专利名称：高填方机场边坡单台全站仪的自由设站变形监测方法
技术领域：
本发明涉及机场建筑工程，特别是一种高填方机场边坡单台全站仪的自由设站变形监测方法。
背景技术：
由于航空事业发展，空中资源越来越紧张，势必导致机场选址一定程度上“空决定地”，由于国家土地紧控政策，势必导致机场建设“上山下海”，由此机场建设不得不选择在地质不良地基上，如东南沿海的软土地基、西南西北山区高填方地基等，在这类地基上修建的机场通常称为高填方机场。东南沿海软土地基，为了满足洪水频率防洪水位设计要求，通常需要进行填方；山区高填方地基，由于山区地形波状起伏、丘川间错、沟谷纵横，必然要削山填壑，就地进行土石方平衡，形成填筑体，由于填筑体的形成破坏了自然地面的原有平衡状态，同时填筑体本身也由于多种因素发生变形，表现形式为地基沉降，边坡位移等。由于变形发生机理的各向异性和变形理论计算、稳定验算分析的不确定性，变形监测作为获得发生变形真实量的唯一手段，对于工程的安全性评价显得尤为重要，也是信息化、科学化施工的重要手段，一方面可以验证地基处理设计方案的合理性，另一方面可为下一步施工提供科学的依据。现有变形监测方法按观测目的分为水平位移监测、垂直位移监测和三维监测水平位移监测有如下几种方法引张线法，视准线法，激光准直法，正、倒垂线法， 前方交会法和精密导线法等。垂直位移监测主要有几何水准法和流体静力水准法(连通管法)。以上各种监测方法是将变形点的水平位移和垂直位移分别施测。随着测量仪器和测量技术的发展，这个问题已经基本上得到了解决。目前已研制出能实时连续观测变形点水平位移和垂直位移的测量系统，由于这些系统测量的是变形点的三维位移值，故称为“三维位移监测系统”，按其原理和观测方法可分为GPS法、距离交会法、极坐标差分法和前方交会法。GPS (包括“一机多天线”技术)静态相对差分方法虽然可行，但信号受高边坡影响严重，同时仪器价格昂贵，针对单一项目成本投入过大，在网中布设多点条件下，观测效率很低。距离交会法和极坐标差分法都需要专门的测量系统进行配合，整套系统费用较高。在高填方机场边坡的变形监测中，应用最为普遍的是前方交会法，该方法的误差源有测角误差，交会角及图形结构、基线长度、外界条件的变化等。总体而言该方法劳动强度大、测量和计算过程复杂、计算精度不理想。究其根本原因是在观测过程中出现了多处人为的误差，如仪器和反射棱镜的对中误差、整平误差、仪器高测量误差、棱镜高测量误差等。上述方法存在观测条件所受限制较大、监测系统投入费用较高、偶然误差来源多、测量数据处理过程复杂，其监测成果通常不具有实时性。同时，相关文献中提及的全站仪自由设站方法仅测量两个控制点，未组成控制网， 存在以下问题(I)、控制网的布设方法缺乏图形强度因子的评估；(2)、其初始观测平差结果中缺乏控制网的稳健性估计，未进行控制网抗粗差能力估计；(3)、监测数据平差过程中未进行定权，应用效果不好，测量精度差，满足不了机场建设的实际需要，因此，监测方法上的改进和创新势在必行。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种高填方机场边坡单台全站仪的自由设站变形监测方法，可有效解决测量精度差，不能满足高填方机场边坡呈狭长、条带状、直线延伸、图形强度差的监测问题。本发明解决的技术方案是，包括以下步骤I、高填方机场边坡分区将高填方机场边坡所包含的范围由大至小分为第一、第二、第三设站所测量的矩形区域，每个矩形区域的边长为200-300m ;在每一测量区域内设控制点、监测点和转点，测站的位置可自由选择，但尽量设在测量区域的中间，以使测量误差呈规律性的均匀分布；2、测量控制测量所得到的坐标系称为控制网坐标系，每站测量仪器三轴所形成的坐标系称为测站坐标系，测量分两步(I)控制测量变形监测开始前，应建立整个监测区域的控制网，控制网建立方式为GPS自由网或经典边角网，采用空间直角坐标，对于变形监测来讲通常边长较短，不进行投影，以避免投影变形所产生的误差影响；(2)变形监测自由设站测量，对测量区域内的控制点和监测点进行分站测量，方法是，一是单站测量，仪器不动，测量所有目标，适合监测范围较小的区域；二是转站测量 (通常称为蛙跳)，完成一次测量任务需要多次移动仪器的位置，可以避免外界环境的影响，改善通视条件；通过对3个以上的定向点(即相邻两站重复测量的公共点)测量，建立起相邻测站之间的姿态、定向关系，同时实现仪器测量范围的较大扩展，也可避免测量精度随距离增大而快速降低，适合较大范围的测量区域；3、数据处理将测量获得的水平角、垂直角和斜距作为观测值，以测站位置参数和监测点坐标作为平差参数进行参数平差，获取测站位置参数和监测点坐标的精确结果。本发明监测方法精度高，所构成的测量系统方便灵活，体积小、重量轻、便于搬动、 具有很好的便携性，充分适应了机场边坡监测场地狭长、施工干扰频繁，需要灵活、机动设
