CN111141205A - 基于北斗/gnss高精度定位的建筑物变形监测预警方法、系统 - Google Patents

基于北斗/gnss高精度定位的建筑物变形监测预警方法、系统 Download PDF

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CN111141205A CN202010016867.1A CN202010016867A CN111141205A CN 111141205 A CN111141205 A CN 111141205A CN 202010016867 A CN202010016867 A CN 202010016867A CN 111141205 A CN111141205 A CN 111141205A
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Abstract

本发明公开了一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法，其特征在于，1)在建筑物周边选择观测条件好的地方作为基准点，在建筑物上选择反映结构变形特征的位置设置流动站，结合北斗/GNSS高精度定位系统形成监测网络；2)高精度测绘设备对所述流动站实时监测，获取相关的测量数据；3)卫星高精度定位装置接收数据；4)通过算法判别监测点是否保持稳定，并进行预警；5)滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动，最终计算出稳定的mm级精度的监测点坐标。

Description

基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法、系统
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法、系统。
背景技术
在以往的建筑物变形监测中，沉降主要使用水准测量法，而位移主要用三角测量法。然而，现代建筑物的几何尺寸巨大，且监测环境较为复杂，对监测技术也提出了更高的要求。加上常规监测技术的观测时间长，劳动强度大，很难实现自动化监测。
现代卫星定位监测技术对建筑物上的流动点回随着建筑物的高度的变化而产生累计误差，因此需要结合基于北斗/GNSS和动态BIM的施工现场高精度监控体系、方法，对建筑物的全过程进行变形监测和预警，以避免建筑物在此期间的位移过大产生破坏。
发明内容
发明目的：本发明的是为了解决现有技术中的不足，为及时了解建筑施工和运维期的位移变化，提供一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法、系统。
技术方案：一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法，具体步骤为：
1)在建筑物周边选择观测条件好的地方作为基准点，在建筑物上选择反映结构变形特征的位置设置流动站，结合北斗/GNSS高精度定位系统形成监测网络；
2)高精度测绘设备对流动站实时监测，获取相关的测量数据；
3)卫星高精度定位装置接收数据；
4)通过算法判别监测点是否保持稳定，并进行预警；
5)滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动，最终计算出稳定的mm级精度的监测点坐标。
本发明的进一步改进在于，步骤4)中，在计算机中利用GNSS算法，再经短基线解算、坐标转换，形成监测点坐标，利用震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪设备监测出的实时环境数据。
本发明的进一步改进在于，步骤4)中，北斗/GNSS高精度定位系统每1秒获取一次流动站坐标，在施工期，每间隔1小时输出一次原始数据；在运维期，每1秒获取一次流动站坐标，每6个小时输出一次原始数据，通过算法，过滤掉波动超过3mm的数值，导出过滤后的相邻时段的平均值差值超过5mm，即刻发出警报。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，
步骤(4)中，在施工期，
第a小时输出的数据为
Figure BDA0002359214090000021
即(xa0,1,xa0,2,……,xa0,3600)＝{Xa0}、(ya0,1,ya0,2,……,ya0,3600)＝{Ya0}、(za0,1,za0,2,……,za0,3600)＝{Za0}，其中(x,y)表示流动站的水平坐标，(z)表示流动站的垂直坐标；
①若存在坐标点(xa0,i,ya0,i,za0,i)、(xa0,(i-1),ya0,(i-1),za0,(i-1))使得|xa0,i-xa0,(i-1)|≥1cm或|ya0,i-ya0,(i-1)|≥1cm或|za0,i-za0,(i-1)|≥1cm，启用光电测距仪测量该点的坐标(x测,i,y测,i,z测,i)，x测,i-xa0,i＜1mm或y测,i-ya0,i＜1mm或z测,i-za0,i＜1mm立即报警；
若不存在坐标点(xa0,i,ya0,i,za0,i)、(xa0,(i-1),ya0,(i-1),za0,(i-1))使得|xa0,i-xa0,(i-1)|≥1mm或|ya0,i-ya0,(i-1)|≥1mm或|za0,i-za0,(i-1)|≥1mm，则算法继续；
②
Figure BDA0002359214090000022
Figure BDA0002359214090000023
若建筑物监测点旁的振动监测仪输出时段内最大加速度a≥0.556mm/h2，则检查预埋在监测点旁的卫星定位设备中的电子气泡装置，若气泡未居中，则立即报警；若气泡居中，表示加速度受施工影响，而非建筑物自身形变，无需报警；
