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专利名称：定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法
技术领域：
本发明涉及工程測量技术领域，尤其是一种实现定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量的技木。
背景技术：
地铁作为新型交通工具正不断改善城市交通拥挤状况和人们出行条件。
在地铁隧道工程的施工中及贯通后，包括运营阶段，均需要对隧道的成型衬砌进行收敛监测和净空測量等工作。目前国内主要采用的传统的測量方法包括人工測量、断面仪施测、类断面仪的全站仪辅助机载软件等方法，在国外，伴随着激光測量技术的发展，对于隧道的断面測量及其他监测工作，出现了采用三维激光扫描仪的方法，其中I)人工测量方法根据需测的断面參数对每个需要观察的隧道断面点进行人エ放样，并把隧道的设计线路中心放样到隧道底板上，再采用人工的方法量取断面测点并測定所述断面测点的高程和顶底板高程。该方法的缺陷很明显，每个观测断面的观测点和隧道设计线路中心均需要进行人エ放样外业工作量巨大，由于是采用量取距离的方法所以精度不高。2)断面仪施测办法在每个需要观察的隧道断面上，把隧道的设计线路中心放样到隧道底板上，再在放样的隧道设计线路中心点上架设断面仪进行扫描观测，有专门的内业处理软件。该方法无需对观测断面的观测点进行放样，相比人工測量要简便，但仍然要进行每个观测断面的隧道设计线路中心点的放样，且每个观测断面均需要架站，外业工作量仍然不小。内业由于可以采用相关软件实现，较简便。由于目前的断面仪精度精度均不高，且放样后再架站同样也影响观测精度，因而成果精度一般。3)全站仪辅助机载断面软件技术该技术方法的工作原理与断面仪基本一致，全站仪辅助机载软件技术是把部分可程序化的工作通过专有工具编程并录入全站仪，从而辅助测量工作，同时还可结合后处理软件简化数据处理的工作，由于全站仪可以在施工中发挥其他測量作用，而断面仪只能用于测断面，因而相对而言成本低于断面仪，且全站仪的精度要高于断面仪，因而精度较高，但是，搬站次数多、外业工作量大、自动化程度不高。4)三维激光扫描技术该技术具有三维测量和快速扫描的特征，成果为点云的形式，单个点的成果精度一般，但由于观测成果海量，结合相应软件可以实现较高精度，且采集数度快、数据完整、夕卜业工作量小、数据后处理方便。但该技术的软硬件成本十分高昂，其单站扫描长度也不宜过长，不然精度衰减的较快，一般50左右就要换站，换站工作量仍然不小。针对现有技术存在的各种缺陷，本发明需实现的目标主要有少架站或不架站，可快速自动定位；无需对观测隧道进行外业放样和做标记工作，通过预先输入的数据实现测点的自动查找和测量；定点扫描提高观测速度、在全站仪上开发成本不高；如采用行走小车可实现自动行走，全过程无人干预。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供ー种内外业工作量低、速度快、成本不高的实现隧道断面监测和净空测量方法。为实现上述技术效果，本发明公开了ー种定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，所述测量方法主要包括以下步骤a.在初始位置架设ー全站仪，基于隧道施工时布设的控制点对所述全站仪进行定位； b.结合所述全站仪的定位数据与预存的隧道结构数据计算出该初始位置測量点的空间坐标，控制所述全站仪指向所述测量点完成測量；c.移动所述全站仪至下一測量位置，重复上述步骤a、b;d.到达终点，完成整个隧道的測量。本发明进一步的改进在于，所述全站仪架设于ー小车上，在移动中定时采集小车的行进数据，利用惯性制导技术控制小车移动至測量位置，并对所述全站仪进行定位。本发明进一步的改进在于，所述预存的隧道结构数据包括隧道的DTA数据、设计的管片參数、断面测点的尺寸參数、实际管片偏差尺寸。本发明进一步的改进在于，所述小车的行进数据包括方位、坡度、滚角变化量、行程。本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果是采用根据隧道设计轴线和其他相关资料自动计算需观测断面測量点的坐标參数并结合全站仪的马达控制和免棱镜功能实现无需对观测隧道进行外业放样和做标记工作；采用后方交会法定位，必要时结合行走小车进行控制实现全站仪快速定位，減少搬站或不搬站；由于是定点扫描，扫描点不多，速度较快，同时在已有的全站仪上实现成本不高，使得測量速度快、成本不高。
