CN111945531A - 道路变形监测方法及系统 - Google Patents

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王伟才
彭成山
郑春来
肖国磊
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Abstract

本发明涉及一种道路变形监测方法及系统，属于地表沉降面监测技术领域，包括：全站仪对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，其中，格网数据包括坐标和高差；全站仪对各格网交点的格网数据进行预处理，得到各格网交点当前的高差之差；全站仪将各格网交点当前的高差之差与各格网交点在上一时间段的高差之差相减，得到原始数据；全站仪向监测终端输出原始数据；监测终端利用克里金插值法对原始数据进行DEM建模，建立三维模型；监测终端向三维模型输入预设坐标，输出预设坐标对应的高差。本发明能够对运营道路形变进行无损、自动化监测。

Description

道路变形监测方法及系统
技术领域
本发明涉及地表沉降面监测技术领域，尤其是涉及一种道路变形监测方法方法及系统。
背景技术
运营道路，如高速公路、城市干线、城际干线、公路隧道以及机场跑道、滑行道等，在长期使用中由于自然环境或人为环境(例如施工)的影响，对道路本身造成一定影响，使得路面发生变形，直接影响交通运行畅通及行车安全，甚至造成人员伤亡，也会对相关地面建筑造成不良影响。因此，需要对运营中的道路进行地表变形监测预警。
目前，现有的常规监测方法需在测区设置监测点，对路面会造成轻微的破坏，在如机场跑道、滑行道这样的道面则不具备设置条件，且不能实现自动化监测。
发明内容
本发明目的一是提供一种道路变形监测方法，能够对运营道路形变进行无损、自动化监测。
本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：
一种道路变形监测方法，包括：
全站仪对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，其中，所述格网数据包括坐标和高差；
所述全站仪计算各格网交点当前的高差之差；
所述全站仪将所述各格网交点当前的高差之差与所述各格网交点在上一次的高差之差相减，得到原始数据；
所述全站仪向监测终端输出所述原始数据；
所述监测终端利用狄洛尼三角形法或者克里金插值法对所述原始数据进行DEM建模，建立三维模型；
所述监测终端向所述三维模型输入预设坐标，输出所述预设坐标对应的高差，即为所述预设坐标的变形量。
通过采用上述技术方案，引入地形分析的方法，结合自动无损监测技术的应用，对获取的监测数据进行建模，通过插值的方法输出描述更为清晰的沉降数据，实现对运营道路形变进行无损、自动化的监测，提高路面沉降的监测精度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述全站仪对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，包括：
通过测定多个区域控制点的三维坐标以确定所述待监测区域；
将所述待监测区域按设定值划分为格网；
根据所述区域控制点，正反算计算出各格网交点的三维坐标；
计算测站点与每个格网交点的水平角和竖直角，根据每个格网交点的水平角和竖直角自动旋转到该角度上，使用免棱镜测量所述测站点到各格网交点的距离，通过测得的距离，计算出各格网交点当前的高程。
通过采用上述技术方案，通过计算各格网交点当前的高程，可以使用其高程数据进行后续的步骤。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述全站仪计算各格网交点当前的高差之差，包括：
根据所述各格网交点的高程，计算各格网交点与所述测站点之间的高差；
在所述格网外设置基准点，计算基准点与所述测站点之间的高差；
将所述各格网交点与所述测站点之间的高差减去所述基准点与所述测站点之间的高差，得到各格网交点当前的高差之差。
通过采用上述技术方案，通过基准点的设置可以减小测量误差，提高原始数据的精度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括：所述全站仪对所述各格网交点的格网数据进行大气改正、测站水平位移修正和测站垂直位移修正。
通过采用上述技术方案，通过大气改正、测站位移修正这些方式对格网数据进行预处理，以减小或消除误差，提高全站仪的测量精度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述大气改正的公式为：
Figure BDA0002613917260000031
式中，Δd为大气改正，p为气压，t为气温，h为相对湿度，a为1/273.15，x＝(7.5*t/(237.3+t))+0.7857。
