CN109323660B - 一种基于全站仪的滑坡位移三维监测系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全站仪的滑坡位移三维监测系统，包括固定安装在滑坡后壁上的第一激光反射装置、第二激光反射装置以及一个安装在滑坡体上的全站仪；全站仪用于实时采集以下监测数据：全站仪到第一激光反射装置的距离、全站仪到第二激光反射装置的距离、全站仪到第一激光反射装置的仰角以及全站仪到第二激光反射装置的仰角；还包括与全站仪通信连接的滑坡位移监测服务器，服务器内配置有根据全站仪所检测到的距离和仰角来计算滑坡位移的滑坡位移计算程序。还公开了一种滑坡位移监测方法，采用本发明的基于全站仪的滑坡位移三维监测系统。本发明解决了水平位移和垂直位移不能同时监测的技术问题，能够提高监测实时性，能够提高监测精度。

Description

一种基于全站仪的滑坡位移三维监测系统与方法
技术领域
本发明涉及一种滑坡监测技术领域，具体涉及一种滑坡监测系统以及一种滑坡监测方法。
背景技术
全站仪，即全站型电子测距仪(Electronic Total Station)，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。
滑坡是指斜坡上的土体或岩体，在重力作用下，沿着一定的软弱面，整体或者分散的顺坡向下滑动的自然现象。滑动的土层或岩层称为滑坡体，滑坡体与不动的山体脱离开后，暴露在外面的形似壁状的分界面称为滑坡壁。
随着我国经济建设的快速发展，高等级公路、山区铁路、大中型水电站和各种边(岸)坡工程等也在迅速建设，由于人为的扰动以及自然环境的变化，使得滑坡等地质灾害频发，斜坡的稳定性越来越引起人们的关注，因此滑坡位移监测具有十分重要的实际意义。
目前，滑坡位移监测采用传统的大地测量方法进行变形监测时，平面位移通常是用方向交汇，距离交汇，全站仪极坐标法等手段来测定，而垂直位移一般采用精密水准测量的方法来测定，水平位移和垂直位移的分别测定增加了工作量且精度不够理想；利用GPS定位技术来进行变形监测时虽然可以同时测定点的三维位移，但垂直位移的精度一般不如水平位移的精度好，且自动化程度低，人工劳动强度大，不能实现实时监测。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于全站仪的滑坡位移三维监测系统，解决现有技术中水平位移和垂直位移不能同时监测的技术问题，能够提高监测实时性，能够提高监测精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种基于全站仪的滑坡位移三维监测系统，包括固定安装在滑坡后壁上的第一激光反射装置、第二激光反射装置以及一个安装在滑坡体上的全站仪，所述全站仪位于两个激光反射装置之间，并且两个激光反射装置均朝向全站仪；所述全站仪用于实时采集以下监测数据：全站仪到第一激光反射装置的距离、全站仪到第二激光反射装置的距离、全站仪到第一激光反射装置的仰角以及全站仪到第二激光反射装置的仰角；还包括与所述全站仪通信连接的滑坡位移监测服务器，所述服务器内配置有根据全站仪所检测到的距离和仰角来计算滑坡位移的滑坡位移计算程序。
优选的，所述滑坡位移计算程序按如下步骤执行：
步骤101：获取以下初始数据：第一激光反射装置到第二激光反射装置之间的距离l1；全站仪到第一激光反射装置的初始距离l2；全站仪到第二激光反射装置的初始距离l3；全站仪到第一激光反射装置的初始仰角∠13；全站仪到第二激光反射装置的初始仰角∠22；
步骤102：建立以O为原点的XYZ三轴坐标系，设第一激光反射装置的位置在X轴的B点上，B点与原点O重合；第二激光反射装置在X轴的C点上，B点到C点的距离等于l1；全站仪的初始位置在三轴坐标系中的A点上；线段BC的长度等于l2、l3；A点到B、C两点的仰角分别等于∠13、∠22；
步骤103：将A点投影到水平面XOY平面上，得到A点的投影点H；
步骤104：获取当前数据：全站仪到第一激光反射装置的当前距离l4、全站仪到第二激光反射装置的当前距离l5、全站仪到第一激光反射装置的当前仰角∠14、全站仪到第二激光反射装置的当前仰角∠23；
步骤105：根据当前数据确定全站仪在XYZ三轴坐标系中的当前位置在A＇点上，并将A＇点投影到水平面XOY平面上，得到A＇点的投影点H＇；
步骤106：计算线段BH、CH、BH＇、CH＇的长度，分别按如下公式：
BH＝l2cos∠13；CH＝l3cos∠22；BH′＝l4cos∠14；CH′＝l5cos∠23；
