CN117233779B - 一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于卫星定位与激光雷达测距的强夯施工监测方法及系统，解决了夯锤落在夯点位置，通过人工记录或测量钢丝绳的长度，其精度难以满足夯沉量的测量要求且工作效率低的问题，本方法或系统采用卫星定位和激光扫描采集夯锤和夯锤附近地面施工过程数据，通过对数据处理分析，得到提锤高度、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量关键目标施工参数；步骤简单、实现方便且使用效果好，不仅可以实时得到夯击次数、夯点夯沉量，还可以并能有效规避人工测量低效和的不确定性，实现了对强夯法地基处理施工过程的实时监测，为强夯法施工的精细化管理、动态设计提供了重要支撑。本发明涉及强夯法地基处理技术领域。

Description

一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法及系统

技术领域

本发明涉及强夯法地基处理技术领域，尤其涉及一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法及系统。

背景技术

强夯法是一种常用的地基处理方法，该方法是将夯锤提升到一定高度，然后重锤自由落体，对地基土进行夯实，提高被处理地基的承载力。强夯法地基处理中，对夯点的夯击次数应根据现场试夯统计的夯击数和夯沉量关系曲线，按照现行规范中对最后两击平均夯沉量的控制标准进行确定，同时施工中应根据基础埋深和试夯时测得的夯沉量，确定起夯面标高、夯坑回填方式和夯后标高。所以，整个强夯法施工中夯沉量作量大且十分重要。

传统的测量方法是在强夯施工影响范围外通过人工架设水准仪，一名工人在每击夯锤落下后安放塔尺于夯锤顶某个基准点位置，测量标高，再通过人工记录，作差计算来评价夯点是否满足要求，人工测量数据量少，且效率较低，并常常因为施工一线作业人员的不规范操作、不及时测量，导致其结果可信度低，使得工程质量难以有效监管。近年来也相继出现了通过测量强夯机夯锤提升钢丝绳长度的办法，但因为无法准确将钢丝绳自身的变形量和钢丝绳绞捻结构本身旋转对长度测量的影响等统筹考虑，且夯锤每一击过程中，都会附着携带重量不等的地基土，从而使得每次提锤时钢丝绳承受重力并非绝对意义的定值，因此通过测量钢丝绳的长度其精度难以满足夯沉量的测量要求。

发明内容

本发明提供一种基于卫星定位与激光雷达测距的强夯施工监测方法及系统，解决了夯锤落在夯点位置，通过人工记录或测量钢丝绳的长度，其精度难以满足夯沉量的测量要求且工作效率低的问题，本方法或系统采用卫星定位和激光扫描采集夯锤和夯锤附近地面施工过程数据，通过对数据处理分析，得到提锤高度、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量关键目标施工参数；步骤简单、实现方便且使用效果好，不仅可以实时得到夯击次数、夯点夯沉量，还可以并能有效规避人工测量低效和的不确定性，实现了对强夯法地基处理施工过程的实时监测，为强夯法施工的精细化管理、动态设计提供了重要支撑。

本发明在一个方面，提供一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法，该方法包括步骤如下：

步骤一、基准站的第一无线通信设备将基准站的第一北斗卫星信号接收机实时接收的基准站所在位置数据，并以北斗卫星信号的格式传送至监测站的第二无线通信设备；其中，所述位置数据包括绝对坐标和绝对高程信息；

监测站的数据采集单元通过激光雷达对夯锤顶面和夯锤附近地面实时激光扫描测量，获取初始数据采集；监测站的数据传输单元将第二无线通信设备所接收基准站的第一无线通信设备所传送数据、第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置数据和数据采集单元获得的激光雷达激光扫描的目标实时数据传输至监测中心的服务器；

步骤二、监测中心的服务器接收到监测站所传送位置数据和初始数据后，对所接收位置数据和初始数据同步进行数据预处理；监测中心的服务器通过数据分析终端提前将目标项目强夯设计图纸中目标技术参数信息输入所述监测中心服务器，监测中心的服务器通过将技术参数中的夯点绝对坐标、夯点原始标高，与步骤一获得的初始数据在初始时刻的夯锤顶面、夯点地面的三维绝对坐标进行对比分析，从而确定夯点坐标、夯点原始地面标高参数是否与目标技术参数一致；

步骤三、当强夯机开始进行强夯施工时，先提锤至预定高度并自由落锤，砸到地面完成一次夯击，每次整个夯击过程数据采集按照步骤一完成施工过程的数据采集；监测中心的服务器通过对夯点施工过程采集的目标参数数据按照步骤二进行时间同步和数据预处理后进行夯点施工过程数据处理分析，得到目标夯点施工数据；

步骤四、监测中心的服务器持续对所述监测的目标夯锤施工数据进行分析，当得到夯击次数、最后两击平均夯沉量、总夯沉量和夯锤附近地面隆起量数据满足设计要求时，确定终夯，转至下一个夯点；否则，继续步骤三直至满足终夯要求；所述转至下一夯点施工时，按照步骤一至步骤四持续进行数据采集、传输、处理与分析。

优选地，初始数据包括初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据；夯锤顶面、夯锤附近地面各测点与激光雷达间的直线距离L，以及相对激光雷达所在位置为相对坐标原点，各测点与三维坐标系统X、Y、Z轴的夹角α、β、γ；激光雷达通过扫描得到激光雷达距离整个夯锤顶面数据组和激光雷达距离夯锤附近地面距离数据组，利用不同介质对激光源信号的反射率不同，可以分辨出地面、夯锤不同介质，并对数据进行分类，筛选出整个夯锤顶面数据组为[C₀]，夯锤附近地面数据组为[D₀]：

式中，[C₀]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的直线距离；α_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Cb0，α_Cb0，β_Cb0，γ_Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cc0，α_Cc0，β_Cc0，γ_Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cn0，α_Cn0，β_Cn0，γ_Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

[D₀]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Da0表示为初始0时刻地面Da测点相对激光雷达的直线距离；α_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Db0，α_Db0，β_Db0，γ_Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dc0，α_Dc0，β_Dc0，γ_Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dn0，α_Dn0，β_Dn0，γ_Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

优选地，目标技术参数包括夯点绝对坐标、夯点原始地面标高、单点夯击次数、夯锤提锤高度、夯点位置差异、最后两击平均夯沉量、总夯沉量和夯锤附近地面隆起量；

步骤二中的数据预处理还包括如下步骤：

步骤201、根据基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，对初始测试时刻监测站的位置进行差分定位；服务器根据基准站的第一北斗卫星接收机、监测站的第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，且调用定位解算模块实时进行定位解算，得到基准站的激光雷达的绝对坐标信息；

步骤202、对各测试时刻所接收数据进行时间同步处理；监测中心的服务器连接卫星授时服务器且其以北斗授时设备作为时间基准，卫星授时服务器为北斗授时设备连接的服务器，通过内插法对基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机的北斗卫星信号接收时间与监测站的激光雷达测量时间进行同步处理；其中，采用的内插法为最小二乘法；

步骤203、各测点三维相对坐标计算

监测中心的服务器以监测站的激光雷达所在位置为相对坐标原点，通过对夯锤顶面数据组[C₀]进行三角函数计算，得到夯锤顶面各测点的三维相对坐标点云数据[S_相C0]:

式中，[S_相C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Ca0,y_相Ca0,z_相Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cb0,y_相Cb0,z_相Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cc0,y_相Cc0,z_相Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cn0,y_相Cn0,z_相Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

通过对夯锤附近地面数据组[D₀]进行三角函数计算，得到夯锤附近地面各测点的三维相对坐标云数据[S_相D0]:

[S_相D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Da0,y_相Da0,z_相Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Db0,y_相Db0,z_相Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dc0,y_相Dc0,z_相Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dn0,y_相Dn0,z_相Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

步骤204、各测点三维绝对坐标计算：

先根据监测站的差分定位结果，得出初始测试时刻监测站的激光雷达的三维绝对位置数据；之后，根据步骤203中获得的夯锤顶面、夯锤附近地面相对监测站的激光雷达的三维相对坐标点云数据[S_相C0]、[S_相D0]，通过三维坐标矢量求和，得出初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标；

监测站的激光雷达的绝对位置数据为第二北斗卫星定位获得的激光雷达的三维绝对坐标S_L0＝(x_L0,y_L0,z_L0)，式中S_L0表示为初始0时刻激光雷达的三维绝对坐标。

夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标为经坐标矢量计算得到的三维绝对坐标点云数据[S_绝C0]，[S_绝D0]：

式中，[S_绝C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Ca0,y_绝Ca0,z_绝Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点的三维绝对坐标；(x_绝Cb0,y_绝Cb0,z_绝Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点的三维绝对坐标；(x_绝Cc0,y_绝Cc0,z_绝Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点的三维绝对坐标；(x_绝Cn0,y_绝Cn0,z_绝Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点的三维绝对坐标。

[S_绝D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Da0,y_绝Da0,z_绝Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点的三维绝对坐标；(x_绝Db0,y_绝Db0,z_绝Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点的三维绝对坐标；(x_绝Dc0,y_绝Dc0,z_绝Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点的三维绝对坐标；(x_绝Dn0,y_绝Dn0,z_绝Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点的三维绝对坐标。

优选地，步骤三中的监测中心的服务器通过对夯点施工过程采集的数据按照步骤二进行时间同步和数据预处理后进行夯点施工过程数据分析，得到目标夯点施工数据，目标夯点施工数据包括夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据，所述夯点施工过程数据分析还包括如下步骤：

步骤301、夯击次数分析，监测中心的服务器通过对比每个t时刻夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当夯锤顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量变化方向由上升突然转为下降的时刻t，监测中心的服务器记录为一次夯击，同一夯点的记录次数之和即夯击次数m:

即当满足时，记录为一次夯击数；

式中，为t时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的前一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的后一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值；

步骤302、提锤高度分析：监测中心的服务器通过对比夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的时刻(t时刻)，夯锤顶面中心点的三维绝对坐标S_绝Co(t)与目标夯点初始时刻夯锤顶面中心点的三维绝对坐标点云数据S_绝Co0对比，根据前后三维坐标点Z轴的矢量变化可得到本次夯击提锤高度H_m：

H_m＝z_绝Co(t)-z_绝Co0；式中，H_m表示为第m次提锤高度；

步骤303、夯沉量分析：监测中心的服务器，通过对比第m次夯击过程中夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，与本次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(i)]，根据前后三维坐标点云数据中Z坐标的矢量变化可得到整个夯锤范围各点单击夯沉量[ΔS_Cm]，并进一步得到单击平均夯沉量夯点总夯沉量S_Cm：

式中，[ΔS_Cm]表示为第m次夯击后，整个夯锤顶面各点单击夯沉量；Δz_绝Cam、Δz_绝Cbm、Δz_绝Ccm、Δz_绝Ccm表示为第m次夯击后，夯锤顶面各测点的单击夯沉量；z_绝Cam(j)、z_绝Cbm(j)、z_绝Ccm(j)、z_绝Cnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；z_绝Cam(i)、z_绝Cbm(i)、z_绝Ccm(i)、z_绝Cnm(i)表示为第m次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；

式中，表示为第m次夯击后，夯点单击平均夯沉量，n表示为夯锤顶面测点数量之和。

式中，S_Cm表示为第m次夯击后，夯点总夯沉量。表示为第1、2、3次夯击后，夯点单击平均夯沉量；

步骤304、夯点位置差异分析：监测中心的服务器，通过对比夯锤第m次砸到地面静止后j时刻夯锤顶面中心o点的三维绝对坐标数据S_绝Com(j)，与目标夯点设计绝对坐标数据，根据前后三维坐标数据中对应x、y坐标的矢量变化可得到夯点位置差异；

步骤305、夯坑平整性分析：由于夯锤高度为定值h，监测中心的服务器通过分析第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻，夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，通过对[S_绝Cm(j)]数据中各点z坐标数值进行对比，可以获得夯坑底面的平整性差异；

步骤306、夯锤附近地面隆起量分析：监测中心的服务器将第m次夯击后，夯锤砸到夯点地面静止后j时刻，夯锤附近地面三维绝对坐标点云数据[S_绝Dm(j)]与步骤204初始时刻所述夯锤附近地面的三维绝对坐标点云数据[S_绝D0]对比，根据前后三维坐标点云数据Z轴的矢量变化，可以得到夯锤附近地面各测点隆起量[S_Dm]：

式中，[S_Dm]表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点隆起量数据组，Δz_Dam、Δz_Dbm、Δz_Dcm、Δz_Dnm表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点的隆起量，z_绝Dam(j)、z_绝Dbm(j)、z_绝Dcm(j)、z_绝Dnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯点地面各测点的z坐标值。