通过采用上述技术方案，根据温度、气压、湿度这些导致大气折光影响激光测距精度的参数设计大气改正公式，可以提高全站仪自动化监测精度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述全站仪对所述各格网交点的格网数据进行测站水平位移修正，包括：采用后方交会法设置所述测站点的坐标，并当所述测站点坐标与上一次坐标的较差超过阀值时，采用新的测站点坐标计算到各格网交点的水平角和垂直角。
通过采用上述技术方案，通过后方交会法可以帮助观察测站点是否发生水平位移，解决测站点水平位移的问题。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在所述监测终端向所述三维模型输入预设坐标，输出所述预设坐标对应的高差，即为所述预设坐标的变形量之后，还包括：
提取任一沉降槽断面上的变形量，即沉降值，计算所述沉降槽断面面积，再计算沉降槽体积。
通过采用上述技术方案，通过计算沉降槽的面积与体积可以使监测人员能够更直观的监测沉降量。
本发明目的二是提供一种道路变形监测系统，能够对运营道路形变进行无损、自动化监测。
本发明的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：
一种道路变形监测系统，包括：全站仪和监测终端；其中，
所述全站仪包括：
第一计算模块，用于对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，其中，所述格网数据包括坐标和高差；
第二计算模块，用于计算各格网交点当前的高差之差；
第三计算模块，用于将所述各格网交点当前的高差之差与所述各格网交点在上一次的高差之差相减，得到原始数据；以及，
第一输出模块，用于所述全站仪向监测终端输出所述原始数据；
所述监测终端包括：
建模模块，用于利用狄洛尼三角形法或者克里金插值法对所述原始数据进行DEM建模，建立三维模型；以及，
第二输出模块，用于向所述三维模型输入预设坐标，输出所述预设坐标对应的高差，即为所述预设坐标的变形量。
通过采用上述技术方案，引入地形分析，结合自动无损监测技术的应用，对获取的监测数据进行建模，通过插值的方法输出描述更为清晰的沉降数据，实现对运营道路形变进行无损、自动化的监测，提高路面沉降的监测精度。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.引入地形分析的方法，结合自动无损监测技术的应用，对获取的监测数据进行建模，通过插值的方法输出描述更为清晰的沉降数据，实现对运营道路形变进行无损、自动化的监测，提高路面沉降的监测精度；
2.通过计算沉降槽的面积与体积可以使监测人员能够更直观的监测沉降量。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种道路变形监测方法的流程示意图。
图2是梯形法面积计算曲线图。
图3是本发明实施例二提供的一种道路变形监测系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例一
本实施例提供一种道路变形监测方法，如图1所示，该方法的主要流程描述如下(步骤S101～S106)：
步骤S101：全站仪对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，其中，格网数据包括坐标和高差。
通过测定多个区域控制点的三维坐标以确定所述待监测区域；
将待监测区域按设定值划分为格网；
根据区域控制点，正反算计算出各格网交点的三维坐标；
计算测站点与每个格网交点的水平角和竖直角，根据每个格网交点的水平角和竖直角自动旋转到该角度上，使用免棱镜测量所述测站点到各格网交点的距离，通过测得的距离，计算出各格网交点当前的高程。
具体的，将自动全站仪安装后，接通电源，选取4个区域控制点，相邻两点两两连接，确定长边和短边等分点个数，并获得测站点坐标及4个区域控制点坐标，通过计算长边和短边的等分点坐标，分别计算控制区域内的待测电坐标值，根据各点坐标和测站点坐标，得到全站仪的水平放向角和垂直角；自动全站仪获得水平放向角和垂直角后，通过自动马达将照准轴旋转到该角度上，测得测站点到格网交点之间的距离S及垂直角α，计算得到两点在同一平面上的最短距离D＝S·COSα，最后通过公式H＝D·tgα得到测站点到各格网之间的高差H。经过上述方法反复测试，获取各格网当前的数据，通过剔除粗差、取平均数方法来得到满足要求的数据。
步骤S102：所述全站仪计算各格网交点当前的高差之差。
具体的，其中计算高差之差之前还应进行大气改正和观测站位移修正，以下分别对大气改正和观测站位移修正进行说明。
对激光测距的大气改正自动化监测系统是不间断运行的，昼夜的温度、气压、湿度变化明显，这是导致大气折光影响变化量精度的主要原因。大气折光对可见红光激光的影响根据以下公式(1)进行改正：
Figure BDA0002613917260000051
