CN102679924B - 线锤法非接触测量三维坐标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及距离测量技术领域，特别是一种线锤法非接触测量三维坐标的方法，该方法运用线锤和测角仪器，按照测量计算点与点的三角关系、测量计算点与线的关系的步骤，测量计算得出被测点的三维坐标。该方法有利于对被测点的各种距离参数进行非接触测量，测量简便，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及距离测量技术领域，特别是一种线锤法非接触测量三维坐标的方法。
背景技术
现有技术中，在隧道工程、军事、海洋等领域，经常需要涉及对远距离目标进行非接触测量。非接触测量，是指计量器具与被测表面不接触，不存在机械测量力，而是通过光、气流、声等其他介质与工件接触实现测量。特别是在隧道工程中，对隧道施工中的围岩进行测量，发现它们的变化状况，推断它们的变化趋势，就可以进行早期预警，从而避免灾难的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线锤法非接触测量三维坐标的方法，该方法有利于对被测点的各种距离参数进行非接触测量，测量简便，测量精度高。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种线锤法非接触测量三维坐标的方法，其特征在于：运用线锤和测角仪器，按照测量计算点与点的三角关系、测量计算点与线的关系的步骤，测量计算得出三维坐标；
测量点与点的关系的步骤是：
步骤1：取一测量点A，并在测量点A设置一测角仪器，所述测角仪器的镜心A’与测量点A在同一铅垂线上，在被测点M的铅垂线上吊设一线锤，任取所述线锤上B、C两点，设点C在点B上方，从线锤量取点C与点B之间的距离a；
步骤2：利用所述测角仪器分别测量镜心A’与点C的连线A’ C与水平面所成夹角α2以及镜心A’与点B的连线A’B与水平面所成夹角α1，点C高于镜心A’时夹角α2为正值，否则为负值，点B高于镜心A’时夹角α1为正值，否则为负值；计算得到连线A’C、A’B之间夹角(α2－α1)，并按公式（1）计算所述镜心A’与点C之间的距离b以及所述镜心A’与点B之间的距离c：
（1）
式中，α表示连线A’C、A’B之间夹角，其值为(α2－α1)，β表示连线A’B、BC之间夹角，其值为(90°＋α1)，θ表示连线A’C、BC之间夹角，其值为(90°－α2)；
步骤3：测量计算所述镜心A’与被测点M之间的水平距离XA’M和高差YA’M：
按公式（2）或公式（3）计算所述镜心A’与被测点M之间的水平距离XA’M：
XA’M=XA’B=c×cosα1 （2）
式中，XA’B表示所述镜心A’与点B之间的水平距离；
XA’M=XA’C=b×cosα2 （3）
式中，XA’C表示所述镜心A’与点C之间的水平距离；
任取所述线锤上一点P，并按公式（4）或公式（5）计算所述镜心A’与被测点M之间的高差YA’M：
YA’M=±|YA’B|±|YBP|± |YPM| （4）
式中，|YA’B|表示所述镜心A’与点B之间高差的绝对值，YA’B=c×sinα1，点B高于镜心A’时|YA’B|前取正号，否则取负号；|YBP|表示点B与点P之间高差的绝对值，YBP的值从线锤量取，点P高于点B时|YBP|前取正号，否则取负号，点P与点B重合时，YBP=0；|YPM|表示点P与被测点M之间高差的绝对值，YPM的值从线锤量取，被测点M高于点P时|YPM|前取正号，否则取负号；
YA’M=±|YA’C|±|YCP|±|YPM| （5）
