CN113503865B - 一种三维控制网建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维控制网技术领域，具体涉及一种三维控制网建立方法。该方法首先在某一测量墩设站，并测量全站仪的仪器高，借助于球棱镜和精密棱镜在全站仪坐标系下的坐标确定其他测量墩上固定的球棱镜的高程；然后将全站仪移至其他测量墩处，以计算得到所有测量墩处的全站仪相对于仪器高高程起算面的仪器高、以及所有测量墩处的球棱镜相对于仪器高高程起算面的球棱镜高；进而可得到任意两个测量墩的高差用于建立三维控制网。本发明只需在首次架设全站仪时人工量取一次仪器高，后续测量时无需再测量棱镜高和仪器高，最大限度地减少了人为因素对观测数据质量的影响，保证了高程控制网观测数据的稳定性和可靠性，进而保证了建立的三维控制网的精度。

Description

一种三维控制网建立方法

技术领域

本发明属于三维控制网技术领域，具体涉及一种三维控制网建立方法。

背景技术

工程建设中，常常需要测定一系列点的平面位置和高程，建立工程控制网。控制网是工程施工放样、竣工测量和变形监测等的测量依据，同时具有控制全局、限制误差积累的作用，故控制网的测量精度一般要求较高。为了保证控制网的精度，往往需要分别建立平面控制网和高程控制网。

随着测量技术和测量仪器的发展，全站仪凭借其建立的平面控制网稳定可靠且测量精度高、操作简捷、作业灵活方便和数据处理的快速与准确等优势，在测绘领域得到了广泛应用。利用高精度全站仪直接建立精密三维控制网，取代传统的将平面控制网和高程控制网分开构建模式已成为可能。但是，用全站仪进行三角高程观测时，需要人工量取仪器高和棱镜高，人工量高的精度在毫米级，不能满足精密三角高程测量的精度要求，进而使得建立的三维控制网精度不高。

发明内容

本发明提供了一种三维控制网建立方法，用以解决采用全站仪进行三角高程观测时需要人工量取仪器高和棱镜高使建立的高程控制网精度低进而使建立的三维控制网精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所包括的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：

本发明提供了一种三维控制网建立方法，包括如下步骤：

1)在测量墩i处架设全站仪和球棱镜，在测量墩j处架设球棱镜和精密棱镜；测量全站仪的仪器高t_i，用全站仪观测处于测量墩j处的球棱镜，得到全站仪中心至测量墩j处的球棱镜的斜距d_ij和垂直角β_ij；根据全站仪的仪器高t_i、全站仪中心至测量墩j处的球棱镜的斜距d_ij和垂直角β_ij，计算得到测量墩j处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_j；i＝1,2,…,或n，j＝1,2,…,n且j≠i，n为测量墩总个数，n≥3；

2)将全站仪移至测量墩j处，用全站仪观测处于测量墩m处的球棱镜，得到全站仪中心分别至测量墩m处的球棱镜的斜距d_jm和垂直角β_jm，计算得到测量墩j处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高t_j、以及测量墩i处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_i；m≠j；从而得到了所有测量墩处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高、以及所有测量墩处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高；

3)根据测量得到的全站仪在测量墩x处设站、照准点为测量墩y时的参数，计算测量墩x和测量墩y两点高差h_xy；所述参数包括测量墩x处的全站仪中心至测量墩y处的精密棱镜的斜距D_xy和垂直角α_xy、测量墩x处全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高t_x、测量墩x处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_x、以及测量墩x处的全站仪中心至测量墩y处的球棱镜的斜距d_xy和垂直角β_xy；x＝1,2,…,n，y＝1,2,…,n；

4)利用得到的任意两个测量墩的高差建立高程控制网，并利用建立的高程控制网建立三维控制网。

上述技术方案的有益效果为：本发明在建立三维控制网时，只需在首次架设全站仪时人工量取一次仪器高，然后借助于球棱镜和精密棱镜在全站仪坐标系下的坐标便可将测量墩上固定的球棱镜的高程确定下来，进而也可将仪器高确定下来，后续测量时无需再测量棱镜高和仪器高，最大限度地减少了人为因素对观测数据质量的影响，保证了高程控制网观测数据的稳定性和可靠性，进而保证了建立的三维控制网的精度、稳定性和可靠性，可建立一种亚毫米级精度的短边全站仪三维控制网。