本发明提供一种基于卫星定位与激光雷达测距的强夯施工监测方法，解决了夯锤顶落在基准点位置，通过人工记录或测量钢丝绳的长度，其精度难以满足夯沉量的测量要求且工作效率低的问题，本方法或系统采用卫星定位和激光扫描采集夯锤到夯点地面的测距，通过对数据处理分析，得到提锤高度、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯点周边地面隆起量关键施工参数；步骤简单、实现方便且使用效果好，不仅可以实时得到夯击次数、夯点夯沉量，还可以并能有效规避人工测量低效和的不确定性，实现了对强夯法地基处理施工过程的实时监测，为强夯法施工的精细化管理、动态设计提供了重要支撑。

另一方面，本发明还提供一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，该系统包括基准站、监测站和监测中心，基准站与所述监测站之间以无线通信方式进行通信；

基准站，为北斗卫星地面基站，包括第一北斗卫星信号接收机和与第一北斗卫星信号接收机相接的第一无线通信设备，所述基准站，用于将第一北斗卫星信号接收机实时接收的基准站所在位置数据，通过第一无线通信设备将基准站的位置数据以北斗卫星信号的格式传送至监测站的第二无线通信设备；其中，所述位置数据包括绝对坐标和绝对高程信息；所述基准站放置在稳定地面的基准墩上；

监测站，包括第二北斗卫星信号接收机、第二无线通信设备、激光雷达、数据采集单元、数据传输单元，所述激光雷达与数据采集单元相接，所述第二北斗卫星信号接收机和数据采集单元均与数据传输单元相接；所述监测站的第二无线通信设备与基准站的第一无线通信设备进行通信；所述监测站通过激光雷达获取夯锤、夯锤附近地面的获取初始数据和目标实时数据，第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置数据，并通过数据传输单元将初始数据、位置数据和目标实时数据传送至监测中心的服务器；所述监测中心，用于对监测站所传送初始数据、位置数据和目标实时数据进行接收、存储和处理分析得到目标夯点施工数据；

所述第一北斗卫星信号接收机、第二北斗卫星信号接收机和监测中心组成北斗卫星定位监测系统，所述第二北斗卫星信号接收机、第二无线通信设备、数据采集单元均通过数据传输单元与监测中心的服务器进行通信；其中，所述监测中心包括服务器、网络通信设备、数据分析终端。

优选地，监测站根据激光雷达测距要求布设在强夯机臂架上，将监测站集成于集线箱内，集线箱通过支架和螺栓与强夯机臂架进行固定连接，监测站电源自强夯机驾驶室接入，集线箱安装固定位置为激光雷达的测量基准点；所述激光雷达侧向安装在监测站集线箱侧面位置；所述监测站的激光雷达为一体式成品结构，实现激光发射、接收、信号处理，数据采集单元接收激光信号后，通过数据传输单元实时传输至监测中心服务器；

所述监测站的数据传输单元将监测站的第二无线通信设备所接收的基准站所传送数据、第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置的绝对坐标和绝对高程信息的北斗卫星信号数据，和所述数据采集单元获得的激光雷达数据同步传输至所述监测中心的服务器进行存储和处理；

该数据传输单元为GPRS无线通信模块，该服务器为带有固定IP地址的服务器。

优选地，该监测站通过激光雷达获取夯锤到夯点地面的获取初始数据和目标实时数据，是指监测站的激光雷达通过对目标位置夯点地面和夯锤顶面实时激光扫描测量，通过数据采集单元采集获得初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据，得到初始数据；

该初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据，为夯锤顶面、夯锤附近地面各测点与激光雷达间的直线距离L，以及相对激光雷达所在位置为相对坐标原点，各测点与三维坐标系统X、Y、Z轴的夹角α、β、γ；

所述激光雷达通过扫描得到激光雷达距离整个夯锤顶面数据组和激光雷达距离夯锤附近地面距离数据组，利用不同介质对激光源信号的反射率不同，可以分辨出地面、夯锤不同介质，并对数据组中的数据进行分类，筛选出整个夯锤顶面数据组为数据组为[C₀]，夯锤附近地面数据组为[D₀]；

式中，[C₀]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的直线距离；α_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Cb0，α_Cb0，β_Cb0，γ_Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cc0，α_Cc0，β_Cc0，γ_Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cn0，α_Cn0，β_Cn0，γ_Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

[D₀]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Da0表示为初始0时刻地面Da测点相对激光雷达的直线距离；α_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Db0，α_Db0，β_Db0，γ_Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dc0，α_Dc0，β_Dc0，γ_Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dn0，α_Dn0，β_Dn0，γ_Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

优选地，该监测中心的服务器还包括数据预处理、初始数据分析、夯点施工过程数据分析；

所述数据预处理步骤如下：

步骤401、差分定位，根据第一北斗卫星信号接收机和第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，对初始测试时刻所述监测站的位置进行差分定位；监测中心的服务器，根据基准站的第一北斗卫星接收机、监测站的第二北斗卫星信号接收机2-1所接收的北斗卫星信号，且调用定位解算模块实时进行定位解算，得到监测站的激光雷达的绝对坐标信息。同时监测中心的服务器根据北斗授时功能获取观测时间；

步骤402、时间同步处理，对各测试时刻所接收数据进行时间同步处理；监测中心的服务器连接卫星授时服务器且其以北斗授时设备作为时间基准，卫星授时服务器为北斗授时设备连接的服务器，通过内插法对基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机的北斗卫星信号接收时间与监测站的激光雷达测量时间进行同步处理；其中，所采用的内插法为最小二乘法；通过时间同步处理，实现基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机与监测站的激光雷达测量数据的时间同步；

步骤403、各测点三维相对坐标计算，监测中心的服务器以监测站的激光雷达所在位置为相对坐标原点，通过对夯锤顶面数据组[C₀]进行三角函数计算，得到夯锤顶面各测点的三维相对坐标点云数据[S_相C0]，通过对夯锤附近地面数据组[D₀]进行三角函数计算，得到夯锤附近地面各测点的三维相对坐标云数据[S_相D0]；

式中，[S_相C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Ca0,y_相Ca0,z_相Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cb0,y_相Cb0,z_相Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cc0,y_相Cc0,z_相Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cn0,y_相Cn0,z_相Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

[S_相D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Da0,y_相Da0,z_相Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Db0,y_相Db0,z_相Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dc0,y_相Dc0,z_相Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dn0,y_相Dn0,z_相Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

步骤404、各测点三维绝对坐标计算，先根据监测站的差分定位结果，得出初始测试时刻监测站的激光雷达的三维绝对位置数据；之后，根据步骤403中获得的夯锤顶面、夯锤附近地面相对监测站的激光雷达的三维相对坐标点云数据[S_相C0]、[S_相D0]，通过三维坐标矢量求和，得出初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标；

监测站的激光雷达的绝对位置数据为第二北斗卫星定位获得的激光雷达的三维绝对坐标S_L0＝(x_L0,y_L0,z_L0)，式中S_L0表示为初始0时刻激光雷达的三维绝对坐标。

夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标为经坐标矢量计算得到的三维绝对坐标点云数据[S_绝C0]，[S_绝D0]：

式中，[S_绝C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Ca0,y_绝Ca0,z_绝Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点的三维绝对坐标；(x_绝Cb0,y_绝Cb0,z_绝Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点的三维绝对坐标；(x_绝Cc0,y_绝Cc0,z_绝Cc0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Cc测点的三维绝对坐标；(x_绝Cn0,y_绝Cn0,z_绝Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点的三维绝对坐标。

[S_绝D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Da0,y_绝Da0,z_绝Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点的三维绝对坐标；(x_绝Db0,y_绝Db0,z_绝Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点的三维绝对坐标；(x_绝Dc0,y_绝Dc0,z_绝Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点的三维绝对坐标；(x_绝Dn0,y_绝Dn0,z_绝Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点的三维绝对坐标。

该初始数据分析，是指监测中心的服务器通过数据分析终端提前将目标项目强夯设计图纸中技术参数信息输入所述监测中心的服务器，其中，设计图纸中技术参数信息包括夯点绝对坐标，夯点原始地面标高、单点夯击次数、夯点间距、夯锤提锤高度，夯点位置差异，最后两击平均夯沉量、总夯沉量、夯锤附近地面隆起量；监测中心的服务器通过将技术参数中的夯点原始标高，夯点绝对坐标与初始时刻的夯锤顶面的三维绝对坐标进行对比分析，从而确定夯点原始地面标高、夯点位置参数是否与设计一致，当所述参数一致或在设计容许目标数据偏差阈值，可进行下一步施工，当所述目标数据偏差超过设计容许偏差阈值时，则通过与监测中心的服务器相接的数据分析终端可实时显示数据差异，获取差异数据，指令强夯机和夯锤整体移动至准确夯点位置进行强夯作业。

优选地，夯点施工过程数据分析，是指监测中心的服务器对夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据，均由监测中心的服务器通过对所接收数据按照步时间同步和数据预处理后，分析计算获得，具计算体步骤如下：

步骤701、夯击次数分析，监测中心的服务器通过对比每个t时刻夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(_t)]中Z轴的矢量变化，当夯锤顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量变化方向由上升突然转为下降的时刻t，监测中心的服务器记录为一次夯击，同一夯点的记录次数之和即夯击次数m:

即当满足时，记录为一次夯击数；

式中，为t时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的前一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的后一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值；

步骤702、提锤高度分析：监测中心的服务器通过对比夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的时刻(t时刻)，夯锤顶面中心点的三维绝对坐标S_绝Co(t)与目标夯点初始时刻夯锤顶面中心点的三维绝对坐标点云数据S_绝Co0对比，根据前后三维坐标点Z轴的矢量变化可得到本次夯击提锤高度H_m：

H_m＝z_绝Co_(t)-z_绝Co0；式中，H_m表示为第m次提锤高度；

步骤703、夯沉量分析：监测中心的服务器，通过对比第m次夯击过程中夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，与本次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(i)]，根据前后三维坐标点云数据中Z坐标的矢量变化可得到整个夯锤范围各点单击夯沉量[ΔS_Cm]，并进一步得到单击平均夯沉量夯点总夯沉量S_Cm：

式中，[ΔS_Cm]表示为第m次夯击后，整个夯锤顶面各点单击夯沉量；Δz_绝Cam、Δz_绝Cbm、Δz_绝Ccm、Δz_绝Ccm表示为第m次夯击后，夯锤顶面各测点的单击夯沉量；z_绝Cam(j)、z_绝Cbm(j)、z_绝Ccm(j)、z_绝Cnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；z_绝Cam(i)、z_绝Cbm(i)、z_绝Ccm(i)、z_绝Cnm(i)表示为第m次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；

式中，表示为第m次夯击后，夯点单击平均夯沉量，n表示为夯锤顶面测点数量之和。

式中，S_Cm表示为第m次夯击后，夯点总夯沉量。表示为第1、2、3次夯击后，夯点单击平均夯沉量；

步骤704、夯点位置差异分析：监测中心的服务器，通过对比夯锤第m次砸到地面静止后j时刻夯锤顶面中心o点的三维绝对坐标数据S_绝Com(j)，与目标夯点设计绝对坐标数据，根据前后三维坐标数据中对应x、y坐标的矢量变化可得到夯点位置差异；

步骤705、夯坑平整性分析：由于夯锤高度为定值h，监测中心的服务器通过分析第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻，夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，通过对[S_绝Cm(j)]数据中各点z坐标数值进行对比，可以获得夯坑底面的平整性差异；

步骤706、夯锤附近地面隆起量分析：监测中心的服务器将第m次夯击后，夯锤砸到夯点地面静止后j时刻，夯锤附近地面三维绝对坐标点云数据[S_绝Dm(j)]与步骤204初始时刻所述夯锤附近地面的三维绝对坐标点云数据[S_绝D0]对比，根据前后三维坐标点云数据Z轴的矢量变化，可以得到夯锤附近地面各测点隆起量[S_Dm]：

式中，[S_Dm]表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点隆起量数据组，Δz_Dam、Δz_Dbm、Δz_Dcm、Δz_Dnm表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点的隆起量，z_绝Dam(j)、z_绝Dbm(j)、z_绝Dcm(j)、z_绝Dnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯点地面各测点的z坐标值；

当计算隆起量未超过设计最大允许值时，强夯施工正常，可继续进行施工；当计算隆起量超过设计最大允许值时，通过数据分析终端显示差异，现场技术人员查看现场实际情况后进一步处理。

优选地，监测站的激光雷达持续扫描整个施工过程夯锤和地面获得距离、角度数据组，并通过监测站的数据传输单元将监测站的第二无线通信设备所接收的基准站所传送数据、基准站的第二北斗卫星信号接收机实时接收的北斗卫星信号和激光雷达测量的数据同步传输至监测中心的服务器，并由所述服务器对所接收数据进行预处理和各测点三维绝对坐标计算；

监测中心的服务器持续对接收的监测数据进行分析，当得到夯击次数、最后两击平均夯沉量、总夯沉量、夯锤附近地面隆起量的数据满足设计要求时，确定终夯，转至下一个夯点；否则，继续步骤701至步骤706直至满足终夯要求；夯击次数按照步骤701计算得到，总夯沉量按照步骤703计算得到，夯锤附近地面隆起量按照步骤706分析得到，最后两击平均夯沉量按照步骤703数据，对最后两击的单击平均夯沉量求平均得到。

