CN106526636A - 一种基于北斗定位的高精度变形监测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于北斗定位的高精度变形监测装置，包括全站仪、便携式观测站和中心服务站，所述便携式观测站包括由上至下依次设置的北斗定位天线、强制对中器、万向棱镜、光学对中器、调平基座和三脚架；通过北斗定位天线与就近CORS站间的联测解算，以获得观测站的三维坐标A，并对该坐标系进行网平差，同时在该坐标系下使用全站仪和万向棱镜再次对观测站进行定位，以获得各观测站的三维坐标B，通过对两个坐标的对比计算可对观测站的实际初始坐标进行校正，撤掉全站仪，通过北斗定位天线所获得到坐标的变化情况对其所在位置进行变形监测。所述监测装置和方法简单实用，数据测量精度高，可实现实时监测并降低了全站仪的使用成本。

Description

一种基于北斗定位的高精度变形监测装置和方法
技术领域
本发明涉及地质灾害监测、大地测量及工程建设技术领域，具体地，涉及一种基于北斗定位的高精度变形监测装置和方法。
背景技术
对地质灾害进行监测这一过程在分析其成因机理以及进行预报预警中占有重要地位，由于对地质变形监测的高精度要求，现有的监测技术主要是使用高精度的全站仪。虽然全站仪能达到很高的精度，但其在使用上有很多限制，比如全站仪依靠光学定位，需要通视，受天气因素的影响较大；全站仪需要与观测站配套使用，在对地质变形进行长期监测的过程中，全站仪不能移动，在对多个位置进行监测时，全站仪的使用成本大大增加，而且高精度仪器长时间暴露于野外很容易损坏；另外，由于全站仪本身也是放置在被监测的地面上，地质的变形同时很可能会导致全站仪的位置出现偏差，从而导致测量数据不精确，因此全站仪的位置设置受限于地质条件，不仅影响了监测点的设置，还增加了额外的工作量。
如今随着北斗卫星导航系统的发展，使利用北斗卫星定位进行实时监测成为可能。由于北斗定位天线是处于连续工作状态，因此，为了保证测量结果的准确性需要在监测的初始阶段对天线的定位精度进行校验，确定其满足精度要求后才能将其应用到地质灾害监测系统中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单实用、数据测量精度高、使用成本低、可实现自由设点和实时监测的高精度变形监测装置和方法，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于北斗定位的高精度变形监测装置，包括一个全站仪、多个便携式观测站、以及用于实现信息处理和数据计算的中心服务站，所述便携式观测站包括由上至下依次设置的北斗定位天线、强制对中器、万向棱镜、光学对中器、调平基座和三脚架，在所述调平基座的中心位置处竖向设置有一个光学对中器观测孔，所述强制对中器用于使得北斗定位天线和万向棱镜的中心连线竖直，所述光学对中器用于使得调平基座和万向棱镜的中心连线竖直。
优选地，在所述北斗定位天线外侧还设置有天线保护罩。
优选地，所述全站仪和万向棱镜分别用三维激光扫描仪和三维激光扫描仪靶标板替换。
优选地，所述监测装置还包括北斗卫星通讯模块，其用于实现所述全站仪或三维激光扫描仪和便携式观测站与中心服务站间的数据交换，以实现数据的实时传输和监测装置的连续工作。
优选地，所述便携式观测站的数量为3个或3个以上。
一种利用上述装置进行高精度变形监测的方法，通过各观测站的北斗定位天线所接收到的位置信息与就近的CORS站间的联测解算，以获得各观测站的三维坐标A，并对该坐标系进行网平差，同时在该坐标系下使用全站仪和万向棱镜再次对各观测站进行定位，以获得各观测站的三维坐标B，通过对坐标A和坐标B的对比计算可对各观测站的实际初始坐标进行校正，完成校正工作后撤掉全站仪，通过观察各观测站的北斗定位天线所获得坐标的变化情况对其所在位置进行变形监测。
优选地，所使用的全站仪和万向棱镜分别用三维激光扫描仪和三维激光扫描仪靶标板替换。
优选地，所述便携式观测站的数量为3个或3个以上。