进一步的，步骤1)中，计算得到的测量墩j处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_j为：

v_j＝t_i+z_ij

z_ij＝d_ij cosβ_ij

其中，z_ij为测量墩j处的球棱镜在测量墩i处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量。

进一步的，为了准确计算得到t_j，步骤2)中，m＝1,2,…,n，计算得到的测量墩i处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高t_j为：

z_jm＝d_jm cosβ_jm

其中，v_m为测量墩m处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高，z_jm为测量墩m处的球棱镜在测量墩j处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量。

进一步的，测量墩i处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_i为：

v_i＝t₂+z_2i

z_2l＝d_2l cosβ_2l

其中，v_l为测量墩l处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高，z_2l为测量墩l处的球棱镜在测量墩2处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量，t₂为测量墩2处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高，d_2l和β_2l分别为测量墩2处的全站仪中心至测量墩l处的球棱镜的斜距和垂直角。

进一步的，步骤3)中，所述测量墩x和测量墩y两点高差h_xy为：

h_xy＝D_xy cosα_xy+T_x-V_xy

T_x＝t_x-v_x

V_xy＝Z_xy-z_xy

Z_xy＝D_xy cosα_xy

z_xy＝d_xy cosβ_xy

其中，T_x为相对于测量墩x处球棱镜球心所在水平面的仪器高，V_xy为相对于测量墩y处球棱镜球心所在水平面的测量墩y处精密棱镜高程，z_xy为测量墩y处的球棱镜在测量墩x处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量，Z_xy为测量墩y处的精密棱镜在测量墩x处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量。

进一步的，为了准确测量仪器高，步骤1)中，用钢尺多次测量全站仪的仪器高，将多次测量结果的平均值作为全站仪的仪器高t_i，所述多次为至少两次。

进一步的，从不同方向多次测量全站仪的仪器高。

附图说明

图1是本发明的球棱镜靶座及强制对中装置示意图；

图2是本发明的本发明方法的原理示意图；

图3-1是本发明的工程控制网示意图；

图3-2是本发明的测量墩示意图；

图4是本发明的一测站观测示意图；

图5是本发明的全部测站观测网形图。

具体实施方式

首先，对三维控制网布设原理进行介绍。如图1所示，在三维控制网的各控制点处修建测量墩，并在测量墩上埋设强制对中装置。当全站仪或精密棱镜安置于强制对中装置时，能保证两者的平面坐标一致。同时，在测量墩表面边缘处粘贴球棱镜靶座用于安置球棱镜，当球棱镜安置于靶座上时，能保证球棱镜的球心位置不变。把每个测量墩上球棱镜球心位置的高程值保存为控制点高程坐标。也即，控制点的平面坐标由强制对中装置确定，而高程坐标由球棱镜球心确定。

其次，对本发明方法的基本构思进行介绍。具体为：只需在首次架设全站仪时人工量取一次仪器高，然后借助于球棱镜和精密棱镜在全站仪坐标系下的坐标便可将测量墩上固定的球棱镜的高程确定下来，进而也可将仪器高确定下来，后续测量时无需再测量棱镜高和仪器高。

下面结合附图和实施例，对本发明的三维控制网建立方法进行详细介绍。

方法实施例：

本实施例是由n个控制点组成的控制网，n最小为3，即本发明方法中至少需要三个控制点。如图2所示，具体过程如下：

步骤一，全站仪在测量墩i(本实施例中设置i＝1)处设站时，用钢尺从三个不同方向量取全站仪高，并取三次测量值的平均值作为测量墩1处全站仪的仪器高t₁。用全站仪观测处于测量墩j处的球棱镜和精密棱镜，测量得到测量墩1处全站仪中心至测量墩j处球棱镜中心的斜距d_1j和垂直角β_1j、以及测量墩1处全站仪中心至测量墩j处精密棱镜中心的斜距D_1j和垂直角α_1j，进而计算得到测量墩j(j＝1,2…n,j≠i)处的球棱镜和精密棱镜在测量墩1处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量分别为z_1j和Z_1j，分别为：

z_1j＝d_1j cosβ_1j (1)

Z_1j＝D_1j cosα_1j (2)

