CN114739372A - 一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于智能全站仪隧道自动化监测现场测点布设的方法，通过待监测隧道的尺寸信息及监测方案设定测站点位置，利用智能全站仪的自动目标识别(ATR)分辨率计算测站到不同断面的分辨间距，根据上述分辨间距及每个断面的目标棱镜数量确定各断面安置棱镜的位置，确保同一分辨间距内只有一个目标棱镜，同时自动避开存在管道、接触网及轨道等不适宜安装棱镜的位置，形成最佳布设方案利用智能全站仪的激光指向功能根据计算的目标棱镜位置进行投点辅助人工现场安装布设棱镜。本发明有助于消除智能全站仪在狭长隧道空间中自动化监测时的棱镜干扰，确保隧道自动化监测数据的有效性。

Description

一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法

技术领域

本发明涉及隧道监测领域，具体涉及一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法。

背景技术

随着具有自动目标识别（automatic target recognition，ATR）的智能型全站仪的问世，使测量方法发生了革命性的变化。ATR是指全站仪通过CCD阵列识别棱镜的位置并测得数据，当智能全站仪发出激光束时，反射光束由内置的CCD阵列接收。然后计算出反射点相对于CCD中心的位置，反射点相对于CCD中心的偏移用来校正水平和垂直角。这些偏移量还用于驱动仪器马达将十字丝中心对准棱镜。目前，具有ATR功能的智能全站仪已广泛应用在高精度自动观测任务中,如专利文献CN104034275A公开了一种基于全站仪的地铁隧道变形自动监测方法及装置，极大地节约了人工成本，提高了数据可靠性，并能全天候实时对隧道进行监测等优点。然而，智能全站仪的ATR在离棱镜一定距离时有一定的分辨间距，当监测的目标棱镜间距小于分辨间距时，智能全站仪容易识别错误棱镜对象，该问题在监测范围受限的狭长隧道中尤其突出。

发明内容

针对狭长隧道空间中利用智能全站仪自动化监测时易找错目标棱镜的问题，本发明的目的旨在提供一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，包括以下步骤：

S1、根据隧道图纸，分析待监测隧道的断面尺寸信息；

S2、依据监测任务设计监测方案，包括确定用于放置所述智能全站仪的测站点位置、监测断面数量、监测断面间距及每个监测断面的目标棱镜数量；

S3、基于所述智能全站仪ATR的分辨率，计算所述智能全站仪在不同监测断面上的分辨间距；

S4、根据所述分辨间距及每个监测断面的目标棱镜数量计算出所述目标棱镜的初步布设位置数据，确保同一分辨间距内只有一个目标棱镜；

S5、根据智能全站仪ATR的分辨率，计算出所述目标棱镜的初步布设位置数据，并自动避开隧道内的附属设施，对所述初步布设位置数据进行调整，得出所述目标棱镜的最终布设位置数据；

S6、利用所述智能全站仪的激光指向功能，根据所述最终布设位置数据在所述待监测隧道现场投射测点，将所述目标棱镜安装到对应的测点处，完成现场测点布设；

S7、根据所述目标棱镜安装的位置，基于误差传播定律计算其点位精度，作为自动化监测时变形分析的依据。

进一步地，所述步骤S2还包括：

在待监测隧道内每隔一段距离m选取一个监测断面，共有N个监测断面，在每个监测断面上安装K个目标棱镜；K和N均为大于0的正整数；

将所述监测断面从靠近所述智能全站仪一侧到远离所述智能全站仪一侧分别命名为1号监测断面、2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面，将K个目标棱镜按顺时针分布顺序分别命名为1号棱镜、2号棱镜、3号棱镜……K号棱镜。

进一步地，所述步骤S3还包括：

计算所述分辨间距的公式为：

l=2πR(n/360)，

其中，l为分辨间距，R为所述监测断面上棱镜布设处到测站点的直线距离，n为智能全站仪的ATR分辨率。

进一步地，包括所步骤S4还包括：

S41、在待监测隧道内建立一个xyz坐标系，设定所述测站点的坐标，依次设定1号监测断面上1号棱镜、2号棱镜……K号棱镜的坐标；

S42、依据设定的1号监测断面上1号、2号……K号棱镜的坐标，通过分辨间距，依次求取所有监测断面上的目标棱镜坐标。

进一步地，包括所步骤S42还包括：

求取2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面1号棱镜坐标的步骤如下：

S421、先设定各监测断面上1号棱镜的预设坐标；

S422、计算各监测断面上1号棱镜的预设坐标到所述测站点坐标的直线距离；

S423、将所述直线距离和分辨率代入所述分辨间距公式得到对应监测断面的分辨间距；

S424、判断预设坐标是否在分辨间距内，若在，则将预设坐标调整到分辨间距外，得到2号监测断面上1号棱镜的初步坐标；

重复上述步骤S421-S424依次求出各监测断面2号棱镜初步坐标、各监测断面3号棱镜初步坐标……各监测断面K号棱镜初步坐标。

进一步地，隧道图纸为设计图纸或隧道三维激光点云扫描模型。

进一步地，所述步骤S5还包括：所述隧道尺寸信息是根据工前扫描的隧道三维激光点云模型获得，将计算得到的目标棱镜坐标与隧道三维模型进行碰撞检测，对与设置在隧道内管道、接触网及轨道有冲突的目标棱镜位置进行调整。

