[發(fā)明專(zhuān)利]高填方機(jī)場(chǎng)邊坡單臺(tái)全站儀的自由設(shè)站變形監(jiān)測(cè)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210051569.1
• 申請(qǐng)日: 2012-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102607506A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許文學(xué);羊遠(yuǎn)新;魏樺;錢(qián)清玉;薛宗建;申瑾;趙偉冬
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍空軍工程設(shè)計(jì)研究局
• 主分類(lèi)號(hào): G01B21/32
• 分類(lèi)號(hào): G01B21/32
• 代理公司: 鄭州天陽(yáng)專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 41113
• 代理人: 聶孟民

1.一種高填方機(jī)場(chǎng)邊坡單臺(tái)全站儀的自由設(shè)站變形監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

一、高填方機(jī)場(chǎng)邊坡分區(qū)

將高填方機(jī)場(chǎng)邊坡所包含的范圍由大至小分為第一、第二、第三設(shè)站所測(cè)量的矩形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域邊長(zhǎng)為200-300m；如果監(jiān)測(cè)范圍再大，測(cè)量分隔的測(cè)量區(qū)域繼續(xù)增多，每一測(cè)站測(cè)量其范圍內(nèi)的所有控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)，測(cè)站的位置可自由選擇，盡量在測(cè)量區(qū)域的中間，使測(cè)量誤差呈規(guī)律性的均勻分布；

二、測(cè)量

控制測(cè)量所得到的坐標(biāo)系稱(chēng)為控制網(wǎng)坐標(biāo)系，每站測(cè)量?jī)x器三軸所形成的坐標(biāo)系稱(chēng)為測(cè)站坐標(biāo)系，測(cè)量分兩步：

(1)控制測(cè)量：變形監(jiān)測(cè)開(kāi)始前，先建立整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的控制網(wǎng)，控制網(wǎng)建立方式為GPS自由網(wǎng)或經(jīng)典邊角網(wǎng)，采用空間直角坐標(biāo)，對(duì)于變形監(jiān)測(cè)因邊長(zhǎng)較短，不進(jìn)行投影，以避免投影變形所產(chǎn)生的誤差影響；

(2)變形監(jiān)測(cè)，自由設(shè)站測(cè)量，對(duì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分站測(cè)量，方法是，當(dāng)測(cè)量區(qū)域較小，采用單站測(cè)量，儀器不動(dòng)，測(cè)量所有目標(biāo)，測(cè)量半徑為300m以?xún)?nèi)；當(dāng)較大范圍的測(cè)量區(qū)域，采用轉(zhuǎn)站測(cè)量，完成一次測(cè)量任務(wù)需要多次移動(dòng)儀器的位置，可以避免外界環(huán)境的影響，改善通視條件，通過(guò)對(duì)3個(gè)以上的定向點(diǎn)測(cè)量，建立起相鄰測(cè)站之間的姿態(tài)、定向關(guān)系，同時(shí)實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量范圍的較大擴(kuò)展，避免測(cè)量精度隨距離增大而快速降低；

三、數(shù)據(jù)處理

將測(cè)量獲得的水平角、垂直角和斜距作為觀(guān)測(cè)值，以測(cè)站位置參數(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)作為平差參數(shù)進(jìn)行參數(shù)平差，獲取測(cè)站位置參數(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的精確結(jié)果；

A、網(wǎng)平差

網(wǎng)平差是在觀(guān)測(cè)結(jié)束后，消除不符合的數(shù)據(jù)、評(píng)估測(cè)量精度、求出坐標(biāo)，具體是：

