一种基于大坝三维前方交会测量的内外业一体化系统

本发明公开了一种基于大坝三维前方交会测量的内外业一体化系统，尤其适 用于监测点众多的情况，涉及工程测量、大坝安全监测技术领域。

大坝及其设备在运营期间会产生变形，这种变形如果在一定响度之内，都被 认为是正常现象。但是，如果形变超过了规定的限度，就会影响大坝的正常使用， 严重时还会危及大坝的安全。因此，在大坝运营期间，必须定期对其进行变形监 测，及时掌握其变形状况。

目前，大坝变形测量普遍采用人工方法测量，即测量人员手工记录斜距、水 平角、垂直角以及大气要素等外业监测数据，记录者现场算出2C等差值并检查限 差，对观测者和记录者的能力要求高，出现错误也很难发现。此种作业方法不仅 工作量大、工作强度高、受外界环境干扰大，而且手工照准的精度偏低、信息反 馈慢，同时也不利于对测量数据的整理、平差、分析和应用。

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于大坝三 维前方交会测量的内外业一体化系统，实现大坝外观三维前方交会测量的数据自 动化采集、数据传输、数据平差计算、统计分析、数据管理预查询和数据输出等 一体化作业。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于大坝三维前方交会测量的内外业一体化系统，包括全站仪、计算机、 外业机载系统和内业数据处理与管理系统，所述外业机载系统设置于全站仪内， 包括测站准备模块、学习测量模块、自动测量模块；所述内业数据处理与管理系 统设置于计算机内，包括数据传输模块、数据预处理模块、数据平差模块、数据 管理查询模块、输出模块；其中，

测站准备模块用以实现测站相关参数输入；

学习测量模块用以测量测点近似坐标和高程；

自动测量模块用以测量水平角、天顶距和斜距，同时检查和验算测站准备模 块设置中输入的参数是否符合系统限差的要求；

数据传输模块用以实现全站仪与计算机的连接、计算机与程序后台数据库的 连接，并将外业观测数据传输至计算机；

数据预处理模块用以整理外业观测数据；

数据平差模块根据整理后的外业观测数据，计算平面坐标的平差和高程的平 差；

数据管理查询模块用以保存及查询系统产生的数据信息；

数据输出模块用以输出系统数据信息。

进一步的，所述测站准备模块中输入的相关参数包括：测站点名、照准点点 名、测回数、方向数、2C差、指标差、测回差。

进一步的，所述数据预处理模块整理的外业原始数据以Excel电子观测手簿 的形式保存。

进一步的，所述数据管理查询模块保存及查询的系统数据信息包括：观测日 期、平差后成果、属性信息。

进一步的，所述输出模块输出的系统数据包括：电子手簿、平差表格、统计 分析表格、平面位移矢量图、垂直位移矢量图、过程线图。

所述平面坐标的平差和高程的平差，计算具体方法如下：

步骤1：对待测点的斜距值进行加常数改正、乘常数改正、气象改正、投影 改正、周期改正、倾斜改正，获取改正后的平距值；

步骤2：利用步骤1获得的改正后的平距值计算待测点的球气差改正值；

利用步骤1获得的改正后的平距值计算待测点的平面坐标改正值；

步骤3：根据观测站垂直角、观测站基准点高程，结合待测点的气球差改正 值，计算待测点的高程；

根据待测点平面坐标改正值，计算平面坐标单位权中误差；

步骤4：计算待测点高程的往返差，设定往返差的阈值，若待测点高程的往 返差小于设定的阈值，结束待测点的平差计算，若待测点高程的往返差大于设定 的阈值，则重新测量待测点；

设定平面坐标单位权中误差阈值，若待测点的平面坐标单位权中误差值小于 设定的阈值，结束待测点的平差计算；若待测点的单位权中误差大于设定的阈值， 则重新测量待测点。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所公 开的一种基于大坝外观三维前方交会测量的内外业一体化系统功能完整、流程清 晰、算法独特，形成了数据资料的自动采集、预处理、平差、分析、管理、成图、 输出的数字化和一体化作业，并且通过矢量图与过程线图形象地再现了测点的变 形趋势。该系统改变了现行的外观三维前方交会测量的手工外业测量和手工内业 处理方式，一方面提高了测量成果的质量和作业速度，大大减轻了作业强度，减 少了劳动力的支出，另一方面提高了测量成果的完整性、准确性和自动化、可视 化水平，适用于测点多，分布不规则的国内外同类大坝的变形监测中。

图1是本发明中平面坐标测量和高程测量原理示意图，

其中：A、B代表测量架站点LS1、LS2，为已知点，P为待测点，P'为P在
水平面上的投影；α为与在水平面上的夹角，β为与在水平面
上的夹角，γ为与在水平面上的夹角；S为已知点A和已知点B在水平
面上的距离；S₁和S₂分别为和的长度；D₁和D₂分别为和的水平
长度；Z₁和Z₂分别为A点和B点到待测点P的垂直角。