进一步地，所述步骤S5还包括：所述隧道尺寸信息是根据设计图纸获得，通过智能全站仪的影像功能，对计算得到的目标棱镜位置进行拍照并通过人工智能识别是否存在管道、接触网及轨道不适宜安装的附属设置，并根据识别结果对目标棱镜位置按需调整。

进一步地，所述ATR为所述智能全站仪的自动识别功能，能够在人工粗略照准目标棱镜的基础上自动精确找准目标，所述测点为放映隧道结构变形的特征点，需要安装隧道监测通用的目标棱镜

本发明的有益效果在于：

本发明公开了一种用于智能全站仪隧道自动化监测现场测点布设的方法，改变了以往隧道监测断面随意布设棱镜易导致智能全站仪自动识别出错的问题。通过计算获得各棱镜的安装位置并辅助安装，有效消除智能全站仪在狭长隧道空间中自动化监测时的棱镜干扰，实现多个断面各棱镜的自动照准测量，获得精确的监测信息。

附图说明

附图1为本发明隧道结构及监测断面和目标棱镜分布示意图；

附图2 为本发明单个监测断面上目标棱镜的布设示意图；

附图3 为本发明多个监测断面上1号棱镜分布示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

针对狭长隧道空间中利用智能全站仪自动化监测时易找错目标棱镜的问题，本发明公开了一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，具体步骤如下：

S1、根据隧道图纸，分析待监测隧道的断面形状和尺寸信息；

隧道图纸可为设计图纸、隧道三维激光点云扫描模型等。

S2、依据监测任务设计监测方案，包括确定用于放置智能全站仪的测站点位置、监测断面数量、监测断面间距及每个监测断面的目标棱镜数量；

根据隧道图纸和监测方案，确定适合监测的测站点的位置。在隧道监测区域每隔固定的距离设置一个监测断面，在每个监测断面上放置一定数量的棱镜。根据图纸和监测方案确定监测断面的数量和间距以及布设棱镜的数量。根据监测任务设计监测方案确定测点位置、监测断面数量、间距及每个监测断面的目标棱镜数量；测站点用于放置智能全站仪。

S3、基于所述智能全站仪ATR的分辨率，计算智能全站仪在不同监测断面上的分辨间距；

利用智能全站仪的自动目标识别（ATR，Automatic Target Recognition）的分辨率计算所述测站点到不同断面的分辨间距；所述智能全站仪具有自动目标识别功能，能在人工粗略照准目标棱镜的基础上自动精确照准目标，所述测点为反映隧道结构变形的特征点，需要安装隧道监测通用目标棱镜。

计算所述分辨间距的公式为：

l=2πR(n/360)，

其中，l为测站点到任一所述检测断面上的所述分辨间距，R为该监测断面上棱镜布设处到测站点的直线距离，n为智能全站仪的ATR分辨率。

S4、根据所述分辨间距及每个断面的目标棱镜数量计算出所述目标棱镜的初步布设位置数据，确保同一分辨间距内只有一个目标棱镜；

计算出所述目标棱镜的初步布设位置数据的方式为：先确定的每个监测断面布设棱镜的数量，再根据智能全站仪的ATR分辨率，计算出棱镜布设的交错方案。具体计算步骤如下：

S41、在待监测隧道内每隔一段距离m选取一个监测断面，共有N个监测断面，在每个监测断面上安装K个棱镜；K和N均为大于0的正整数；

S42、将监测断面从靠近智能全站仪一侧到远离智能全站仪一测分别命名为1号监测断面、2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面，将K个棱镜按顺时针分布顺序分别命名为1号棱镜、2号棱镜、3号棱镜……K号监测断面；在待监测隧道内建立一个xyz坐标系，设定测站点的坐标，依次设定1号监测断面上1号、2号……K号棱镜的坐标；