兩臺(tái)儀器同時(shí)觀(guān)測(cè)1個(gè)點(diǎn)，有6個(gè)觀(guān)測(cè)值，若對(duì)n個(gè)點(diǎn)同時(shí)觀(guān)測(cè)，就有6n個(gè)觀(guān)測(cè)值；n個(gè)未知點(diǎn)存在3n個(gè)未知數(shù)，兩臺(tái)儀器相對(duì)定向存在有另外7個(gè)未知數(shù)，3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，3個(gè)平移參數(shù)，1個(gè)尺度因子，按照6n＞7+3n，n＞2.5，解算儀器的相對(duì)位置，相鄰測(cè)站有3個(gè)以上的公共點(diǎn)，高精度的監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)5～15個(gè)公共點(diǎn)，增加多余觀(guān)測(cè)量，且網(wǎng)點(diǎn)分布具有幾何結(jié)構(gòu)，以提高可靠性、減小測(cè)量誤差的影響；

平差時(shí)通過(guò)對(duì)多余觀(guān)測(cè)值進(jìn)行最小二乘法處理，求得儀器位置和空間姿態(tài)及空間點(diǎn)的坐標(biāo)，使得觀(guān)測(cè)值改正數(shù)的平方和最小，其誤差方程是非線(xiàn)性的，經(jīng)多次迭代實(shí)現(xiàn)；

B、數(shù)據(jù)處理方法

(1)測(cè)站坐標(biāo)系下坐標(biāo)計(jì)算

測(cè)站i對(duì)任意點(diǎn)P的觀(guān)測(cè)值包括水平角H_i-p、垂直角V_i-p和斜距D_i-p，則點(diǎn)P在測(cè)站i下的坐標(biāo)記作(X_i-P，Y_i-P，Z_i-P)，計(jì)算公式如下：

Xi-P=Di-P·cos(Vi-P)·cos(Hi-P)Yi-P=Di-P·cos(Vi-P)·sin(Hi-P)Zi-P=Di-P·sin(Vi-P)]]>

(2)測(cè)站1坐標(biāo)系與其余測(cè)站間的轉(zhuǎn)換參數(shù)概略計(jì)算

根據(jù)布爾莎七參數(shù)模型，通過(guò)坐標(biāo)系3個(gè)基本旋轉(zhuǎn)、3個(gè)平移和1個(gè)尺度縮放，計(jì)算得到兩相鄰測(cè)站i和i+1間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，包括平移參數(shù)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和尺度因子k：

(Xi,Yi,Zi)=Nii+1·(Xi+1,Yi+1,Zi+1)+(X0ii+1,Y0ii+1,Z0ii+1)]]>

(X_i，Y_i，Z_i)為測(cè)站i的坐標(biāo)，(X_i+1，Y_i+1，Z_i+1)為測(cè)站i+1坐標(biāo)，為依次繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，N_ii+1是旋轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；

測(cè)站1與測(cè)站i間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(X1,Y1,Z1)=Σj=1i-1Njj+1·(Xi,Yi,Zi)+Σj=1i-1(X0jj+1,Y0jj+1,Z0jj+1)]]>

記作：

(X1,Y1,Z1)=N1i·(Xi,Yi,Zi)+(X01i,Y01i,Z01i)]]>

其中：

N1i=Σj=1i-1Njj+1;(X01i,Y01i,Z01i)=Σj=1i-1(X0jj+1,Y0jj+1,Z0jj+1)]]>

尺度因子k主要是由于兩坐標(biāo)系采用不同的長(zhǎng)度基準(zhǔn)造成的，或者被測(cè)物體熱脹冷縮等因素引起的，如果兩坐標(biāo)系的長(zhǎng)度基準(zhǔn)相同，將尺度因子k固定為1，由下式計(jì)算得到k的概略值：

k=(S12+S13+S23)/(S12′′+S13′′+S23′′)Sij=(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2Sij′′=(xi′′-xj′′)2+(yi′′-yj′′)2+(zi′′-zj′′)2]]>

其中：(x_i，y_i，z_i)為測(cè)站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，(x″_i，y″_i，z″_i)為控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

(3)各個(gè)測(cè)站坐標(biāo)系與控制網(wǎng)坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算