其中，Δd大气改正(ppm)；p气压(mbar)；t气温(度)；h相对湿度(％)；a1/273.15；x，(7.5*t/(237.3+t))+0.7857。
对折射光系数的测定在同等观测条件的飞盾构影响区域，布置监测点。在同一时间内分别测得站点与测试处的温度、气压、湿度及各点的三角高长，在使用精密的水准仪对同样的检测点进行测量，根据三角高程的折光系数计算公式(2),得到大气改正后的数据。
Figure BDA0002613917260000061
对于观测站位移修正，主要是水平位移修正和垂直位移修正。
水平位移修正具体为：使用后方交会法设定全站仪下方的测站点坐标值与上一次的测站点坐标值之间的差超过提前设定的阈值后，就需要使用新的测站点坐标重新计算。
垂直位移修正具体为：在非变形区设置基准点，每次的测量循环测量对比基准点，将变形区域内点的测量结果与对比基准点进行比较，得到位移修正后的数据。
经过大气改正、测站位移修正之后，根据各格网交点的高程，计算各格网交点与测站点之间的高差；在格网外设置基准点，计算基准点与测站点之间的高差；将各格网交点与测站点之间的高差减去基准点与测站点之间的高差，得到各格网交点当前的高差之差。
步骤S103：全站仪将所述各格网交点当前的高差之差与各格网交点在上一时间段的高差之差相减，得到原始数据。
步骤S104：全站仪向监测终端输出所述原始数据。
具体的，全站仪将获取到的数据通过无线传输模块内的串口通讯方式，采用点对点的无线传输方式，全站仪将测得数据存贮在仪器存贮卡上并同时输出到RS232串口，STR-15USB无线数传收发器从RS232端口取出数据，再通过民用频段发送至接收端；接收端获取传送文本通过USB(可虚拟为COM口)接口进入监测终端。
步骤S105：监测终端利用狄洛尼三角形法或者克里金插值法对所述原始数据进行DEM建模，建立三维模型。
具体的，将数据库内存储的数据提取到MATLAB建模软件中，并使用狄洛尼和克里金建模法建立三维模型。
其中克里金建模具体为：将原始数据进行网格化；高程内插采用已知高程点的高程，根据给定的数学模型对待定点高程求解。
设定给定点为P(xp,yp)，建立初步三维模型，设置隔网分辨率为gx，gy，P点所在格网列号(i，j)，通过公式(3)计算：
Figure BDA0002613917260000071
设P点所在格网(i，j)的4个顶点1、2、3、4的坐标分别为(x1,y1,H1)、(x2,y2,H2)、(x3,y3,H3)、(x4,y4,H4)；
用线性内插将格网单元分成两个三角形；
确定P点所归属的三角形；
计算P点高程；
再对插值后的数据进建模。
步骤S106：所述监测终端向所述三维模型输入预设坐标，输出所述预设坐标对应的高差，即为所述预设坐标的变形量。
具体的，通过将需要获取坐标的N,E值输入进模型内通过插值计算，可以输出与N,E为同一个坐标的Z值，所述Z值即为变形量。
输出变形量后还包括：计算所述沉降槽断面面积，再计算沉降槽体积，
其中计算断面面积具体为：
依定积分
Figure BDA0002613917260000072
的数值等于以曲线y＝f(x)，直线x＝a,x＝b及x轴所围曲边梯形。若将区间[a,b]以分点a＝x0,x1,...,xn＝b，分成n个相等的小区间，每个小区间的长度
Figure BDA0002613917260000073
则可得到n个小梯形。
如图2所示，设yi＝f(xi)，则第i个小梯形面积为
Figure BDA0002613917260000081
则I近似等于n个小梯形之和，即：
Figure BDA0002613917260000082
当f(x)在[a,b]上存在二阶导数时，设
Figure BDA0002613917260000083
则用梯形公式计算的误差不超过
Figure BDA0002613917260000084
由此可知，当n越大，则误差越小。
实施例二
为了更好地实施以上方法，本发明实施例提供了一种道路变形监测系统。如图3所示，该道路变形监测系统包括全站仪和监测终端，监测终端可以为手机、平板电脑、台式电脑、服务器等设备。
其中，全站仪20包括：
第一计算模块201，用于对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，其中，格网数据包括坐标和高差；
第二计算模块202，用于计算各格网交点当前的高差之差；
第三计算模块203，用于将各格网交点当前的高差之差与各格网交点在上一次的高差之差相减，得到原始数据；以及，
第一输出模块204，用于全站仪向监测终端输出原始数据；
所述监测终端30包括：
建模模块301，用于利用狄洛尼三角形法或者克里金插值法对原始数据进行DEM建模，建立三维模型；以及，
第二输出模块302，用于向三维模型输入预设坐标，输出预设坐标对应的高差，即为预设坐标的变形量。
可选的，第一计算模块201，具体用于测定区域控制点的三维点坐标以此确定待监测区域；将待监测区域按设定值划分格网，根据区域控制点，计算出格网交点的三维点坐标；计算站点与格网交点的水平角和竖直角，将全站仪自动旋转到该角度上，使用免棱镜测量测站点到各格网交点的距离，计算格网交点当前的高程。
