CN110906902A - 一种边坡变形监测数据两步改正方法 - Google Patents

一种边坡变形监测数据两步改正方法 Download PDF

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CN110906902A CN201911237193.1A CN201911237193A CN110906902A CN 110906902 A CN110906902 A CN 110906902A CN 201911237193 A CN201911237193 A CN 201911237193A CN 110906902 A CN110906902 A CN 110906902A
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江德军
巨淑君
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Abstract

本发明涉及工程测量技术领域，具体涉及一种边坡变形监测数据两步改正方法。包括以下步骤：步骤一、仪器设站；步骤二、获得环境监测参数和各已知点和监测点的距离观测值、角度观测值，根据环境监测参数计算改正系数对已知点和监测点的距离观测值进行改正，利用改正后的距离观测值和原始的角度观测值计算获得各已知点和监测点的推算三维坐标；步骤三、通过各已知点的原始三维坐标和推算三维坐标，计算坐标误差；步骤四、利用坐标误差对监测区域内各监测点的推算三维坐标进行改正，获得各监测点的改正三维坐标。本发明可以有效解决边坡变形监测数据的改正过程中由角度观测误差所导致的监测点坐标计算误差问题。

Description

一种边坡变形监测数据两步改正方法
技术领域
本发明涉及工程测量技术领域，具体涉及一种边坡变形监测数据两步改正方法。
背景技术
在边坡变形监测项目中，通常是在监测区域或变形体上布设若干监测点，通过对监测点多期坐标监测值进行统计评估监测区域的稳定性。监测点的坐标需利用布设在监测区域外围的稳定区域的若干已知点来计算。在作业方式上通常是利用具有测距、测角功能的测量仪器如全站仪等进行测量，由于测站点距离监测区域较远，在观测距离和角度的过程中，观测值会受到环境因素的影响，如温度、湿度、气压、大气折光等，导致观测数据存在较大测量误差，无法直接利用观测值计算监测点的坐标。
传统的数据处理方法通常是利用全站仪观测某已知点后，将观测距离和已知距离进行比对得到改正参数，再对所有监测点的距离观测值进行改正，进而计算所有监测点的坐标。传统方法存在的主要问题是：
(1)数据处理过程中仅仅考虑了环境因素对距离测量结果的影响，没有考虑角度观测误差对监测点坐标计算的影响；
(2)坐标计算的过程中距离改正计算仅利用单个已知点比对后得到改正数，未考虑多个已知点与监测点间距离对改正数计算的影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种边坡变形监测数据两步改正方法，其应用时，通过两步改正的方式，可以有效解决边坡变形监测数据的改正过程中由角度观测误差所导致的监测点坐标计算误差问题。
本发明所采用的技术方案为：
一种边坡变形监测数据两步改正方法，包括以下步骤：
步骤一、仪器设站：在监测区域外围设定的测站点架设环境监测仪器和包含距离测量功能和角度测量功能的测量仪器，并在监测区域外围设定的定向点上架设观测标志，通过测量仪器照准定向点的观测标志完成测量仪器的定向，同时在监测区域外围设定的已知点和监测区域内设定的监测点架设观测标志；
步骤二、获得推算三维坐标：获取已有的监测区域和监测区域外围共同的设定坐标系，以及测站点和已知点在设定坐标系中的原始三维坐标，通过测量仪器照准各已知点和监测点的观测标志，获得各已知点和监测点的距离观测值和角度观测值，通过环境监测仪器获取环境监测参数，根据环境监测参数计算改正系数，利用改正系数对已知点和监测点的距离观测值进行改正，利用测站点的原始三维坐标、改正后的距离观测值和原始的角度观测值计算获得各已知点和监测点在设定坐标系中的推算三维坐标；
步骤三、计算坐标误差：通过监测区域外围各已知点的原始三维坐标和推算三维坐标，计算由于角度观测误差导致的坐标误差；
步骤四、监测点推算坐标改正：利用坐标误差对监测区域内各监测点的推算三维坐标进行改正，获得各监测点在设定坐标系中的改正三维坐标。
作为上述技术方案的优选，在步骤一中，所述测量仪器采用全站仪，在测站点架设好全站仪后，在全站仪中输入设站参数，再完成全站仪的定向。
作为上述技术方案的优选，在步骤二中，所述改正系数的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000021
其中，ΔD为改正系数，P为大气压强，t为温度，h为相对湿度，α为大气膨胀系数，x＝7.5×t/(237.3+t)+0.7857。
作为上述技术方案的优选，在步骤二中，利用改正系数对距离观测值进行改正的公式为：D＝D0·ΔD，其中D为改正后的距离观测值，D0为改正前原始的距离观测值。
作为上述技术方案的优选，在步骤二中，已知点和监测点在设定坐标系中的推算三维坐标计算公式为：