式中，|YA’C|表示所述镜心A’与点C之间高差的绝对值，YA’C=b×sinα2，点C高于镜心A’时|YA’C|前取正号，否则取负号；|YCP|表示点C与点P之间高差的绝对值，YCP的值从线锤量取，点P高于点C时|YCP|前取正号，否则取负号，点P与点C重合时，YCP=0；|YPM|表示点P与被测点M之间高差的绝对值，YPM的值从线锤量取，被测点M高于点P时|YPM|前取正号，否则取负号；
步骤4：测量计算测量点A与被测点M之间的水平距离XAM、高差YAM和直线距离LAM：
水平距离XAM与水平距离XA’M相等；
按公式（6）计算高差YAM：
YAM=Y A’M+Y A’A （6）
上式中，Y A’A表示镜心A’与测量点A之间的竖直距离；
按公式（7）计算直线距离LAM：
LAM = ( XAM 2 + YAM 2 )1/2 （7）
步骤5：已知稳定点O的高程，测量计算测量点A、被测点M的高程：测量稳定点O与测量点A的高差，并按公式（8）计算测量点A、被测点M的高程：
HM=HA+YAM=HO+YOA+YAM （8）
上式中，HM表示被测点M的高程，HA表示测量点A的高程，HO表示稳定点O的高程，YOA表示稳定点O与测量点A的高差，稳定点O低于测量点A时YOA为正值，否则为负值；
测量计算点与线的关系，得出三维坐标的步骤是：
由两个稳定点O、O1设立基线OO1，测量两稳定点的距离、高程和坐标，或自设坐标系，测量计算未知点的三维坐标；
将测角仪器设于O，线锤吊设于点M，根据上述测量点与点的关系的步骤，及直线OM与基线OO1的夹角α3进行计算，得出点M的三维坐标；
同理，可测得任意点N的三维坐标。
本发明的有益效果是通过在被测点上设置线锤，并配合测量点上测角仪器的使用，实现了对被测点的非接触测量，不仅测量简便，易于操作，而且通过选用高精度的经纬仪，可测距离远，测量精度高，可广泛应用于隧道工程、军事、海洋等领域。
附图说明
图1是本发明实施例中测量计算点与点的关系的方法示意图。
图2是本发明实施例中测量计算点与线的关系得出三维坐标的方法示意图。
具体实施方式
本发明线锤法非接触测量三维坐标的方法，运用线锤和测角仪器，按照测量计算点与点的三角关系、测量计算点与线的关系的步骤，测量计算得出三维坐标；
如图1所示，测量点与点的关系的步骤是：
步骤1：取一测量点A，并在测量点A设置一测角仪器，所述测角仪器的镜心A’与测量点A在同一铅垂线上，在被测点M的铅垂线上吊设一线锤，任取所述线锤上B、C两点，设点C在点B上方，从线锤量取点C与点B之间的距离a；
步骤2：利用所述测角仪器分别测量镜心A’与点C的连线A’ C与水平面所成夹角α2以及镜心A’与点B的连线A’B与水平面所成夹角α1，点C高于镜心A’时夹角α2为正值，否则为负值，点B高于镜心A’时夹角α1为正值，否则为负值；计算得到连线A’C、A’B之间夹角(α2－α1)，并按公式（1）计算所述镜心A’与点C之间的距离b以及所述镜心A’与点B之间的距离c：
（1）
式中，α表示连线A’C、A’B之间夹角，其值为(α2－α1)，β表示连线A’B、BC之间夹角，其值为(90°＋α1)，θ表示连线A’C、BC之间夹角，其值为(90°－α2)；
步骤3：测量计算所述镜心A’与被测点M之间的水平距离XA’M和高差YA’M：
按公式（2）或公式（3）计算所述镜心A’与被测点M之间的水平距离XA’M：
XA’M=XA’B=c×cosα1 （2）
式中，XA’B表示所述镜心A’与点B之间的水平距离；
XA’M=XA’C=b×cosα2 （3）
式中，XA’C表示所述镜心A’与点C之间的水平距离；
任取所述线锤上一点P，并按公式（4）或公式（5）计算所述镜心A’与被测点M之间的高差YA’M：
YA’M=±|YA’B|±|YBP|± |YPM| （4）