由(X1,Y1,Z1)=N1i·(Xi,Yi,Zi)+(X01i,Y01i,Z01i)]]>式，將所有測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到測(cè)站1坐標(biāo)系下，監(jiān)測(cè)時(shí)要測(cè)量到至少3個(gè)不共線(xiàn)的控制點(diǎn)，求出控制網(wǎng)坐標(biāo)系和測(cè)站1坐標(biāo)系間的概略轉(zhuǎn)換參數(shù)，平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)則有：

(Xc,Yc,Zc)=Nc1·(X1,Y1,Z1)+(X0c1,Y0c1,Z0c1)]]>

其中：(X_c，Y_c，Z_c)表示控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，(X₁，Y₁，Z₁)為測(cè)站1坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，N_c1是旋轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，即控制網(wǎng)坐標(biāo)系到測(cè)站1；

由(X1,Y1,Z1)=N1i·(Xi,Yi,Zi)+(X01i,Y01i,Z01i)]]>和(Xc,Yc,Zc)=Nc1·(X1,Y1,Z1)+(X0c1,Y0c1,Z0c1)]]>式得控制網(wǎng)坐標(biāo)系與任意測(cè)站i間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(Xc,Yc,Zc)=Nc1·N1i·(Xi,Yi,Zi)+Nc1·(X01i,Y01i,Z01i)+(X0c1,Y0c1,Z0c1)]]>

其中：(X_i，Y_i，Z_i)表示測(cè)站i坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為測(cè)站1到測(cè)站i的平移參數(shù)，N_1i是旋轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，即測(cè)站1到測(cè)站i；

(4)精確解算測(cè)站間位置關(guān)系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

對(duì)于測(cè)站i，由(Xc,Yc,Zc)=Nc1·N1i·(Xi,Yi,Zi)+Nc1·(X01i,Y01i,Z01i)+(X0c1,Y0c1,Z0c1)]]>式計(jì)算得到控制網(wǎng)坐標(biāo)系與測(cè)站坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)的概略值在測(cè)量中，控制網(wǎng)坐標(biāo)系的基準(zhǔn)面與測(cè)站坐標(biāo)系的基準(zhǔn)面均為大地水準(zhǔn)面，故兩坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)將只有繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角其中O_C-X_CY_CZ_C為控制網(wǎng)坐標(biāo)系，O_i-X_iY_iZ_i為測(cè)站i坐標(biāo)系，O′_C-X′_CY′_CZ′_C坐標(biāo)系是由坐標(biāo)系O_C-X_CY_CZ_C平移至O_i，平面O_C-X_CY_C、O′_C-X′_CY′_C和O_i-X_iY_i均與水平面平行，則O_i-X_iY_iZ_i由坐標(biāo)系O′_C-X′_CY′_CZ′_C旋轉(zhuǎn)得到繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角

被測(cè)點(diǎn)分為控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)j在控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記作(X_c-j，Y_c-j，Z_c-j)，對(duì)于整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，所要求解的未知數(shù)包括測(cè)站與控制網(wǎng)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的未知數(shù)坐標(biāo)(X_c-k，Y_c-k，Z_c-k)；測(cè)站i對(duì)測(cè)量點(diǎn)P的觀(guān)測(cè)值包括水平角Hi-p、垂直角Vi-p和斜距Di-p，有如下關(guān)系式：

則由參數(shù)平差可得如下誤差方程：

令：

Si-p0=(Xc-k|0-X0ci|0)2+(Yc-k|0-Y0ci|0)2Di-p0=(Xc-k|0-X0ci|0)2+(Yc-k|0-Y0ci|0)2+(Zc-k|0-Z0ci|0)2]]>