S43、依据设定的1号监测断面上1号、2号……K号棱镜的坐标，通过分辨间距，依次求取所有监测断面上的棱镜坐标。

包括所步骤S43还包括：

求取2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面上的1号棱镜坐标：

S431、先设定各监测断面上1号棱镜的预设坐标；

S432、计算各监测断面上1号棱镜的预设坐标到所述测站点坐标的直线距离；

S433、将所述直线距离和分辨率代入所述分辨间距公式得到对应监测断面的分辨间距；

S434、判断预设坐标是否在分辨间距内，若在，则将预设坐标调整到分辨间距外，得到2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面上1号棱镜的初步坐标；

重复上述步骤S431-S434依次求出各监测断面2号棱镜初步坐标、各监测断面3号棱镜初步坐标……各监测断面K号棱镜初步坐标。如图1-3所示，以矩形隧道布设为例，求取目标棱镜初步位置得步骤如下：

S01、根据隧道图纸或者三维激光点云图，分析隧道断面形状与尺寸信息。本例隧道断面为长方形，宽为4.6m，高为5.13m。

S02、根据隧道图纸和监测方案，在隧道建立一个xyz坐标系，确定一个合适的测站点的位置，设其坐标为（100，100，100）。在约100m的隧道监测区间内每隔5m选取一个监测断面，在每个监测断面上安装5个棱镜。将监测断面从靠智能全站仪一侧到远离智能全站仪一测分别命名为1号监测断面、2号监测断面、3号监测断面……，将5个棱镜按顺时针顺序依次分别命名为1号棱镜、2号棱镜、3号棱镜、4号棱镜、5号棱镜。

S03、将1号棱镜在1号监测断面固定在一个位置，坐标为（125，100，100）。

S04、设定2号监测断面1号棱镜的预设位置坐标为（130,100,100）、3号监测断面1号棱镜的预设位置坐标为（135,100,100）、3号监测断面1号棱镜的预设位置坐标为（140,100,100）、4号监测断面1号棱镜的预设位置坐标为（145,100,100）；

S05、根据徕卡TM60智能全站仪的ATR自动识别分辨率，计算出照准1号监测断面1号棱镜时在每个监测断面的分辨间距

：

徕卡TM60智能全站仪的ATR自动识别分辨率9.4′，即n=9.4′，

智能全站仪到2号监测断面1号棱镜的预设位置的直线距离为30m ，即R₂₁=30m，将对应的n和R₂₁值代入弧长公式得到分辨间距l₂₁：

；

智能全站仪到3号监测断面1号棱镜的预设位置的直线距离为35m ，即R₃₁=35m，将对应的n和R₃₁值代入弧长公式得到分辨间距l₃₁：

；

智能全站仪到4号监测断面1号棱镜的预设位置的直线距离为40m ，即R₄₁=40m，将对应的n和R₄₁值代入弧长公式得到分辨间距l₄₁：

；

智能全站仪到5号监测断面1号棱镜的预设位置的直线距离为45m ，即R₅₁=45m，将对应的n和R₅₁值代入弧长公式得到分辨间距l₅₁：

；

S06、依据同一分辨间距内只有一个目标棱镜的原则，2号监测断面1号棱镜的位置为（130，100，100+l₂₁），即（130，100，100.082），3号监测断面1号棱镜的位置为（135，100，100+l₂₁+l₃₁），即（135，100，100.178），4号监测断面1号棱镜的位置为（140，100，100+l₂₁+l₃₁+l₄₁），即（140，100，100.287），5号监测断面1号棱镜的位置为（145，100，100+l₂₁+l₃₁+l₄₁+l₅₁），即（145，100，100.41）。

S07、重复步骤S03-S06依次得到每个监测断面的2号棱镜位置、每个监测断面的3号棱镜位置、每个监测断面的4号棱镜位置、每个监测断面的5号棱镜位置。

至此获得了所有目标棱镜的初步位置。

S5、根据智能全站仪ATR的分辨率，计算出所述目标棱镜的初步布设位置数据，并自动避开隧道内的附属设施，对所述初步布设位置数据进行调整，得出所述目标棱镜的最终布设位置数据；

若所述隧道尺寸信息是根据工前扫描的隧道三维激光点云模型获得，将计算得到的目标棱镜坐标与隧道三维模型进行碰撞检测，对与设置在隧道内管道、接触网及轨道有冲突的目标棱镜位置进行调整；

若所述隧道尺寸信息是根据设计图纸获得，通过智能全站仪的影像功能，对计算得到的目标棱镜位置进行拍照并通过人工智能识别是否存在管道、接触网及轨道等不适宜安装的附属设置，并根据识别结果对目标棱镜位置按需调整。