步骤107：根据BH、CH、BC长度以及余弦定理计算BH与CH的夹角∠3；根据BH＇、CH＇、BC长度以及余弦定理计算BH与CH的夹角∠4；
步骤108：根据正弦定理计算BH与BC的夹角∠5，按如下公式：
Figure BDA0001893466520000031
根据正弦定理计算BH＇与BC的夹角∠6，按如下公式：
Figure BDA0001893466520000032
步骤109：作BH的延长线，并过H＇点作线段BC的平行线，该平行线与Y轴相交于F点，并与BH的延长线相交于D点，从而构造直角三角形△BFD；然后过H点作线段FD的垂线，从而构造直角三角形△HED；
步骤1010：分别计算以下角度：
BH＇与BD的夹角∠7：∠7＝∠6-∠5；
BG与GH＇的夹角∠8，G点为CH＇与BD的交点：∠8＝180°-∠4-∠7；
GH＇与GD的夹角∠9：∠9＝∠3；
BF与BH＇的夹角∠10：∠10＝90°-∠6；
步骤1011：计算以下线段长度：
线段BF的长度l6：l6＝l4cos∠14·cos∠10；
线段FH＇的长度l7：l7＝l4cos∠14·sin∠10；
线段GH＇的长度l8：
Figure BDA0001893466520000033
步骤1012：计算以下角度：
BD与DF的夹角∠11：
Figure BDA0001893466520000034
CH＇与DH＇的夹角∠12：∠12＝180°-∠4-∠7-∠11；
步骤1013：计算线段HD的长度l9，按如下公式：
Figure BDA0001893466520000041
步骤1014：分别计算X、Y、Z轴方向的滑坡位移Δx、Δy、Δz：
Δx＝(l2+l9)·cos∠11-l9cos∠11-l4cos∠14·sin∠10；
Δy＝l9·sin∠11；
Δz＝l4·sin∠14-l2·sin∠13。
优选的，还包括分别与滑坡位移监测服务器通信连接的监测中心计算机、客户端，从而使得滑坡位移监测服务器能够将根据实时监测数据计算得到的滑坡位移发送给监测中心计算机与客户端。
本发明还提供一种滑坡位移监测方法，采用本发明的基于全站仪的滑坡位移三维监测系统；包括以下步骤：
步骤1：全站仪向第一激光反射装置发射激光，从而采集全站仪到第一激光反射装置的距离、全站仪到第一激光反射装置的仰角；
步骤2：全站仪向第二激光反射装置发射激光，从而采集全站仪到第二激光反射装置的距离、全站仪到第二激光反射装置的仰角；
步骤3：全站仪将步骤1与步骤2采集到的监测数据发送给滑坡位移监测服务器；
步骤4：滑坡位移监测服务器执行滑坡位移计算程序，并根据监测数据计算出X、Y、Z轴方向的滑坡位移Δx、Δy、Δz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的监测系统利用全站仪进行数据采集，全站仪采集精度高，实时性好，能够进行全自动采集，从而实现全自动监测。
2、本发明通过采集到的监测数据能够同时计算X、Y、Z轴三个方向上的位移，无需针对不同的位移方向进行数据采集来分别计算，从而提高实时性。
3、本发明通过全站仪产生激光来采集监测数据，与GPS信号所不同，激光不会受到电磁干扰，也不会因为地理位置偏僻而接受不到信号，系统抗干扰能力强，可靠性高。
4、本发明无需进行坐标定位，只需根据角度与距离进行计算
附图说明
图1是本具体实施方式中基于全站仪的滑坡位移三维监测系统中激光反射装置与全站仪的安装示意图；
图2是A点与A＇点的在XOY平面上的投影示意图；
图3是滑坡位移在XOY平面上的计算原理图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种基于全站仪的滑坡位移三维监测系统，包括固定安装在滑坡后壁上的第一激光反射装置1、第二激光反射装置2以及一个安装在滑坡体上的全站仪3，所述全站仪位于两个激光反射装置之间，并且两个激光反射装置均朝向全站仪；所述全站仪用于实时采集以下监测数据：全站仪到全站第一激光反射装置的距离、全站仪到第二激光反射装置的距离、全站仪到第一激光反射装置的仰角以及全站仪到第二激光反射装置的仰角；还包括与所述全站仪通信连接的滑坡位移监测服务器，所述服务器内配置有根据全站仪所检测到的距离和仰角来计算滑坡位移的滑坡位移计算程序。
本具体实施方式中，所述滑坡位移计算程序按如下步骤执行，计算原理如图2至图3所示：
步骤101：获取以下初始数据：第一激光反射装置到第二激光反射装置之间的距离l1；全站仪到第一激光反射装置的初始距离l2；全站仪到第二激光反射装置的初始距离l3；全站仪到第一激光反射装置的初始仰角∠13；全站仪到第二激光反射装置的初始仰角∠22；