本发明提供一种基于卫星定位与激光雷达测距的强夯施工监测系统，解决了夯锤顶落在基准点位置，通过人工记录或测量钢丝绳的长度，其精度难以满足夯沉量的测量要求且工作效率低的问题，本方法或系统采用卫星定位和激光扫描采集夯锤到夯点地面的测距，通过对数据处理分析，得到提锤高度、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯点周边地面隆起量关键施工参数；步骤简单、实现方便且使用效果好，不仅可以实时得到夯击次数、夯点夯沉量，还可以并能有效规避人工测量低效和的不确定性，实现了对强夯法地基处理施工过程的实时监测，为强夯法施工的精细化管理、动态设计提供了重要支撑。

附图说明

图1是一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法流程示意图系统结构示意图；

图2是一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统监测站在强夯机臂架安装固定的结构示意图；

图3是一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统激光雷达和夯锤、地面在三维坐标系中相对位置关系示意图；

图4是一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法实施例流程图；

图5是一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。

本发明在一个方面，如图5所示，提供一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法，该方法包括步骤如下：

步骤一、基准站的第一无线通信设备将基准站的第一北斗卫星信号接收机实时接收的基准站所在位置数据，并以北斗卫星信号的格式传送至监测站的第二无线通信设备；其中，位置数据包括绝对坐标和绝对高程信息；

监测站的数据采集单元通过激光雷达对夯锤顶面和夯锤附近地面实时激光扫描测量，获取初始数据采集；监测站的数据传输单元将第二无线通信设备所接收基准站的第一无线通信设备所传送数据、第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置数据和数据采集单元获得的激光雷达激光扫描的目标实时数据传输至监测中心的服务器；

步骤二、监测中心的服务器接收到监测站所传送位置数据和初始数据后，对所接收位置数据和初始数据同步进行数据预处理；监测中心的服务器通过数据分析终端提前将目标项目强夯设计图纸中目标技术参数信息输入所述监测中心服务器，监测中心的服务器通过将技术参数中的夯点绝对坐标、夯点原始标高，与步骤一获得的初始数据在初始时刻的夯锤顶面、夯点地面的三维绝对坐标进行对比分析，从而确定夯点坐标、夯点原始地面标高参数是否与目标技术参数一致；

步骤三、当强夯机开始进行强夯施工时，先提锤至预定高度并自由落锤，砸到地面完成一次夯击，每次整个夯击过程数据采集按照步骤一完成施工过程的数据采集；监测中心的服务器通过对夯点施工过程采集的目标参数数据按照步骤二进行时间同步和数据预处理后进行夯点施工过程数据处理分析，得到目标夯点施工数据；

步骤四、监测中心的服务器持续对所述监测的目标夯锤施工数据进行分析，当得到夯击次数、最后两击平均夯沉量、总夯沉量和夯锤附近地面隆起量数据满足设计要求时，确定终夯，转至下一个夯点；否则，继续步骤三直至满足终夯要求；所述转至下一夯点施工时，按照步骤一至步骤四持续进行数据采集、传输、处理与分析。

在一个实施例中，初始数据包括初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据；夯锤顶面、夯锤附近地面各测点与激光雷达间的直线距离L，以及相对激光雷达所在位置为相对坐标原点，各测点与三维坐标系统X、Y、Z轴的夹角α、β、γ；激光雷达通过扫描得到激光雷达距离整个夯锤顶面数据组和激光雷达距离夯锤附近地面距离数据组，利用不同介质对激光源信号的反射率不同，可以分辨出地面、夯锤不同介质，并对数据进行分类，筛选出整个夯锤顶面数据组为[C₀]，夯锤附近地面数据组为[D₀]：

式中，[C₀]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的直线距离；α_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Cb0，α_Cb0，β_Cb0，γ_Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cc0，α_Cc0，β_Cc0，γ_Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cn0，α_Cn0，β_Cn0，γ_Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

[D₀]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Da0表示为初始0时刻地面Da测点相对激光雷达的直线距离；α_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Db0，α_Db0，β_Db0，γ_Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dc0，α_Dc0，β_Dc0，γ_Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dn0，α_Dn0，β_Dn0，γ_Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

在一个实施例中，目标技术参数包括夯点绝对坐标、夯点原始地面标高、单点夯击次数、夯锤提锤高度、夯点位置差异、最后两击平均夯沉量、总夯沉量和夯锤附近地面隆起量；

步骤二中的数据预处理还包括如下步骤：

步骤201、根据基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，对初始测试时刻监测站的位置进行差分定位；服务器根据基准站的第一北斗卫星接收机、监测站的第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，且调用定位解算模块实时进行定位解算，得到基准站的激光雷达的绝对坐标信息；

步骤202、对各测试时刻所接收数据进行时间同步处理；监测中心的服务器连接卫星授时服务器且其以北斗授时设备作为时间基准，卫星授时服务器为北斗授时设备连接的服务器，通过内插法对基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机的北斗卫星信号接收时间与监测站的激光雷达测量时间进行同步处理；其中，采用的内插法为最小二乘法；

步骤203、各测点三维相对坐标计算

监测中心的服务器以监测站的激光雷达所在位置为相对坐标原点，通过对夯锤顶面数据组[C₀]进行三角函数计算，得到夯锤顶面各测点的三维相对坐标点云数据[S_相C0]:

式中，[S_相C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Ca0,y_相Ca0,z_相Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cb0,y_相Cb0,z_相Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cc0,y_相Cc0,z_相Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cn0,y_相Cn0,z_相Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

通过对夯锤附近地面数据组[D₀]进行三角函数计算，得到夯锤附近地面各测点的三维相对坐标云数据[S_相D0]:

其中，[S_相D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Da0,y_相Da0,z_相Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Db0,y_相Db0,z_相Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dc0,y_相Dc0,z_相Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dn0,y_相Dn0,z_相Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；

步骤204、各测点三维绝对坐标计算：

先根据监测站的差分定位结果，得出初始测试时刻监测站的激光雷达的三维绝对位置数据；之后，根据步骤203中获得的夯锤顶面、夯锤附近地面相对监测站的激光雷达的三维相对坐标点云数据[S_相C0]、[S_相D0]，通过三维坐标矢量求和，得出初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标；

监测站的激光雷达的绝对位置数据为第二北斗卫星定位获得的激光雷达的三维绝对坐标S_L0＝(x_L0,y_L0,z_L0)，式中S_L0表示为初始0时刻激光雷达的三维绝对坐标。

夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标为经坐标矢量计算得到的三维绝对坐标点云数据[S_绝C0]，[S_绝D0]：

式中，[S_绝C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Ca0,y_绝Ca0,z_绝Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点的三维绝对坐标；(x_绝Cb0,y_绝Cb0,z_绝Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点的三维绝对坐标；(x_绝Cc0,y_绝Cc0,z_绝Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点的三维绝对坐标；(x_绝Cn0,y_绝Cn0,z_绝Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点的三维绝对坐标。

[S_绝D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Da0,y_绝Da0,z_绝Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点的三维绝对坐标；(x_绝Db0,y_绝Db0,z_绝Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点的三维绝对坐标；(x_绝Dc0,y_绝Dc0,z_绝Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点的三维绝对坐标；(x_绝Dn0,y_绝Dn0,z_绝Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点的三维绝对坐标。

在一个实施例中，步骤三中的监测中心的服务器通过对夯点施工过程采集的数据按照步骤二进行时间同步和数据预处理后进行夯点施工过程数据分析，得到目标夯点施工数据，目标夯点施工数据包括夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据，所述夯点施工过程数据分析还包括如下步骤：

步骤301、夯击次数分析，监测中心的服务器通过对比每个t时刻夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当夯锤顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量变化方向由上升突然转为下降的时刻t，监测中心的服务器记录为一次夯击，同一夯点的记录次数之和即夯击次数m:

即当满足时，记录为一次夯击数；

式中，为t时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的前一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的后一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值；

步骤302、提锤高度分析：监测中心的服务器通过对比夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的时刻(t时刻)，夯锤顶面中心点的三维绝对坐标S_绝Co_(t)与目标夯点初始时刻夯锤顶面中心点的三维绝对坐标点云数据S_绝Co0对比，根据前后三维坐标点Z轴的矢量变化可得到本次夯击提锤高度H_m：

H_m＝z_绝Co_(t)-z_绝Co0；式中，H_m表示为第m次提锤高度；

步骤303、夯沉量分析：监测中心的服务器，通过对比第m次夯击过程中夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，与本次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(i)]，根据前后三维坐标点云数据中Z坐标的矢量变化可得到整个夯锤范围各点单击夯沉量[ΔS_Cm]，并进一步得到单击平均夯沉量夯点总夯沉量S_Cm：

式中，[ΔS_Cm]表示为第m次夯击后，整个夯锤顶面各点单击夯沉量；Δz_绝Cam、Δz_绝Cbm、Δz_绝Ccm、Δz_绝Ccm表示为第m次夯击后，夯锤顶面各测点的单击夯沉量；z_绝Cam(j)、z_绝Cbm(j)、z_绝Ccm(j)、z_绝Cnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；z_绝Cam(i)、z_绝Cbm(i)、z_绝Ccm(i)、z_绝Cnm(i)表示为第m次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；

式中，表示为第m次夯击后，夯点单击平均夯沉量，n表示为夯锤顶面测点数量之和。

式中，S_Cm表示为第m次夯击后，夯点总夯沉量。表示为第1、2、3次夯击后，夯点单击平均夯沉量；

步骤304、夯点位置差异分析：监测中心的服务器，通过对比夯锤第m次砸到地面静止后j时刻夯锤顶面中心o点的三维绝对坐标数据S_绝Com(j)，与目标夯点设计绝对坐标数据，根据前后三维坐标数据中对应x、y坐标的矢量变化可得到夯点位置差异；

步骤305、夯坑平整性分析：由于夯锤高度为定值h，监测中心的服务器通过分析第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻，夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，通过对[S_绝Cm(j)]数据中各点z坐标数值进行对比，可以获得夯坑底面的平整性差异；

步骤306、夯锤附近地面隆起量分析：监测中心的服务器将第m次夯击后，夯锤砸到夯点地面静止后j时刻，夯锤附近地面三维绝对坐标点云数据[S_绝Dm(j)]与步骤204初始时刻所述夯锤附近地面的三维绝对坐标点云数据[S_绝D0]对比，根据前后三维坐标点云数据Z轴的矢量变化，可以得到夯锤附近地面各测点隆起量[S_Dm]：

式中，[S_Dm]表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点隆起量数据组，Δz_Dam、Δz_Dbm、Δz_Dcm、Δz_Dnm表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点的隆起量，z_绝Dam(j)、z_绝Dbm(j)、z_绝Dcm(j)、z_绝Dnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯点地面各测点的z坐标值。

本发明实施例提供一种基于卫星定位与激光雷达测距的强夯施工监测方法，解决了夯锤顶落在基准点位置，通过人工记录或测量钢丝绳的长度，其精度难以满足夯沉量的测量要求且工作效率低的问题，本方法或系统采用卫星定位和激光扫描采集夯锤到夯点地面的测距，通过对数据处理分析，得到提锤高度、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯点周边地面隆起量关键施工参数；步骤简单、实现方便且使用效果好，不仅可以实时得到夯击次数、夯点夯沉量，还可以并能有效规避人工测量低效和的不确定性，实现了对强夯法地基处理施工过程的实时监测，为强夯法施工的精细化管理、动态设计提供了重要支撑。

本发明另一方面，如图1所示，本发明还提供一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，该系统包括基准站、监测站和监测中心，基准站与所述监测站之间以无线通信方式进行通信；

基准站，为北斗卫星地面基站，包括第一北斗卫星信号接收机和与第一北斗卫星信号接收机相接的第一无线通信设备，所述基准站，用于将第一北斗卫星信号接收机实时接收的基准站所在位置数据，通过第一无线通信设备将基准站的位置数据以北斗卫星信号的格式传送至监测站的第二无线通信设备；其中，所述位置数据包括绝对坐标和绝对高程信息；所述基准站放置在稳定地面的基准墩上；

监测站，包括第二北斗卫星信号接收机、第二无线通信设备、激光雷达、数据采集单元、数据传输单元，所述激光雷达与数据采集单元相接，所述第二北斗卫星信号接收机和数据采集单元均与数据传输单元相接；所述监测站的第二无线通信设备与基准站的第一无线通信设备进行通信；所述监测站通过激光雷达获取夯锤、夯锤附近地面的获取初始数据和目标实时数据，第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置数据，并通过数据传输单元将初始数据、位置数据和目标实时数据传送至监测中心的服务器；所述监测中心，用于对监测站所传送初始数据、位置数据和目标实时数据进行接收、存储和处理分析得到目标夯点施工数据；

第一北斗卫星信号接收机、第二北斗卫星信号接收机和监测中心组成北斗卫星定位监测系统，第二北斗卫星信号接收机、第二无线通信设备、数据采集单元均通过数据传输单元与监测中心的服务器进行通信；其中，监测中心包括服务器、网络通信设备、数据分析终端。