则在测量墩j(j＝1,2,…,n,j≠i)处的球棱镜相对于仪器高t₁高程起算面的球棱镜高为：

v_j＝t₁+z_1j (3)

此时，除测量墩1外的所有测量墩j(j＝1,2,…,n,j≠i)处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_j均可确定，即v₂,v₃,……,v_n均可确定。

则相对于球棱镜球心所在水平面的精密棱镜高程为：

V_1j＝Z_1j-z_1j (4)

步骤二，将全站仪搬站至测量墩2处设站，在其他测量墩m(m＝1,2…n,m≠2)处的球棱镜和精密棱镜在全站仪测量坐标系下的坐标Z分量分别为z_2m和Z_2m，则测量墩2处的全站仪相对于仪器高t₁高程起算面的仪器高t₂为：

其中，z_2l＝d_2l cosβ_2l，z_2l为测量墩l处的球棱镜在测量墩2处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量，d_2l和β_2l分别为测量墩2处的全站仪中心至测量墩l处的球棱镜的斜距和垂直角。

进一步可得测量墩1处的球棱镜相对于仪器高t₁高程起算面的球棱镜高为：

v₁＝t₂+z₂₁ (6)

在v₁也确定下来后，此时，所有测量墩处的球棱镜相对于仪器高t₁高程起算面的球棱镜高v_x(x＝1,2,…n)均可确定。当所有观测墩上相对于仪器高t₁高程起算面的球棱镜高v_x固定时，不失一般性，在测量墩j(j＝1,2…n,j≠i)处设站，其他测量墩m(m＝1,2,…n,m≠j)处安置棱镜，则反算的仪器高为：

其中，z_jm＝d_jmcosβ_jm，d_jm和β_jm分别为测量墩j处全站仪中心分别至测量墩m处的球棱镜的斜距和垂直角。

也就说是，该步骤中t₂,t₃,……,t_n均可确定。由于步骤一中t₁也已确定，故至此，所有测量墩处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高t_x(x＝1,2,…n)便可确定。

步骤三，在确定好所有测量墩处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高和所有测量墩处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高后，便可计算任意两个测量墩的两点高差。具体的：

针对全站仪在测量墩x处设站、照准点为测量墩y的情况，相对于测量墩x处球棱镜球心所在水平面的仪器高T_x为：

T_x＝t_x-v_x (x＝1,2,…n) (8)

其中，t_x为测量墩x处全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高，v_x为测量墩x处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高；

由三角高程测量原理可得测量墩x和y两点高差为：

h_xy＝D_xy cosα_xy+T_x-V_xy (9)

式中，D_xy、α_xy分别为测量墩x处的全站仪中心至测量墩y处的精密棱镜的斜距和垂直角，V_xy为相对于测量墩y处球棱镜球心所在水平面的测量墩y处精密棱镜高程，V_xy＝Z_xy-z_xy，Z_xy＝D_xy cosα_xy，z_xy＝d_xy cosβ_xy，z_xy为测量墩y处的球棱镜在测量墩x处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量，Z_xy为测量墩y处的精密棱镜在测量墩x处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量。

步骤四，利用步骤三得到的任意两个测量墩的高差建立高程控制网，并建立平面控制网，进而利用建立的高程控制网和平面控制网建立三维控制网。其中，平面控制网可采用现有技术中的平面控制网建立方法来建立。

综上，本发明把控制网中至少一个观测墩上的球棱镜球心为已知高程，依据上述公式计算出仪器高、棱镜高和点间高差值，通过高程网平差可得到所有观测墩上的球棱镜中心高程平差值。本发明只需量取一次仪器高，最大限度较少认为因素对观测数据质量的影响，保证了高程控制网观测数据的稳定性和可靠性，整体方案简单且有效，减少了三角高程测量中仪器高和棱镜高的测量误差。

下面将该方法应用于具体的实例中以说明本发明方法的有效性。

某项目要求三维控制网的精度为亚毫米级，且建立的工程控制网既要为后续被测目标的测量提供测量依据，又要为局部测量坐标系提供统一的坐标基准。在构建免测棱镜高的控制网时，综合考虑现场实际地形地质条件、测量过程中被测目标的分布情况以及后续测量实施的便捷，本次控制网网形设计为如图3-1所示的四边形。然后分别在J001、J002、J003和J004处按照规范修建稳定的带有强制对中装置的测量墩。为固定球棱镜的高程，并增加高程测量的可靠性，在J001、J002、J003和J004四个测量墩的上表面边缘分别粘贴两个球棱镜靶座，并依次标号为B1至B8，如图3-2所示。需需说明的是，一般精密棱镜不需要靶座，精密棱镜通过基座拧在对中墩的对中螺丝上。

