CN114166172A - 一种混凝土地坪平整度连续测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种混凝土地坪平整度连续测量方法，通过搭载惯性测量单元和里程计等多种传感器的轮式测量小车在待测地坪表面按规划的测线遍历，同时使用全站仪实时跟踪所述轮式测量小车并获取位置测量数据，然后将全站仪测量的坐标作为控制点对测量结果进行约束。之后，通过惯导/里程计/全站仪多源数据融合解算得到测量小车运动的最优轨迹。再通过测线拼接、间接平差得到高程网格。最后通过平整度计算算法得出待测地坪的平整度信息。本发明提供的测量方法，与传统混凝土地坪测量方法相比，效率高，对操作人员要求不苛刻；精度好，完全可以达到水准仪的测量精度；测量结果重复性好，偶然误差可以降到最低，大大排除了测量结果中的人为因素。

Description

一种混凝土地坪平整度连续测量方法

技术领域

本发明涉及测绘领域，尤其涉及一种混凝土地坪平整度连续测量方法。

背景技术

根据现行的地坪验收标准，对于2米范围内的高差不超过±4mm的地坪可称为超平地坪。随着混凝土地坪施工工艺的不断进步，超平地坪得到广泛应用，多见于各大物流仓储中心、设备厂房、地下停车场、室内体育场等场所。超平地坪多采用一体成型的施工方式，不仅能节约投资成本，还能提升地坪的耐磨度，延长其使用年限。

在混凝土地坪测量过程中，常用的平整度测量方法包括水平靠尺和塞尺、水准仪和水准尺等。水平靠尺及塞尺测量方法操作简便，但受人工操作影响，其测量结果具有不可重复性，同一位置任意两次的测量结果可能不相同，且仅能获取塞尺位置点的数据，测点稀疏、不连续，无法客观的反应被测地坪的真实情况。水准测量则是利用水准仪和水准尺测定两测点之间的水准高差，然后利用已知点的高程推算未知点的高程。对于大范围地坪水准测量所需的测点位数量较多，费时费力，效率低下。

因此，现有技术还有待改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种混凝土地坪平整度连续测量方法，旨在通过惯导/里程计/全站仪多源数据融合来检测混凝土地坪连续平整度，提高测量的效率、精度以及结果的可重复性。

本发明的技术方案如下：

一种混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，包括步骤：

规划混凝土地坪待测区域的测线网格；

推动测量装置沿规划的测线网格中的其中一条测线行进，并记录测量数据；

通过所述测量数据解算得到所述测量装置行进方向上相应位置点的俯仰角，并解算出所述测线断面上的高程曲线；

对所述测线进行多次重复测量，得到同一里程对应的多条高程曲线；

对所述多条高程曲线进行处理，得到最优估计的高程曲线，即为所述测线的最终高程曲线；

采用相同方法对所述混凝土地坪待测区域规划的测线网格中的多条测线分别进行测量，得到多条测线的最终高程曲线；

将所述多条测线的最终高程曲线拼接，得到高程网格；

根据所述高程网格，计算出整个待测区域的平整度信息。

所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，所述测量装置包括惯性测量单元、里程计、全站仪以及轮式测量小车。

所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，所述惯性测量单元和所述里程计搭载于所述轮式测量小车上，所述全站仪实时跟踪所述轮式测量小车并获取所述轮式测量小车的位置测量数据，所述轮式测量小车的车轮与待测混凝土地坪刚性接触。

所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，所述测量数据包括惯性、精密里程以及位置测量数据。

所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，所述测线断面上的高程曲线的计算公式为：

其中，h₀为初始高程，θ_i为俯仰角，正值表示水平向上，d_i为俯仰增量。所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，对所述多条高程曲线进行处理，得到最优估计的高程曲线包括步骤：

根据里程将多条高程曲线配准对齐，得到同一里程点对应的多个高程测量值，之后对所述多个高程测量值取平均值，得到平均位置点，再将所述平均位置点进行拟合即得到所述测线的最终高程曲线。

所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，将所述多条测线的最终高程曲线拼接，得到高程网格之前还包括步骤：

检测多条测线在交叉点处的高程测量值是否存在偏差，若存在偏差，则先经过平差，消除同一交叉点处的各条高程曲线的高程偏差。

所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，所述平整度信息的计算包括步骤：

预先设定采样计算窗口L；

计算所述采样计算窗口L内一系列高程测量值h_i的平均高程值H₀；

计算h_i相对于所述平均高程值H₀的高程差δ_i；

取δ_i的最大值δ_m，则所述采样计算窗口L的平整度为δ_m/L。

所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其中，所述δ_i的计算公式为：δ_i＝h_i-H₀，所述δ_m的计算公式为：δ_m＝max(δ_i)。