在一个实施例中，监测站根据激光雷达测距要求布设在强夯机臂架上，将监测站集成于集线箱内，集线箱通过支架和螺栓与强夯机臂架的支架上进行固定连接，监测站电源自强夯机驾驶室接入，集线箱安装固定位置为激光雷达的测量基准点；所述激光雷达侧向安装在监测站集线箱侧面位置；所述监测站的激光雷达为一体式成品结构，实现激光发射、接收、信号处理，数据采集单元接收激光信号后，通过数据传输单元实时传输至监测中心服务器；

监测站的数据传输单元将监测站的第二无线通信设备所接收的基准站所传送数据、第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置的绝对坐标和绝对高程信息的北斗卫星信号数据，和数据采集单元获得的激光雷达数据同步传输至所述监测中心的服务器进行存储和处理；

该数据传输单元为GPRS无线通信模块，该服务器为带有固定IP地址的服务器。

在一个实施例中，该监测站通过激光雷达获取夯锤到夯点地面的获取初始数据和目标实时数据，是指监测站的激光雷达通过对目标位置夯点地面和夯锤顶面实时激光扫描测量，通过数据采集单元采集获得初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据，得到初始数据；

该初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据，为夯锤顶面、夯锤附近地面各测点与激光雷达间的直线距离L，以及相对激光雷达所在位置为相对坐标原点，各测点与三维坐标系统X、Y、Z轴的夹角α、β、γ；

激光雷达通过扫描得到激光雷达距离整个夯锤顶面数据组和激光雷达距离夯锤附近地面距离数据组，利用不同介质对激光源信号的反射率不同，可以分辨出地面、夯锤不同介质，并对数据组中的数据进行分类，筛选出整个夯锤顶面数据组为数据组为[C₀]，夯锤附近地面数据组为[D₀]；

式中，[C₀]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的直线距离；α_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Cb0，α_Cb0，β_Cb0，γ_Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cc0，α_Cc0，β_Cc0，γ_Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cn0，α_Cn0，β_Cn0，γ_Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

[D₀]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Da0表示为初始0时刻地面Da测点相对激光雷达的直线距离；α_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Db0，α_Db0，β_Db0，γ_Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dc0，α_Dc0，β_Dc0，γ_Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dn0，α_Dn0，β_Dn0，γ_Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

在一个实施例中，该监测中心的服务器还包括数据预处理、初始数据分析、夯点施工过程数据分析；

该数据预处理步骤如下：

步骤401、差分定位，根据第一北斗卫星信号接收机和第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，对初始测试时刻所述监测站的位置进行差分定位；监测中心的服务器，根据所述基准站的第一北斗卫星接收机、监测站的第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，且调用定位解算模块实时进行定位解算，得到监测站的激光雷达的绝对坐标信息。同时监测中心的服务器根据北斗授时功能获取观测时间；

步骤402、时间同步处理，对各测试时刻所接收数据进行时间同步处理；监测中心的服务器连接卫星授时服务器且其以北斗授时设备作为时间基准，卫星授时服务器为北斗授时设备连接的服务器，通过内插法对基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机的北斗卫星信号接收时间与监测站的激光雷达测量时间进行同步处理；其中，所采用的内插法为最小二乘法；通过时间同步处理，实现基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机与监测站的激光雷达测量数据的时间同步；

步骤403、各测点三维相对坐标计算，监测中心的服务器以监测站的激光雷达所在位置为相对坐标原点，通过对夯锤顶面数据组[C₀]进行三角函数计算，得到夯锤顶面各测点的三维相对坐标点云数据[S_相C0]，通过对夯锤附近地面数据组[D₀]进行三角函数计算，得到夯锤附近地面各测点的三维相对坐标云数据[S_相D0]；

式中，[S_相C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Ca0,y_相Ca0,z_相Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cb0,y_相Cb0,z_相Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cc0,y_相Cc0,z_相Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cn0,y_相Cn0,z_相Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

[S_相D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Da0,y_相Da0,z_相Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Db0,y_相Db0,z_相Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dc0,y_相Dc0,z_相Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dn0,y_相Dn0,z_相Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

步骤404、各测点三维绝对坐标计算，先根据监测站的差分定位结果，得出初始测试时刻监测站的激光雷达的三维绝对位置数据；之后，根据步骤403中获得的夯锤顶面、夯锤附近地面相对监测站的激光雷达的三维相对坐标点云数据[S_相C0]、[S_相D0]，通过三维坐标矢量求和，得出初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标；

监测站的激光雷达的绝对位置数据为第二北斗卫星定位获得的激光雷达的三维绝对坐标S_L0＝(x_L0,y_L0,z_L0)，式中S_L0表示为初始0时刻激光雷达的三维绝对坐标。

夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标为经坐标矢量计算得到的三维绝对坐标点云数据[S_绝C0]，[S_绝D0]：

式中，[S_绝C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Ca0,y_绝Ca0,z_绝Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点的三维绝对坐标；(x_绝Cb0,y_绝Cb0,z_绝Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点的三维绝对坐标；(x_绝Cc0,y_绝Cc0,z_绝Cc0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Cc测点的三维绝对坐标；(x_绝Cn0,y_绝Cn0,z_绝Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点的三维绝对坐标；

[S_绝D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Da0,y_绝Da0,z_绝Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点的三维绝对坐标；(x_绝Db0,y_绝Db0,z_绝Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点的三维绝对坐标；(x_绝Dc0,y_绝Dc0,z_绝Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点的三维绝对坐标；(x_绝Dn0,y_绝Dn0,z_绝Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点的三维绝对坐标。

该初始数据分析，是指监测中心的服务器通过数据分析终端提前将目标项目强夯设计图纸中技术参数信息输入所述监测中心的服务器，其中，设计图纸中技术参数信息包括夯点绝对坐标，夯点原始地面标高、单点夯击次数、夯锤提锤高度，夯点位置差异，最后两击平均夯沉量、总夯沉量、夯锤附近地面隆起量；监测中心的服务器通过将技术参数中的夯点原始标高，夯点绝对坐标与初始时刻的夯锤顶面的三维绝对坐标进行对比分析，从而确定夯点原始地面标高、夯点位置参数是否与设计一致，当所述参数一致或在设计容许目标数据偏差阈值，可进行下一步施工，当所述目标数据偏差超过设计容许偏差阈值时，则通过与监测中心的服务器相接的数据分析终端可实时显示数据差异，获取差异数据，指令强夯机和夯锤整体移动至准确夯点位置进行强夯作业。

在一个实施例中，夯点施工过程数据分析，是指监测中心的服务器对夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据，均由监测中心的服务器通过对所接收数据按照步时间同步和数据预处理后，分析计算获得，具计算体步骤如下：

步骤701、夯击次数分析，监测中心的服务器通过对比每个t时刻夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当夯锤顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量变化方向由上升突然转为下降的时刻t，监测中心的服务器记录为一次夯击，同一夯点的记录次数之和即夯击次数m:

即当满足时，记录为一次夯击数；

式中，为t时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的前一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的后一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值；

步骤702、提锤高度分析：监测中心的服务器通过对比夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的时刻(t时刻)，夯锤顶面中心点的三维绝对坐标S_绝Co(t)与目标夯点初始时刻夯锤顶面中心点的三维绝对坐标点云数据S_绝Co0对比，根据前后三维坐标点Z轴的矢量变化可得到本次夯击提锤高度H_m：

H_m＝z_绝Co(t)-z_绝Co0；式中，H_m表示为第m次提锤高度；

步骤703、夯沉量分析：监测中心的服务器，通过对比第m次夯击过程中夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，与本次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(i)]，根据前后三维坐标点云数据中Z坐标的矢量变化可得到整个夯锤范围各点单击夯沉量[ΔS_Cm]，并进一步得到单击平均夯沉量夯点总夯沉量S_Cm：

式中，[ΔS_Cm]表示为第m次夯击后，整个夯锤顶面各点单击夯沉量；Δz_绝Cam、Δz_绝Cbm、Δz_绝Ccm、Δz_绝Ccm表示为第m次夯击后，夯锤顶面各测点的单击夯沉量；z_绝Cam(j)、z_绝Cbm(j)、z_绝Ccm(j)、z_绝Cnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；z_绝Cam(i)、z_绝Cbm(i)、z_绝Ccm(i)、z_绝Cnm(i)表示为第m次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；

式中，表示为第m次夯击后，夯点单击平均夯沉量，n表示为夯锤顶面测点数量之和；

式中，S_Cm表示为第m次夯击后，夯点总夯沉量。表示为第1、2、3次夯击后，夯点单击平均夯沉量；

步骤704、夯点位置差异分析：监测中心的服务器，通过对比夯锤第m次砸到地面静止后j时刻夯锤顶面中心o点的三维绝对坐标数据S_绝Com(j)，与目标夯点设计绝对坐标数据，根据前后三维坐标数据中对应x、y坐标的矢量变化可得到夯点位置差异；

步骤705、夯坑平整性分析：由于夯锤高度为定值h，监测中心的服务器通过分析第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻，夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，通过对[S_绝Cm(j)]数据中各点z坐标数值进行对比，可以获得夯坑底面的平整性差异；

步骤706、夯锤附近地面隆起量分析：监测中心的服务器将第m次夯击后，夯锤砸到夯点地面静止后j时刻，夯锤附近地面三维绝对坐标点云数据[S_绝Dm(j)]与步骤204初始时刻所述夯锤附近地面的三维绝对坐标点云数据[S_绝D0]对比，根据前后三维坐标点云数据Z轴的矢量变化，可以得到夯锤附近地面各测点隆起量[S_Dm]：

式中，[S_Dm]表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点隆起量数据组，Δz_Dam、Δz_Dbm、Δz_Dcm、Δz_Dnm表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点的隆起量，z_绝Dam(j)、z_绝Dbm(j)、z_绝Dcm(j)、z_绝Dnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯点地面各测点的z坐标值；

当计算隆起量未超过设计最大允许值时，强夯施工正常，可继续进行施工；当计算隆起量超过设计最大允许值时，通过数据分析终端显示差异，现场技术人员查看现场实际情况后进一步处理。

在一个实施例中，监测站的激光雷达持续扫描整个施工过程夯锤和地面获得距离、角度数据组，并通过监测站的数据传输单元将监测站的第二无线通信设备所接收的基准站所传送数据、基准站的第二北斗卫星信号接收机实时接收的北斗卫星信号和激光雷达测量的数据同步传输至监测中心的服务器，并由所述服务器对所接收数据进行预处理和各测点三维绝对坐标计算；

监测中心的服务器持续对接收的监测数据进行分析，当得到夯击次数、最后两击平均夯沉量、总夯沉量、夯锤附近地面隆起量的数据满足设计要求时，确定终夯，转至下一个夯点；否则，继续步骤701至步骤706直至满足终夯要求；夯击次数按照步骤701计算得到，总夯沉量按照步骤703计算得到，夯锤附近地面隆起量按照步骤706分析得到，最后两击平均夯沉量按照步骤703数据，对最后两击的单击平均夯沉量求平均得到。

本发明实施例提供一种基于卫星定位与激光雷达测距的强夯施工监测系统，解决了夯锤顶落在基准点位置，通过人工记录或测量钢丝绳的长度，其精度难以满足夯沉量的测量要求且工作效率低的问题，本方法或系统采用卫星定位和激光扫描采集夯锤到夯点地面的测距，通过对数据处理分析，得到提锤高度、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量关键施工参数；步骤简单、实现方便且使用效果好，不仅可以实时得到夯击次数、夯点夯沉量，还可以并能有效规避人工测量低效和的不确定性，实现了对强夯法地基处理施工过程的实时监测，为强夯法施工的精细化管理、动态设计提供了重要支撑。

实施例一

北斗卫星导航系统是我国自主研发的一种全球性卫星定位系统，北斗高精度定位技术与无线通信技术、网络通信技术以及高精度数据处理算法相结合，可应用于地质体的平面及高程位移变形监测，实现连续、远程、自动化无线数据传递和实时数据处理。

激光雷达通过发射和接收激光束，测量激光信号的时间差和相位差来确定距离，通过水平旋转扫描来测角度，并根据这两个参数建立二维的极坐标系，再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息。除了获得位置信息外，激光信号对不同材质的反射率不同，由此也可以区分目标物质的不同材质。激光雷达具有方向性好，测量精度高，自动连续观测等突出优势。

如何快速准确高效测量夯沉量一直是强夯法地基处理中的技术难题。

本发明实施例提供的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，如图1所示，该系统包括以下设备组成：

1—基准站；

1-1—第一北斗卫星信号接收机； 1-2—第一无线通信设备；1-3—第一供电设备；1-4—第一避雷针；1-5—支撑基础；1-6—基准墩；

2—监测站；

2-1—第二北斗卫星信号接收机； 2-2—第二无线通信设备；2-3—数据传输单元；2-4—激光雷达； 2-5—数据采集单元；2-6—集线箱； 2-7—安装支架； 2-8—第二供电设备；2-9—第二避雷针；