优选地，对坐标A和坐标B进行校验分析的方法如下：所述北斗定位天线的相位中心到调平基座最底端的垂直距离为h1，所述万向棱镜的中心到调平基座最底端的垂直距离为h2，则所述北斗定位天线的相位中心和万向棱镜的中心间的高度差为dh12＝h1-h2，同理，所述三维激光扫描标靶的中心到调平基座最底端的垂直距离为h3，则所述北斗定位天线的相位中心和三维激光扫描靶标的中心间的高度差为dh13＝h1-h3，将坐标B作为真值与坐标A进行比较和计算，使得校正后的两个三维坐标的平面坐标相同而高度坐标相差一个定值dh12或dh13，从而在之后变形监测的过程中确保北斗定位天线的精度。
优选地，所述监测方法中涉及到的数据计算和信息处理均在中心服务站中进行，而所述中心服务站采用的是高精度的GPS/BDS/GLONASS三星座联合解算方法。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1、本发明结合了北斗卫星定位和全站仪或三维激光扫描仪的光学定位，同时采用组合相对定位算法GPS/BDS/GLONASS对定位信息进行处理，通过对各观测站的坐标进行重复定位和对比计算，从而获得精确的观测站坐标，校正后的北斗定位天线的位置更精确，从而保证了其发射的坐标数据的精度，有利于进行地质变形监测；
2、本发明在后续的变形监测过程中采用北斗高精度定位，可实现全天候工作和数据传输，得到实时的观测数据，同时由于不需要使用全站仪，降低了全站仪的使用成本；
3、本发明中的北斗定位天线的坐标经校正后就始终固定不变，无论地质怎么变化都不会影响其观测数据的准确性，因此观测站可摆脱地质条件的限制而自由设点，监测装置结构简单、安装方便，可实现全站仪和北斗定位天线的优势互补，可显著降低观测成本和人力投入；
4、本发明的通讯链路采用北斗卫星通讯系统，其覆盖范围大且没有通讯盲区，适用于其他通讯手段GPRS/CDMA无法覆盖的监测区域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明所提供的一个优选实施例中便携式观测站的的正视图；
图2是图1所示实施例的内部结构示意图；
图中：1北斗定位天线，2强制对中器，3万向棱镜，4光学对中器，5调平基座，6三脚架，7天线保护罩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，一种基于北斗定位的高精度变形监测装置，包括一个全站仪、多个便携式观测站、以及用于实现信息处理和数据计算的中心服务站，所述便携式观测站包括由上至下依次设置的北斗定位天线1、强制对中器2、万向棱镜3、光学对中器4、调平基座5和三脚架6，在所述调平基座5的中心位置处竖向设置有一个光学对中器观测孔，所述强制对中器2用于使得北斗定位天线1和万向棱镜3的中心连线竖直，所述光学对中器4用于使得调平基座5和万向棱镜3的中心连线竖直。
所述监测装置还包括北斗卫星通讯模块，其用于实现所述全站仪和便携式观测站与中心服务站间的数据交换，以实现数据的实时传输和监测装置的连续工作，且所述中心服务站采用的是高精度的GPS/BDS/GLONASS三星座联合解算方法。
在本实施例中，在所述北斗定位天线1外侧还设置有天线保护罩7。
在本实施例中，所述便携式观测站的数量为3个或3个以上。
在本实施例中，所述监测装置采用的是太阳能+蓄电池和/或市电+UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply，即不间断电源)的供电模式。
所述监测装置的工作过程如下：
将各个便携式观测站固定设置在观测点的地面上，同时放置好全站仪，开始接收数据；卫星定位天线1收到坐标信息并将其发送到中心服务站，从而得到各便携式观测站的三维坐标A，同时通过中心服务站进行实时的高精度基线解算，用所得基线配合附近的CORS站对坐标系进行网平差；接着，在该坐标系下使用全站仪和万向棱镜3再次对各便携式观测站进行定位，并将位置信息发送到中心服务站，中心服务站解算得到各便携式观测站的三维坐标B；最后通过对坐标A和坐标B的对比和计算，以完成对各便携式观测站的实际初始坐标的校正。
校验分析方法如下：所述卫星定位天线1的相位中心到调平基座5最底端的垂直距离为h1，所述万向棱镜3的中心到调平基座5最底端的垂直距离为h2，则所述卫星定位天线1的相位中心和万向棱镜3的中心间的高度差为dh12＝h1-h2，将坐标B作为真值与坐标A进行比较和计算，使得校正后的两个坐标，其平面坐标相同而高度坐标相差一个定值dh12，从而在之后变形监测的过程中确保卫星定位天线1的精度。