站的需要。
图I为本发明的自由设站变形监测原理图。图2为本发明的相邻两测站点间公共点测量标示图。图3为本发明的极坐标测量标示图。图4为本发明的测站与控制网间的转换关系图。图5为本发明的某机场实施例监测点分布图。图6为本发明的首级控制网网型图。
图7为本发明的加密控制网网型图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作详细说明。本发明在具体实施中，是由以下步骤实现的I、高填方机场边坡分区如图I所示，为单台全站仪自由设站变形监测方法原理图，其中三角代表控制点， 圆圈代表监测点，方框代表转点，仪器图标代表测站位置，将高填方机场边坡所包含的范围由大至小分为第一、第二、第三设站所测量的矩形区域，每个矩形区域的边长为200-300m ； 如果监测范围再大，测量分隔的测量区域继续增多，每一测站测量其范围内的所有控制点、 监测点和转点，测站的位置可自由选择，但尽量在测量区域的中间，这样可使测量误差呈规律性的均匀分布；全站仪测量精度与测角和测距误差有关，近距离时测角和测距的误差对点位精度影响较�。孀啪嗬朐龃螅饩辔蟛钣跋烀飨栽龃螅杂缮枵颈湫渭嗖夥椒ń洗蟮募嗖馇蚧治舾筛龇段Ы闲�、适合全站仪进行监测的区域，从而有效保证了测量精度，充分适应高填方机场边坡呈狭长、条带状、直线延伸、图形强度差的情况；2、测量控制测量所得到的坐标系称为控制网坐标系，每站测量仪器三轴所形成的坐标系称为测站坐标系，测量分两步(I)控制测量变形监测开始前，先建立整个监测区域的控制网，控制网建立方式为GPS自由网或经典边角网，采用空间直角坐标，对于变形监测因边长较短，不进行投影， 以避免投影变形所产生的误差影响；(2)变形监测，自由设站测量，对测量区域内的控制点和监测点进行分站测量，方法是，当测量区域较�。捎玫フ静饬浚瞧鞑欢饬克心勘辏饬堪刖段�300m以内；当较大范围的测量区域，采用转站测量(通常称为蛙跳)，完成一次测量任务需要多次移动仪器的位置，可以避免外界环境的影响，改善通视条件，通过对3个以上的定向点(即相邻两站重复测量的公共点)测量，建立起相邻测站之间的姿态、定向关系，同时实现仪器测量范围的较大扩展，也可避免测量精度随距离增大而快速降低；3、数据处理将测量获得的水平角、垂直角和斜距作为观测值，以测站位置参数和监测点坐标作为平差参数进行参数平差，获取测站位置参数和监测点坐标的精确结果；上述过程与摄影测量中的光束法平差相似，各测站参数类似于摄影测量中的内外参数，监测点的坐标则为摄影测量中的未知点坐标，因此称之为基于光束法平差解算的多测站数据统一解算的数据处理方法；A、网平差网平差是在观测结束后，消除不符合的数据、评估测量精度、求出坐标的重要手段，传统的网平差可分为条件平差、参数平差两大类，参数平差(及附有约束条件的参数平差)便于计算机辅助计算，具体是(如图2所示)两台仪器同时观测I个点，有6个观测值，若对η个点同时观测，就有6η个观测值；η个未知点存在3η个未知数，两台仪器相对定向存在有另外7个未知数(3个旋转参数，3个平移参数，I个尺度因子)，若要解算仪器的相对位置，应该使得下述条件成立6η > 7+3η， 即η > 2. 5，为此实际测量时，要求相邻测站有3个以上的公共点，在实际工程中，高精度的监测网通常会布设5 15个公共点，增加多余观测量，且网点分布具有良好的几何结构，以提高可靠性、减小测量误差的影响；平差时通过对多余观测值进行最小二乘处理，求得最佳的仪器位置和空间姿态及空间点的最佳坐标，使得观测值改正数的平方和最�。湮蟛罘匠淌欠窍咝缘模枰卸啻蔚拍艽锏阶钪盏囊螅籅、数据处理方法(I)测站坐标系下坐标计算(如图3所示)测站i对任意点P的观测值包括水平角Hi_p、垂直角\_ρ和斜距Di_p，则点P在测站 i下的坐标记作(Xi-P, Yi-P, Zi_P)，计算公式如下