可选的，第二计算模块202，具体用于根据格网点高程计算格网到测站点之间的高差；在格网外设置基准点，计算基准点与测站点之间的高差；将格网交点与测站点之间的高差减去基准点与测站点之间的高差，得到格网点当前的高差之差。
可选的，还包括预处理模块，用于对各格网交点的格网数据进行大气改正、测站水平位移修正和测站垂直位移修正。
可选的，还包括第四计算模块，用于提取任一沉降槽断面上的变形量，计算沉降槽断面的面积，计算沉降槽体积。
实施例一提供的方法中的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的道路变形监测系统通过前述对道路变形监测方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中的道路变形监测系统的实施方法，为了说明书的简洁，在此不再详述。
本发明具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种道路变形监测方法，其特征在于，包括：
全站仪对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，其中，所述格网数据包括坐标和高差；
所述全站仪计算各格网交点当前的高差之差；
所述全站仪将所述各格网交点当前的高差之差与所述各格网交点在上一次的高差之差相减，得到原始数据；
所述全站仪向监测终端输出所述原始数据；
所述监测终端利用狄洛尼三角形法或者克里金插值法对所述原始数据进行DEM建模，建立三维模型；
所述监测终端向所述三维模型输入预设坐标，输出所述预设坐标对应的高差，即为所述预设坐标的变形量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全站仪对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，包括：
通过测定多个区域控制点的三维坐标以确定所述待监测区域；
将所述待监测区域按设定值划分为格网；
根据所述区域控制点，正反算计算出各格网交点的三维坐标；
计算测站点与每个格网交点的水平角和竖直角，根据每个格网交点的水平角和竖直角自动旋转到该角度上，使用免棱镜测量所述测站点到各格网交点的距离，通过测得的距离，计算出各格网交点当前的高程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述全站仪计算各格网交点当前的高差之差，包括：
根据所述各格网交点的高程，计算各格网交点与所述测站点之间的高差；
在所述格网外设置基准点，计算基准点与所述测站点之间的高差；
将所述各格网交点与所述测站点之间的高差减去所述基准点与所述测站点之间的高差，得到各格网交点当前的高差之差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述全站仪对所述各格网交点的格网数据进行大气改正、测站水平位移修正和测站垂直位移修正。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述大气改正的公式为：
Figure FDA0002613917250000021
式中，Δd为大气改正，p为气压，t为气温，h为相对湿度，a为1/273.15，x＝(7.5*t/(237.3+t))+0.7857。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述全站仪对所述各格网交点的格网数据进行测站水平位移修正，包括：
采用后方交会法设置所述测站点的坐标，并当所述测站点坐标与上一次坐标的较差超过阀值时，采用新的测站点坐标计算得到各格网交点的水平角和垂直角。
7.根据权利要求1述的方法，其特征在于，在所述监测终端向所述三维模型输入预设坐标，输出所述预设坐标对应的高差，即为所述预设坐标的变形量之后，还包括：
提取任一沉降槽断面上的变形量，即沉降值，计算所述沉降槽断面面积，再计算沉降槽体积。
8.一种道路变形监测系统，其特征在于，包括全站仪和监测终端；其中，
所述全站仪包括：
第一计算模块，用于对待监测区域自动划分格网并计算各格网交点当前的格网数据，其中，所述格网数据包括坐标和高差；
第二计算模块，用于计算各格网交点当前的高差之差；
第三计算模块，用于将所述各格网交点当前的高差之差与所述各格网交点在上一次的高差之差相减，得到原始数据；以及，
第一输出模块，用于所述全站仪向监测终端输出所述原始数据；
所述监测终端包括：
建模模块，用于利用狄洛尼三角形法或者克里金插值法对所述原始数据进行DEM建模，建立三维模型；以及，
第二输出模块，用于向所述三维模型输入预设坐标，输出所述预设坐标对应的高差，即为所述预设坐标的变形量。
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