一种混凝土地坪平整度连续测量方法的应用，其中，将如上任一所述的混凝土地坪平整度连续测量方法应用于混凝土地坪平整度连续测量。

有益效果：本发明提供的一种混凝土地坪平整度连续测量方法，通过搭载惯性测量单元和里程计等多种传感器的轮式测量小车在混凝土地坪表面按规划的测线遍历，同时使用带自动跟踪功能的全站仪实时跟踪装在轮式测量小车上的棱镜，实时测量轮式测量小车的位置坐标，然后将全站仪测量的坐标作为控制点对测量结果进行约束。通过惯导/里程计/全站仪多源数据融合解算得到轮式测量小车运动的最优轨迹。由于轮式测量小车与混凝土地坪是刚性接触，因此轮式测量小车的行进轨迹即测线所在断面的高程曲线。通过测线拼接、间接平差得到高程网格。最后通过平整度计算算法计算得出待测混凝土地坪的平整度信息。本发明提供的测量方法，与传统混凝土地坪测量方法相比，具有以下优点：

(1)效率高，常用的地坪平整度测量一般选择2m或者3m的靠尺测量再配合塞尺随机抽查，或者用水准仪进行测点，对于大范围的地坪就要布设很多水准点来覆盖整个待测区域，两种测量方法效率都极低。而本发明提供的轮式测量小车，仅需一人推着即可遍历测线，极大的提高了测量效率；

(2)精度好，相对于传统的靠尺塞尺验收测量方式，本发明的测量方法在精度上具有绝对优势，测量误差显著降低，完全可以达到水准仪的测量精度；

(3)测量结果重复性好，不同的测量人员推着本发明提供的轮式测量小车进行测量，在一段时间内随时去测同一片待测区域，测量结果都是可以复现的，偶然误差可以降到最低，大大排除了测量结果中的人为因素。

附图说明

图1为本发明实施例中一种混凝土地坪平整度测量方法的流程图。

图2为本发明实施例中一种混凝土地坪平整度测量装置的示意图。

图3为本发明实施例中测线断面高程曲线计算原理的示意图。

图4为本发明实施例中高程曲线重复测量的示意图。

图5为本发明实施例中惯导/里程计/全站仪多源数据融合框图。

图6为本发明实施例中多条测线高程曲线拼接结果示意图。

图7为本发明实施例中速滑馆的整体平整度信息。

图8为本发明实施例中速滑馆内速滑道的直道部分平整度信息。

图9为本发明实施例中速滑馆内速滑道的弯道部分平整度信息。

具体实施方式

本发明提供一种混凝土地坪平整度连续测量方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明中，除另有明确规定和限定，如有“组装”、“连接”等术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，或两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种混凝土地坪平整度连续测量方法，如图1所示，包括步骤：

S100、规划混凝土地坪待测区域的测线网格；

S200、推动测量装置沿规划的测线网格中的其中一条测线行进，并记录测量数据；

S300、通过所述测量数据解算得到所述测量装置行进方向上相应位置点的俯仰角，并解算出所述测线断面上的高程曲线；

S400、对所述测线进行多次重复测量，得到同一里程对应的多条高程曲线；

S500、对所述多条高程曲线进行处理，得到最优估计的高程曲线，即为所述测线的最终高程曲线；

S600、采用相同方法对所述混凝土地坪待测区域规划的测线网格中的多条测线分别进行测量，得到多条测线的最终高程曲线；

S700、将所述多条测线的最终高程曲线拼接，得到高程网格；

S800、根据所述高程网格，计算出整个待测区域的平整度信息。

在一些实施方式中，所述测量装置包括惯性测量单元、里程计、全站仪以及轮式测量小车。

惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)是测量物体三轴角速度和三轴加速度的装置。惯性测量单元包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。里程计(distance measuring instrument，DMI)是测量运动载体速度的装置，常用作里程计的传感器有光电编码器和霍尔传感器等。全站仪，即全站型电子测距仪(Electronic TotalStation)，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。智能型全站仪在普通全站仪的基础上加入了目标的自动识别和照准，可实现在无人干预的条件下自动化的测量。

在一些具体的实施方式中，如图2所示，所述惯性测量单元和所述里程计搭载于所述轮式测量小车上，所述全站仪实时跟踪所述轮式测量小车并获取所述轮式测量小车的位置测量数据，所述轮式测量小车的车轮与待测混凝土地坪刚性接触。