3—监测中心；

3-1—服务器；3-2—网络通信设备；3-3—数据分析终端；

4—强夯机；

4-1—强夯机驾驶室；4-2—强夯机臂架；4-3—强夯机夯锤；

5—夯锤附近地面；

本发明提供的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统包括基准站1、监测站2和监测中心3，所述基准站1与监测站2之间以无线通信方式进行通信；

所述基准站为北斗卫星地面基站，且其包括第一北斗卫星信号接收机1-1和与第一北斗卫星信号接收机相接的第一无线通信设备1-2，所述基准站1置于稳定地面的基准墩1-6上；

本实施例中，所述基准墩1-6呈竖直向布设，固定在支撑基础1-5上，所述基准站还包括第一供电设备1-3和第一避雷针1-4，所述第一供电设备1-3、第一北斗卫星信号接收机1-1和第一无线通信设备1-2均安装在基准墩1-6上，所述第一北斗卫星信号接收机1-1和第一无线通信设备1-2均与第一供电设备1-3相接。本实施例中，所述基准墩1-6为混凝土现浇墩。

本实施例中，所述第一供电设备1-3包括太阳能电池板、蓄电池和供电模块，所述太阳能电池板和所述蓄电池均与所述供电模块相接。

所述监测站2包括第二北斗卫星信号接收机2-1、第二无线通信设备2-2、激光雷达2-4、数据采集单元2-5、数据传输单元2-3，所述激光雷达2-4与数据采集单元2-5相接，所述第二北斗卫星信号接收机2-1和数据采集单元2-5均与数据传输单元2-3相接，所述监测站2通过第二无线通信设备2-2和第一无线通信设备1-2与所述基准站1进行通信；所述监测站2布设在强夯机4臂架4-2顶端；所述监测站2设备集成于集线箱2-6内，如图2所示，所述监测站2还包括在强夯机4臂架4-2上的安装支架2-7，所述集线箱2-6通过安装支架2-7与强夯机臂架4-2连接，并安装固定在靠近臂架4-2顶面位置；安装固定位置即激光雷达2-4的测量基准点；所述激光雷达2-4侧向安装在监测站集线箱2-6侧面位置，以保证其激光测试单元可以完整扫描夯锤4-3运动轨迹。

本实施例中，所述监测站2还包括第二供电设备2-8，第二避雷针2-9，所述第二北斗卫星信号接收机2-1、第二无线通信设备2-2、数据传输单元2-3和数据采集单元2-5均与第二供电设备2-8相接。所述第二供电设备2-8直接自强夯机4驾驶室4-1接入电源。所述第二避雷针安装固定在强夯机4顶部位置。

实际安装时，所述第一避雷针1-4和第二避雷针2-9均通过绝缘铜质导线引至地下。

本实施例中，所述激光雷达2-4为一体式成品结构，通过底部预留螺栓孔安装固定在集线箱2-6侧面位置，可实现激光发射、接收、信号处理，数据采集单元2-5接收激光信号数据后，通过数据传输单元2-3实时传输至监测中心服务器3-1。

本实施例中，所述安装支架2-7在集线箱2-6顶面和底面各设置一处，集线箱2-6为铁制箱体结构，尺寸长50cm×宽40cm×高60cm，支架2-7为L45×4型角钢，集线箱2-6和支架2-7角钢通过M10螺栓上下固定，支架2-7角钢结构再通过M12U型螺栓与强夯机4臂架4-2安装固定。

所述监测中心3包括对监测站2所传送数据进行接收、存储与处理的服务器3-1，所述第二北斗卫星信号接收机2-1、第二无线通信设备2-2和数据采集单元2-5均通过数据传输单元2-3与服务器3-1进行通信。

本实施例中，所述监测中心3还包括与服务器3-1相接的数据分析终端3-3，所述服务器3-1和数据分析终端3-3均与网络通信设备3-2相接，所述数据分析终端3-3通过网络通信设备3-2与服务器3-1通信。

本实施例中，所述第一北斗卫星信号接收机1-1、第二北斗卫星信号接收机2-1和所述监测中心3组成北斗卫星定位系统，所述第一北斗卫星信号接收机1-1和第二北斗卫星信号接收机2-1均为双频接收机；所述第一无线通信设备1-2为无线信号发射设备，所述第二无线通信设备2-2为无线信号接收设备，所述数据传输单元2-3为GPRS无线通信模块，所述服务器3-1为带有固定IP地址的服务器。

实际使用时，所述数据传输单元2-3也可以采用其它类型的无线通讯模块。

本实施例中，所述第一无线通信设备1-2为发射电台，所述第二无线通信设备2-2为接收电台。所述发射电台和所述接收电台的工作频道相同，所述接收电台的主要功能是接收卫星定位数据，与所述发射电台配套使用。

本实施例中，所述第一北斗卫星信号接收机1-1、第二北斗卫星信号接收机2-1和所述监测中心组成北斗卫星定位系统，并且所述北斗卫星定位系统为对所述监测站中基准点的位置进行定位解算的系统。其中，差分定位，也叫相对定位，是根据两台及以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法。

本实施例中，所述激光雷达2-4为一体式成品结构，可实现激光发射、接收、信号处理，数据采集单元2-5接收激光信号后，通过对测量激光信号的时间差和相位差来确定距离，通过激光雷达2-4的旋转扫描来测角度，并根据这两个参数建立二维的极坐标系，再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息，然后通过数据传输单元2-3实时传输至监测中心服务器3-1。

同时，本发明公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、满足强夯法设计施工需求的基于卫星定位与激光雷达测距的夯沉量监测方法，如图4所示，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、监测系统设置：将所述基准站1布设在强夯施工影响范围外稳定区域，并在所述强夯机4臂架4-2上安装监测站2；

步骤101、将所述监测站设备集成于集线箱2-6，集线箱2-6通过支架2-7和螺栓与强夯机4臂架4-2钢管进行安装固定，保证监测站2安装位置相对强夯机臂架4-2固定。激光雷达2-4通过底部预留螺栓孔安装固定在集线箱2-6侧面位置，以保证其激光测试单元可以完整扫描夯锤4-3运动轨迹。监测站2电源2-8自强夯机4驾驶室4-1接入。

本实施例中，选择地质构造稳固、地势较高且无电磁干扰的区域设置所述基准站。集线箱2-6安装固定在强夯机4臂架4-2顶端2m的位置。

步骤二、夯机就位：强夯机4在施工场地安装调试完成后，驶入施工区夯点位置，并将夯锤4-3静置安放在夯点位置原始地面5上；

步骤三、初始数据采集与传输：如图1所示，步骤一中所述基准站1的第一无线通信设备1-2，将所述第一北斗卫星信号接收机1-1实时接收的基准站1所在位置的绝对坐标和绝对高程信息，以北斗卫星信号的形式同步传送至所述监测站2的第二无线通信设备2-2；

与此同时，所述监测站2的激光雷达2-4通过对步骤二中夯点位置地面5和夯锤4-3顶面实时激光扫描测量，通过数据采集单元2-5采集获得初始时刻夯锤4-3顶面、夯点附近地面5相对激光雷达2-4的距离、角度数据，所述监测站2的数据传输单元2-3将第二无线通信设备2-2所接收的所述基准站1所传送数据、第二北斗卫星信号接收机2-1实时接收的监测站2所在位置的绝对坐标和绝对高程信息的北斗卫星信号数据，和所述数据采集单元2-5获得的激光雷达数据同步传输至所述监测中心3的服务器3-1进行存储和处理；

本实施例中，所述第一北斗卫星信号接收机1-1和第二北斗卫星信号接收机2-1均以2s的采样周期持续接收卫星信号。

本实施例中，如图3所示，步骤三中所述初始时刻夯锤4-3顶面、夯锤附近地面5相对激光雷达2-4的距离、角度数据，为夯锤4-3顶面、夯锤附近地面5各测点与激光雷达2-4间的直线距离L，以及相对激光雷达2-4所在位置为相对坐标原点，各测点与三维坐标系统X、Y、Z轴的夹角α、β、γ；

本实施例中，所述服务器3-1分析获得夯锤4-3顶面、夯锤附近地面5各测点三维相对坐标过程如下：

所述激光雷达2-4通过扫描得到激光雷达2-4距离整个夯锤4-3顶面数据组和激光雷达2-4距离夯锤附近地面5距离数据组，利用不同介质对激光源信号的反射率不同，可以分辨出地面5、夯锤4-3不同介质，并对数据进行分类，筛选出整个夯锤4-3顶面数据组为[C₀]，夯锤附近地面5数据组为[D₀]：

式中，[C₀]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的直线距离；α_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Cb0，α_Cb0，β_Cb0，γ_Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cc0，α_Cc0，β_Cc0，γ_Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cn0，α_Cn0，β_Cn0，γ_Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

[D₀]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Da0表示为初始0时刻地面Da测点相对激光雷达的直线距离；α_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Db0，α_Db0，β_Db0，γ_Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dc0，α_Dc0，β_Dc0，γ_Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dn0，α_Dn0，β_Dn0，γ_Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

本实施例中，地面5为黄土原始地面，夯锤4-3为钢铁材质，他们对激光源信号的反射率有显著差异，数据采集单元2-5可较为容易对数据进行分类，实现数据组[C₀]、[D₀]的有效分类。

步骤四、数据预处理：

服务器3-1接收到所述监测站2所传送数据后，对所接收数据同步进行处理，并计算测点数据三维绝对坐标，过程如下：

步骤401、差分定位：根据第一北斗卫星信号接收机1-1和第二北斗卫星信号接收机2-1所接收的北斗卫星信号，对初始测试时刻所述监测站2的位置进行差分定位；

本实施例中，步骤401中进行差分定位时，服务器3-1根据所述基准站的第一北斗卫星接收机1-1、所述监测站的第二北斗卫星信号接收机2-1所接收的北斗卫星信号，且调用定位解算模块实时进行定位解算，得到所述激光雷达2-4的绝对坐标信息。同时服务器3-1根据北斗授时功能获取观测时间。

步骤402、时间同步处理：对各测试时刻所接收数据进行时间同步处理；

本实施例中，步骤402中进行时间同步处理时，所述服务器3-1连接卫星授时服务器且其以北斗授时设备作为时间基准，卫星授时服务器为北斗授时设备连接的服务器，通过内插法对第一北斗卫星信号接收机1-1和第二北斗卫星信号接收机2-1的北斗卫星信号接收时间与所述激光雷达2-4测量时间进行同步处理；其中，所采用的内插法为最小二乘法。

实际使用时，通过时间同步处理，实现第一北斗卫星信号接收机1-1和第二北斗卫星信号接收机2-1与所述激光雷达2-4测量数据的时间同步。

步骤403、各测点三维相对坐标计算

服务器3-1以所述激光雷达2-4所在位置为相对坐标原点，如图3所示，通过对所述夯锤4-3顶面数据组[C₀]进行三角函数计算，得到夯锤4-3顶面各测点的三维相对坐标点云数据[S_相C0]:

式中，[S_相C0]表示为初始0时刻夯锤4-3顶面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Ca0,y_相Ca0,z_相Ca0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Ca测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cb0,y_相Cb0,z_相Cb0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Cb测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cc0,y_相Cc0,z_相Cc0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Cc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cn0,y_相Cn0,z_相Cn0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面第Cn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

通过对所述夯锤附近地面5数据组[D₀]进行三角函数计算，得到夯锤附近地面5各测点的三维相对坐标云数据[S_相D0]:

[S_相D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面5各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Da0,y_相Da0,z_相Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5Da测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Db0,y_相Db0,z_相Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5Db测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dc0,y_相Dc0,z_相Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5Dc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dn0,y_相Dn0,z_相Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5第Dn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标。

步骤404、各测点三维绝对坐标计算：

先根据所述监测站2的差分定位结果，得出初始测试时刻所述监测站2激光雷达2-4的三维绝对位置数据；之后，根据步骤403中获得的夯锤4-3顶面、地面5相对激光雷达2-4的三维相对坐标点云数据[S_相C0]、[S_相D0]，通过三维坐标矢量求和，得出初始时刻所述夯锤4-3顶面、夯锤附近地面5的三维绝对坐标。

本实施例中，步骤404中所述监测站2激光雷达2-4的绝对位置数据，为北斗卫星系统定位获得的激光雷达2-4的三维绝对坐标S_L0＝(x_L0,y_L0,z_L0)，式中S_L0表示为初始0时刻激光雷达2-4的三维绝对坐标。

步骤404中所述夯锤4-3顶面、夯点地面5的三维绝对坐标，为经坐标矢量计算得到的三维绝对坐标点云数据[S_绝C0]，[S_绝D0]：

式中，[S_绝C0]表示为初始0时刻夯锤4-3顶面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Ca0,y_绝Ca0,z_绝Ca0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Ca测点的三维绝对坐标；(x_绝Cb0,y_绝Cb0,z_绝Cb0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Cb测点的三维绝对坐标；(x_绝Cc0,y_绝Cc0,z_绝Cc0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面Cc测点的三维绝对坐标；(x_绝Cn0,y_绝Cn0,z_绝Cn0)表示为初始0时刻夯锤4-3顶面第Cn个测点的三维绝对坐标。