式中，|YA’B|表示所述镜心A’与点B之间高差的绝对值，YA’B=c×sinα1，点B高于镜心A’时|YA’B|前取正号，否则取负号；|YBP|表示点B与点P之间高差的绝对值，YBP的值从线锤量取，点P高于点B时|YBP|前取正号，否则取负号，点P与点B重合时，YBP=0；|YPM|表示点P与被测点M之间高差的绝对值，YPM的值从线锤量取，被测点M高于点P时|YPM|前取正号，否则取负号；
YA’M=±|YA’C|±|YCP|±|YPM| （5）
式中，|YA’C|表示所述镜心A’与点C之间高差的绝对值，YA’C=b×sinα2，点C高于镜心A’时|YA’C|前取正号，否则取负号；|YCP|表示点C与点P之间高差的绝对值，YCP的值从线锤量取，点P高于点C时|YCP|前取正号，否则取负号，点P与点C重合时，YCP=0；|YPM|表示点P与被测点M之间高差的绝对值，YPM的值从线锤量取，被测点M高于点P时|YPM|前取正号，否则取负号；
步骤4：测量计算测量点A与被测点M之间的水平距离XAM、高差YAM和直线距离LAM：
水平距离XAM与水平距离XA’M相等；
按公式（6）计算高差YAM：
YAM=Y A’M+Y A’A （6）
上式中，Y A’A表示镜心A’与测量点A之间的竖直距离；
按公式（7）计算直线距离LAM：
LAM = ( XAM 2 + YAM 2 )1/2 （7）
步骤5：已知稳定点O的高程，测量计算测量点A、被测点M的高程：测量稳定点O与测量点A的高差，并按公式（8）计算测量点A、被测点M的高程：
HM=HA+YAM=HO+YOA+YAM （8）
上式中，HM表示被测点M的高程，HA表示测量点A的高程，HO表示稳定点O的高程，YOA表示稳定点O与测量点A的高差，稳定点O低于测量点A时YOA为正值，否则为负值；
如图2所示，测量计算点与线的关系，得出三维坐标的步骤是：
由两个稳定点O、O1设立基线OO1，测量两稳定点的距离、高程和坐标，或自设坐标系，测量计算未知点的三维坐标；
将测角仪器设于O，线锤吊设于点M，根据上述测量点与点的关系的步骤，及直线OM与基线OO1的夹角α3进行计算，得出点M的三维坐标；
同理，可测得任意点N的三维坐标。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
本发明可广泛应用于隧道工程、海洋、军事等领域。一种典型的应用实施例，就是在隧道工程中，测量隧道上某点的位置变化情况。在实际测量工作中，隧道上某点由于障碍物的阻挡或现场环境的限制，往往很难多次直接测量。此时，采用本发明的技术方案，以隧道上某点为被测点M1吊设线锤，在测量点A1设置经纬仪。在线锤上任取两点C1、B1，通过经纬仪分别测量经纬仪镜心与点C1的连线与水平面所成夹角α2以及镜心与点B1的连线与水平面所成夹角α1，就可计算出经纬仪镜心与线锤上点C1、B1的三角关系，从而间接计算出经纬仪镜心与被测点M1之间的水平距离和高差。由于经纬仪镜心到测量点A1的距离已知，就可测量计算出A1点与点M1之间的水平距离、高差和直线距离，从而得到A1点与点M1之间的关系。然后由稳定点O、O1设立基线OO1，测量两稳定点的坐标，或自设坐标系，测量计算出被测点的三维坐标。通过多次测量，就可以监测被测点的位置变化情况。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种线锤法非接触测量三维坐标的方法，设置线锤和测角仪器，其特征在于：按照测量计算点与点的三角关系、测量计算点与线的关系的步骤，测量计算得出三维坐标；
测量点与点的关系的步骤是：
步骤1：取一测量点A，并在测量点A设置测角仪器，所述测角仪器的镜心A’与测量点A在同一铅垂线上，在被测点M的铅垂线上吊设线锤，任取所述线锤上B、C两点，设点C在点B上方，从线锤量取点C与点B之间的距离a；