本发明提出的测量方法，依据其原理仅需惯性测量单元、里程计、全站仪，以及相应的辅助设备和传感器，而不需要其他额外的设备，在保证测量效果的基础上极大的精简了测量装置，便于操作，对设备和人员要求不苛刻。

在一些具体的实施方式中，所述测量装置上还装有光学棱镜，全站仪可以实时的跟踪测量装置上的棱镜，提供设备得到的位置信息。

在一些具体的实施方式中，所述全站仪可以被激光跟踪仪替代，激光跟踪仪是精度更高、功能更强大的距离和方位测量设备。

在一些具体的实施方式中，所述里程计为绝对型光电编码器或者增量型光电编码器。

在一些具体的实施方式中，磁感应传感器也可以作为里程计使用，例如霍尔传感器。

在一些实施方式中，所述轮式测量小车的车轮与待测混凝土地坪刚性接触，因此所述轮式测量小车行进轨迹即测线所在断面的相对高程曲线。

在一些实施方式中，所述混凝土地坪待测区域的测线根据验收标准或业主要求来规划。例如《建筑地面工程施工质量验收规范》(GB50209—2002)要求超平地坪的验收标准是±4mm/3m，即3m范围内的高低误差不超过4mm，那么规划的测线就是3m×3m的网格，覆盖整个待测区域，即为网格状的测线。

在一些实施方式中，所述测量数据包括惯性、精密里程以及位置测量数据。其中，惯性测量数据为惯导的测量数据，包括三轴加速度和三轴角度；里程数据为里程计测量的数据，可以是速度增量或者里程；位置测量数据是全站仪跟踪到的平整度测量装置的实时位置的地理坐标。

在一些实施方式中，所述测线断面上的高程曲线计算公式为：

其中，h₀为初始高程，θ_i为俯仰角，正值表示水平向上，d_i为俯仰增量。

高程曲线的计算是以卡尔曼滤波为框架，利用里程计测速、非完整性约束等速度测量模型，提高相对位置精度。利用控制点测量模型来纠正惯导定位误差，提高绝对定位精度。如图3所示，测线断面高程曲线计算原理为：通过多传感器集成将惯性测量、里程计等多种传感器集成到轮式测量小车载体平台上，推动测量小车沿规划的测线遍历，同时通过全站仪实时跟踪小车的位置，获取相应的惯性测量、精密里程及全站仪位置测量数据。然后通过惯导/里程计/全站仪数据紧密融合解算得到小车行进方向上相应位置点的俯仰角，在根据相应采样间隔内的里程增量即可推算出测线断面上的高程曲线。

在一些实施方式中，对所述多条高程曲线进行处理，得到最优估计的高程曲线包括步骤：

根据里程将多条高程曲线配准对齐，得到同一里程点对应的多个高程测量值，之后对所述多个高程测量值取平均值，得到平均位置点，再将所述平均位置点进行拟合即得到测线的最终高程曲线。

首先，对所述测线来回多次重复测量，得到同一里程对应的多条高程曲线，计算重复性，评估测量精度。高程曲线重复测量结果如图4所示，这是4次测量曲线，路径是一样的，重合度越高说明重复性越好。之后，根据里程将多条高程测量曲线配准对齐，再将同一里程对应的多条曲线对应的高程点取平均值，得到一系列的平均位置点，最后将平均位置点进行拟合，即得到一条最终的测线高程曲线。本发明实施例中，在规划的所述测线上采集多个测量点，测量点十分密集，最终经过拟合之后，即得到一条连续的曲线。

高程曲线的测量精度一方面可用自身重复性来衡量，所谓重复性，就是在短时间内，重复去测一块地坪得到的平整度信息理论上应该会一样的。但实际测量过程中会存在偏差，上述偏差称为测量误差，测量学中常将误差的标准差作为重复性的衡量指标；另一方面可以通过水准复合来核验精度，就是在规划的测线上设置水准点，通过水准仪复测一边，与轮式平整度测量装置的测量值进行对比。相对于传统的靠尺塞尺验收测量方式，本发明实施例的测量方法在精度上具有绝对优势，能达到水准仪的测量精度。

在一些实施方式中，将所述多条测线的最终高程曲线拼接，得到高程网格之前还包括步骤：

检测多条测线在交叉点处的高程测量值是否存在偏差，若存在偏差，则先经过平差，消除同一交叉点处的各条高程曲线的高程偏差。

本发明实施例规划的测线横纵交叉，各条测线在交叉点处的高程可能存在偏差。理论上，经过同一点时的高程测量值应该一致，因此需要检测多条测线在交叉点处的高程测量值是否存在偏差；若存在偏差，则先经过平差，消除同一交叉点处的各条高程曲线的高程偏差，这样就可以把横纵交叉的测线拼接成一张网格。