若振动监测仪输出相应时段最大加速度a＜0.556mm/h2，表明环境的变化对流动站位移的影响较小，可认为1小时内数据的波动是由环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的，因此算法继续；
因本发明的高精度定位系统可达mm级别的精度，所以系统误差的结果也应该在±1mm以内，即：
若存在xa0,m或ya0,n或za0,t，
Figure BDA0002359214090000024
或
Figure BDA0002359214090000025
或
Figure BDA0002359214090000026
则将(xa0,m，ya0,m，za0,m)、(xa0,n，ya0,n，za0,n)、(xa0,t，ya0,t，za0,t)从数列{Xa0，Ya0，Za0}中移除，即
Figure BDA0002359214090000031
③任意1小时数据过滤后的平均值：
Figure BDA0002359214090000032
Figure BDA0002359214090000033
则
Figure BDA0002359214090000034
若存在
Figure BDA0002359214090000035
或
Figure BDA0002359214090000036
或
Figure BDA0002359214090000037
则启动光电测距仪、自动全站仪等设备复核坐标，实测坐标(xc0,k,yc0,k,zc0,k)，将实测数据进行平差计算得(xc,k,yc,k,zc,k)
若
Figure BDA0002359214090000038
或
Figure BDA0002359214090000039
或
Figure BDA00023592140900000310
则提取震动监测仪对应时段的加速度判断是否报警，
若a≥0.556mm/h2，则立即报警；
若a＜0.556mm/h2，则表明当前时段的变形超过允许值是受施工短暂影响，而非建筑物的本身变形，因此无需报警；
若
Figure BDA00023592140900000311
且
Figure BDA00023592140900000312
且
Figure BDA00023592140900000313
表明当前时段的变形过大是受施工环境短暂影响，而非建筑物自身变形，因此无需报警；
④计算机解算，连续输出坐标数据的平均值为：
Figure BDA00023592140900000314
计算连续6小时内平均位移的均值：
Figure BDA00023592140900000315
Figure BDA00023592140900000316
Figure BDA00023592140900000317
Figure BDA0002359214090000041
Figure BDA0002359214090000042
Figure BDA0002359214090000043
……………………
Figure BDA0002359214090000044
Figure BDA0002359214090000045
Figure BDA0002359214090000046
若存在
Figure BDA0002359214090000047
且
Figure BDA0002359214090000048
且
Figure BDA0002359214090000049
或
Figure BDA00023592140900000410
且
Figure BDA00023592140900000411
且
Figure BDA00023592140900000412
或
Figure BDA00023592140900000413
且
Figure BDA00023592140900000414
且
Figure BDA00023592140900000415
立即报警。
一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警系统，包括流动站、高精度测绘设备、卫星高精度定位装置、计算机；
流动站，设于建筑物上选择反映结构变形特征的位置上；
高精度测绘设备，用于对流动站实时监测，通过卫星高精度定位装置获取相关的测量数据；
计算机，用于通过算法最终计算出稳定的mm级精度的监测点坐标。
本发明的进一步改进在于，对流动站实时监测的高精度测绘设备包括，震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪。
本发明的进一步改进在于，计算机中的算法，通过利用震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪监测出的实时环境数据，过滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法、系统，至少实现了如下的有益效果：
1、监测期间内，每1秒钟就获取坐标，并对输出数据进行波动性分析，即利用震动监测仪和光电测距仪等设备提供的数据过滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动，用筛选后的数值的平均值来表示相应时段监测点坐标。
3高精度定位监测系统所获数据通过一定算法后预警，系统触发自动全站仪等监测设备对基坑位移和沉降进行监测，将数据传输至计算机与北斗高精度定位系统的数据进行比对后，判断是否报警，此过程为全自动，无需人力现场监测，降低了运营成本。
4、利用定位系统中的电子气泡装置核验建筑物变形，是因为施工过程中可能引发震动，促使震动检测仪器输出的加速度大于允许值，而电子气泡装置可以检验建筑物是否发生变形，判断震动加速度过大产生的原因。
5、过滤后数据的平均值引起的超标状况，启动自动全站仪、光电测距仪等复核验算，输出实测数据进行平差计算，大大降低了实测情况下的系统误差。
当然，实施本发明的任一产品并不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