测量仪器是采集外业数据的工具，其精度状况决定了控制网测量的精度。此次测量仪器选用为Leica MS50全站仪、GPH1P精密棱镜和1.5in防摔球棱镜。MS50全站仪具有ATR自动照准技术、WFD测距技术、图像测量技术以及点云扫描技术，其标称的测距精度为1mm+1.5mm/m，测角精度为1″。

测量实施参照《国家三角测量规范》(GB/T 17942—2000)和精密工程测量规范(GBT 15314-1994)等测量规范，按照三等控制网测量技术要求进行施测。为了比对本发明方法的结果，同时采用人工钢尺量高法和本发明方法获取三维控制网的测量数据，具体施测过程为：

1、在测量墩J001处架设MS50全站仪，在测量墩J002、J003和J004处架设精密棱镜。

2、在全站仪中输入测量时刻的温度、气压和湿度信息，并设置好相应的棱镜常数。

3、在仪器所在测量墩处用钢尺从三个不同方向量取仪器高，取三次量测值的平均值作为仪器高。在其它三个测量墩处用钢尺从三个不同方向量取棱镜高，取三次量测值的平均值作为棱镜高(目的是为了与本发明方法比对)。

4、把球棱镜分别设置于B3-B8基座上，用全站仪观测球棱镜和精密棱镜，以每个测量墩上的两个球棱镜Z坐标均值所在水平面为该测量墩处的高程起算面，观测图形见图4。

5、采用方向观测法对J002、J003和J004三个方向的水平方向进行6个测回的测量。

6、采用中丝法对J002、J003和J004三个方向的垂直角进行6个测回的测量。

7、分别测量J001到J002、J003和J004的斜距，每段斜距测量3个测回。

8、把全站仪依次搬至J002、J003和J004测量墩处，当采用钢尺量高法时重复步骤1-7，采用本发明的方法时只需重复步骤2、4-7。

完成控制网测量数据采集的所有测站观测网网形如图5所示。

水平方向观测时要求半测回归零差小于5″，一测回2C互差小于9″，化归同一起始方向后，同一方向值各测回互差小于6″。垂直角观测时同一方向的各测回水平角限差为10″，一测回各方向的指标差互差限差为15″。为保证控制网测量数据的精度和可靠性，当观测数据超过相应的限差规定时，须按照相关测量规范补测或重测。

使用清华三维nasew2003软件处理全站仪控制网测量数据。进行网平差时，先进行平面网平差，再进行高程网平差。平面控制网计算方案中，平差方法选择周江文法，迭代次数设置为1000，固定误差设为0.001m，比例误差设置为2ppm，方向误差设置为1"。高程控制网计算方案中，平差方法选择周江文法，迭代次数设置为1000，直接高差设为0.001m，间接高差设为0.003m。把J004点的坐标设为(0,0,0)并作为已知值，把由GPS观测得到的J004-J002方向的大地方位角作为已知方位角。设置好计算方案相关参数后，先进行控制网数据的整体概算再进行网平差。

为了比较本发明方法和原有钢尺量高法的差异，使用相同的水平方向、垂直角和距离观测值，但是仪器高和棱镜高分别使用本发明方法和钢尺量高法获取的数据。两种方法获取的控制网数据平差结果如表1和表2所示。

表1 本发明方法控制网平差结果

表2 钢尺量高法控制网平差结果

从控制网平差结果可知，钢尺量高法的点位精度主要受制于控制点的高程精度，而高程精度取决于人工测量仪器高和棱镜高的精度，故不能建立亚毫米级精度的三维控制网。本发明方法获取的控制点平面精度和高程精度基本相当，能够建立亚毫米级的三维控制网，满足了该工程控制网的精度要求。在进行网平差时，由于平面网和高程网分开平差，且本发明方法和钢尺量高法均使用相同的水平方向、垂直角和距离观测值，故两种方法的平面网平差结果完全一致。因为采用了高精度全站仪配合精密棱镜对控制网进行观测，且对观测过程进行了严格的质量控制，故平面网的平差结果的点位精度均达到了亚毫米级别。在进行高程网观测时，由于采用人工方式量取仪器高和棱镜高，存在较大的人为误差的影响，故钢尺量高法难以获得亚毫米级的精度。而本发明只需量取一次仪器高，最大限度地减少了人为因素对观测数据质量的影响，保证了高程控制网观测数据的稳定性和可靠性，故通过本发明方法建立的高程控制网精度高于钢尺量高法，达到了亚毫米级。

