一种长隧道多测站联测组合解算方法、装置和存储介质与流程

1.本发明涉及地下工程测算领域，尤其是一种长隧道多测站联测组合解算方法、设备和存储介质。


背景技术：

2.在地铁隧道周边建筑物的建设过程中，基坑的开挖可能会引起地铁隧道的形变，从而对地铁的安全运营产生隐患。因此需要对周边建筑施工过程中临近的地铁隧道进行安全监测工作。
3.现有技术中一般采用单台全站仪对隧道形变区域进行精确测算；但单台全站仪的通视距离有限，在基坑的开挖规模较大，可能受影响的隧道较长时，无法通过自由设站的方式完成对隧道形变区域的精确测算。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了解决长隧道的测量解算问题，本发明提出一种长隧道多测站联测组合解算方法、设备和存储介质。
5.本发明的第一方面提供了一种长隧道多测站联测组合解算方法，包括以下步骤：
6.在隧道形变区域以外的两端分别设置第一控制点和第二控制点，所述第一控制点和第二控制点的三维坐标为已知坐标；
7.根据预设距离规则将隧道形变区域分割为多个测段，在测段中布设全站仪，所述全站仪的可视范围大于所在测段范围；
8.在测段中布置监测点，所述监测点位于所在测段全站仪的可视范围中；
9.在测段的交界处布设联测点，所述联测点位于相邻测段全站仪的可视范围中；
10.全站仪采集所在测段内监测点的角度数据和距离数据；
11.根据角度数据和距离数据解算得到监测点的三维坐标；
12.对监测点的三维坐标进行统计分析，得到监测点三维坐标的变化量。
13.进一步地，所述角度数据包括观测垂直角和观测水平角，所述距离数据包括观测斜距和观测平距；
14.所述根据角度数据和距离数据解算得到监测点的三维坐标，具体包括以下步骤：
15.以第一控制点和第二控制点已知的三维坐标，以所述联测点为监测点坐标计算的中间节点，建立联测高程网及平面网；通过联测高程网及平面网得到监测点的近似三维坐标；
16.根据所述观测垂直角和观测斜距，计算监测点的高程平差改正数；
17.根据所述观测垂直角、观测水平角和观测斜距，计算监测点的平面平差改正数；
18.根据计算得到的高程平差改正数和平面平差改正数修正监测点的近似三维坐标，得到监测点的三维坐标。
19.进一步地，所述高程平差改正数，通过以下步骤计算得到；
20.根据所述观测垂直角和观测斜距，计算监测点到全站仪的近似高差与监测点的未知高程近似值；
21.根据计算得到的近似高差和已知三维坐标的高程，建立高程网观测值误差方程的系数矩阵，通过观测斜距确定高程网观测值误差方程的权矩阵；
22.根据所述误差方程的系数矩阵和权矩阵，计算监测点的高程近似值改正数；
23.根据计算得到的未知高程近似值和高程近似值改正数，计算监测点的高程平差值。
24.进一步地，所述平面平差，通过以下步骤计算得到：
25.根据所述观测垂直角、观测水平角和观测斜距，以监测点所在测段全站仪坐标为中心坐标，建立第一极坐标系，得到监测点在第一极坐标系下的坐标；
26.以监测点所在测段的相邻测段全站仪坐标为中心坐标，建立第二极坐标系，得到监测点在第二极坐标系下的坐标；
27.根据最小二乘原理，计算出第二极坐标系坐标转换至第一极坐标系坐标的转换参数；
28.以相同的步骤计算得到以每个测段全站仪为中心坐标的极坐标系转换至第一极坐标系坐标的转换参数；
29.通过第一控制点和第二控制点的已知坐标，将监测点在第一极坐标系下的坐标转换为控制点坐标系下的近似坐标，所述近似坐标中存在误差；
30.根据监测点的近似坐标、第一控制点和第二控制点的已知坐标，计算监测点的距离误差，得到监测点的近似平距改正数和水平角改正数；
31.根据监测点的近似坐标和近似平距改正数和水平角改正数，计算得到监测点的平面平差值。
32.进一步地，所述对监测点的三维坐标进行统计分析，得到监测点三维坐标的变化量，具体包括：
33.以预设周期统计隧道形变区域所有监测点的三维坐标变化量；
34.在所述三维坐标变化量超过预设阈值时，发出警告信息。
35.进一步地，所述第一控制点和第二控制点数量为多个，用于提供多组已知坐标。
36.进一步地，所述联测点数量为多个，用于对联测高程网及平面网的数据递推进行组合计算。
37.进一步地，所述全站仪记录所述角度数据和距离数据。
38.本发明还公开了一种电子装置，包括处理器以及存储器；
39.所述存储器用于存储程序；
40.所述处理器执行所述程序实现一种长隧道多测站联测组合解算方法。
41.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现一种长隧道多测站联测组合解算方法。
42.本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种长隧道多测站联测组合解算方法、设备和存储介质，解决了现有技术中长隧道形变监测困难的技术问题，通过构建联测高程网及平面网，实现了对长距离隧道的形变监测，保障了邻近建筑物和铁路的安全。