在一些实施方式中，数据处理流程图如图5所示，具体为：所述测线的最终高程曲线的计算是以卡尔曼滤波为框架，利用里程计测速、非完整性约束等速度测量模型，提高相对位置精度。利用控制点测量模型来纠正惯导定位误差，提高绝对定位精度。最后，通过RTS平滑算法对所有数据进行平滑优化，得到最优估计的位置和姿态，进而得到轮式测量小车运动的最优轨迹，即混凝土地坪的最终高程曲线。

在一些实施方式中，将所述多条测线的最终高程曲线拼接，得到高程网格。测线一般采用网状结构，覆盖整个待测区域，横纵交叉点处的高程可能存在不重合的现象，需要通过间接平差使网格点的高程一致，最后将多条测线拼接形成一张网格。多条测线高程曲线经拼接后得到的高程网格如图6所示。

在一些实施方式中，所述平整度信息的计算包括步骤：

S801、预先设定采样计算窗口L；

S802、计算所述采样计算窗口L内一系列高程测量值h_i的平均高程值H₀；

S803、计算h_i相对于所述平均高程值H₀的高程差δ_i；

S804、取δ_i的最大值δ_m，则所述采样计算窗口L的平整度为δ_m/L。

在一些实施方式中，所述δ_i的计算公式为：δ_i＝h_i-H₀，所述δ_m的计算公式为：δ_m＝max(δ_i)。

建筑地坪的平整度一般是指一定范围内的选取的测点相对水平面的最大偏差。本发明实施例提出的计算方法，首先根据验收规范或者业主要求设定一个计算窗口L，如验收标准里要求的±4mm/3m，那么L就选3m；若业主要求±5mm/5m，那L就选5m；之后，计算所选窗口内一系列高程测量值h_i的平均高程H₀；然后，以计算出的一系列平均高程值为中心，以设定的采样窗口为滑动窗口，计算窗口内的最高点与最低点相对于中心位置的高程差δ_i，其中，δ_i＝h_i-H₀；最后，计算一系列偏差δ_i的最大值δ_m，其中，δ_m＝max(δ_i)，则称此处的平整度为δ_m/L，即L范围的最大误差为δ_m。以此类推，最终计算出整个待测区域的平整度信息。

平整度仅作为一种验收指标，目前现行的标准是使用靠尺和塞尺进行测量，靠尺长度一般是2m或者3m，然后随机选取几个核验点，用塞尺检验，满足要求即可，其精度和测量结果的可重复性不高，且效率极低；或者采用水准仪进行测量，因水准仪也是测点，故而对于大范围的地坪就要布设很多水准点来覆盖整个待测区域，工作量大，不能保证效率。与之不同的是，本发明提出的平整度计算方法，是以某里程点为中心的窗口范围平整度来代替该里程的平整度信息，再通过对多条里程进行测量，最终经过计算，得出整个待测区域的平整度信息。测量结果可靠，精度高，对测量装置和操作人员要求不苛刻，仅需一人推动测量小车沿测线行进即可，而且测量结果重复性好，偶然误差可以降到最低，是传统方式很难做到的。

本发明实施例还提供一种混凝土地坪平整度连续测量方法的应用，其中，将如上任一所述的混凝土地坪平整度连续测量方法应用于混凝土地坪平整度连续测量。

在一些具体的实施方式中，所述的混凝土地坪平整度连续测量方法还可以应用于大型舰船甲板平整度测量以及其他大型结构表面线形测量。

下面通过具体实施例对本发明一种混凝土地坪平整度连续测量方法做进一步的解释说明：

实施例1

以某大型速滑馆混凝土基底为试验场地进行了相关测试。首先根据实际情况规划出待测区域的测线，再推着轮式平整度测量装置按照测线对待测场地进行测量，然后计算相应的平整度信息，对于平整度超限区域，再使用靠尺及塞尺进行复测。

测量结果如图7-9所示，其中，图7为速滑馆的整体平整度信息，图8为速滑馆内速滑道的直道部分平整度信息，图8为速滑馆内速滑道的弯道部分平整度信息。上述测量结果表明，本发明提出的混凝土地坪平整度连续测量方法，不仅能够有效测量混凝土地坪平整度信息，还能够根据平整度超限曲线的位置，确定超限区域的具体位置。该测量方法为大型混凝土地坪平整度验收工作提供了新的参考。