具体实施方式
现详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
实施例1，
一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法，具体步骤为：
1)在建筑物周边选择观测条件好的地方作为基准点，在建筑物上选择反映结构变形特征的位置设置流动站，结合北斗/GNSS高精度定位系统形成监测网络；
2)高精度测绘设备对流动站实时监测，获取相关的测量数据；
3)卫星高精度定位装置接收数据；
4)通过算法判别监测点是否保持稳定，并进行预警；
5)滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动，最终计算出稳定的mm级精度的监测点坐标。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤4)中，在计算机中利用GNSS算法，再经短基线解算、坐标转换，形成监测点坐标，利用震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪设备监测出的实时环境数据。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，步骤4)中，北斗/GNSS高精度定位系统每1秒获取一次流动站坐标，在施工期，每间隔1小时输出一次原始数据；在运维期，每1秒获取一次流动站坐标，每6个小时输出一次原始数据，通过算法，过滤掉波动超过3mm的数值，导出过滤后的相邻时段的平均值差值超过5mm，即刻发出警报。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，
步骤(4)中，在施工期，
第a小时输出的数据为
Figure BDA0002359214090000061
即(xa0,1,xa0,2,……,xa0,3600)＝{Xa0}、(ya0,1,ya0,2,……,ya0,3600)＝{Ya0}、(za0,1,za0,2,……,za0,3600)＝{Za0}，其中(x,y)表示流动站的水平坐标，(z)表示流动站的垂直坐标；
①若存在坐标点(xa0,i,ya0,i,za0,i)、(xa0,(i-1),ya0,(i-1),za0,(i-1))使得|xa0,i-xa0,(i-1)|≥1cm或|ya0,i-ya0,(i-1)|≥1cm或|za0,i-za0,(i-1)|≥1cm，启用光电测距仪测量该点的坐标(x测,i,y测,i,z测,i)，x测,i-xa0,i＜1mm或y测,i-ya0,i＜1mm或z测,i-za0,i＜1mm立即报警；
若不存在坐标点(xa0,i,ya0,i,za0,i)、(xa0,(i-1),ya0,(i-1),za0,(i-1))使得|xa0,i-xa0,(i-1)|≥1mm或|ya0,i-ya0,(i-1)|≥1mm或|za0,i-za0,(i-1)|≥1mm，则算法继续；
②
Figure BDA0002359214090000062
Figure BDA0002359214090000063
若建筑物监测点旁的振动监测仪输出时段内最大加速度a≥0.556mm/h2，则检查预埋在监测点旁的卫星定位设备中的电子气泡装置，若气泡未居中，则立即报警；若气泡居中，表示加速度受施工影响，而非建筑物自身形变，无需报警；
若振动监测仪输出相应时段最大加速度a＜0.556mm/h2，表明环境的变化对流动站位移的影响较小，可认为1小时内数据的波动是由环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的，因此算法继续；
因本发明的高精度定位系统可达mm级别的精度，所以系统误差的结果也应该在±1mm以内，即：
若存在xa0,m或ya0,n或za0,t，
Figure BDA0002359214090000064
或
Figure BDA0002359214090000065
或
Figure BDA0002359214090000071
则将(xa0,m，ya0,m，za0,m)、(xa0,n，ya0,n，za0,n)、(xa0,t，ya0,t，za0,t)从数列{Xa0，Ya0，Za0}中移除，即
Figure BDA0002359214090000072
③任意1小时数据过滤后的平均值：
Figure BDA0002359214090000073
Figure BDA0002359214090000074
则
Figure BDA0002359214090000075
若存在
Figure BDA0002359214090000076
或
Figure BDA0002359214090000077
或
Figure BDA0002359214090000078
则启动光电测距仪、自动全站仪等设备复核坐标，实测坐标(xc0,k,yc0,k,zc0,k)，将实测数据进行平差计算得(xc,k,yc,k,zc,k)
若
Figure BDA0002359214090000079
或
Figure BDA00023592140900000710
或
Figure BDA00023592140900000711
则提取震动监测仪对应时段的加速度判断是否报警，
若a≥0.556mm/h2，则立即报警；
若a＜0.556mm/h2，则表明当前时段的变形超过允许值是受施工短暂影响，而非建筑物的本身变形，因此无需报警；
若
Figure BDA00023592140900000712
且
Figure BDA00023592140900000713
且
Figure BDA00023592140900000714
表明当前时段的变形过大是受施工环境短暂影响，而非建筑物自身变形，因此无需报警；
④计算机解算，连续输出坐标数据的平均值为：