[S_绝D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面5各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Da0,y_绝Da0,z_绝Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5Da测点的三维绝对坐标；(x_绝Db0,y_绝Db0,z_绝Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5Db测点的三维绝对坐标；(x_绝Dc0,y_绝Dc0,z_绝Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5Dc测点的三维绝对坐标；(x_绝Dn0,y_绝Dn0,z_绝Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面5第Dn个测点的三维绝对坐标。

步骤五、初始数据分析：所述监测中心3的服务器3-1通过所述数据分析终端3-3提前将本项目强夯设计图纸中技术参数(夯点绝对坐标，夯点原始地面标高、单点夯击次数、夯点间距、夯锤提锤高度，夯点位置差异，最后两击平均夯沉量、总夯沉量、夯点周边地面隆起量)等信息输入所述监测中心3服务器3-1，所述服务器3-1通过将技术参数中的夯点原始标高，夯点绝对坐标与上述初始时刻所述夯锤4-3顶面的三维绝对坐标进行对比分析，从而确定夯点原始地面标高、夯点位置等参数是否与设计一致。

本实施例中，步骤五中当所述数据一致或在设计容许偏差范围内，可进行下一步施工，当所述当数据偏差超过设计容许时，此时通过所述与服务器3-1相接的数据分析终端3-3可实时显示数据差异，现场技术人员通过查看数据分析终端3-3指挥强夯机4和夯锤4-3整体移动至准确夯点位置，保证了强夯法地基处理夯点定位的精准性。

本实施例中，强夯设计图纸技术参数为：第一个夯点绝对坐标x₁＝36678.230，y₁＝526398.473，夯点原始地面高程z₁＝475.00m，单点夯击次数不小于6次，夯锤直径2.5m，夯点间距5m，提锤高度不小于18m，夯点位置差异≤0.1m，夯点地面标高差异≤0.3m，夯坑底面平整性差异≤0.1m，最后两击平均夯沉量≤150mm，总夯沉量≥1.6m，夯锤附近地面隆起量≤0.3m)。如图3所示，从[S_绝C0]点云数据中找到夯锤中心点位置的三维绝对坐标(x_绝Co0,y_绝Co0,z_绝Co0)，本实例中经过前述计算，获得夯锤中心点位置的三维绝对坐标数值为(x_绝Co0＝36678.252，y_绝Co0＝526398.558，z_绝Co0＝477.040)，将坐标数据中(x_绝Co0，y_绝Co0)与原设计夯点坐标对比即可获得夯锤平面位置差异，将坐标数据中z_绝Co0-h(h为夯锤高度，本实例中h＝1.8m)与原设计夯点地面绝对高程z₁进行对比即可获得夯点原始地面标高差异：

x_绝Co0-x₁＝0.022m，y_绝Co0-y₁＝-0.085m，z_绝Co0-h-z₁＝0.24m。

经数据对比，夯锤平面位置差异绝对量小于0.1m，夯点地面标高差异绝对量小于0.3m，目标数据偏差未超过设计容许偏差阈值，可进行下一步施工，否则应根据坐标差异，向偏差相反方向移动强夯机，调整夯锤位置、修正夯点地面标高。

步骤六、夯点夯击施工，强夯机4开始强夯施工，先提起夯锤4-3至预定高度并自由落锤，砸到地面5完成一次夯击。整个夯击过程，所述监测系统按照步骤三、步骤四完成施工过程的数据采集。

本实施例中，步骤六中所述第一次提锤4-3至预定高度并自由落锤砸到夯点地面5的过程；所述激光雷达2-4持续扫描整个施工过程夯锤4-3和地面5获得距离、角度数据组，并通过所述监测站2的数据传输单元2-3将第二无线通信设备2-2所接收的所述基准站1所传送数据、第二北斗卫星信号接收机2-1实时接收的北斗卫星信号和所述激光雷达2-4测量的数据同步传输至所述监测中心的服务器3-1，并由所述服务器3-1对所接收数据进行预处理和各测点三维绝对坐标计算。

步骤七、夯点施工过程数据分析：所述监测中心的服务器3-1通过对步骤六中所述施工过程采集的数据进行计算分析，得到夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据。

本实施例中，步骤七中所述夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据，均由所述监测中心服务器3-1通过对所接收数据按照步骤四进行时间同步和预处理后，分析计算获得：

步骤701、夯击次数分析：所述监测中心服务器3-1通过对比每个t时刻所述夯锤4-3顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当所述夯锤4-3顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量变化方向由上升突然转为下降的时刻t，所述监测中心服务器3-1记录为一次夯击，同一夯点的记录次数之和即夯击次数m:

即当满足时，记录为一次夯击数；

式中，为t时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的前一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的后一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值。

本实施例中，如图3所示，选取夯锤4-3顶面Ca、Cb、Cc三个点进行分析，根据设计要求夯点夯击次数为6次，在第一次提锤至48秒时刻(t＝48s)，通过前述计算获得各数据如下：

此时记录夯击次数m＝1，当数据下一次满足上述关系时，记录夯击次数m＝2，以此类推，直至记录m＝6。

步骤702、提锤高度分析：所述监测中心服务器3-1通过对比所述夯锤4-3顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的时刻(t时刻)所述夯锤4-3顶面中心点的三维绝对坐标S_绝Co(t)与目标夯点初始时刻所述夯锤4-3顶面中心点的三维绝对坐标点云数据S_绝Co0，根据前后三维坐标点Z轴的矢量变化可得到本次夯击提锤高度H_m：

H_m＝z_绝Co(t)-z_绝Co0；式中，H_m——第m次提锤高度。

本实施例中，当第一次所述夯锤4-3顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的时刻t(t＝48s)，夯锤4-3顶面中心o点z坐标与本夯点初始时刻夯锤4-3顶面中心o点z坐标比较计算为：

H₁＝z_绝Co(48)-z_绝Co0＝495.190-477.040＝18.15m，H₁＞18m，提锤高度满足设计要求，可继续正常施工。当计算H₁＜18m，通过数据分析终端显示差异，现场技术人员指挥强夯操作人员继续提升夯锤高度直至达到设计要求。

步骤703、夯沉量分析：所述监测中心服务器3-1，通过对比第n次夯击过程中夯锤4-3砸到地面5静止后时刻(j时刻)所述夯锤4-3顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，与本次夯击开始提锤时刻(i时刻)所述夯锤4-3顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(i)]，根据前后三维坐标点云数据中Z坐标的矢量变化可得到整个夯锤4-3范围各点单击夯沉量[ΔS_Cm]，并进一步得到单击平均夯沉量夯点总夯沉量S_Cm：

式中，[ΔS_Cm]表示为第m次夯击后，整个夯锤4-3顶面各点单击夯沉量；Δz_绝Cam、Δz_绝Cbm、Δz_绝Ccm、Δz_绝Ccm表示为第m次夯击后，夯锤4-3顶面各测点的单击夯沉量；z_绝Cam(j)、z_绝Cbm(j)、z_绝Ccm(j)、z_绝Cnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤4-3砸到地面5静止后j时刻夯锤4-3顶面各测点的z坐标值；z_绝Cam(i)、z_绝Cbm(i)、z_绝Ccm(i)、z_绝Cnm(i)表示为第m次夯击开始提锤i时刻夯锤4-3顶面各测点的z坐标值；

式中，表示为第m次夯击后，夯点单击平均夯沉量，n表示为夯锤4-3顶面测点数量之和。

式中，S_Cm表示为第m次夯击后，夯点总夯沉量。表示为第1、2、3次夯击后，夯点单击平均夯沉量；

本实例中，如图3所示，选取夯锤4-3顶面Ca、Cb、Cc三个点进行分析，夯点共夯击6次，其中第1次夯击后，计算获得夯锤4-3顶面各点单击夯沉量为：

后续每次夯击后，各点单击夯沉量计算方法一致。

第1次夯击后，夯点单击平均夯沉量为：

同理，通过计算获得第2次、第3次直至第6次夯击后，夯点平均夯沉量为

经过6次夯击后，此时夯点总沉降量为：

/>经计算，总夯沉量达到设计要求，可继续正常施工。当计算总夯沉量小于设计要求，通过数据分析终端显示差异，现场技术人员指挥强夯操作人员增加本夯点夯击次数直至总夯沉量达到设计要求。

步骤704、夯点位置差异分析：所述监测中心服务器3-1，通过对比夯锤4-3第m次砸到地面静止后时刻(j时刻)所述夯锤4-3顶面中心o点的三维绝对坐标数据S_绝Com(j)，与本夯点设计绝对坐标数据，根据前后三维坐标数据中对应x、y坐标的矢量变化可得到夯点位置差异。

本实施例中，第1次夯击完成后，根据前述计算获得所述夯锤4-3顶面中心o点j时刻的三维绝对坐标数据S_绝Co1(j)为(x_绝Co1(j)＝36678.245，y_绝Co1(j)＝526398.460，z_绝Co1_(j)＝476.01)，并与本夯点设计绝对坐标(x₁＝36678.230，y₁＝526398.473)对比，x_绝Co1(j)-x₁＝0.015m，y_绝Co1(j)-y₁＝-0.013m，经计算得到，第一次夯击后夯点中心位置较原设计坐标x轴偏差0.015m，y轴偏差-0.013m，总差异0.02m，未超过设计允许偏差0.1m，强夯施工正常，后续每次夯击后，夯点位置差异计算方法一致。当计算对比获得位置差异值超过设计最大允许值0.1m时，通过数据分析终端3-3显示差异，现场技术人员及时指挥强夯机对夯锤位置沿x、y轴与差异相反方向微调，直至夯点夯锤位置偏差小于设计允许偏差，方可进一步施工。

步骤705、夯坑平整性分析：由于夯锤高度为定值h，所述监测中心服务器3-1通过分析第m次夯击后，夯锤4-3砸到地面5静止后时刻(j时刻)所述夯锤4-3顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cn(j)]，通过对[S_绝Cn(j)]数据中各点z坐标数值进行对比，可以获得夯坑底面的平整性差异。

本实施例中，为便于分析，如图3所示，计算选取夯锤4-3顶面Ca、Cb、Cc三个点进行分析，第一次夯击后，计算获得夯锤4-3顶面各点z坐标值：

各点z坐标最大差值为476.02-475.99＝0.03m，夯坑底面各点高程最大差异0.03m，未超过设计允许夯坑底面平整性最大差异0.1m，强夯施工正常。当计算夯坑底面各点高程最大差异超过设计允许最大差异值时，通过数据分析终端显示差异，现场技术人员进一步查看现场实际并向委托方反馈，经委托方确认或进行设计变更后方可进一步施工。

步骤706、夯锤附近地面隆起量分析：所述监测中心服务器3-1将第m次夯击后，夯锤4-3砸到地面5静止后时刻(j时刻)所述夯锤附近地面5三维绝对坐标点云数据[S_绝Dm(j)]与步骤三初始时刻所述夯锤4-3附近地面5的三维绝对坐标点云数据[S_绝D0]，根据前后三维坐标点云数据Z轴的矢量变化，可以得到夯锤附近地面5各测点隆起量[S_Dm]：

式中，[S_Dm]表示为第m次夯击后，夯锤附近地面5各测点隆起量数据组，Δz_Dam、Δz_Dbm、Δz_Dcm、Δz_Dnm表示为第m次夯击后，夯锤附近地面5各测点的隆起量，z_绝Dam(j)、z_绝Dbm(j)、z_绝Dcm(j)、z_绝Dnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤4-3砸到地面5静止后j时刻夯点地面各测点的z坐标值。

本实例中，夯锤4-3直径2.5m，夯点间距5m，夯锤附近地面5范围即为：以夯锤4-3为中心形成的5m×5m的正方形区域，减去夯锤4-3本身2.5m直径的圆形所占据的区域后剩余的范围，均属于夯锤附近地面5范围。为便于分析，如图3所示，计算选取上述夯锤附近地面5范围中Da、Db、Dc三个点进行分析，夯点共夯击6次，当第6次夯击后，计算获得夯点附近地面5各测点隆起量为：

第6次夯击完成后，夯点附近地面平均隆起量0.247m，未超过设计最大允许隆起量0.3m，强夯施工正常。当计算隆起量超过设计最大允许值时，通过数据分析终端3-3显示差异，现场技术人员进一步查看现场实际并向委托方反馈，经委托方确认或进行设计变更后方可进一步施工。

本实施例中，步骤七施工中相关参数分析结果，可实时通过所述监测中心与服务器3-1相接的数据分析终端3-3显示，管理人员通过查看终端3-3，可实时监测强夯法地基处理施工情况，保证了施工精细化管理。

