免固定设站点的全站仪三维变形监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种全站仪三维变形监测方法，与传统方法相比，本发明不需要控制测量，用于监测的点均不需要已知，不需要建立观测墩。从而减少工序、降低工程造价，节约资源。全站仪不需要固定设站点、不需要设站点的坐标、不需要后视点、不需要仪器对中、不需要量取仪器高、不需要瞄准零方向、不需要固定坐标系或统一坐标系。这些将使得外业工作简便、快捷、高效、省时省力。支导线法平均中误差定理可以简化监测精度评定工作，并得到一个简单明确的平面点位位移中误差公式。本发明的平面点位位移中误差公式可以指导和优化变形监测的外业布置工作以及提高监测成果的可靠性。本发明容易避开施工干扰，并且不影响施工。
【专利说明】免固定设站点的全站仪三维变形监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工程测量领域中使用全站仪或其它类型测绘仪器设备的三维变形监 测。
【背景技术】
[0002] 变形监测的方法很多，根据需要，对于工程变形的全站仪三维变形监测，其方法之 一是，在变形体范围内布置若干个变形监测点，而在变形体之外至少应该建立三个以上已 知控制点，一个控制点用于架设全站仪，另外两个控制点作为后视点和检查点，利用控制点 的三维坐标推算出变形监测点的三维坐标，通过后次观测得到监测点的三维坐标与初始观 测得到的监测点的三维坐标即初始值进行比较，以发现监测点的变化情况。
[0003] 对于上述这种三维变形监测方法，用于监测的设站点、后视点和检查点以及监测 点的初始值三维坐标首先要通过控制测量工序确定为已知。对于高精度精密变形监测工作 还需要首先建立固定观测墩，作为设站点的控制点就建立在观测墩上。若监测精度要求不 高则可以不建立观测墩，这种情况下，控制点建立在地面上，每次监测都需要精确量取仪器 高。若监测精度要求高而又不建立观测墩，为了提高全站仪的仪器量高精度，则可以采用虚 拟观测墩技术。对于这种变形监测工作，全站仪需要严格对中，若平面监测精度要求越高则 对中要求就越严格。
[0004] 监测所用的坐标系可以采用国家统一坐标系，也可以建立独立直角坐标系，在监 测工作开始前坐标系要唯一确定下来，并且在监测期间坐标系一般不能改变。
【发明内容】
[0005] 〈要解决的技术问题〉
[0006] 对目前这种工程变形监测方法进行改进，使得这种变形监测工作简便灵活、省时 省力、方便快捷、工序少、节约资源、降低工程造价。具体要解决下列技术问题：
[0007] 1)设站点不需要固定，可以是任何方便的位置，甚至可以建立在变形体上。每次监 测设站都允许与以前监测时的设站位置不同。
[0008] 2)设站点不需要已知，即不需要设站点的坐标。
[0009] 3)不需要后视点，因此也就不需要对准水平零方向，更不需要知道零方向的具体 位置。
[0010] 4)不需要建立固定观测墩，因为每次后次监测时的设站都可以是不同的位置。
[0011] 5)不需要做控制测量。即，不需要在监测工作开始前建立用于监测的各类已知点， 如设站点、后视点、检查点、监测点初始值等。
[0012] 6)不需要量取仪器高。
[0013] 7)不需要全站仪对中。
[0014] 8)容易避开与施工的相互干扰。
[0015] 9)每次监测都可以采用不同的坐标系。
[0016] 10)支导线法平均中误差定理，以解决本发明在相关公式推导上的复杂问题。
[0017]〈技术方案〉
[0018] 本发明要求，在建立变形观测场时，除了建立必要的变形监测点外，还要在变形体 之外的稳固地面上建立两个以上的固定点，每次观测时对变形监测点和固定点统一进行观 测。变形监测点可以不全部观测，但固定点必须至少观测两个。对于工程中的局部变形监 测工作，例如滑坡、大坝、水电站、各种规格的船闸以及重要的工程部位等，对其变形体的监 测可以某一水平面为基准面。
[0019] 变形监测点和固定点都作为照准点，在照准点上需要安放目标棱镜，或直接利用 反射片进行观测，或者用免棱镜全站仪对照准目标进行观测。但，目前使用反射片的测距精 度比使用棱镜的测距精度要低，免棱镜全站仪的测距精度同样比直接观测棱镜的测距精度 也要低。棱镜主要用来测量距离，也可以用来当作方向观测的目标。有时，为了提高方向观 测精度，瞄准方向的目标，例如小十字，可以单独建立，方向观测瞄准其小十字中心，而棱镜 只用来观测距离。
