn)了多處人為的誤差，如儀器和反射棱鏡的對中誤差、整平誤差、儀器高測量誤差、棱鏡高測量誤差等。上述方法存在觀測條件所受限制較大、監(jiān)測系統(tǒng)投入費用較高、偶然誤差來源多、測量數(shù)據(jù)處理過程復雜，其監(jiān)測成果通常不具有實時性。同時，相關文獻中提及的全站儀自由設站方法僅測量兩個控制點，未組成控制網(wǎng)， 存在以下問題(I)、控制網(wǎng)的布設方法缺乏圖形強度因子的評估；(2)、其初始觀測平差結果中缺乏控制網(wǎng)的穩(wěn)健性估計，未進行控制網(wǎng)抗粗差能力估計；(3)、監(jiān)測數(shù)據(jù)平差過程中未進行定權，應用效果不好，測量精度差，滿足不了機場建設的實際需要，因此，監(jiān)測方法上的改進和創(chuàng)新勢在必行。

發(fā)明內容
針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術之缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種高填方機場邊坡單臺全站儀的自由設站變形監(jiān)測方法，可有效解決測量精度差，不能滿足高填方機場邊坡呈狹長、條帶狀、直線延伸、圖形強度差的監(jiān)測問題。本發(fā)明解決的技術方案是，包括以下步驟I、高填方機場邊坡分區(qū)將高填方機場邊坡所包含的范圍由大至小分為第一、第二、第三設站所測量的矩形區(qū)域，每個矩形區(qū)域的邊長為200-300m ;在每一測量區(qū)域內設控制點、監(jiān)測點和轉點，測站的位置可自由選擇，但盡量設在測量區(qū)域的中間，以使測量誤差呈規(guī)律性的均勻分布；2、測量控制測量所得到的坐標系稱為控制網(wǎng)坐標系，每站測量儀器三軸所形成的坐標系稱為測站坐標系，測量分兩步(I)控制測量變形監(jiān)測開始前，應建立整個監(jiān)測區(qū)域的控制網(wǎng)，控制網(wǎng)建立方式為GPS自由網(wǎng)或經(jīng)典邊角網(wǎng)，采用空間直角坐標，對于變形監(jiān)測來講通常邊長較短，不進行投影，以避免投影變形所產(chǎn)生的誤差影響；(2)變形監(jiān)測自由設站測量，對測量區(qū)域內的控制點和監(jiān)測點進行分站測量，方法是，一是單站測量，儀器不動，測量所有目標，適合監(jiān)測范圍較小的區(qū)域；二是轉站測量 (通常稱為蛙跳)，完成一次測量任務需要多次移動儀器的位置，可以避免外界環(huán)境的影響，改善通視條件；通過對3個以上的定向點(即相鄰兩站重復測量的公共點)測量，建立起相鄰測站之間的姿態(tài)、定向關系，同時實現(xiàn)儀器測量范圍的較大擴展，也可避免測量精度隨距離增大而快速降低，適合較大范圍的測量區(qū)域；3、數(shù)據(jù)處理將測量獲得的水平角、垂直角和斜距作為觀測值，以測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標作為平差參數(shù)進行參數(shù)平差，獲取測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標的精確結果。本發(fā)明監(jiān)測方法精度高，所構成的測量系統(tǒng)方便靈活，體積小、重量輕、便于搬動、 具有很好的便攜性，充分適應了機場邊坡監(jiān)測場地狹長、施工干擾頻繁，需要靈活、機動設
站的需要。


圖I為本發(fā)明的自由設站變形監(jiān)測原理圖。圖2為本發(fā)明的相鄰兩測站點間公共點測量標示圖。圖3為本發(fā)明的極坐標測量標示圖。圖4為本發(fā)明的測站與控制網(wǎng)間的轉換關系圖。圖5為本發(fā)明的某機場實施例監(jiān)測點分布圖。圖6為本發(fā)明的首級控制網(wǎng)網(wǎng)型圖。