综上所述，本发明提供的一种混凝土地坪平整度连续测量方法，通过搭载惯性测量单元和里程计等多种传感器的轮式测量小车在地坪表面按规划的测线遍历，同时使用带自动跟踪功能的智能型全站仪实时跟踪装在轮式测量小车上的棱镜，实时测量小车的位置坐标，然后将全站仪测量的坐标作为控制点对测量结果进行约束。通过惯导/里程计/全站仪多源数据融合解算得到轮式测量小车运动的最优轨迹。由于测量小车与混凝土地坪是刚性接触，因此轮式测量小车的行进轨迹即测线所在断面的最终高程曲线。通过测线拼接、间接平差得到高程网格。最后通过平整度计算算法计算得出待测地坪的平整度信息。

本发明提供的测量方法，与传统混凝土地坪测量方法相比，具有以下优点：

(1)效率高，常用的地坪平整度测量一般选择2m或者3m的靠尺测量再配合塞尺随机抽查，或者用水准仪进行测点，对于大范围的地坪就要布设很多水准点来覆盖整个待测区域，两种测量方法效率都极低。而本发明提供的轮式测量小车，仅需一人推着即可遍历测线，极大的提高了测量效率；

(2)精度好，相对于传统的靠尺塞尺验收测量方式，本发明的测量方法在精度上具有绝对优势，测量误差显著降低，完全可以达到水准仪的测量精度；

(3)测量结果重复性好，不同的测量人员推着本发明提供的轮式测量小车进行测量，在一段时间内随时去测同一片待测区域，测量结果都是可以复现的，偶然误差可以降到最低，大大排除了测量结果中的人为因素。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，包括步骤：

规划混凝土地坪待测区域的测线网格；

推动测量装置沿规划的测线网格中的其中一条测线行进，并记录测量数据；

通过所述测量数据解算得到所述测量装置行进方向上相应位置点的俯仰角，并解算出所述测线断面上的高程曲线；

对所述测线进行多次重复测量，得到同一里程对应的多条高程曲线；

对所述多条高程曲线进行处理，得到最优估计的高程曲线，即为所述测线的最终高程曲线；

采用相同方法对所述混凝土地坪待测区域规划的测线网格中的多条测线分别进行测量，得到多条测线的最终高程曲线；

将所述多条测线的最终高程曲线拼接，得到高程网格；

根据所述高程网格，计算出整个待测区域的平整度信息。

2.根据权利要求1所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，所述测量装置包括惯性测量单元、里程计、全站仪以及轮式测量小车。

3.根据权利要求2所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，所述惯性测量单元和所述里程计搭载于所述轮式测量小车上，所述全站仪实时跟踪所述轮式测量小车并获取所述轮式测量小车的位置测量数据，所述轮式测量小车的车轮与待测混凝土地坪刚性接触。

4.根据权利要求1所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，所述测量数据包括惯性、精密里程以及位置测量数据。

5.根据权利要求1所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，所述测线断面上的高程曲线的计算公式为：

其中，h₀为初始高程，θ_i为俯仰角，正值表示水平向上，d_i为俯仰增量。

6.根据权利要求1所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，对所述多条高程曲线进行处理，得到最优估计的高程曲线包括步骤：

根据里程将多条高程曲线配准对齐，得到同一里程点对应的多个高程测量值，之后对所述多个高程测量值取平均值，得到平均位置点，再将所述平均位置点进行拟合即得到所述测线的最终高程曲线。

7.根据权利要求1所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，将所述多条测线的最终高程曲线拼接，得到高程网格之前还包括步骤：

检测多条测线在交叉点处的高程测量值是否存在偏差，若存在偏差，则先经过平差，消除同一交叉点处的各条高程曲线的高程偏差。

8.根据权利要求1所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，所述平整度信息的计算包括步骤：

预先设定采样计算窗口L；

计算所述采样计算窗口L内一系列高程测量值h_i的平均高程值H₀；

计算h_i相对于所述平均高程值H₀的高程差δ_i；

取δ_i的最大值δ_m，则所述采样计算窗口L的平整度为δ_m/L。

9.根据权利要求8所述的混凝土地坪平整度连续测量方法，其特征在于，所述δ_i的计算公式为：δ_i＝h_i-H₀，所述δ_m的计算公式为：δ_m＝max(δ_i)。

10.一种混凝土地坪平整度连续测量方法的应用，其特征在于，将如权利要求1-9任一所述的混凝土地坪平整度连续测量方法应用于混凝土地坪平整度的连续测量。

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