Figure BDA0002305200930000031
Figure BDA0002305200930000032
其中，(x’C,y’C,z’C)为已知点的推算三维坐标，(x’F,y’F,z’F)为监测点的推算三维坐标，(xA,yA,zA)为测站点的原始三维坐标，DAC和DAF分别为测站点到已知点和监测点的改正后斜距，αAC和αAF分别为通过测量仪器观测到的定向点到已知点的水平角和定向点到监测点的水平角，βC和βF分别为通过测量仪器观测到的已知点的垂直角和监测点的垂直角，i为已知点的序号，j为监测点的序号。
作为上述技术方案的优选，在步骤三中，坐标误差的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000033
其中，(xC,yC,zC)为已知点在设定坐标系中的原始三维坐标，计算后获得的(ΔxC,ΔyC,ΔzC)即为坐标误差。
作为上述技术方案的优选，在步骤四中，对监测点进行推算三维坐标改正的具体步骤包括：
S4.1、搜索已知点：以对应监测点推算三维坐标(x’F,y’F,z’F)中的平面坐标(x’F,y’F)为圆心，设定初始距离阈值，以初始距离阈值为半径，搜索是否存在设定个数的对应平面坐标在该范围内的已知点，若个数不满足，则在初始距离阈值的基础上增加设定补偿阈值作为半径，扩大搜索范围，直至搜索范围内的对应已知点满足设定个数；
S4.2、计算监测点三维坐标分量改正参数：以对应监测点到搜索到的各已知点之间的距离倒数为权，计算当前监测点的三维坐标分量改正参数；
S4.3、监测点三维坐标改正：利用对应监测点的三维坐标分量改正参数对其推算三维坐标进行改正，获得其改正三维坐标；
S4.4、对监测区域内的每一个监测点都执行以上步骤S4.1-S4.3的计算过程，完成所有监测点推算三维坐标的改正，获得所以监测点的改正三维坐标。
作为上述技术方案的优选，在步骤S4.2中，三维坐标分量改正参数的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000041
计算得到(dxF,dyF,dzF)即为三维坐标分量改正参数，其中，SFjCi表示第j号监测点与第i号已知点之间的对应平面距离。
作为上述技术方案的优选，所述SFjCi的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000042
其中，(x’C,y’C)表示已知点的对应平面坐标，(x’F,y’F)表示监测点的对应平面坐标。
作为上述技术方案的优选，所述改正三维坐标的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000051
计算得到(xF，yF，zF)即为监测点的改正三维坐标。
本发明的有益效果为：
本发明解决了边坡监测时对观测数据的常规改正方法中未考虑角度观测误差导致的监测点坐标计算会产生误差的问题；通过两步改正的方式，即首先改正距离观测值，其次改正角度观测值，再计算得到监测点的正确坐标。本发明技术适用于各类变形监测项目，尤其适用于需要通过获取距离和角度观测值并进行改正进而计算监测点坐标的变形监测项目。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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他的附图。
图1为实施例1中变形监测的各点位设置示意图；
图2为实施例2中监测点推算三维坐标的计算参数获得示意图；
图3为实施例2中搜索满足距离条件的已知点的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1：
本实施例提供了一种边坡变形监测数据两步改正方法，包括以下步骤：
步骤一、仪器设站：在监测区域外围设定的测站点架设环境监测仪器和包含距离测量功能和角度测量功能的测量仪器，并在监测区域外围设定的定向点上架设观测标志，通过测量仪器照准定向点的观测标志完成测量仪器的定向，同时在监测区域外围设定的已知点和监测区域内设定的监测点架设观测标志；
步骤二、获得推算三维坐标：获取已有的监测区域和监测区域外围共同的设定坐标系，以及测站点和已知点在设定坐标系中的原始三维坐标，通过测量仪器照准各已知点和监测点的观测标志，获得各已知点和监测点的距离观测值和角度观测值，通过环境监测仪器获取环境监测参数，根据环境监测参数计算改正系数，利用改正系数对已知点和监测点的距离观测值进行改正，利用测站点的原始三维坐标、改正后的距离观测值和原始的角度观测值计算获得各已知点和监测点在设定坐标系中的推算三维坐标；
步骤三、计算坐标误差：通过监测区域外围各已知点的原始三维坐标和推算三维坐标，计算由于角度观测误差导致的坐标误差；
步骤四、监测点推算坐标改正：利用坐标误差对监测区域内各监测点的推算三维坐标进行第二步改正，获得各监测点在设定坐标系中的改正三维坐标。