其中：X_c-k|₀、Y_c-k|₀、Z_c-k|₀、為X_c-k、Y_c-k、Z_c-k、對(duì)應(yīng)的近似值，且角度的單位采用秒，長(zhǎng)度的單位采用毫米，這樣可避免誤差方程系數(shù)差別較大，有如下關(guān)系式：

sin(Hi-p|0)=Yc-k|0-Y0ci|0Si-p0cos(Hi-p|0)=Xc-k|0-X0ci|0Si-p0]]>

其中：H_i-p|₀為H_i-p對(duì)應(yīng)的近似值，則：

a1i-p=sin(Hi-p|0)Si-p0·ρ1000,]]>a2i-p=-cos(Hi-p|0)Si-p0·ρ1000]]>

a3i-p=-sin(Hi-p|0)Si-p0·ρ1000,]]>a4i-p=cos(Hi-p|0)Si-p0·ρ1000]]>

b1i-p=-1sin(Vi-p|0)·(Zc-k|0-Z0ci|0)·(Xc-k|0-X0ci|0)(Di-p0)3·ρ1000]]>

b2i-p=-1sin(Vi-p|0)·(Zc-k|0-Z0ci|0)·(Yc-k|0-Y0ci|0)(Di-p0)3·ρ1000]]>

b3i-p=-1sin(Vi-p|0)·(-1Di-p0+(Zc-k|0-Z0ci|0)2(Di-p0)3·ρ1000]]>

b4i-p=-1sin(Vi-p|0)·(Zc-k|0-Z0ci|0)·(Xc-k|0-X0ci|0)(Di-p0)3·ρ1000]]>

b5i-p=-1sin(Vi-p|0)·(Zc-k|0-Z0ci|0)·(Yc-k|0-Y0ci|0)(Di-p0)3·ρ1000]]>

b6i-p=1sin(Vi-p|0)·(-1Di-p0+(Zc-k|0-Z0ci|0)2(Di-p0)3·ρ1000]]>

c1i-p=Xc-k|0-X0ci|0Di-p0,]]>c2i-p=Yc-k|0-Y0ci|0Di-p0]]>

c3i-p=Zc-k|0-Z0ci|0Di-p0,]]>c4i-p=-Xc-k|0-X0ci|0Di-p0]]>

c5i-p=-Yc-k|0-Y0ci|0Di-p0,]]>c6i-p=-Zc-k|0-Z0ci|0Di-p0]]>

L1i-p=2π-Hi-p-tan-1(Yc-k|0-Y0ci|0Xc-k|0-X0ci|0)]]>

L2i-p=cos-1(Zc-k|0-Z0ci|0Di-p0)-Vi-p]]>

L3i-p=Di-p0-Di-p]]>

若觀(guān)測(cè)點(diǎn)是控制點(diǎn)則a3i-p=a4i-p=b4i-p=b5i-p=b6i-p=c4i-p=c5i-p=c6i-p=0;]]>

對(duì)于所有測(cè)站，可建立誤差方程V＝AX+L，觀(guān)測(cè)值水平角Hi-p、垂直角Vi-p和斜距Di-p的定權(quán)表達(dá)式如下：

PHi-p=PVi-p=1PDi-p=mβ/mDmD=a+b*Di-p]]>

其中：m_β為儀器測(cè)角的標(biāo)稱(chēng)精度，單位為秒；m_D為測(cè)距精度，單位為毫米；a、b分別為全站儀標(biāo)稱(chēng)的固定誤差和比例誤差系數(shù)；

按最小二乘法V^TPV＝最小，組成方程：NX+W=0X=-N-1W,]]>其中N=ATPAW=ATPL,]]>由此，平差解算可得到測(cè)站未知數(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(X_c-k，Y_c-k，Z_c-k)的精確值；

(5)精度評(píng)定

設(shè)n為誤差方程個(gè)數(shù)，t為未知數(shù)個(gè)數(shù)，m_i為第i個(gè)參數(shù)的精度估值；Q_ii為權(quán)逆陣Q對(duì)角線(xiàn)上第i行第i列數(shù)據(jù)；由平差結(jié)果殘差V，可計(jì)算單位權(quán)中誤差其中未知數(shù)權(quán)逆陣Q＝(A^TPA)^-1，參數(shù)精度估計(jì)