权利要求
1.一种高填方机场边坡单台全站仪的自由设站变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤一、高填方机场边坡分区将高填方机场边坡所包含的范围由大至小分为第一、第二、第三设站所测量的矩形区域，每个区域边长为200-300m ;如果监测范围再大，测量分隔的测量区域继续增多，每一测站测量其范围内的所有控制点、监测点和转点，测站的位置可自由选择，尽量在测量区域的中间，使测量误差呈规律性的均匀分布；二、测量控制测量所得到的坐标系称为控制网坐标系，每站测量仪器三轴所形成的坐标系称为测站坐标系，测量分两步(1)控制测量变形监测开始前，先建立整个监测区域的控制网，控制网建立方式为 GPS自由网或经典边角网，采用空间直角坐标，对于变形监测因边长较短，不进行投影，以避免投影变形所产生的误差影响；(2)变形监测，自由设站测量，对测量区域内的控制点和监测点进行分站测量，方法是， 当测量区域较�。捎玫フ静饬浚瞧鞑欢饬克心勘辏饬堪刖段�300m以内；当较大范围的测量区域，采用转站测量，完成一次测量任务需要多次移动仪器的位置，可以避免外界环境的影响，改善通视条件，通过对3个以上的定向点测量，建立起相邻测站之间的姿态、定向关系，同时实现仪器测量范围的较大扩展，避免测量精度随距离增大而快速降低；三、数据处理将测量获得的水平角、垂直角和斜距作为观测值，以测站位置参数和监测点坐标作为平差参数进行参数平差，获取测站位置参数和监测点坐标的精确结果；A、网平差网平差是在观测结束后，消除不符合的数据、评估测量精度、求出坐标，具体是两台仪器同时观测I个点，有6个观测值，若对η个点同时观测，就有6η个观测值；η个未知点存在3η个未知数，两台仪器相对定向存在有另外7个未知数，3个旋转参数，3个平移参数，I个尺度因子，按照6η > 7+3η，η > 2. 5，解算仪器的相对位置，相邻测站有3个以上的公共点，高精度的监测网布设5 15个公共点，增加多余观测量，且网点分布具有几何结构，以提高可靠性、减小测量误差的影响；平差时通过对多余观测值进行最小二乘法处理，求得仪器位置和空间姿态及空间点的坐标，使得观测值改正数的平方和最�。湮蟛罘匠淌欠窍咝缘模啻蔚迪郑籅、数据处理方法(1)测站坐标系下坐标计算测站i对任意点P的观测值包括水平角Hi_p、垂直角\_ρ和斜距Di_p，则点P在测站i下的坐标记作(Xi_P，Yi-P, Zi_P)，计算公式如下Xi^p = Di-P · Cos(Fi-P) · cos(U< Yi^ = Di-P · Cos(Fi-P) · sin(UZi-P = Di-P · Sin(Fi-P)(2)测站I坐标系与其余测站间的转换参数概略计算根据布尔莎七参数模型，通过坐标系3个基本旋转、3个平移和I个尺度缩放，计算得到两相邻测站i和i+1间的转换参数，包括平移参数(xn'zf)、旋转参数( ,+1, +1,%+1) 和尺度因子k :
全文摘要
本发明涉及高填方机场边坡单台全站仪的自由设站变形监测方法，可有效解决高填方机场边坡呈狭长、条带状、直线延伸、图形强度差的精准监测问题，方法是，将所包含的范围由大至小分为第一、第二、第三测量区域，在每一测量区域内设控制点、监测点和转点，测站的位置自由选择；建立整个监测区域的控制网；对测量区域内的控制点和监测点进行分站测量，建立起相邻测站之间的姿态、定向关系，同时实现仪器测量范围的较大扩展；将测量获得的水平角、垂直角和斜距作为观测值，以测站位置参数和监测点坐标作为平差参数进行参数平差，获取测站位置参数和监测点坐标的精确结果，本发明测量精度高，方便灵活，便于搬动、具有很好的便携性。
文档编号G01B21/32GK102607506SQ201210051569
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者申瑾, 羊远新, 薛宗建, 许文学, 赵伟冬, 钱清玉, 魏桦 申请人:中国人民解放军空军工程设计研究局
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