具体实施例方式为利于对本发明结构的进ー步了解，下面结合具体实施例对本发明作进ー步说明。定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量系统主要包括一帯ATR功能的全站仪、架设全站仪的自动安平装置、一电池驱动小车及安装在所述小车上的陀螺传感器、双轴传感器、PLC�？�、微型PC，和复数定位棱镜及无线�？�。本发明的定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量系统主要通过以下步骤实现对隧道断面净空测量及收敛测量第一歩全站仪自动定位该步骤为系统的核心步骤之一，是系统能够实现的基础。由于在隧道施工中，已经建立了对于整条隧道都没有盲点的控制点，即在隧道中线任意里程处都至少可以观测到两个控制点，否则将无法正常指导隧道施工。而理论上，带ATR功能的全站仪通过快速全范围捜索功能，只要捜索到空间上两点并测量(控制点高程不相等)，通过与输入系统的控制点坐标表的比对，利用空间关系进行判读，就可以实现全站仪的定位一确定全站仪当前的三维空间坐标和方位。在具体设计中，该步骤又可分为初始定位步骤和动态定位步骤，初始定位是实现系统刚刚进入隧道工作环境的定位，为了保证精度和准确性，要求系统可搜索到的控制点为三个，从而使判读条件充分，甚至冗余。动态定位是在系统行走之后进行的，依据惯性制导的原理，全站仪的坐标和方位都可获取，只是精度较低，此时，只需要在可视范围内捜索到两个目标即可。其中，全站仪定位的计算如下
I、控制点比对在隧道中线任意里程处建立至少两个控制点，于所述控制点上架设棱镜，根据全站仪在捜索到控制点后，用当前任意坐标系测量出的坐标来计算两控制点的空间边长(假定只搜索到两个控制点)，与所有控制点的空间边长进行比对，并结合控制点的高程信息，就可以准确定所搜索到得控制点的坐标。在初始定位时，规定要捜索三个控制点，是为了避免有两个控制点高程一致的情况。数学模型为-.S0 ニ」..(X1 -X2)2 +(V1 -V2)2 +(^1 -Z2)22、全站仪自由设站及測量三维坐标的算法以两后视点自由设站定位的方法为例，三个点的方法类似，只是对结果进行平差处理，两个后视点的自由设站的计算方法。两个后视测点的坐标为(X1, Y1, Z1)^ (X2, Y2, Z2),观测的两个边长分别为S1' S2,夹角为β，由两个后视点观测的高差分别为hp h2，则两个后视点的自由设站的计算方法如下c = h — X2 )2 + (Y1 — Y2 )2 ￡'=柄 + Sへ;—ISx · S1 · COS βC' -C^ Δ(限差)=;> 测量错误或控制点错误；C' -C〈A (限差)进行计算
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权利要求
1.ー种定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，其特征在于所述測量方法主要包括以下步骤 a.在初始位置架设ー全站仪，基于隧道施工时布设的控制点对所述全站仪进行定位； b.结合所述全站仪的定位数据与预存的隧道结构数据计算出该初始位置測量点的空间坐标,控制所述全站仪指向所述测量点完成测量； c.移动所述全站仪至下一測量位置，重复上述步骤a、b; d.到达终点，完成整个隧道的測量。
2.如权利要求I所述的定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，其特征在干所述全站仪架设于ー小车上，在移动中定时采集小车的行进数据，利用惯性制导技术控制小车移动至測量位置，并对所述全站仪进行定位。
3.如权利要求I所述的定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，其特征在干所述预存的隧道结构数据包括隧道的DTA数据、设计的管片參数、断面测点的尺寸參数、实际管片偏差尺寸。
4.如权利要求2所述的定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，其特征在干所述小车的行进数据包括方位、坡度、滚角变化量、行程。
全文摘要
本发明公开了一种定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，采用根据隧道设计轴线和其他相关资料自动计算需观测断面测量点的坐标参数并结合全站仪的马达控制和免棱镜功能实现无需对观测隧道进行外业放样和做标记工作；采用后方交会法定位，必要时结合行走小车进行控制实现全站仪快速定位，减少搬站或不搬站；由于是定点扫描，扫描点不多，速度较快，同时在已有的全站仪上实现成本不高，使得测量速度快、成本不高。
文档编号G01C7/06GK102692210SQ20121018371
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者卓发成, 吴惠明, 李刚, 王旋东, 王浩, 魏新良 申请人:上海隧道工程股份有限公司