CN114234909B - 基于激光测距的沉降量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的沉降量测量方法，旨在克服现有的大跨度桥梁挠度测量中连通管方法测量沉降量或者挠度，其测量精度低的问题。所述方法包括以下步骤：步骤1，安装全站仪、激光测距仪和反光片，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离；步骤2，通过全站仪测量确定激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α，反光片与水平面的初始倾角为β；步骤3，经过预设时间间隔后，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离，计算反光片观测距离的变化量ΔL；步骤4，根据反光片观测距离的变化量ΔL、激光测距仪与水平面的初始倾角α以及反光片与水平面的初始倾角β的三角函数关系计算获得初步沉降量d。

Description

基于激光测距的沉降量测量方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及基于激光测距的沉降量测量方法。

背景技术

沉降量指基础各点的绝对沉降值，对独立基础来说，一般以基础中心沉降值表示基础中心的沉降量，且对于单层排架结构柱基础和地基均匀、无相邻荷载影响的高耸结构基础变形，由沉降量控制。桥梁的沉降量或者挠度是反映桥梁结构安全最重要的指标之一，但是在现有的大跨度桥梁沉降量或者挠度测量中，连通管方法测量沉降量或者挠度，具有测点多、受环境因素影响小等特点，其测量精度低，因此设计了基于激光测距的沉降量测量方法。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的大跨度桥梁挠度或沉降量测试技术的上诉不足之处，提供一种能够精确测量沉降量的基于激光测距的沉降量测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于激光测距的沉降量测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，安装全站仪、激光测距仪和反光片，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离；

步骤2，通过全站仪测量确定激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α，反光片与水平面的初始倾角为β；

步骤3，经过预设时间间隔后，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离，计算反光片观测距离的变化量ΔL；

步骤4，根据反光片观测距离的变化量ΔL、激光测距仪与水平面的初始倾角α以及反光片与水平面的初始倾角β的三角函数关系计算获得初步沉降量d。

作为优选，所述步骤3中沉降量d的公式为

作为优选，所述步骤2中激光测距仪的激光与水平面的初始倾角α的确定步骤为：

全站仪测量初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)，反光片上的激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)；

根据公式计算获得激光测距仪的激光与水平面的初始倾角α。

作为优选，所述反光片与水平面的初始倾角β的确定步骤为：

全站仪测量反光片上预设至少三个不共线的测量点的三维坐标，计算反光片法向量n的三维坐标n(a,b,c)；

根据公式计算获得反光片与水平面的初始倾角β。

作为优选，所述步骤4之后，进一步包括：

步骤5，根据激光测距的激光与反光片所在平面偏斜的修正倾斜角θ，对初步沉降量d进行修正处理，获得获得修正沉降量d′，所述修正倾斜角θ是激光束与反光片所在水平线方向上的夹角。

作为优选，修正沉降量d′的计算公式为

作为优选，所述激光与反光片偏斜的修正倾斜角θ的确定步骤为：

全站仪测量反光片上预设至少三个不共线的测量点的三维坐标，计算反光片法向量n的三维坐标n(a,b,c)；

根据所述反光片法向量n(a,b,c)，计算全站仪测量初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)，d₀为所述反光片平面的截距项，计算公式为：

根据初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)、激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)、初激光发射点在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)，计算激光与反光片之间的夹角γ，计算公式为其中，O′R表示初激光发射点在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)到激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)之间的向量；OR表示坐标初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)到激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)之间的向量；

在反光片所在平面上取点P(a₁,b₁,c₀)，且P(a₁,b₁,c₀)和R(a₀,b₀,c₀)在同一水平线上，求出向量O′R与向量PR之间的夹角ω，且夹角ω满足：tanγ＝tanθ·cosω，根据公式计算获得修正倾斜角θ。

作为优选，所述修正倾斜角θ的取值范围为80°至90°，sinθ的取值范围为0.985至1。

作为优选，所述激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α的取值范围为α≥0°，反光片与水平面的初始倾角为β的取值范围为β≤90°。