Figure BDA00023592140900000715
计算连续6小时内平均位移的均值：
Figure BDA00023592140900000716
Figure BDA00023592140900000717
Figure BDA0002359214090000081
Figure BDA0002359214090000082
Figure BDA0002359214090000083
Figure BDA0002359214090000084
……………………
Figure BDA0002359214090000085
Figure BDA0002359214090000086
Figure BDA0002359214090000087
若存在
Figure BDA0002359214090000088
且
Figure BDA0002359214090000089
且
Figure BDA00023592140900000810
或
Figure BDA00023592140900000811
且
Figure BDA00023592140900000812
且
Figure BDA00023592140900000813
或
Figure BDA00023592140900000814
且
Figure BDA00023592140900000815
且
Figure BDA00023592140900000816
立即报警。
实施例2，
一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警系统，包括流动站、高精度测绘设备、卫星高精度定位装置、计算机；
流动站，设于建筑物上选择反映结构变形特征的位置上；
高精度测绘设备，用于对流动站实时监测，通过卫星高精度定位装置获取相关的测量数据；
计算机，用于通过算法最终计算出稳定的mm级精度的监测点坐标。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，对流动站实时监测的高精度测绘设备包括，震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪。
为了进一步解释本实施例，需要说明的是，计算机中的算法，通过利用震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪监测出的实时环境数据，过滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动。
通过上述实施例可知，本发明提供的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法、系统，至少实现了如下的有益效果：
1、监测期间内，每1秒钟就获取坐标，并对输出数据进行波动性分析，即利用震动监测仪和光电测距仪等设备提供的数据过滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动，用筛选后的数值的平均值来表示相应时段监测点坐标。
3高精度定位监测系统所获数据通过一定算法后预警，系统触发自动全站仪等监测设备对基坑位移和沉降进行监测，将数据传输至计算机与北斗高精度定位系统的数据进行比对后，判断是否报警，此过程为全自动，无需人力现场监测，降低了运营成本。
4、利用定位系统中的电子气泡装置核验建筑物变形，是因为施工过程中可能引发震动，促使震动检测仪器输出的加速度大于允许值，而电子气泡装置可以检验建筑物是否发生变形，判断震动加速度过大产生的原因。
5、过滤后数据的平均值引起的超标状况，启动自动全站仪、光电测距仪等复核验算，输出实测数据进行平差计算，大大降低了实测情况下的系统误差。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法，其特征在于，具体步骤为：
1)在建筑物周边选择观测条件好的地方作为基准点，在建筑物上选择反映结构变形特征的位置设置流动站，结合北斗/GNSS高精度定位系统形成监测网络；
2)高精度测绘设备对所述流动站实时监测，获取相关的测量数据；
3)卫星高精度定位装置接收数据；
4)通过算法判别监测点是否保持稳定，并进行预警；
5)滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动，最终计算出稳定的mm级精度的监测点坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法，其特征在于，所述步骤4)中，在计算机中利用GNSS算法，再经短基线解算、坐标转换，形成监测点坐标，利用震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪设备监测出的实时环境数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法，其特征在于，所述步骤4)中，北斗/GNSS高精度定位系统每1秒获取一次流动站坐标，在施工期，每间隔1小时输出一次原始数据；在运维期，每1秒获取一次流动站坐标，每6个小时输出一次原始数据，通过算法，过滤掉波动超过3mm的数值，导出过滤后的相邻时段的平均值差值超过5mm，即刻发出警报。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警方法，其特征在于，
步骤(4)中，在施工期，
第a小时输出的数据为
Figure FDA0002359214080000011
即(xa0,1,xa0,2,……,xa0,3600)＝{Xa0}、(ya0,1,ya0,2,……,ya0,3600)＝{Ya0}、(za0,1,za0,2,……,za0,3600)＝{Za0}，其中(x,y)表示流动站的水平坐标，(z)表示流动站的垂直坐标；
