CN104406565A - 利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，公开了一种利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法。本发明在建构筑物变形处布设变形监测点，建立空间直角坐标系，在地面恰当位置设置观测点A和点B作为观测基线AB；用全站仪观测建构筑物变形区域的监测点，全站仪自动记录监测点坐标，手动记录每个监测点与起始方向的水平角；利用坐标转换的方式将所采集的原始数据的正投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影，经过处理后的数据成图与现场观测情况一致；最后用EXCEL电子表格处理三维坐标增量，绘制点位变形曲线图。本发明结合坐标点位与点位与起始方向之间水平角的方式相互验证数据的可靠性，通过平面直角坐标轴系转换改变视图方式，使监测效果图更加简单易懂。

Description

利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体的说是一种通过坐标轴系转换达到改变建构筑物投影方式的利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法。

背景技术

自然界存在各种形式的变形,变形是指变形体在各种影响因素的作用下,其形状、大小及位置在时空域中的变化，如地壳形变、滑坡、采矿塌陷、高层建筑的摆动以及大坝变形等，一般情况下当变形量不超过一定范围时,不会造成危害,而当变形量超过变形体所能承受的允许范围时,则往往会带来严重的灾难，例如地震、火山爆发、岩崩、滑坡、溃坝和桥梁的垮塌等等。因此对特定的对象进行变形监测以预防灾难的发生就十分必要。

变形监测技术通常利用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪、GPS等常规测量仪器测定点的变形值来实现。变形监测的内容主要有沉降观测、位移观测、倾斜观测、裂缝观测和扰度观测等。裂缝观测是指建筑物基础的不均匀沉降，温度的变化和外界各种荷载的作用，使得建筑物内部的应力大大超过了允许的限度，使得建筑物的结构产生裂缝。测定建筑物裂缝发展情况的观测工作即为裂缝观测；扰度观测是指在建筑物垂直面上，各个不同高程点相对于底点不同的水平位移，称为扰度。

利用全站仪观测建构筑物的变形，所采集的原始数据经测绘专业软件自动导出所形成的平面图为建构筑物变形面监测点的正投影，该正投影平面图展示的是三维坐标系中监测点之间的位置关系，其中有些监测点将相互重叠，无法直观地在平面图上描述建构筑物的变形面的真实情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法，以解决全站仪所采集的原始数据的正投影无法直观描述建构筑物的变形的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法，它包括以下步骤：

步骤一、布设变形监测点：在建构筑物变形处布设变形监测点，确定观测方法、观测设备、观测人员、监测周期，观测方法为观测水平角法和极坐标法的结合，观测设备为全站仪；

步骤二、建立空间直角坐标系：在地面恰当位置设置观测点A和点B作为观测基线AB，点A为仪器站点，点B为定向点，以导线AB方位角假设为0度，A点的高程假设为0米，建立以导线AB为起始方向，导线点A为起始高程的空间直角坐标系；

步骤三、进行原始数据采集：用全站仪观测建构筑物变形区域的监测点，全站仪自动记录监测点坐标，手动记录每个监测点与起始方向的水平角；

步骤四、所采集数据后处理：全站仪采集的原始数据投影为正投影，利用坐标转换的方式将投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影，经过处理后的数据成图与现场观测情况一致，将所采集的抽象的原始数据直观的展现在图纸上。

步骤五、用EXCEL电子表格处理三维坐标增量，绘制点位变形曲线图。

作为本发明的进一步改进，步骤一中所述观测基线AB与观测目标建构筑物变形区域布设的监测点点面平行。

作为本发明的更进一步改进，步骤四中所述坐标转换的方式为将全站仪观测到的监测点的坐标值（x，y，z）通过轴系转换成（z,x,y），即将正投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影。

本发明的观测方法为观测水平角法和极坐标法相结合，可以有效的相互检验所测数据的准确性。

观测水平角法的原理如图一所示，如需观测某方向上的水平位移PP′，在监测区域一定距离以外选定工作基点A，水平位移监测点的布设应尽量与工作基点在一条直线上。沿监测点与基准点连线方向在一定远处选定一个控制点B作为起始方向，在B点安置觇牌，用测回法观测水平角BAP，测定一段时间内观测点与基准点连线与零方向间角度变化值，水平位移的计算公式为：

公式（1）中：D为观测点P至工作基点A的距离，ρ=206265。

由水平角法的观测原理可知，AP的距离D和水平角β是两个相互独立的观测值，由公式（1）根据误差传播定律可得水平位移的观测误差为：

从公式（2）可以看出影响水平位移观测精度的主要因素是水平角观测精度，通过使用高精度仪器或适当增加测回数可以提高水平位移观测精度。

极坐标法的观测原理如图二所示，在已知点A安置观测仪器，后视点为另一已知点B，通过测得AB—AP的角度以及A点至P点的距离，计算得出P点坐标。设A点坐标为A（XA，YA），A—B的方位角为αA-B，则P点坐标P（XP，YP）的计算公式为：

由微分公式可得：

设测边中误差为m_s,测角中误差为m_βα则待定点的点位中误差为:

两个方向的水平位移中误差为：

公式（6）中，ms为测距中误差，mβ为测角中误差，αA-B为A-B的方位角，ρ=206265。

表示空间某点的位置通常要将该点置身于某一特定坐标系中，常用的坐标系有大地坐标系、空间直角坐标系、平面直角坐标系等，本发明进行的变形监测方案采用空间直角坐标系。

本发明所述步骤四是采集的数据后处理，其处理过程为：全站仪采集的监测点的原始数据格式为（x，y，z），利用测绘专业软件展绘到CAD平台的图形为正投影（平面图）。当监测点面与地面大致垂直时，传统测量图件无法直观显示监测点在x方向、z方向的变化趋势。故轴系的转换也就是将（x，y，z）值变成（z,x,y）值，将投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影（剖面图）。数据经过处理后所成平面图形与所监测建构筑物变形监测点点面实际变形情况一致，就可以将原本复杂而且杂乱无章的图形转化成直观的可分析的图形。

本发明所用的测绘专业软件为本领域技术人员熟知的CASS2000测绘软件。

在本发明的有益效果为：

（1）结合坐标点位与点位与起始方向之间水平角的方式相互验证数据的可靠性；

（2）全站仪采集的监测点坐标（x,y,z）数据通过平面直角坐标轴系转换为（z,x,y）,以改变所采集的原始数据的视图方式，使监测效果图更加简单易懂。

附图说明

图1是观测水平角法的原理图；

图2是极坐标法的观测原理图；

图3是实施例中监测点布设图；

图4是本发明的观测示意图；

图5是本发明的监测结果示意图；

图6是实施例中绘制的△x点位变形曲线图；

图7是实施例中绘制的△y点位变形曲线图；

图8是实施例中绘制的△z点位变形曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。

近来我单位运选作业区曲轨南侧额墙由于年久失修出现裂缝，该裂缝上部为曲轨电机车运行铁路，如果裂缝进一步扩大将产生重大生产安全隐患，为了有效监测裂缝变化规律，以便在出现失稳状态时及时采取预防措施，需对额墙上裂缝的变化规律及墙体的沉降情况进行监测，而曲轨南侧额墙裂缝位置距离地面15米左右，因此在布设监测控制网时既要保障监测人员的安全又要方便后期监测方案的顺利实施。

步骤一、布设变形监测点：如图3所示，在额墙裂缝两侧用水泥钢钉均匀布设变形监测点，用红油漆将变形监测点标注，为提高观测精度，变形监测方案中对使用的设备（尼康C050548全站仪、测绘专业软件CASS2000）、监测人员、监测周期做了明确要求。

步骤二、建立空间直角坐标系：如图4所示，在地面恰当位置设置观测点A和点B作为观测基线AB，点A为仪器站点，点B为定向点，以导线AB方位角假设为0度，A点的高程假设为0米，建立以导线AB为起始方向，导线点A为起始高程的空间直角坐标系；

步骤三、进行原始数据采集：用全站仪观测额墙裂缝周围布设的监测点，全站仪自动记录监测点坐标，手动记录每个监测点与起始方向的水平角；

步骤四、所采集数据后处理：全站仪采集的原始数据投影为正投影，利用坐标转换的方式将投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影，经过处理后的数据成图与现场观测情况一致，将所采集的抽象的原始数据直观的展现在图纸上。

全站仪采集的原始数据格式为（x，y，z），利用测绘专业软件展绘到CAD平台的图形为正投影（平面图）（如图5a所示），当监测点面与地面大致垂直时，传统测量图件无法直观显示监测点在x方向、z方向的变化趋势。故轴系的转换也就是将（x，y，z）值变成（z,x,y）值，将投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影（剖面图）（如图5b所示），数据经过处理后所成图形与现场观测情况一致，就可以将原本复杂的杂乱无章的图形转化成有规律的可分析的图形。

步骤五、用EXCEL电子表格处理三维坐标增量，绘制点位变形曲线图。

△x变化趋势数据见表一，△x变化趋势曲线图见图6。

表一

△y变化趋势数据见表二，△y变化趋势曲线图见图7。

表二

△z变化趋势数据见表三，△z变化趋势曲线图见图8。

表三

本发明结合坐标点位与点位与起始方向之间水平角的方式相互验证数据的可靠性，通过平面直角坐标轴系转换改变视图方式，使监测效果图更加简单易懂。

Claims (3)

1.一种利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、布设变形监测点：在建构筑物变形处布设变形监测点，确定观测方法、观测设备、观测人员、监测周期，观测方法为观测水平角法和极坐标法的结合，观测设备为全站仪；

步骤二、建立空间直角坐标系：在地面恰当位置设置观测点A和点B作为观测基线AB，点A为仪器站点，点B为定向点，以导线AB方位角假设为0度，A点的高程假设为0米，建立以导线AB为起始方向，导线点A为起始高程的空间直角坐标系；

步骤三、进行原始数据采集：用全站仪观测建构筑物变形区域的监测点，全站仪自动记录监测点坐标，手动记录每个监测点与起始方向的水平角；

步骤四、所采集数据后处理：全站仪采集的原始数据投影为正投影，利用坐标转换的方式将投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影，经过处理后的数据成图与现场观测情况一致，将所采集的抽象的原始数据直观的展现在图纸上；

步骤五、用EXCEL电子表格处理三维坐标增量，绘制点位变形曲线图。

2.根据权利要求1所述的利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法，其特征在于：步骤一中所述观测基线AB与观测目标建构筑物变形区域布设的监测点点面平行。

3.根据权利要求1所述的利用坐标系转换监测建构筑物变形的方法，其特征在于：步骤四中所述坐标转换的方式为将全站仪观测到的监测点的坐标值（x，y，z）通过平面直角坐标轴系转换成（z,x,y），即将正投影转换为垂直于监测点点面的侧面投影。