现有变形监测方法中，对边坡监测的方式通常是利用测量仪器，如全站仪或测距仪与经纬仪组合，在已知点上设站，分别对监测区域外围稳定区域的已知点和监测区域内的监测点进行观测，获取距离和角度观测值，并计算监测点坐标。本发明针对获取的距离和角度观测值进行两步改正，消除环境因素对观测过程产生的影响，进而获取监测点正确坐标。本发明通过上述步骤解决了边坡监测时对观测数据的常规改正方法中未考虑角度观测误差导致的监测点坐标计算会产生误差的问题；通过两步改正的方式，即首先改正距离观测值，其次改正角度观测值，再计算得到监测点的正确坐标。本发明技术适用于各类变形监测项目，尤其适用于需要通过获取距离和角度观测值并进行改正进而计算监测点坐标的变形监测项目。
实施例2：
作为对上述实施例的优化，在步骤一中，所述测量仪器采用全站仪，在测站点架设好全站仪后，在全站仪中输入设站参数，再完成全站仪的定向。
在步骤二中，所述改正系数的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000081
其中，ΔD为改正系数，P为大气压强，t为温度，h为相对湿度，α为大气膨胀系数，x＝7.5×t/(237.3+t)+0.7857。
在步骤二中，利用改正系数对距离观测值进行改正的公式为：D＝D0·ΔD，其中D为改正后的距离观测值，D0为改正前原始的距离观测值。
在步骤二中，已知点和监测点在设定坐标系中的推算三维坐标计算公式为：
Figure BDA0002305200930000091
Figure BDA0002305200930000092
其中，(x’C,y’C,z’C)为已知点的推算三维坐标，(x’F,y’F,z’F)为监测点的推算三维坐标，(xA,yA,zA)为测站点的原始三维坐标，如图2所示，DAC和DAF分别为测站点到已知点和监测点的改正后斜距，αAC和αAF分别为通过测量仪器观测到的定向点到已知点的水平角和定向点到监测点的水平角，βC和βF分别为通过测量仪器观测到的已知点的垂直角和监测点的垂直角，i为已知点的序号，j为监测点的序号。
该步骤中在计算各已知点和监测点的坐标过程中只进行了距离观测值的改正，而未考虑角度观测误差，因此在推算坐标(x’C,y’C,z’C)和(x’F,y’F,z’F)中包含有角度观测误差带来的影响。
步骤三即是对监测区域外围各已知点计算角度测量仪器在观测过程中由于旁向折光、垂向折光以及仪器自身测量误差导致的坐标误差，在步骤三中，坐标误差的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000101
其中，(xC,yC,zC)为已知点在设定坐标系中的原始三维坐标，计算后获得的(ΔxC,ΔyC,ΔzC)即为坐标误差。
由于在推算坐标(x’C,y’C,z’C)和(x’F,y’F,z’F)过程中已经考虑过距离改正，因此推算坐标(x’C,y’C,z’C)和(x’F,y’F,z’F)中的误差来源仅与角度观测误差相关，影响角度观测结果的各项误差来源如大气垂向折光、旁向折光等因素均包含在推算坐标中。
在步骤四中，对监测点进行推算三维坐标改正的具体步骤包括：
S4.1、搜索已知点：如图3所示，以对应监测点推算三维坐标(x’F,y’F,z’F)中的平面坐标(x’F,y’F)为圆心，设定初始距离阈值ro，以初始距离阈值为半径，搜索是否存在设定个数的对应平面坐标在该范围内的已知点，若个数不满足，则在初始距离阈值的基础上增加设定补偿阈值作为半径ri，扩大搜索范围，直至搜索范围内的对应已知点满足设定个数；
S4.2、计算监测点三维坐标分量改正参数：以对应监测点到搜索到的各已知点之间的距离倒数为权，计算当前监测点的三维坐标分量改正参数；
S4.3、监测点三维坐标改正：利用对应监测点的三维坐标分量改正参数对其推算三维坐标进行改正，获得其改正三维坐标；
S4.4、对监测区域内的每一个监测点都执行以上步骤S4.1-S4.3的计算过程，完成所有监测点推算三维坐标的改正，获得所以监测点的改正三维坐标。
在步骤S4.2中，三维坐标分量改正参数的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000111
计算得到(dxF,dyF,dzF)即为三维坐标分量改正参数，其中，SFjCi表示第j号监测点与第i号已知点之间的对应平面距离。
所述SFjCi的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000112
其中，(x’C,y’C)表示已知点的对应平面坐标，(x’F,y’F)表示监测点的对应平面坐标。
所述改正三维坐标的计算公式为：
Figure BDA0002305200930000113
计算得到(xF，yF，zF)即为监测点的改正三维坐标。
具体实施时，可采用计算机软件技术实现计算流程的自动化运行，得到准确的监测点改正三维坐标。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、仪器设站：在监测区域外围设定的测站点架设环境监测仪器和包含距离测量功能和角度测量功能的测量仪器，并在监测区域外围设定的定向点上架设观测标志，通过测量仪器照准定向点的观测标志完成测量仪器的定向，同时在监测区域外围设定的已知点和监测区域内设定的监测点架设观测标志；