步骤八、当前夯点施工结束判断：所述监测中心的服务器3-1持续对所述监测数据进行分析，当得到夯击次数、最后两击平均夯沉量、夯锤附近地面隆起量等数据满足设计要求时，确定终夯，转至下一个夯点；否则，继续步骤七直至满足终夯要求。

本实施例中，步骤八中所述夯击次数按照步骤701分析得到，经分析计算m＝6，满足设计要求单点夯击次数不小于6次；

最后两击平均夯沉量按照步骤703数据进一步分析计算，夯点平均夯沉量为最后两击即第5击和第6击，得到最后两击平均夯沉量为(0.13+0.12)÷2＝0.125m＝125mm，未超过设计允许最后两击平均夯沉量150mm。

夯锤附近地面5隆起量按照步骤706分析得到，第6次夯击完成后，夯锤附近地面5平均隆起量0.247m，未超过设计最大允许隆起量0.3m，强夯施工正常。

步骤九、下一夯点的强夯施工：所述下一夯点施工时，系统按照步骤二至步骤八持续进行数据采集、传输、处理与分析。

步骤十、场地范围内强夯法地基处理施工结束。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

本发明实施例提供一种基于卫星定位与激光雷达测距的强夯施工监测系统，解决了夯锤顶落在基准点位置，通过人工记录或测量钢丝绳的长度，其精度难以满足夯沉量的测量要求且工作效率低的问题，本方法或系统采用卫星定位和激光扫描采集夯锤到夯点地面的测距，通过对数据处理分析，得到提锤高度、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量关键施工参数；步骤简单、实现方便且使用效果好，不仅可以实时得到夯击次数、夯点夯沉量，还可以并能有效规避人工测量低效和的不确定性，实现了对强夯法地基处理施工过程的实时监测，为强夯法施工的精细化管理、动态设计提供了重要支撑。

Claims (8)

1.一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

步骤一、基准站的第一无线通信设备将基准站的第一北斗卫星信号接收机实时接收的基准站所在位置数据，并以北斗卫星信号的格式传送至监测站的第二无线通信设备；其中，所述位置数据包括绝对坐标和绝对高程信息；

监测站的数据采集单元通过激光雷达对夯锤顶面和夯锤附近地面实时激光扫描测量，获取初始数据采集；监测站的数据传输单元将第二无线通信设备所接收基准站的第一无线通信设备所传送数据、第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置数据和数据采集单元获得的激光雷达激光扫描的目标实时数据传输至监测中心的服务器；

步骤二、监测中心的服务器接收到监测站所传送位置数据和初始数据后，对所接收位置数据和初始数据同步进行数据预处理；监测中心的服务器通过数据分析终端提前将目标项目强夯设计图纸中目标技术参数信息输入所述监测中心服务器，监测中心的服务器通过将技术参数中的夯点绝对坐标、夯点原始标高，与步骤一获得的初始数据在初始时刻的夯锤顶面、夯点地面的三维绝对坐标进行对比分析，从而确定夯点坐标、夯点原始地面标高参数是否与目标技术参数一致；

步骤三、当强夯机开始进行强夯施工时，先提锤至预定高度并自由落锤，砸到地面完成一次夯击，每次整个夯击过程数据采集按照步骤一完成施工过程的数据采集；监测中心的服务器通过对夯点施工过程采集的目标参数数据按照步骤二进行时间同步和数据预处理后进行夯点施工过程数据处理分析，得到目标夯点施工数据；

步骤四、监测中心的服务器持续对所述监测的目标夯锤施工数据进行分析，当得到夯击次数、最后两击平均夯沉量、总夯沉量和夯锤附近地面隆起量数据满足设计要求时，确定终夯，转至下一个夯点；否则，继续步骤三直至满足终夯要求；所述转至下一夯点施工时，按照步骤一至步骤四持续进行数据采集、传输、处理与分析；

所述初始数据包括初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据；夯锤顶面、夯锤附近地面各测点与激光雷达间的直线距离L，以及相对激光雷达所在位置为相对坐标原点，各测点与三维坐标系统X、Y、Z轴的夹角α、β、γ；激光雷达通过扫描得到激光雷达距离整个夯锤顶面数据组和激光雷达距离夯锤附近地面距离数据组，利用不同介质对激光源信号的反射率不同，可以分辨出地面、夯锤不同介质，并对数据进行分类，筛选出整个夯锤顶面数据组为[C₀]，夯锤附近地面数据组为[D₀]：

式中，[C₀]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的直线距离；α_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Cb0，α_Cb0，β_Cb0，γ_Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cc0，α_Cc0，β_Cc0，γ_Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cn0，α_Cn0，β_Cn0，γ_Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1；

[D₀]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Da0表示为初始0时刻地面Da测点相对激光雷达的直线距离；α_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Db0，α_Db0，β_Db0，γ_Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dc0，α_Dc0，β_Dc0，γ_Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dn0，α_Dn0，β_Dn0，γ_Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法，其特征在于，所述目标技术参数包括夯点绝对坐标、夯点原始地面标高、单点夯击次数、夯锤提锤高度、夯点位置差异、最后两击平均夯沉量、总夯沉量和夯锤附近地面隆起量；

步骤二中的数据预处理还包括如下步骤：

步骤201、根据基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，对初始测试时刻监测站的位置进行差分定位；服务器根据基准站的第一北斗卫星接收机、监测站的第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，且调用定位解算模块实时进行定位解算，得到监测站的激光雷达的绝对坐标信息；

步骤202、对各测试时刻所接收数据进行时间同步处理；监测中心的服务器连接卫星授时服务器且其以北斗授时设备作为时间基准，卫星授时服务器为北斗授时设备连接的服务器，通过内插法对基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机的北斗卫星信号接收时间与监测站的激光雷达测量时间进行同步处理；其中，采用的内插法为最小二乘法；

步骤203、各测点三维相对坐标计算

监测中心的服务器以监测站的激光雷达所在位置为相对坐标原点，通过对夯锤顶面数据组[C₀]进行三角函数计算，得到夯锤顶面各测点的三维相对坐标点云数据[S_相C0]:

式中，[S_相C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Ca0,y_相Ca0,z_相Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cb0,y_相Cb0,z_相Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cc0,y_相Cc0,z_相Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cn0,y_相Cn0,z_相Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；

通过对夯锤附近地面数据组[D₀]进行三角函数计算，得到夯锤附近地面各测点的三维相对坐标云数据[S_相D0]:

其中，[S_相D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Da0,y_相Da0,z_相Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Db0,y_相Db0,z_相Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dc0,y_相Dc0,z_相Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dn0,y_相Dn0,z_相Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；

步骤204、各测点三维绝对坐标计算

先根据监测站的差分定位结果，得出初始测试时刻监测站的激光雷达的三维绝对位置数据；之后，根据步骤203中获得的夯锤顶面、夯锤附近地面相对监测站的激光雷达的三维相对坐标点云数据[S_相C0]、[S_相D0]，通过三维坐标矢量求和，得出初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标；

监测站的激光雷达的绝对位置数据为第二北斗卫星定位获得的激光雷达的三维绝对坐标S_L0＝(x_L0,y_L0,z_L0)，式中S_L0表示为初始0时刻激光雷达的三维绝对坐标；

夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标为经坐标矢量计算得到的三维绝对坐标点云数据[S_绝C0]，[S_绝D0]：

式中，[S_绝C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Ca0,y_绝Ca0,z_绝Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点的三维绝对坐标；(x_绝Cb0,y_绝Cb0,z_绝Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点的三维绝对坐标；(x_绝Cc0,y_绝Cc0,z_绝Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点的三维绝对坐标；(x_绝Cn0,y_绝Cn0,z_绝Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点的三维绝对坐标；

其中，[S_绝D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Da0,y_绝Da0,z_绝Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点的三维绝对坐标；(x_绝Db0,y_绝Db0,z_绝Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点的三维绝对坐标；(x_绝Dc0,y_绝Dc0,z_绝Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点的三维绝对坐标；(x_绝Dn0,y_绝Dn0,z_绝Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点的三维绝对坐标。

3.根据权利要求2所述的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测方法，其特征在于，步骤三中的目标夯点施工数据包括夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据，所述夯点施工过程数据分析还包括如下步骤：

步骤301、夯击次数分析，监测中心的服务器通过对比每个t时刻夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当夯锤顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量变化方向由上升突然转为下降的时刻t，监测中心的服务器记录为一次夯击，同一夯点的记录次数之和即夯击次数m:

即当满足时，记录为一次夯击数；

式中，为t时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的前一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的后一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值；

步骤302、提锤高度分析：监测中心的服务器通过对比夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的t时刻，夯锤顶面中心点的三维绝对坐标S_绝Co(t)与目标夯点初始时刻夯锤顶面中心点的三维绝对坐标点云数据S_绝Co0对比，根据前后三维坐标点Z轴的矢量变化可得到本次夯击提锤高度H_m：

H_m＝z_绝Co(t)-z_绝Co0；式中，H_m表示为第m次提锤高度；

步骤303、夯沉量分析：监测中心的服务器，通过对比第m次夯击过程中夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，与本次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(i)]，根据前后三维坐标点云数据中Z坐标的矢量变化可得到整个夯锤范围各点单击夯沉量[ΔS_Cm]，并进一步得到单击平均夯沉量夯点总夯沉量S_Cm：

式中，[ΔS_Cm]表示为第m次夯击后，整个夯锤顶面各点单击夯沉量；Δz_绝Cam、Δz_绝Cbm、Δz_绝Ccm、Δz_绝Cnm表示为第m次夯击后，夯锤顶面各测点的单击夯沉量；z_绝Cam(j)、z_绝Cbm(j)、z_绝Ccm(j)、z_绝Cnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；z_绝Cam(i)、z_绝Cbm(i)、z_绝Ccm(i)、z_绝Cnm(i)表示为第m次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；

式中，表示为第m次夯击后，夯点单击平均夯沉量，n表示为夯锤顶面测点数量之和；

式中，S_Cm表示为第m次夯击后，夯点总夯沉量；表示为第1、2、3次夯击后，夯点单击平均夯沉量；

步骤304、夯点位置差异分析：监测中心的服务器，通过对比夯锤第m次砸到地面静止后j时刻夯锤顶面中心o点的三维绝对坐标数据S_绝Com(j)，与目标夯点设计绝对坐标数据，根据前后三维坐标数据中对应x、y坐标的矢量变化可得到夯点位置差异；

步骤305、夯坑平整性分析：由于夯锤高度为定值h，监测中心的服务器通过分析第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻，夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，通过对[S_绝Cm(j)]数据中各点z坐标数值进行对比，可以获得夯坑底面的平整性差异；

步骤306、夯锤附近地面隆起量分析：监测中心的服务器将第m次夯击后，夯锤砸到夯点地面静止后j时刻，夯锤附近地面三维绝对坐标点云数据[S_绝Dm(j)]与步骤204初始时刻所述夯锤附近地面的三维绝对坐标点云数据[S_绝D0]对比，根据前后三维坐标点云数据Z轴的矢量变化，可以得到夯锤附近地面各测点隆起量[S_Dm]：

式中，[S_Dm]表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点隆起量数据组，Δz_Dam、Δz_Dbm、Δz_Dcm、Δz_Dnm表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点的隆起量，z_绝Dam(j)、z_绝Dbm(j)、z_绝Dcm(j)、z_绝Dnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯点地面各测点的z坐标值。

4.一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，其特征在于：所述系统包括基准站、监测站和监测中心，所述基准站与所述监测站之间以无线通信方式进行通信；

所述基准站，为北斗卫星地面基站，包括第一北斗卫星信号接收机和与第一北斗卫星信号接收机相接的第一无线通信设备，所述基准站，用于将第一北斗卫星信号接收机实时接收的基准站所在位置数据，通过第一无线通信设备将基准站的位置数据以北斗卫星信号的格式传送至监测站的第二无线通信设备；其中，所述位置数据包括绝对坐标和绝对高程信息；所述基准站放置在稳定地面的基准墩上；

所述监测站，包括第二北斗卫星信号接收机、第二无线通信设备、激光雷达、数据采集单元、数据传输单元，所述激光雷达与数据采集单元相接，所述第二北斗卫星信号接收机和数据采集单元均与数据传输单元相接；所述监测站的第二无线通信设备与基准站的第一无线通信设备进行通信；所述监测站通过激光雷达获取夯锤、夯锤附近地面的获取初始数据和目标实时数据，第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置数据，并通过数据传输单元将初始数据、位置数据和目标实时数据传送至监测中心的服务器；所述监测中心，用于对监测站所传送初始数据、位置数据和目标实时数据进行接收、存储和处理分析得到目标夯点施工数据；

所述第一北斗卫星信号接收机、第二北斗卫星信号接收机和监测中心组成北斗卫星定位监测系统，所述第二北斗卫星信号接收机、第二无线通信设备、数据采集单元均通过数据传输单元与监测中心的服务器进行通信；其中，所述监测中心包括服务器、网络通信设备、数据分析终端；