43.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变
得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
44.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1是本发明一种长隧道多测站联测组合解算方法的主要流程图；
46.图2是本发明一种长隧道多测站联测组合解算方法中联测点、监测点、全站仪的布置方位示意图；
47.图3是本发明一种长隧道多测站联测组合解算方法中联测高程网示意图；
48.图4本发明部分监测点的隧道形变测量数据示例图；
49.图5是本发明于监测点位置的隧道形变人工测量数据图。
具体实施方式
50.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
51.本实施例介绍了一种长隧道多测站联测组合解算方法的主要流程，如图1所示，主要包括以下步骤：
52.s1：在隧道形变区域以外的两端分别设置第一控制点和第二控制点，所述第一控制点和第二控制点的三维坐标为已知坐标；
53.步骤s1中，第一控制点和第二控制点数量为多个，用于提供多组已知坐标。为保证已知坐标的稳定性，建议在长隧道形变区域外的两端布置不少于3个控制点。
54.s2：根据预设距离规则将隧道形变区域分割为多个测段，在测段中布设全站仪，所述全站仪的可视范围大于所在测段两端的范围；
55.步骤s2中，测段的具体长度根据全站仪的可视范围适当调整。
56.s3：在测段中布置监测点，所述监测点位于所在测段全站仪的可视范围中；
57.s4：在测段的交界处布设联测点，所述联测点位于相邻测段全站仪的可视范围中；
58.步骤s4中，联测点数量为多个，用于对联测网的数据递推进行组合计算。联测点可选用双面棱镜，数量不少于3个以保证数据递推的稳定性。
59.经过步骤s1-s4后，布置完成的控制点、联测点、监测点、全站仪示意图如图2所示。
60.s5:全站仪采集所在测段内监测点的角度数据和距离数据；
61.步骤s5中，角度数据包括观测垂直角和观测水平角，距离数据包括观测斜距；全站仪记录角度数据和距离数据。
62.s6:根据角度数据和距离数据解算得到监测点的三维坐标；
63.步骤s6中，根据角度数据和距离数据解算得到监测点的三维坐标，具体包括以下步骤：
64.s6-1:以第一控制点和第二控制点已知的三维坐标，以所述联测点为监测点坐标
计算的中间节点，建立联测高程网；通过联测高程网得到监测点的近似三维坐标。
65.联测高程网的示意图如图3所示，图中a、b、c、d为监测点和控制点，p1、p2为全站仪；p1、p2之间的网络由联测点进行接驳。联测高程网的搭建从隧道形变区域以外的两端的已知点开始；逐个确定形变区域中监测点的近似高程(此处忽略误差，在后续步骤中修正)，最终完成整个联测高程网的搭建。
66.s6-2:根据所述观测垂直角和观测斜距，计算监测点的高程平差改正数；
67.其中，所述高程平差改正数，通过以下步骤计算得到；
68.s6-3-1：根据所述观测垂直角和观测斜距，计算监测点到全站仪的近似高差hi与监测点的未知高程近似值
[0069][0070]
式(1)中，vai为观测垂直角、s
ij
为观测斜距、hi为已知点高程。
[0071]
s6-3-2：根据计算得到的近似高差和已知三维坐标的高程，建立高程网观测值误差方程的系数矩阵，通过观测斜距确定高程网观测值误差方程的权矩阵；
[0072][0073]
式(2)中，h1、h2、h3、h4、h5为式1中hi计算的近似高差，v1、v2、v3、v4、v5为hi的改正数。
[0074]
s6-3-3：根据所述误差方程的系数矩阵和权矩阵，计算监测点的高程近似值改正数；
[0075]
根据式(2)，构建高程网观测值误差方程的系数矩阵b和常数项l；权矩阵p可通过观测距离确定。建立法方程后，高差改正数为:
[0076][0077]
s6-3-4：根据计算得到的未知高程近似值和高程近似值改正数，计算监测点的高程平差值
[0078][0079]
s6-3:根据所述观测垂直角、观测水平角和观测斜距，计算监测点的平面平差改正数；
[0080]
s6-4:根据计算得到的高程平差改正数和平面平差改正数修正监测点的近似三维坐标，得到监测点的三维坐标。
[0081]
其中，所述平面平差改正数，通过以下步骤计算得到：
[0082]
s6-4-1：根据所述观测垂直角、观测水平角和观测斜距，以监测点所在测段全站仪坐标为中心坐标，建立第一极坐标系，得到监测点在第一极坐标系下的坐标；
[0083]