步骤二、获得推算三维坐标：获取已有的监测区域和监测区域外围共同的设定坐标系，以及测站点和已知点在设定坐标系中的原始三维坐标，通过测量仪器照准各已知点和监测点的观测标志，获得各已知点和监测点的距离观测值和角度观测值，通过环境监测仪器获取环境监测参数，根据环境监测参数计算改正系数，利用改正系数对已知点和监测点的距离观测值进行改正，利用测站点的原始三维坐标、改正后的距离观测值和原始的角度观测值计算获得各已知点和监测点在设定坐标系中的推算三维坐标；
步骤三、计算坐标误差：通过监测区域外围各已知点的原始三维坐标和推算三维坐标，计算由于角度观测误差导致的坐标误差；
步骤四、监测点推算坐标改正：利用坐标误差对监测区域内各监测点的推算三维坐标进行改正，获得各监测点在设定坐标系中的改正三维坐标。
2.根据权利要求1所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：在步骤一中，所述测量仪器采用全站仪，在测站点架设好全站仪后，在全站仪中输入设站参数，再完成全站仪的定向。
3.根据权利要求1所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：在步骤二中，所述改正系数的计算公式为：
Figure FDA0002305200920000011
其中，ΔD为改正系数，P为大气压强，t为温度，h为相对湿度，α为大气膨胀系数，x＝7.5×t/(237.3+t)+0.7857。
4.根据权利要求3所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：在步骤二中，利用改正系数对距离观测值进行改正的公式为：D＝D0·ΔD，其中D为改正后的距离观测值，D0为改正前原始的距离观测值。
5.根据权利要求1所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：在步骤二中，已知点和监测点在设定坐标系中的推算三维坐标计算公式为：
Figure FDA0002305200920000021
Figure FDA0002305200920000022
其中，(x’C,y’C,z’C)为已知点的推算三维坐标，(x’F,y’F,z’F)为监测点的推算三维坐标，(xA,yA,zA)为测站点的原始三维坐标，DAC和DAF分别为测站点到已知点和监测点的改正后斜距，αAC和αAF分别为通过测量仪器观测到的定向点到已知点的水平角和定向点到监测点的水平角，βC和βF分别为通过测量仪器观测到的已知点的垂直角和监测点的垂直角，i为已知点的序号，j为监测点的序号。
6.根据权利要求5所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：在步骤三中，坐标误差的计算公式为：
Figure FDA0002305200920000023
其中，(xC,yC,zC)为已知点在设定坐标系中的原始三维坐标，计算后获得的(ΔxC,ΔyC,ΔzC)即为坐标误差。
7.根据权利要求6所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：在步骤四中，对监测点进行推算三维坐标改正的具体步骤包括：
S4.1、搜索已知点：以对应监测点推算三维坐标(x’F,y’F,z’F)中的平面坐标(x’F,y’F)为圆心，设定初始距离阈值，以初始距离阈值为半径，搜索是否存在设定个数的对应平面坐标在该范围内的已知点，若个数不满足，则在初始距离阈值的基础上增加设定补偿阈值作为半径，扩大搜索范围，直至搜索范围内的对应已知点满足设定个数；
S4.2、计算监测点三维坐标分量改正参数：以对应监测点到搜索到的各已知点之间的距离倒数为权，计算当前监测点的三维坐标分量改正参数；
S4.3、监测点三维坐标改正：利用对应监测点的三维坐标分量改正参数对其推算三维坐标进行改正，获得其改正三维坐标；
S4.4、对监测区域内的每一个监测点都执行以上步骤S4.1-S4.3的计算过程，完成所有监测点推算三维坐标的改正，获得所以监测点的改正三维坐标。
8.根据权利要求7所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：在步骤S4.2中，三维坐标分量改正参数的计算公式为：
Figure FDA0002305200920000031
计算得到(dxF,dyF,dzF)即为三维坐标分量改正参数，其中，SFjCi表示第j号监测点与第i号已知点之间的对应平面距离。
9.根据权利要求8所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：所述SFjCi的计算公式为：
Figure FDA0002305200920000041
其中，(x’C,y’C)表示已知点的对应平面坐标，(x’F,y’F)表示监测点的对应平面坐标。
10.根据权利要求7所述的一种边坡变形监测数据两步改正方法，其特征在于：所述改正三维坐标的计算公式为：
Figure FDA0002305200920000042
计算得到(xF，yF，zF)即为监测点的改正三维坐标。
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