所述监测站通过激光雷达获取夯锤到夯点地面的获取初始数据和目标实时数据，是指监测站的激光雷达通过对目标位置夯点地面和夯锤顶面实时激光扫描测量，通过数据采集单元采集获得初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据，得到初始数据；

所述初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面相对激光雷达的距离、角度数据，为夯锤顶面、夯锤附近地面各测点与激光雷达间的直线距离L，以及相对激光雷达所在位置为相对坐标原点，各测点与三维坐标系统X、Y、Z轴的夹角α、β、γ；

所述激光雷达通过扫描得到激光雷达距离整个夯锤顶面数据组和激光雷达距离夯锤附近地面距离数据组，利用不同介质对激光源信号的反射率不同，可以分辨出地面、夯锤不同介质，并对数据组中的数据进行分类，筛选出整个夯锤顶面数据组为数据组为[C₀]，夯锤附近地面数据组为[D₀]；

式中，[C₀]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的直线距离；α_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Ca0表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Cb0，α_Cb0，β_Cb0，γ_Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cc0，α_Cc0，β_Cc0，γ_Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Cn0，α_Cn0，β_Cn0，γ_Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1；

[D₀]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的距离、角度数据组；L_Da0表示为初始0时刻地面Da测点相对激光雷达的直线距离；α_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系X轴的夹角；β_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Y轴的夹角；γ_Da0表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达为坐标原点，与三维坐标系Z轴的夹角；(L_Db0，α_Db0，β_Db0，γ_Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dc0，α_Dc0，β_Dc0，γ_Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的距离、角度数据；(L_Dn0，α_Dn0，β_Dn0，γ_Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的距离、角度数据；n大于1。

5.根据权利要求4所述的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，其特征在于，所述监测站根据激光雷达测距要求布设在强夯机臂架上，将监测站集成于集线箱内，集线箱通过支架和螺栓与强夯机臂架进行固定连接，监测站电源自强夯机驾驶室接入，集线箱安装固定位置为激光雷达的测量基准点；所述激光雷达侧向安装在监测站集线箱侧面位置；所述监测站的激光雷达为一体式成品结构，实现激光发射、接收、信号处理，数据采集单元接收激光信号后，通过数据传输单元实时传输至监测中心服务器；

所述监测站的数据传输单元将监测站的第二无线通信设备所接收的基准站所传送数据、第二北斗卫星信号接收机实时接收的监测站所在位置的绝对坐标和绝对高程信息的北斗卫星信号数据，和所述数据采集单元获得的激光雷达数据同步传输至所述监测中心的服务器进行存储和处理；

所述数据传输单元为GPRS无线通信模块，所述服务器为带有固定IP地址的服务器。

6.根据权利要求4所述的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，其特征在于，所述监测中心的服务器还包括数据预处理、初始数据分析、夯点施工过程数据分析；

所述数据预处理步骤如下：

步骤401、差分定位，根据第一北斗卫星信号接收机和第二北斗卫星信号接收机所接收的北斗卫星信号，对初始测试时刻所述监测站的位置进行差分定位；监测中心的服务器，根据所述基准站的第一北斗卫星接收机、监测站的第二北斗卫星信号接收机2-1所接收的北斗卫星信号，且调用定位解算模块实时进行定位解算，得到监测站的激光雷达的绝对坐标信息；同时监测中心的服务器根据北斗授时功能获取观测时间；

步骤402、时间同步处理，对各测试时刻所接收数据进行时间同步处理；监测中心的服务器连接卫星授时服务器且其以北斗授时设备作为时间基准，卫星授时服务器为北斗授时设备连接的服务器，通过内插法对基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机的北斗卫星信号接收时间与监测站的激光雷达测量时间进行同步处理；其中，所采用的内插法为最小二乘法；通过时间同步处理，实现基准站的第一北斗卫星信号接收机和监测站的第二北斗卫星信号接收机与监测站的激光雷达测量数据的时间同步；

步骤403、各测点三维相对坐标计算，监测中心的服务器以监测站的激光雷达所在位置为相对坐标原点，通过对夯锤顶面数据组[C₀]进行三角函数计算，得到夯锤顶面各测点的三维相对坐标点云数据[S_相C0]，通过对夯锤附近地面数据组[D₀]进行三角函数计算，得到夯锤附近地面各测点的三维相对坐标云数据[S_相D0]；

式中，[S_相C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Ca0,y_相Ca0,z_相Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cb0,y_相Cb0,z_相Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cc0,y_相Cc0,z_相Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Cn0,y_相Cn0,z_相Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；

[S_相D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点相对激光雷达的三维相对坐标点云数据；(x_相Da0,y_相Da0,z_相Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Db0,y_相Db0,z_相Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dc0,y_相Dc0,z_相Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；(x_相Dn0,y_相Dn0,z_相Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点相对激光雷达的x,y,z相对坐标；

步骤404、各测点三维绝对坐标计算，先根据监测站的差分定位结果，得出初始测试时刻监测站的激光雷达的三维绝对位置数据；之后，根据步骤403中获得的夯锤顶面、夯锤附近地面相对监测站的激光雷达的三维相对坐标点云数据[S_相C0]、[S_相D0]，通过三维坐标矢量求和，得出初始时刻夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标；

监测站的激光雷达的绝对位置数据为第二北斗卫星定位获得的激光雷达的三维绝对坐标S_L0＝(x_L0,y_L0,z_L0)，式中S_L0表示为初始0时刻激光雷达的三维绝对坐标；

夯锤顶面、夯锤附近地面的三维绝对坐标为经坐标矢量计算得到的三维绝对坐标点云数据[S_绝C0]，[S_绝D0]：

式中，[S_绝C0]表示为初始0时刻夯锤顶面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Ca0,y_绝Ca0,z_绝Ca0)表示为初始0时刻夯锤顶面Ca测点的三维绝对坐标；(x_绝Cb0,y_绝Cb0,z_绝Cb0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cb测点的三维绝对坐标；(x_绝Cc0,y_绝Cc0,z_绝Cc0)表示为初始0时刻夯锤顶面Cc测点的三维绝对坐标；(x_绝Cn0,y_绝Cn0,z_绝Cn0)表示为初始0时刻夯锤顶面第Cn个测点的三维绝对坐标；

[S_绝D0]表示为初始0时刻夯锤附近地面各测点的三维绝对坐标点云数据；(x_绝Da0,y_绝Da0,z_绝Da0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Da测点的三维绝对坐标；(x_绝Db0,y_绝Db0,z_绝Db0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Db测点的三维绝对坐标；(x_绝Dc0,y_绝Dc0,z_绝Dc0)表示为初始0时刻夯锤附近地面Dc测点的三维绝对坐标；(x_绝Dn0,y_绝Dn0,z_绝Dn0)表示为初始0时刻夯锤附近地面第Dn个测点的三维绝对坐标；

所述初始数据分析，是指监测中心的服务器通过数据分析终端提前将目标项目强夯设计图纸中技术参数信息输入所述监测中心的服务器，其中，设计图纸中技术参数信息包括夯点绝对坐标，夯点原始地面标高、单点夯击次数、夯点间距、夯锤提锤高度，夯点位置差异，最后两击平均夯沉量、总夯沉量、夯锤附近地面隆起量；监测中心的服务器通过将技术参数中的夯点原始标高，夯点绝对坐标与初始时刻的夯锤顶面的三维绝对坐标进行对比分析，从而确定夯点原始地面标高、夯点位置参数是否与设计一致，当所述参数一致或在设计容许目标数据偏差阈值，可进行下一步施工，当所述目标数据偏差超过设计容许偏差阈值时，则通过与监测中心的服务器相接的数据分析终端可实时显示数据差异，获取差异数据，指令强夯机和夯锤整体移动至准确夯点位置进行强夯作业。

7.根据权利要求6所述的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，其特征在于，所述夯点施工过程数据分析，是指监测中心的服务器对夯击次数、提锤高度、夯沉量、夯点位置差异、夯坑平整性以及夯锤附近地面隆起量数据，均由监测中心的服务器通过对所接收数据按照步时间同步和数据预处理后，分析计算获得，具体计算步骤如下：

步骤701、夯击次数分析，监测中心的服务器通过对比每个t时刻夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当夯锤顶面三维绝对坐标点云数据Z轴的矢量变化方向由上升突然转为下降的时刻t，监测中心的服务器记录为一次夯击，同一夯点的记录次数之和即夯击次数m:

即当满足时，记录为一次夯击数；

式中，为t时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的前一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值，/>为t时刻的后一时刻夯锤顶面各测点的Z轴绝对坐标值；

步骤702、提锤高度分析：监测中心的服务器通过对比夯锤顶面三维绝对坐标点云数据[S_绝C(t)]中Z轴的矢量变化，当Z轴的矢量方向由上升突然转为下降的t时刻，夯锤顶面中心点的三维绝对坐标S_绝Co(t)与目标夯点初始时刻夯锤顶面中心点的三维绝对坐标点云数据S_绝Co0对比，根据前后三维坐标点Z轴的矢量变化可得到本次夯击提锤高度H_m：

H_m＝z_绝Co(t)-z_绝Co0；式中，H_m表示为第m次提锤高度；

步骤703、夯沉量分析：监测中心的服务器，通过对比第m次夯击过程中夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，与本次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(i)]，根据前后三维坐标点云数据中Z坐标的矢量变化可得到整个夯锤范围各点单击夯沉量[ΔS_Cm]，并进一步得到单击平均夯沉量夯点总夯沉量S_Cm：

式中，[ΔS_Cm]表示为第m次夯击后，整个夯锤顶面各点单击夯沉量；Δz_绝Cam、Δz_绝Cbm、Δz_绝Ccm、Δz_绝Cnm表示为第m次夯击后，夯锤顶面各测点的单击夯沉量；z_绝Cam(j)、z_绝Cbm(j)、z_绝Ccm(j)、z_绝Cnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；z_绝Cam(i)、z_绝Cbm(i)、z_绝Ccm(i)、z_绝Cnm(i)表示为第m次夯击开始提锤i时刻夯锤顶面各测点的z坐标值；

式中，表示为第m次夯击后，夯点单击平均夯沉量，n表示为夯锤顶面测点数量之和；

式中，S_Cm表示为第m次夯击后，夯点总夯沉量；表示为第1、2、3次夯击后，夯点单击平均夯沉量；

步骤704、夯点位置差异分析：监测中心的服务器，通过对比夯锤第m次砸到地面静止后j时刻夯锤顶面中心o点的三维绝对坐标数据S_绝Com(j)，与目标夯点设计绝对坐标数据，根据前后三维坐标数据中对应x、y坐标的矢量变化可得到夯点位置差异；

步骤705、夯坑平整性分析：由于夯锤高度为定值h，监测中心的服务器通过分析第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻，夯锤顶面的三维绝对坐标点云数据[S_绝Cm(j)]，通过对[S_绝Cm(j)]数据中各点z坐标数值进行对比，可以获得夯坑底面的平整性差异；

步骤706、夯锤附近地面隆起量分析：监测中心的服务器将第m次夯击后，夯锤砸到夯点地面静止后j时刻，夯锤附近地面三维绝对坐标点云数据[S_绝Dm(j)]与步骤404初始时刻所述夯锤附近地面的三维绝对坐标点云数据[S_绝D0]对比，根据前后三维坐标点云数据Z轴的矢量变化，可以得到夯锤附近地面各测点隆起量[S_Dm]：

式中，[S_Dm]表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点隆起量数据组，Δz_Dam、Δz_Dbm、Δz_Dcm、Δz_Dnm表示为第m次夯击后，夯锤附近地面各测点的隆起量，z_绝Dam(j)、z_绝Dbm(j)、z_绝Dcm(j)、z_绝Dnm(j)表示为第m次夯击后，夯锤砸到地面静止后j时刻夯点地面各测点的z坐标值；

当计算隆起量未超过设计最大允许值时，强夯施工正常，可继续进行施工；当计算隆起量超过设计最大允许值时，通过数据分析终端显示差异，现场技术人员查看现场实际情况后进一步处理。

8.根据权利要求7所述的一种基于卫星定位和激光雷达测距的强夯监测系统，其特征在于，监测站的激光雷达持续扫描整个施工过程夯锤和地面获得距离、角度数据组，并通过监测站的数据传输单元将监测站的第二无线通信设备所接收的基准站所传送数据、基准站的第二北斗卫星信号接收机实时接收的北斗卫星信号和激光雷达测量的数据同步传输至监测中心的服务器，并由所述服务器对所接收数据进行预处理和各测点三维绝对坐标计算；

监测中心的服务器持续对接收的监测数据进行分析，当得到夯击次数、最后两击平均夯沉量、总夯沉量、夯锤附近地面隆起量的数据满足设计要求时，确定终夯，转至下一个夯点；否则，继续步骤701至步骤706直至满足终夯要求；夯击次数按照步骤701计算得到，总夯沉量按照步骤703计算得到，夯锤附近地面隆起量按照步骤706分析得到，最后两击平均夯沉量按照步骤703数据，对最后两击的单击平均夯沉量求平均得到。/>