圖7為本發(fā)明的加密控制網(wǎng)網(wǎng)型圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。本發(fā)明在具體實施中，是由以下步驟實現(xiàn)的I、高填方機場邊坡分區(qū)如圖I所示，為單臺全站儀自由設站變形監(jiān)測方法原理圖，其中三角代表控制點， 圓圈代表監(jiān)測點，方框代表轉點，儀器圖標代表測站位置，將高填方機場邊坡所包含的范圍由大至小分為第一、第二、第三設站所測量的矩形區(qū)域，每個矩形區(qū)域的邊長為200-300m ； 如果監(jiān)測范圍再大，測量分隔的測量區(qū)域繼續(xù)增多，每一測站測量其范圍內的所有控制點、 監(jiān)測點和轉點，測站的位置可自由選擇，但盡量在測量區(qū)域的中間，這樣可使測量誤差呈規(guī)律性的均勻分布；全站儀測量精度與測角和測距誤差有關，近距離時測角和測距的誤差對點位精度影響較小，但隨著距離增大，測距誤差影響明顯增大，自由設站變形監(jiān)測方法將較大的監(jiān)測區(qū)域化分為若干個范圍較小、適合全站儀進行監(jiān)測的區(qū)域，從而有效保證了測量精度，充分適應高填方機場邊坡呈狹長、條帶狀、直線延伸、圖形強度差的情況；2、測量控制測量所得到的坐標系稱為控制網(wǎng)坐標系，每站測量儀器三軸所形成的坐標系稱為測站坐標系，測量分兩步(I)控制測量變形監(jiān)測開始前，先建立整個監(jiān)測區(qū)域的控制網(wǎng)，控制網(wǎng)建立方式為GPS自由網(wǎng)或經(jīng)典邊角網(wǎng)，采用空間直角坐標，對于變形監(jiān)測因邊長較短，不進行投影， 以避免投影變形所產(chǎn)生的誤差影響；(2)變形監(jiān)測，自由設站測量，對測量區(qū)域內的控制點和監(jiān)測點進行分站測量，方法是，當測量區(qū)域較小，采用單站測量，儀器不動，測量所有目標，測量半徑為300m以內；當較大范圍的測量區(qū)域，采用轉站測量(通常稱為蛙跳)，完成一次測量任務需要多次移動儀器的位置，可以避免外界環(huán)境的影響，改善通視條件，通過對3個以上的定向點(即相鄰兩站重復測量的公共點)測量，建立起相鄰測站之間的姿態(tài)、定向關系，同時實現(xiàn)儀器測量范圍的較大擴展，也可避免測量精度隨距離增大而快速降低；3、數(shù)據(jù)處理將測量獲得的水平角、垂直角和斜距作為觀測值，以測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標作為平差參數(shù)進行參數(shù)平差，獲取測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標的精確結果；上述過程與攝影測量中的光束法平差相似，各測站參數(shù)類似于攝影測量中的內外參數(shù)，監(jiān)測點的坐標則為攝影測量中的未知點坐標，因此稱之為基于光束法平差解算的多測站數(shù)據(jù)統(tǒng)一解算的數(shù)據(jù)處理方法；A、網(wǎng)平差網(wǎng)平差是在觀測結束后，消除不符合的數(shù)據(jù)、評估測量精度、求出坐標的重要手段，傳統(tǒng)的網(wǎng)平差可分為條件平差、參數(shù)平差兩大類，參數(shù)平差(及附有約束條件的參數(shù)平差)便于計算機輔助計算，具體是(如圖2所示)兩臺儀器同時觀測I個點，有6個觀測值，若對η個點同時觀測，就有6η個觀測值；η個未知點存在3η個未知數(shù)，兩臺儀器相對定向存在有另外7個未知數(shù)(3個旋轉參數(shù)，3個平移參數(shù)，I個尺度因子)，若要解算儀器的相對位置，應該使得下述條件成立6η > 7+3η， 即η > 2. 5，為此實際測量時，要求相鄰測站有3個以上的公共點，在實際工程中，高精度的監(jiān)測網(wǎng)通常會布設5 15個公共點，增加多余觀測量，且網(wǎng)點分布具有良好的幾何結構，以提高可靠性、減小測量誤差的影響；平差時通過對多余觀測值進行最小二乘處理，求得最佳的儀器位置和空間姿態(tài)及空間點的最佳坐標，使得觀測值改正數(shù)的平方和最小，其誤差方程是非線性的，需要進行多次迭代才能達到最終的要求；B、數(shù)據(jù)處理方法(I)測站坐標系下坐標計算(如圖3所示)測站i對任意點P的觀測值包括水平角Hi_p、垂直角\_ρ和斜距Di_p，則點P在測站 i下的坐標記作(Xi-P, Yi-P, Zi_P)，計算公式如下
權利要求