步骤2：利用所述测角仪器分别测量镜心A’与点C的连线A’ C与水平面所成夹角α2以及镜心A’与点B的连线A’B与水平面所成夹角α1，点C高于镜心A’时夹角α2为正值，否则为负值，点B高于镜心A’时夹角α1为正值，否则为负值；计算得到连线A’C、A’B之间夹角(α2－α1)，并按公式（1）计算所述镜心A’与点C之间的距离b以及所述镜心A’与点B之间的距离c：
（1）
式中，α表示连线A’C、A’B之间夹角，其值为(α2－α1)，β表示连线A’B、BC之间夹角，其值为(90°＋α1)，θ表示连线A’C、BC之间夹角，其值为(90°－α2)；
步骤3：测量计算所述镜心A’与被测点M之间的水平距离XA’M和高差YA’M：
按公式（2）或公式（3）计算所述镜心A’与被测点M之间的水平距离XA’M：
XA’M=XA’B=c×cosα1 （2）
式中，XA’B表示所述镜心A’与点B之间的水平距离；
XA’M=XA’C=b×cosα2 （3）
式中，XA’C表示所述镜心A’与点C之间的水平距离；
任取所述线锤上一点P，并按公式（4）或公式（5）计算所述镜心A’与被测点M之间的高差YA’M：
YA’M=±|YA’B|±|YBP|± |YPM| （4）
式中，|YA’B|表示所述镜心A’与点B之间高差的绝对值，YA’B=c×sinα1，点B高于镜心A’时|YA’B|前取正号，否则取负号；|YBP|表示点B与点P之间高差的绝对值，YBP的值从线锤量取，点P高于点B时|YBP|前取正号，否则取负号，点P与点B重合时，YBP=0；|YPM|表示点P与被测点M之间高差的绝对值，YPM的值从线锤量取，被测点M高于点P时|YPM|前取正号，否则取负号；
YA’M=±|YA’C|±|YCP|±|YPM| （5）
式中，|YA’C|表示所述镜心A’与点C之间高差的绝对值，YA’C=b×sinα2，点C高于镜心A’时|YA’C|前取正号，否则取负号；|YCP|表示点C与点P之间高差的绝对值，YCP的值从线锤量取，点P高于点C时|YCP|前取正号，否则取负号，点P与点C重合时，YCP=0；|YPM|表示点P与被测点M之间高差的绝对值，YPM的值从线锤量取，被测点M高于点P时|YPM|前取正号，否则取负号；
步骤4：测量计算测量点A与被测点M之间的水平距离XAM、高差YAM和直线距离LAM：
水平距离XAM与水平距离XA’M相等；
按公式（6）计算高差YAM：
YAM=Y A’M+Y A’A （6）
上式中，Y A’A表示镜心A’与测量点A之间的竖直距离；
按公式（7）计算直线距离LAM：
LAM = ( XAM 2 + YAM 2 )1/2 （7）
步骤5：已知稳定点O的高程，测量计算测量点A、被测点M的高程：测量稳定点O与测量点A的高差，并按公式（8）计算测量点A、被测点M的高程：
HM=HA+YAM=HO+YOA+YAM （8）
上式中，HM表示被测点M的高程，HA表示测量点A的高程，HO表示稳定点O的高程，YOA表示稳定点O与测量点A的高差，稳定点O低于测量点A时YOA为正值，否则为负值；
测量计算点与线的关系，得出三维坐标的步骤是：
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|---|
| 机载测角三维无源定位的建模与算法分析;邓新蒲等;《国防科技大学学报》;20000430;第22卷(第4期);85-89页 * |
| 邓新蒲等.机载测角三维无源定位的建模与算法分析.《国防科技大学学报》.2000,第22卷(第4期),85-89页. |
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