步骤102：建立以O为原点的XYZ三轴坐标系，设第一激光反射装置的位置在X轴的B点上，B点与原点O重合；第二激光反射装置在X轴的C点上，B点到C点的距离等于l1；全站仪的初始位置在三轴坐标系中的A点上；线段BC的长度等于l2、l3；A点到B、C两点的仰角分别等于∠13、∠22；
步骤103：将A点投影到水平面XOY平面上，得到A点的投影点H，如图2所示；
步骤104：获取当前数据：全站仪到第一激光反射装置的当前距离l4、全站仪到第二激光反射装置的当前距离l5、全站仪到第一激光反射装置的当前仰角∠14、全站仪到第二激光反射装置的当前仰角∠23；
步骤105：根据当前数据确定全站仪在XYZ三轴坐标系中的当前位置在A＇点上，并将A＇点投影到水平面XOY平面上，得到A＇点的投影点H＇，如图2所示；
步骤106：计算线段BH、CH、BH＇、CH＇的长度，分别按如下公式：
BH＝l2cos∠13；CH＝l3cos∠22；BH′＝l4cos∠14；CH′＝l5cos∠23；
步骤107：根据BH、CH、BC长度以及余弦定理计算BH与CH的夹角∠3；根据BH＇、CH＇、BC长度以及余弦定理计算BH与CH的夹角∠4；
步骤108：根据正弦定理计算BH与BC的夹角∠5，按如下公式：
Figure BDA0001893466520000061
根据正弦定理计算BH＇与BC的夹角∠6，按如下公式：
Figure BDA0001893466520000062
步骤109：作BH的延长线，并过H＇点作线段BC的平行线，该平行线与Y轴相交于F点，并与BH的延长线相交于D点，从而构造直角三角形△BFD；然后过H点作线段FD的垂线，从而构造直角三角形△HED；
步骤1010：分别计算以下角度：
BH＇与BD的夹角∠7：∠7＝∠6-∠5；
BG与GH＇的夹角∠8，G点为CH＇与BD的交点：∠8＝180°-∠4-∠7；
GH＇与GD的夹角∠9：∠9＝∠3；
BF与BH＇的夹角∠10：∠10＝90°-∠6；
步骤1011：计算以下线段长度：
线段BF的长度l6：l6＝l4cos∠14·cos∠10；
线段FH＇的长度l7：l7＝l4cos∠14·sin∠10；
线段GH＇的长度l8：
Figure BDA0001893466520000071
步骤1012：计算以下角度：
BD与DF的夹角∠11：
Figure BDA0001893466520000072
CH＇与DH＇的夹角∠12：∠12＝180°-∠4-∠7-∠11；
步骤1013：计算线段HD的长度l9，按如下公式：
Figure BDA0001893466520000073
步骤1014：分别计算X、Y、Z轴方向的滑坡位移Δx、Δy、Δz：
Δx＝(l2+l9)·cos∠11-l9cos∠11-l4cos∠14·sin∠10；
Δy＝l9·sin∠11；
Δz＝l4·sin∠14-l2·sin∠13。
本具体实施方式中，还包括分别与滑坡位移监测服务器通信连接的监测中心计算机、客户端，从而使得滑坡位移监测服务器能够将根据实时监测数据计算得到的滑坡位移发送给监测中心计算机与客户端。
本具体实施方式中，所述客户端包括智能手机与平板电脑。
本具体实施方式中，一种滑坡位移监测方法，采用本发明的基于全站仪的滑坡位移三维监测系统；包括以下步骤：
步骤1：全站仪向第一激光反射装置发射激光，从而采集全站仪到第一激光反射装置的距离、全站仪到第一激光反射装置的仰角；
步骤2：全站仪向第二激光反射装置发射激光，从而采集全站仪到第二激光反射装置的距离、全站仪到第二激光反射装置的仰角；
步骤3：全站仪将步骤1与步骤2采集到的监测数据发送给滑坡位移监测服务器；
步骤4：滑坡位移监测服务器执行滑坡位移计算程序，并根据监测数据计算出X、Y、Z轴方向的滑坡位移Δx、Δy、Δz；
步骤5：滑坡位移监测服务器将滑坡位移Δx、Δy、Δz发送给监测中心计算机与客户端。

Claims (4)

1.一种基于全站仪的滑坡位移三维监测系统，其特征在于：包括固定安装在滑坡后壁上的第一激光反射装置、第二激光反射装置以及一个安装在滑坡体上的全站仪，所述全站仪位于两个激光反射装置之间，并且两个激光反射装置均朝向全站仪；所述全站仪用于实时采集以下监测数据：全站仪到第一激光反射装置的距离、全站仪到第二激光反射装置的距离、全站仪到第一激光反射装置的仰角以及全站仪到第二激光反射装置的仰角；还包括与所述全站仪通信连接的滑坡位移监测服务器，所述服务器内配置有根据全站仪所检测到的距离和仰角来计算滑坡位移的滑坡位移计算程序；
所述滑坡位移计算程序按如下步骤执行：