1.一種高填方機場邊坡單臺全站儀的自由設站變形監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟一、高填方機場邊坡分區(qū)將高填方機場邊坡所包含的范圍由大至小分為第一、第二、第三設站所測量的矩形區(qū)域，每個區(qū)域邊長為200-300m ;如果監(jiān)測范圍再大，測量分隔的測量區(qū)域繼續(xù)增多，每一測站測量其范圍內的所有控制點、監(jiān)測點和轉點，測站的位置可自由選擇，盡量在測量區(qū)域的中間，使測量誤差呈規(guī)律性的均勻分布；二、測量控制測量所得到的坐標系稱為控制網(wǎng)坐標系，每站測量儀器三軸所形成的坐標系稱為測站坐標系，測量分兩步(1)控制測量變形監(jiān)測開始前，先建立整個監(jiān)測區(qū)域的控制網(wǎng)，控制網(wǎng)建立方式為 GPS自由網(wǎng)或經(jīng)典邊角網(wǎng)，采用空間直角坐標，對于變形監(jiān)測因邊長較短，不進行投影，以避免投影變形所產(chǎn)生的誤差影響；(2)變形監(jiān)測，自由設站測量，對測量區(qū)域內的控制點和監(jiān)測點進行分站測量，方法是， 當測量區(qū)域較小，采用單站測量，儀器不動，測量所有目標，測量半徑為300m以內；當較大范圍的測量區(qū)域，采用轉站測量，完成一次測量任務需要多次移動儀器的位置，可以避免外界環(huán)境的影響，改善通視條件，通過對3個以上的定向點測量，建立起相鄰測站之間的姿態(tài)、定向關系，同時實現(xiàn)儀器測量范圍的較大擴展，避免測量精度隨距離增大而快速降低；三、數(shù)據(jù)處理將測量獲得的水平角、垂直角和斜距作為觀測值，以測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標作為平差參數(shù)進行參數(shù)平差，獲取測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標的精確結果；A、網(wǎng)平差網(wǎng)平差是在觀測結束后，消除不符合的數(shù)據(jù)、評估測量精度、求出坐標，具體是兩臺儀器同時觀測I個點，有6個觀測值，若對η個點同時觀測，就有6η個觀測值；η個未知點存在3η個未知數(shù)，兩臺儀器相對定向存在有另外7個未知數(shù)，3個旋轉參數(shù)，3個平移參數(shù)，I個尺度因子，按照6η > 7+3η，η > 2. 5，解算儀器的相對位置，相鄰測站有3個以上的公共點，高精度的監(jiān)測網(wǎng)布設5 15個公共點，增加多余觀測量，且網(wǎng)點分布具有幾何結構，以提高可靠性、減小測量誤差的影響；平差時通過對多余觀測值進行最小二乘法處理，求得儀器位置和空間姿態(tài)及空間點的坐標，使得觀測值改正數(shù)的平方和最小，其誤差方程是非線性的，經(jīng)多次迭代實現(xiàn)；B、數(shù)據(jù)處理方法(1)測站坐標系下坐標計算測站i對任意點P的觀測值包括水平角Hi_p、垂直角\_ρ和斜距Di_p，則點P在測站i下的坐標記作(Xi_P，Yi-P, Zi_P)，計算公式如下Xi^p = Di-P · Cos(Fi-P) · cos(U< Yi^ = Di-P · Cos(Fi-P) · sin(UZi-P = Di-P · Sin(Fi-P)(2)測站I坐標系與其余測站間的轉換參數(shù)概略計算根據(jù)布爾莎七參數(shù)模型，通過坐標系3個基本旋轉、3個平移和I個尺度縮放，計算得到兩相鄰測站i和i+1間的轉換參數(shù)，包括平移參數(shù)(xn'zf)、旋轉參數(shù)( ,+1, +1,%+1) 和尺度因子k :
全文摘要
本發(fā)明涉及高填方機場邊坡單臺全站儀的自由設站變形監(jiān)測方法，可有效解決高填方機場邊坡呈狹長、條帶狀、直線延伸、圖形強度差的精準監(jiān)測問題，方法是，將所包含的范圍由大至小分為第一、第二、第三測量區(qū)域，在每一測量區(qū)域內設控制點、監(jiān)測點和轉點，測站的位置自由選擇；建立整個監(jiān)測區(qū)域的控制網(wǎng)；對測量區(qū)域內的控制點和監(jiān)測點進行分站測量，建立起相鄰測站之間的姿態(tài)、定向關系，同時實現(xiàn)儀器測量范圍的較大擴展；將測量獲得的水平角、垂直角和斜距作為觀測值，以測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標作為平差參數(shù)進行參數(shù)平差，獲取測站位置參數(shù)和監(jiān)測點坐標的精確結果，本發(fā)明測量精度高，方便靈活，便于搬動、具有很好的便攜性。
文檔編號G01B21/32GK102607506SQ201210051569
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權日2012年3月1日
發(fā)明者申瑾, 羊遠新, 薛宗建, 許文學, 趙偉冬, 錢清玉, 魏樺 申請人:中國人民解放軍空軍工程設計研究局