本发明的技术方案通过全站仪、激光测距仪和反光片

附图说明

图1为本发明实施例中激光测距仪与反光片的坐标示意图。

图2为本发明实施例中沉降量d和反光片观测距离的变化量ΔL关系示意图。

图3为本发明实施例中求解反光片与水平面的初始倾角β的坐标示意图。

图4为本发明实施例中修正倾斜角θ的位置示意图。

图5为本发明实施例中激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α、反光片与水平面的初始倾角β对反光片观测距离的变化量ΔL的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

本发明的一种基于激光测距的沉降量测量方法，

步骤1，安装全站仪、激光测距仪和反光片，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离。

如图1所示，激光测距仪和反光片相对于水平面倾斜安装，而使激光测距仪的激光束能够射到反光片上并反射，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离。

步骤2，通过全站仪测量确定激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α，反光片与水平面的初始倾角为β。

所述步骤2中激光测距仪的激光与水平面的初始倾角α的确定步骤为：

全站仪测量初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)，反光片上的激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)；根据公式计算获得激光测距仪的激光与水平面的初始倾角α。

如图3所示，所述步骤2中所述反光片与水平面的初始倾角β的确定步骤为：

全站仪测量反光片上预设至少三个不共线的测量点的三维坐标，计算反光片法向量n的三维坐标n(a,b,c)；

在本实施例中全站仪测量反光片上三个不共先的测量点的三维坐标：A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)、C(x₃,y₃,z₃)，

所述反光片的法向量n表示为n＝AB×AC＝B(a,b,c)，其中，AB表示坐标A(x₁,y₁,z₁)到坐标B(x₂,y₂,z₂)之间的向量；AC表示坐标A(x₁,y₁,z₁)到坐标C(x₃,y₃,z₃)之间的向量；

根据平面不共线三点求法向量公式，解得:

a＝(y₂-y₁)(z₃-z₁)-(y₃-y₁)(z₂-z₁)

b＝(z₂-z₁)(x₃-x₁)-(z₃-z₁)(x₂-x₁)

c＝(x₂-x₁)(y₃-y₁)-(x₃-x₁)(y₂-y₁)

根据公式计算获得反光片与水平面的初始倾角β。

步骤3，经过预设时间间隔后，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离，计算反光片观测距离的变化量ΔL。

所述反光片观测距离的变化量ΔL＝L-L₀,其中L表示激光测距仪读取的距离安装好的所述反光片的初始距离；L₀表示预设时间间隔后，激光测距仪读取的距离安装好的所述反光片的观测距离。

步骤4，根据反光片观测距离的变化量ΔL、激光测距仪与水平面的初始倾角α以及反光片与水平面的初始倾角β的三角函数关系计算获得初步沉降量d。

如图1、图2所示，根据反光片观测距离的变化量ΔL、激光测距仪与水平面的初始倾角α、反光片与水平面的初始倾角β、初步沉降量d所述步骤3中沉降量d之间的三角函数关系可知沉降量d的计算公式为

步骤5，根据激光测距的激光与反光片所在平面偏斜的修正倾斜角θ，对初步沉降量d进行修正处理，获得获得修正沉降量d′，所述修正倾斜角θ是激光束与反光片所在水平线方向上的夹角。

修正沉降量d′的计算公式为如图4所示，该步骤是考虑到激光测距仪的激光偏斜射到反光片上造成ΔL的测量存在误差。如图4所示，假设某次激光垂直无偏斜打到偏光片上，由其产生的距离变化为ΔL_ideal，实际安装过程中，人员并不能完全保证无偏斜，激光可能会斜向发射打在反光片上，此时产生的距离变化量是ΔL_real。它们之间满足几何关系：ΔL_ideal＝ΔL_realsinθ。同时考虑到如图2所示，沉降量d的计算公式是考虑到沉降量d和反光片观测距离的变化量ΔL在同一竖直平面内的理想状态。这说明这个倾斜角的存在会放大激光测距的变化量，因此，采用上述的实施例对θ角求解，实现对沉降量的修正。

所述激光与反光片偏斜的修正倾斜角θ的确定步骤为：

根据所述反光片法向量n(a,b,c)，计算全站仪测量初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)，d₀为所述反光片平面的截距项，计算公式为：

根据初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)、激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)、初激光发射点在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)，计算激光与反光片之间的夹角γ，计算公式为其中，O′R表示初激光发射点在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)到激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)之间的向量；OR表示坐标初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)到激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)之间的向量；