Claims (6)

1.一种三维控制网建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在测量墩i处架设全站仪和球棱镜，在测量墩j处架设球棱镜和精密棱镜；测量全站仪的仪器高t_i，用全站仪观测处于测量墩j处的球棱镜，得到全站仪中心至测量墩j处的球棱镜的斜距d_ij和垂直角β_ij；根据全站仪的仪器高t_i、全站仪中心至测量墩j处的球棱镜的斜距d_ij和垂直角β_ij，计算得到测量墩j处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_j；i＝1,2,…,或n，j＝1,2,…,n且j≠i，n为测量墩总个数，n≥3；

2)将全站仪移至测量墩j处，用全站仪观测处于测量墩m处的球棱镜，得到全站仪中心分别至测量墩m处的球棱镜的斜距d_jm和垂直角β_jm，计算得到测量墩j处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高t_j、以及测量墩i处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_i；m≠j；从而得到了所有测量墩处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高、以及所有测量墩处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高；

3)根据测量得到的全站仪在测量墩x处设站、照准点为测量墩y时的参数，计算测量墩x和测量墩y两点高差h_xy；所述参数包括测量墩x处的全站仪中心至测量墩y处的精密棱镜的斜距D_xy和垂直角α_xy、测量墩x处全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高t_x、测量墩x处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_x、以及测量墩x处的全站仪中心至测量墩y处的球棱镜的斜距d_xy和垂直角β_xy；x＝1,2,…,n，y＝1,2,…,n；

4)利用得到的任意两个测量墩的高差建立高程控制网，并利用建立的高程控制网建立三维控制网，所述高差h_xy为：

h_xy＝D_xycosα_xy+T_x-V_xy

T_x＝t_x-v_x

V_xy＝Z_xy-z_xy

Z_xy＝D_xycosα_xy

z_xy＝d_xycosβ_xy

其中，T_x为相对于测量墩x处球棱镜球心所在水平面的仪器高，V_xy为相对于测量墩y处球棱镜球心所在水平面的测量墩y处精密棱镜高程，z_xy为测量墩y处的球棱镜在测量墩x处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量，Z_xy为测量墩y处的精密棱镜在测量墩x处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量。

2.根据权利要求1所述的三维控制网建立方法，其特征在于，步骤1)中，计算得到的测量墩j处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_j为：

v_j＝t_i+z_ij

z_ij＝d_ijcosβ_ij

其中，z_ij为测量墩j处的球棱镜在测量墩i处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量。

3.根据权利要求1所述的三维控制网建立方法，其特征在于，步骤2)中，m＝1,2,…,n，计算得到的测量墩i处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高t_j为：

z_jm＝d_jmcosβ_jm

其中，v_m为测量墩m处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高，z_jm为测量墩m处的球棱镜在测量墩j处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量。

4.根据权利要求1所述的三维控制网建立方法，其特征在于，测量墩i处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高v_i为：

v_i＝t₂+z_2i

z_2l＝d_2lcosβ_2l

其中，v_l为测量墩l处的球棱镜相对于仪器高t_i高程起算面的球棱镜高，z_2l为测量墩l处的球棱镜在测量墩2处的全站仪测量坐标系下的坐标Z分量，t₂为测量墩2处的全站仪相对于仪器高t_i高程起算面的仪器高，d_2l和β_2l分别为测量墩2处的全站仪中心至测量墩l处的球棱镜的斜距和垂直角。

5.根据权利要求1所述的三维控制网建立方法，其特征在于，步骤1)中，用钢尺多次测量全站仪的仪器高，将多次测量结果的平均值作为全站仪的仪器高t_i，所述多次为至少两次。

6.根据权利要求5所述的三维控制网建立方法，其特征在于，从不同方向多次测量全站仪的仪器高。

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