图2是本发明的系统作业流程示意图。

图3是本发明实施例的监测点与基准点位置示意图。

图4是本发明的系统结构示意图。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图4是本发明的系统结构示意图。所述基于大坝三维前方交会测量的内外业 一体化系统，包括全站仪、计算机、外业机载系统和内业数据处理与管理系统， 所述外业机载系统设置于全站仪内，包括测站准备模块、学习测量模块、自动测 量模块；所述内业数据处理与管理系统设置于计算机内，包括数据传输模块、数 据预处理模块、数据平差模块、数据管理查询模块、输出模块；其中，

测站准备模块用以实现测站相关参数输入；

学习测量模块用以测量测点近似坐标和高程；

自动测量模块用以测量水平角、天顶距和斜距，同时检查和验算测站准备模 块设置中输入的参数是否符合系统限差的要求；

数据传输模块用以实现全站仪与计算机的连接、计算机与程序后台数据库的 连接，并将外业观测数据传输至计算机；

数据预处理模块用以整理外业观测数据；

数据平差模块根据整理后的外业观测数据，计算平面坐标的平差和高程的平 差；

数据管理查询模块用以保存及查询系统产生的数据信息；

数据输出模块用以输出系统数据信息。

如图3所示，LS1和LS2为三维前方交会测量架站点，其余点为监测点（图 中以三角形形式表示），所有监测点和基准点均为强制观测墩。本发明所公开的 基于大坝外观三维前方交会测量的内外业一体化系统，其作业流程示意图如图2 所示，具体包括如下步骤：

（一）首先在架站点LS2上架设附有机载软件的全站仪，打开仪器进入电子 气泡，对其进行精确整平，按前述步骤操作仪器进行自动化测量，直至测完所有 监测点，当测点较多时，可以根据棱镜数量对测点进行分组，按组进行测量，以 提高测量速度；

（二）将仪器搬至LS1站，重复步骤（一），直至测完所有测点，仪器自动 保存测量数据，关闭全站仪；

（三）利用所述内业数据处理与管理系统设置相应的串口及参数，将全站仪 内自动保存的外业数据传输出至计算机；

（四）利用所述数据预处理模块对外业原始数据进行整理、并以Excel电子 观测手簿的形式保存。

（五）利用所述数据平差模块平差计算所有测点本期平面坐标和高程。

图1是本发明中平面坐标测量和高程测量原理示意图，

其中：A、B为已知点，代表测量架站点LS1、LS2，P为待测点，P'为P在
水平面上的投影；α为与在水平面上的夹角，β为与在水平面
上的夹角，γ为与在水平面上的夹角，即α、β、γ为三角形ABP'的
三个内角；S为已知点A和已知点B在水平面上的距离，为已知值，根据A、B
两点的平面坐标计算得到；S₁和S₂分别为和的长度，为测量值；D₁和D₂
分别为和的水平长度，由测量值S₁和S₂转化而来；Z₁和Z₂分别为A点和
B点到待测点P的垂直角，为测量值。

平面坐标的平差计算具体步骤为：

步骤1：对所测斜距进行加常数改正、乘常数改正、气象改正、投影改正、 周期改正、倾斜改正，获取改正后平距值；

步骤2：计算待测点坐标初值；

步骤3：计算待测点坐标及所有观测值的改正数；

步骤4：根据所有观测值的改正数计算单位权中误差；

步骤5：选定一定的单位权中误差阈值，若单位权中误差小于阈值，则平差 结束；若单位权中误差大于阈值，则重复步骤2-步骤5，直至小于该阈值为止， 若不合格，则重测该测点。

高程的平差计算具体步骤为：

步骤1：与平面坐标平差计算步骤1一致；

步骤2：利用步骤1获得的改正后平距计算LS2、LS1测站各个测点的球气 差改正值；

步骤3：利用LS2站所测垂直角成果以及基准点（LS2）高程计算各个测点 的高程；

步骤4：利用LS1站所测垂直角成果及基准点（LS1）高程计算各个测点的 高程；

步骤5：计算由LS2、LS1两点所得待测点高程的往返差，选定一定的阈值， 若往返差小于阈值，则取平均作为最后待测点的高程；若往返差大于阈值，则重 测该测点。

（六）利用所述数据管理查询模块查询测期、观测日期、平差后成果、属性 信息。

（七）利用所述数据输出模块输出电子手簿、平差表格、统计分析表格、平 面位移矢量图、垂直位移矢量图、过程线图，生成固定格式的Excel报告并利用 数据管理查询模块保存。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下， 还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。