在反光片所在平面上取点P(a₁,b₁,c₀)，且P(a₁,b₁,c₀)和R(a₀,b₀,c₀)在同一水平线上，求出向量O′R与向量PR之间的夹角ω，且夹角ω满足：tanγ＝tanθ·cosω，根据公式计算获得修正倾斜角θ。

本发明实施例提供基于激光测距的沉降量测量方法，如图5所示，所述激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α的取值范围为α≥0°，反光片与水平面的初始倾角为β的取值范围为β≤90°。

其中，需要从变量设计原则进行考虑，且在考虑设备精度时，针对相同的沉降量，会带来的激光测距的变化量ΔL尽可能大，其中，ΔL＝L-L₀；其中，激光测距计算沉降量参考公式为为方便分析，假设真实沉降量d＝1mm，则激光测距的变化量应为/>其中α的取值范围为α≥0°，β的取值范围为β≤90°。上述技术方案的有益效果是：通过对αβ的值进行分析，确定ΔL的值，方便寻找最优的参数组合，对于安装人员具有一定的指导意义，且保证获取沉降量的可靠性。

Claims (6)

1.一种基于激光测距的沉降量测量方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

步骤1，安装全站仪、激光测距仪和反光片，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离；

步骤2，通过全站仪测量确定激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α，反光片与水平面的初始倾角为β；

步骤3，经过预设时间间隔后，激光测距仪读取反光片和激光测距仪之间的观测距离，计算反光片观测距离的变化量ΔL；

步骤4，根据反光片观测距离的变化量ΔL、激光测距仪与水平面的初始倾角α以及反光片与水平面的初始倾角β的三角函数关系计算获得初步沉降量d；

步骤5，根据激光测距的激光与反光片所在平面偏斜的修正倾斜角θ，对初步沉降量d进行修正处理，获得获得修正沉降量d′，所述修正倾斜角θ是激光束与反光片所在水平线方向上的夹角；

修正沉降量d′的计算公式为

所述激光与反光片偏斜的修正倾斜角θ的确定步骤为：

全站仪测量反光片上预设至少三个不共线的测量点的三维坐标，计算反光片法向量n的三维坐标n(a,b,c)；

根据所述反光片法向量n(a,b,c)，计算全站仪测量初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)，d₀为所述反光片平面的截距项，计算公式为：

根据初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)、激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)、初激光发射点在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)，计算激光与反光片之间的夹角γ，计算公式为其中，O′R表示初激光发射点在所述反光片上的投影点坐标O′(x_p,y_p,z_p)到激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)之间的向量；OR表示坐标初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)到激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)之间的向量；

在反光片所在平面上取点P(a₁,b₁,c₀)，且P(a₁,b₁,c₀)和R(a₀,b₀,c₀)在同一水平线上，求出向量O′R与向量PR之间的夹角ω，且夹角ω满足：tanγ＝tanθ·cosω，根据公式计算获得修正倾斜角θ。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距的沉降量测量方法，其特征是，所述步骤3中沉降量d的公式为

3.根据权利要求1所述的基于激光测距的沉降量测量方法，其特征是，所述步骤2中激光测距仪的激光与水平面的初始倾角α的确定步骤为：

全站仪测量初激光发射点的三维坐标O(x₀,y₀,z₀)，反光片上的激光反射点的三维坐标R(a₀,b₀,c₀)；

根据公式计算获得激光测距仪的激光与水平面的初始倾角α。

4.根据权利要求1所述的基于激光测距的沉降量测量方法，其特征是，所述反光片与水平面的初始倾角β的确定步骤为：

全站仪测量反光片上预设至少三个不共线的测量点的三维坐标，计算反光片法向量n的三维坐标n(a,b,c)；

根据公式计算获得反光片与水平面的初始倾角β。

5.根据权利要求1所述的基于激光测距的沉降量测量方法，其特征是，所述修正倾斜角θ的取值范围为80°至90°，sinθ的取值范围为0.985至1。

6.根据权利要求2所述的基于激光测距的沉降量测量方法，其特征是，所述激光测距仪的激光与水平面的初始倾角为α的取值范围为α≥0°，反光片与水平面的初始倾角为β的取值范围为β≤90°。