S6、利用所述智能全站仪的激光指向功能根据所述最终布设位置数据在所述待监测隧道现场投射测点，将所述目标棱镜安装到对应的测点处，完成现场测点布设；

S7、根据所述目标棱镜安装的位置，基于误差传播定律计算其点位精度，作为自动化监测时变形分析的依据。

所述ATR为所述智能全站仪的自动识别功能，能够在人工粗略照准目标棱镜的基础上自动精确找准目标，所述测点为放映隧道结构变形的特征点，需要安装隧道监测通用的目标棱镜

综上，本发明根据隧道图纸、智能全站仪的ATR自动识别分辨率、监测方案等已知信息计算棱镜布设方案，然后通过智能全站仪的激光指向功能投点辅助人工现场定位安装布设棱镜。主要思想为在照准一个断面的目标棱镜时，在其他断面上与ATR分辨率构成的分辨间距内不可布设其他棱镜。避免出现智能全站仪的分辨视野内出现多个目标棱镜导致棱镜识别错误的情况，从而实现更准确的棱镜自动照准，保障监测数据的有效性。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据隧道图纸，分析待监测隧道的断面尺寸信息；

S2、依据监测任务设计监测方案，包括确定用于放置所述智能全站仪的测站点位置、监测断面数量、监测断面间距及每个监测断面的目标棱镜数量；

S3、基于所述智能全站仪ATR的分辨率，计算所述智能全站仪在不同监测断面上的分辨间距；

S4、根据所述分辨间距及每个监测断面的目标棱镜数量计算出所述目标棱镜的初步布设位置数据，确保同一分辨间距内只有一个目标棱镜；

S5、根据智能全站仪ATR的分辨率，计算出所述目标棱镜的初步布设位置数据，并自动避开隧道内的附属设施，对所述初步布设位置数据进行调整，得出所述目标棱镜的最终布设位置数据；

S6、利用所述智能全站仪的激光指向功能，根据所述最终布设位置数据在所述待监测隧道现场投射测点，将所述目标棱镜安装到对应的测点处，完成现场测点布设；

S7、根据所述目标棱镜安装的位置，基于误差传播定律计算其点位精度，作为自动化监测时变形分析的依据。

2.根据权利要求1所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

在待监测隧道内每隔一段距离m选取一个监测断面，共有N个监测断面，在每个监测断面上安装K个目标棱镜；K和N均为大于0的正整数；

将所述监测断面从靠近所述智能全站仪一侧到远离所述智能全站仪一侧分别命名为1号监测断面、2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面，将K个目标棱镜按顺时针分布顺序分别命名为1号棱镜、2号棱镜、3号棱镜……K号棱镜。

3.根据权利要求2所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：

计算所述分辨间距的公式为：

l=2πR(n/360)，

其中，l为分辨间距，R为所述监测断面上棱镜布设处到测站点的直线距离，n为智能全站仪的ATR分辨率。

4.根据权利要求3所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，包括所步骤S4还包括：

S41、在待监测隧道内建立一个xyz坐标系，设定所述测站点的坐标，依次设定1号监测断面上1号棱镜、2号棱镜……K号棱镜的坐标；

S42、依据设定的1号监测断面上1号、2号……K号棱镜的坐标，通过分辨间距，依次求取所有监测断面上的目标棱镜坐标。

5.根据权利要求4所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，包括所步骤S42还包括：

求取2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面1号棱镜初步坐标的步骤如下：

S421、先设定各监测断面上1号棱镜的预设坐标；

S422、计算各监测断面上1号棱镜的预设坐标到所述测站点坐标的直线距离；

S423、将所述直线距离和分辨率代入所述分辨间距公式得到对应监测断面的分辨间距；

S424、判断预设坐标是否在分辨间距内，若在，则将预设坐标调整到分辨间距外，得到2号监测断面、3号监测断面……N号监测断面上1号棱镜的初步坐标；

重复上述步骤S421-S424依次求出各监测断面2号棱镜初步坐标、各监测断面3号棱镜初步坐标……各监测断面K号棱镜初步坐标。

6.根据权利要求1所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，隧道图纸为设计图纸或隧道三维激光点云扫描模型。

7.根据权利要求6所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：所述隧道尺寸信息是根据工前扫描的隧道三维激光点云模型获得，将计算得到的目标棱镜坐标与隧道三维模型进行碰撞检测，对与设置在隧道内管道、接触网及轨道有冲突的目标棱镜位置进行调整。

8.根据权利要求6所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：所述隧道尺寸信息是根据设计图纸获得，通过智能全站仪的影像功能，对计算得到的目标棱镜位置进行拍照并通过人工智能识别是否存在管道、接触网及轨道不适宜安装的附属设置，并根据识别结果对目标棱镜位置按需调整。

9.根据权利要求1所述的一种用于智能全站仪隧道自动化监测的现场测点布设方法，其特征在于，所述ATR为所述智能全站仪的自动识别功能，能够在人工粗略照准目标棱镜的基础上自动精确找准目标，所述测点为放映隧道结构变形的特征点，需要安装隧道监测通用的目标棱镜。

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