[0020] 本发明将用支导线法确定照准点的平面坐标，用三角高程确定照准点的高程，以 获得照准点的三维坐标即平面坐标和高程。文中所说的坐标一般指的就是三维坐标，若提 到平面坐标则指的是不包含高程的二维平面坐标。
[0021] 本发明将给出一种利用后次观测和初始观测得到的监测点的三维坐标进行比较 而发现位移是否发生的新方法。除初始观测外，之后的定期或不定期监测都称为后次观测。 对于某一次后次监测，根据需要将说成是后次第几次观测或后次第几次监测。
[0022] -、公知的基本测量方法
[0023] 下面是测量学中熟知的两种基本测量方法：支导线法和三角高程。
[0024] 1、支导线法
[0025] ①未知点的坐标计算公式
[0026] 把全站仪架设在一个已知点A上，后视另一个已知点B，而推算出未知点i的坐标。 A也称为基准点或设站点，B也称为后视点。
[0027] 计算公式为
[0028]
【权利要求】
1. 免固定设站点的全站仪三维变形监测方法，是一种用全站仪进行三维变形监测的方 法，其特征是：在变形体上建立若干个变形监测点，并在变形体范围之外的稳定体上建立两 个固定点A和B，监测点和固定点统称为照准点，对照准点观测其初始观测坐标系坐标；监 测时，对照准点观测其后次观测坐标系坐标，监测点在三维坐标系下的三维坐标位移用下 式计算
(j=l、2、3、···、]! ;n为变形监测点个数） 式中， △cti为旋转角，为AB方向后次第i次观测方位角与初始观测方位角之差； (jikcj虑虑z〗)T:为第j点第i次监测的三维坐标位移； (考^ 为第j点的后次第i次观测坐标系坐标； (4yi4/:为A点的后次第i次观测坐标系坐标； (xf yj5 zff为第j点的初始观测坐标系坐标； (xj 4 )τ为A点的初始观测坐标系坐标。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：监测点的三维坐标位移的另一种计算公式 为 式中，
Δ#、Ayf、Azf为在初始观测坐标系中，照准点j在以A点为坐标原点的坐标； 为在后次观测坐标系中，照准点j在以A点为坐标原点的坐标。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：平面点位位移中误差用下式计算
式中， 表示第·?点在后次第i次监测得到的平面点位位移中误差； 表示第j点在初始观测时得到的平面点位中误差；w4表示第j点在后次第i次观测时得到的平面点位中误差； 球表示第j点到固定点A的水平距离； Sle表示两个固定点之间的水平距离。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征是：初始观测值为理论值的后次监测平面点位 位務中误差用
式计算。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征是：两个固定点A、B之间的距离越大，或者，照 准点j与A点的距离越�。蚱矫嫖灰频木染驮礁撸けǖ木驮阶既�。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：对于一个设站观测不完的变形体，可以进行 多设站观测，站与站之间要有一定的重叠观测，其重叠观测的点数不应少于2个。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：可以将平面和高程分开进行实施，以适应只 做水平位移监测或只做垂直位移监测的工程变形监测工作。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：采用统一坐标系，监测点在三维坐标系下的 三维坐标位移用 式计算。
9. 支导线法平均中误差定理是测绘学中的一条定理，其特征是：支导线法确定未知点 坐标时，其未知点的横坐标和纵坐标的平均中误差相等，且平均平面点位中误差与平面点 位中误差相等。
【文档编号】G01B21/32GK104457684SQ201410848192
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】杨浩 申请人:杨浩
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