①若存在坐标点(xa0,i,ya0,i,za0,i)、(xa0,(i-1),ya0,(i-1),za0,(i-1))使得|xa0,i-xa0,(i-1)|≥1cm或|ya0,i-ya0,(i-1)|≥1cm或|za0,i-za0,(i-1)|≥1cm，启用光电测距仪测量该点的坐标(x测,i,y测,i,z测,i)，x测,i-xa0,i＜1mm或y测,i-ya0,i＜1mm或z测,i-za0,i＜1mm立即报警；
若不存在坐标点(xa0,i,ya0,i,za0,i)、(xa0,(i-1),ya0,(i-1),za0,(i-1))使得|xa0,i-xa0,(i-1)|≥1mm或|ya0,i-ya0,(i-1)|≥1mm或|za0,i-za0,(i-1)|≥1mm，则算法继续；
②
Figure FDA0002359214080000021
Figure FDA0002359214080000022
若建筑物监测点旁的振动监测仪输出时段内最大加速度a≥0.556mm/h2，则检查预埋在监测点旁的卫星定位设备中的电子气泡装置，若气泡未居中，则立即报警；若气泡居中，表示加速度受施工影响，而非建筑物自身形变，无需报警；
若振动监测仪输出相应时段最大加速度a＜0.556mm/h2，算法继续；
因本发明的高精度定位系统可达mm级别的精度，所以系统误差的结果也应该在±1mm以内，即：
若存在xa0,m或ya0,n或za0,t，
Figure FDA0002359214080000023
或
Figure FDA0002359214080000024
或
Figure FDA0002359214080000025
则将(xa0,m，ya0,m，za0,m)、(xa0,n，ya0,n，za0,n)、(xa0,t，ya0,t，za0,t)从数列{Xa0，Ya0，Za0}中移除，即
Figure FDA0002359214080000026
③任意1小时数据过滤后的平均值：
Figure FDA0002359214080000027
Figure FDA0002359214080000028
则
Figure FDA0002359214080000029
若存在
Figure FDA00023592140800000210
或
Figure FDA00023592140800000211
或
Figure FDA00023592140800000212
则启动光电测距仪、自动全站仪等设备复核坐标，实测坐标(xc0,k,yc0,k,zc0,k)，将实测数据进行平差计算得(xc,k,yc,k,zc,k)
若
Figure FDA00023592140800000213
或
Figure FDA00023592140800000214
或
Figure FDA00023592140800000215
则提取震动监测仪对应时段的加速度判断是否报警，
若a≥0.556mm/h2，则立即报警；
若a＜0.556mm/h2，无需报警；
若
Figure FDA0002359214080000031
且
Figure FDA0002359214080000032
且
Figure FDA0002359214080000033
因此无需报警；
④计算机解算，连续输出坐标数据的平均值为：
Figure FDA0002359214080000034
计算连续6小时内平均位移的均值：
Figure FDA0002359214080000035
Figure FDA0002359214080000036
Figure FDA0002359214080000037
Figure FDA0002359214080000038
Figure FDA0002359214080000039
Figure FDA00023592140800000310
……………………
Figure FDA00023592140800000311
Figure FDA00023592140800000312
Figure FDA00023592140800000313
若存在
Figure FDA00023592140800000314
且
Figure FDA00023592140800000315
且
Figure FDA00023592140800000316
或
Figure FDA00023592140800000317
且
Figure FDA00023592140800000318
且
Figure FDA00023592140800000319
或
Figure FDA00023592140800000320
且
Figure FDA00023592140800000321
且
Figure FDA00023592140800000322
立即报警。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警系统，其特征在于，包括流动站、高精度测绘设备、卫星高精度定位装置、计算机；
所述流动站，设于建筑物上选择反映结构变形特征的位置上；
所述高精度测绘设备，用于对流动站实时监测，通过所述卫星高精度定位装置获取相关的测量数据；
所述计算机，用于通过算法最终计算出稳定的mm级精度的监测点坐标。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警系统，其特征在于，
对流动站实时监测的所述高精度测绘设备包括，震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪。
7.根据权利要求6所述的一种基于北斗/GNSS高精度定位的建筑物变形监测预警系统，其特征在于，
所述计算机中的算法，通过利用所述震动监测仪、光电测距仪和自动全站仪监测出的实时环境数据，过滤掉环境震动和电离层延迟、对流层延迟以及多路径效应引起的数据波动。
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