完成坐标校正工作后，将全站仪撤掉而只保留观测站，通过观察各观测站上设置的北斗定位天线1所获得坐标的变化情况对其所在位置的地质变形情况进行高精度监测。
同样的，可用三维激光扫描仪和三维激光扫描仪靶标板分别替换全站仪和万向棱镜3，而其余结构保持不变，所述监测装置的工作过程基本相同，只是校验分析方法存在区别：所述卫星定位天线1的相位中心到调平基座5最底端的垂直距离为h1，所述三维激光扫描仪靶标板的中心到调平基座5最底端的垂直距离为h3，则所述卫星定位天线1的相位中心和三维激光扫描仪靶标板的中心间的高度差为dh13＝h1-h3，将坐标B作为真值与坐标A进行比较和计算，使得校正后的两个坐标，其平面坐标相同而高度坐标相差一个定值dh13，从而在之后变形监测的过程中确保卫星定位天线1的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于北斗定位的高精度变形监测装置，其特征在于，包括一个全站仪、多个便携式观测站、以及用于实现信息处理和数据计算的中心服务站，所述便携式观测站包括由上至下依次设置的北斗定位天线(1)、强制对中器(2)、万向棱镜(3)、光学对中器(4)、调平基座(5)和三脚架(6)，在所述调平基座(5)的中心位置处竖向设置有一个光学对中器观测孔，所述强制对中器(2)用于使得北斗定位天线(1)和万向棱镜(3)的中心连线竖直，所述光学对中器(4)用于使得调平基座(5)和万向棱镜(3)的中心连线竖直。
2.根据权利要求1所述的高精度变形监测装置，其特征在于，在所述北斗定位天线(1)外侧还设置有天线保护罩(7)。
3.根据权利要求2所述的高精度变形监测装置，其特征在于，所述全站仪和万向棱镜(3)分别用三维激光扫描仪和三维激光扫描仪靶标板替换。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的高精度变形监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括北斗卫星通讯模块，其用于实现所述全站仪或三维激光扫描仪和便携式观测站与中心服务站间的数据交换，以实现数据的实时传输和监测装置的连续工作。
5.根据权利要求4所述的高精度变形监测装置，其特征在于，所述便携式观测站的数量为3个或3个以上。
6.一种利用如权利要求1所述的装置进行高精度变形监测的方法，其特征在于，通过各观测站的北斗定位天线(1)所接收到的位置信息与就近的CORS站间的联测解算，以获得各观测站的三维坐标A，并对该坐标系进行网平差，同时在该坐标系下使用全站仪和万向棱镜(3)再次对各观测站进行定位，以获得各观测站的三维坐标B，通过对坐标A和坐标B的对比计算可对各观测站的实际初始坐标进行校正，完成校正工作后撤掉全站仪，通过观察各观测站的北斗定位天线(1)所获得坐标的变化情况对其所在位置进行变形监测。
7.根据权利要求6所述的高精度变形监测方法，其特征在于，所使用的全站仪和万向棱镜(3)分别用三维激光扫描仪和三维激光扫描仪靶标板替换。
8.根据权利要求6或7所述的高精度变形监测方法，其特征在于，所述便携式观测站的数量为3个或3个以上。
9.根据权利要求8所述的高精度变形监测方法，其特征在于，对坐标A和坐标B进行校验分析的方法如下：所述北斗定位天线(1)的相位中心到调平基座(5)最底端的垂直距离为h1，所述万向棱镜(3)的中心到调平基座(5)最底端的垂直距离为h2，则所述北斗定位天线(1)的相位中心和万向棱镜(3)的中心间的高度差为dh12＝h1-h2，同理，所述三维激光扫描标靶的中心到调平基座(5)最底端的垂直距离为h3，则所述北斗定位天线(1)的相位中心和三维激光扫描靶标的中心间的高度差为dh13＝h1-h3，将坐标B作为真值与坐标A进行比较和计算，使得校正后的两个三维坐标的平面坐标相同而高度坐标相差一个定值dh12或dh13，从而在之后变形监测的过程中确保北斗定位天线(1)的精度。
10.根据权利要求9所述的高精度变形监测方法，其特征在于，所述中心服务站采用的是高精度的GPS/BDS/GLONASS三星座联合解算方法。
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