令全站仪(n＝1)中心坐标为(x0,y0)，根据极坐标原理计算当前测站下所有监测点的坐标为计算公式为：
[0084][0085]
式(5)中：ha
ij
、va
ij
、sd
ij
分别为全站仪测量的目标监测点的水平角、竖直角、斜距。
[0086]
s6-4-2：以监测点所在测段的相邻测段全站仪坐标为中心坐标，建立第二极坐标系，得到监测点在第二极坐标系下的坐标；
[0087]
s6-4-3：根据最小二乘原理，计算出第二极坐标系坐标转换至第一极坐标系坐标的转换参数；
[0088]
第一极坐标系和第二极坐标系的联测点按最小二乘原理，满足v
t
pv＝min的原则计算得出转换三参数，将第二极坐标系的所有监测点坐标转换到第一极坐标系的坐标系统下，使用三参数可保证测站内所有测点网形不会伸缩变形；三参数计算公式为：
[0089][0090]
式(6)中：为目标坐标，为平移参数，r(ω)为旋转角，为原坐标。
[0091]
s6-4-4：以相同的步骤计算得到以每个测段全站仪为中心坐标的极坐标系转换至第一极坐标系坐标的转换参数；
[0092]
s6-4-5：通过第一控制点和第二控制点的已知坐标，将监测点在第一极坐标系下的坐标转换为控制点坐标系下的近似坐标所述近似坐标中存在误差；
[0093]
s6-4-6：根据监测点的近似坐标、第一控制点和第二控制点的的已知坐标，计算监测点的距离误差，得到监测点的近似平距改正数；
[0094]
其中，当监测点为控制点(坐标已知)时，近似平距改正数为0；通过以下公式计算近似平距改正数
[0095][0096]
式(7)中，测站点的坐标为已知点的坐标为观测平距为d
ij
，测站点和已知点之间的近似平距为通过逐点确定测站点到所有监测点的近似平距改正数。
[0097]
s6-4-6-1：根据监测点的近似坐标、第一控制点和第二控制点的的已知坐标，计算监测点的水平角误差，进一步得到监测点的近似坐标改正数；
[0098]
测站点i近似坐标是与监测点j似坐标j其近似坐标改正数分别是列误差方程关系表达式为：
[0099][0100]
式(7-1)中：为测站点i到监测点j平差后的水平角；v
ij
为水平就改正数据；
[0101]
根据式7与式7-1的方程可得到误差方程的系数阵b与常数阵l，根据误差方程按最小二乘原理，解误差方程：
[0102]
dx＝(p
t
pb)-1bt
pl
ꢀꢀꢀꢀ
(7-2)
[0103]
s6-4-7：根据监测点的近似坐标和近似坐标改正数，计算得到监测点的平面平差值
[0104][0105]
s7：对监测点的三维坐标进行统计分析，得到监测点三维坐标的变化量；
[0106]
步骤s7中，以预设周期统计隧道形变区域所有监测点的三维坐标变化量；在所述三维坐标变化量超过预设阈值时，发出警告信息。
[0107]
图4、图5为本发明的一个应用实施例。本实施例中隧道形变区域为50m，以25m为一个测段将形变区域划分为2个测段。以10m为断面布设监测点，每个断面布置5个监测点，共布设50个监测点。图4表示各监测点所采集的平面位移数据和竖向位移数据，图5为在各监测点位置进行使用水准仪进行人工监测的复核结果。结果显示本实施例所公开的一种长隧道多测站联测组合解算方法测算结果与实际结果较为接近，具备较高的可用性与稳定性。
[0108]
图4、图5为本发明的一个应用实施例。本实施例中隧道形变区域为300m，以150m为一个测段将形变区域划分为2个测段。以10m为断面布设监测点，每个断面布置5个监测点，共布设145个监测点。图4表示各监测点所采集的平面位移数据和竖向位移数据，图5为在各监测点位置进行使用水准仪进行人工监测的复核结果。结果显示本实施例所公开的一种长隧道多测站联测组合解算方法测算结果与实际结果较为接近，具备较高的可用性与稳定性。
[0109]
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。
[0110]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0111]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0112]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供
指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0113]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0114]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0115]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。