步骤101：获取以下初始数据：第一激光反射装置到第二激光反射装置之间的距离l1；全站仪到第一激光反射装置的初始距离l2；全站仪到第二激光反射装置的初始距离l3；全站仪到第一激光反射装置的初始仰角∠13；全站仪到第二激光反射装置的初始仰角∠22；
步骤102：建立以O为原点的XYZ三轴坐标系，设第一激光反射装置的位置在X轴的B点上，B点与原点O重合；第二激光反射装置在X轴的C点上，B点到C点的距离等于l1；全站仪的初始位置在三轴坐标系中的A点上；线段BC的长度等于l2、l3；A点到B、C两点的仰角分别等于∠13、∠22；
步骤103：将A点投影到水平面XOY平面上，得到A点的投影点H；
步骤104：获取当前数据：全站仪到第一激光反射装置的当前距离l4、全站仪到第二激光反射装置的当前距离l5、全站仪到第一激光反射装置的当前仰角∠14、全站仪到第二激光反射装置的当前仰角∠23；
步骤105：根据当前数据确定全站仪在XYZ三轴坐标系中的当前位置在A＇点上，并将A＇点投影到水平面XOY平面上，得到A＇点的投影点H＇；
步骤106：计算线段BH、CH、BH＇、CH＇的长度，分别按如下公式：
BH＝l2cos∠13；CH＝l3cos∠22；BH′＝l4cos∠14；CH′＝l5cos∠23；
步骤107：根据BH、CH、BC长度以及余弦定理计算BH与CH的夹角∠3；根据BH＇、CH＇、BC长度以及余弦定理计算BH与CH的夹角∠4；
步骤108：根据正弦定理计算BH与BC的夹角∠5，按如下公式：
Figure FDA0002383119250000021
根据正弦定理计算BH＇与BC的夹角∠6，按如下公式：
Figure FDA0002383119250000022
步骤109：作BH的延长线，并过H＇点作线段BC的平行线，该平行线与Y轴相交于F点，并与BH的延长线相交于D点，从而构造直角三角形△BFD；然后过H点作线段FD的垂线，从而构造直角三角形△HED；
步骤1010：分别计算以下角度：
BH＇与BD的夹角∠7：∠7＝∠6-∠5；
BG与GH＇的夹角∠8，G点为CH＇与BD的交点：∠8＝180°-∠4-∠7；
GH＇与GD的夹角∠9：∠9＝∠3；
BF与BH＇的夹角∠10：∠10＝90°-∠6；
步骤1011：计算以下线段长度：
线段BF的长度l6：l6＝l4cos∠14·cos∠10；
线段F H＇的长度l7：l7＝l4cos∠14·sin∠10；
线段G H＇的长度l8：
Figure FDA0002383119250000031
步骤1012：计算以下角度：
BD与DF的夹角∠11：
Figure FDA0002383119250000032
C H＇与DH＇的夹角∠12：∠12＝180°-∠4-∠7-∠11；
步骤1013：计算线段HD的长度l9，按如下公式：
Figure FDA0002383119250000033
步骤1014：分别计算X、Y、Z轴方向的滑坡位移△x、△y、△z：
△x＝(l2+l9)·cos∠11-l9cos∠11-l4cos∠14·sin∠10；
△y＝l9·sin∠11；
△z＝l4·sin∠14-l2·sin∠13。
2.根据权利要求1所述的基于全站仪的滑坡位移三维监测系统，其特征在于：还包括分别与滑坡位移监测服务器通信连接的监测中心计算机、客户端，从而使得滑坡位移监测服务器能够将根据实时监测数据计算得到的滑坡位移发送给监测中心计算机与客户端。
3.根据权利要求2所述的基于全站仪的滑坡位移三维监测系统，其特征在于：所述客户端包括智能手机与平板电脑。
4.一种滑坡位移监测方法，其特征在于：采用权利要求1至3中任一所述的基于全站仪的滑坡位移三维监测系统；包括以下步骤：
步骤1：全站仪向第一激光反射装置发射激光，从而采集全站仪到第一激光反射装置的距离、全站仪到第一激光反射装置的仰角；
步骤2：全站仪向第二激光反射装置发射激光，从而采集全站仪到第二激光反射装置的距离、全站仪到第二激光反射装置的仰角；
步骤3：全站仪将步骤1与步骤2采集到的监测数据发送给滑坡位移监测服务器；
步骤4：滑坡位移监测服务器执行滑坡位移计算程序，并根据监测数据计算出X、Y、Z轴方向的滑坡位移△x、△y、△z。
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全站仪任意坐标系三维变形监测方法;杨浩;《测绘地理信息》;20170228;第42卷(第1期);第61-68页 *

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