一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法，包括以下步骤：1、架设全站仪，采集两期控制点坐标；2、根据控制点坐标分别计算两期控制基线三维向量；3、根据控制基线三维向量，建立三维基线向量坐标系；4、采集两期监测点三维坐标；5、根据控制点和监测点坐标，计算监测基线向量；6、将监测基线向量投影至三维基线向量坐标系，得到监测基线向量在基线坐标系中X、Y和Z方向的分量；7、通过比较两期同一监测基线三维向量在三维基线向量坐标系中的分量，得到监测点平行于轨道、垂直于轨道和垂直于轨道所在平面三个方向上相邻两期的变形量。该方法无需后方交会和定向，消除了其引入的误差影响；测设过程中作业简单灵活，大大减少了作业时间。

A 3D deformation monitoring method for subway tunnels based on baseline

The invention discloses a three-dimensional deformation monitoring method based on the baseline of a subway tunnel, which includes the following steps: 1, erecting a total station, collecting two phases of control point coordinates; 2, calculating the three dimensional vector of the two stages of control base line according to the control point coordinates; 3, establishing a three-dimensional baseline vector coordinate system according to the three-dimensional vector of the control baseline; 4, Collect the three dimensional coordinates of the two monitoring points; 5, calculate the monitoring baseline vector according to the control point and the monitoring point coordinates; 6, projection the baseline vector to the three-dimensional baseline vector coordinate system, and get the component of the baseline vector in the direction of X, Y and Z in the baseline coordinate system; 7. By comparing two phases of the same monitoring baseline, the vector is three. The component in the vectorial coordinate system obtains the deformation of the monitoring points parallel to the orbit, perpendicular to the orbit and perpendicular to the three directions of the plane in the plane. The method eliminates the need of resection and orientation, eliminates the error influence caused by the introduction, and the operation is simple and flexible in the process of Surveying and mapping, thus greatly reducing the operation time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法
本专利技术属于测绘科学
，具体涉及一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法。
技术介绍
在现代城市中，地铁因其速度快、能耗低、运量大和污染少等优势，已经成为城市交通重要的工具。近年来，因城市的快速发展，地铁周边会有大量的工程项目投入建设。这些项目的施工可能会对原有地铁隧道结构产生影响，导致周围土体应力场和地下水位的变化，从而引起隧道结构产生位移，严重时会引起道床脱离、轨道设备形变、轨道平顺度变化，从而使得列车运行安全难以得到保障，给市民的安全出行带来隐患。因此，对地铁隧道变形区的变形监测具有十分重要的意义。现有地铁隧道三维变形监测一般分为垂直位移监测和水平位移监测。垂直位移监测通常采用电子水准仪施测，在变形区域外的稳定区域，两侧各选取一个控制点作为日常工作基点，利用两个工作基点，与变形区域内各监测点构成附合水准路线，依次测得每个监测点的高程，通过比较两期对应监测点高程的差，即可得到监测点的垂直位移变化情况。而水平位移监测通常采用全站仪进行，其具体实施方法如下，在变形区域外的稳定区域选取稳定点作为控制点，一般两侧各取两个控制点；在变形区域内等间隔设置若干水平位移监测点；在变形区域中间区域设置一固定架站点，用以测量各个监测点平面坐标。在施测过程中，仪器架设于架站点，利用至少3个以上控制点后方交会得出架站点坐标，然后以其中一个控制点定向，依次测得各个监测点坐标，分别比较两期监测点坐标，即可得到监测点的水平位移变化情况。实际上，垂直位移监测中，会因仪器架站次数的增多，导致误差积累，从而影响最后的监测成果的质量；而水平位移监测在施测过程中会引入两部分误差，一是后方交会引起的误差，二是定向产生的误差。而经验表明，在精密工程测量领域，即使很小的误差也会导致错误的变形监测结果或者不可靠的变形监测结果。而且，垂直位移和水平位移监测分开施测无疑大大增加了测量外业工作量。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法，该方法综合垂直位移监测和水平位移监测，只需一次完成，且该方法无需后方交会和定向，消除了其引入的误差影响；且在测设过程中作业简单灵活，大大减少了作业时间。技术方案：本专利技术采用如下技术方案：一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法，包括以下步骤：(1)架设全站仪，利用全站仪采集两期控制点坐标数据，全站仪架设于两侧控制点之间，每期控制点A、B和C的观测值分别为三维坐标：和其中下标j＝1,2，表示测期号；(2)根据控制点坐标分别计算两期控制基线三维向量其中下标j＝1,2，表示测期号；(3)根据控制基线三维向量，建立三维基线向量坐标系；(4)利用全站仪采集两期监测点三维坐标数据Pij(xij，yij，zij)i＝1,2,…,n，j＝1,2，表示测期号，n为监测点数目；(5)根据控制点和监测点坐标，计算监测基线向量其中n为监测点数目，j＝1,2，表示测期号；(6)将监测基线向量投影至三维基线向量坐标系，得到监测基线向量在基线坐标系中X、Y和Z坐标轴方向的分量；(7)通过比较两期同一监测基线三维向量在三维基线向量坐标系中的分量，得到监测点平行于轨道、垂直于轨道和垂直于轨道所在平面三个方向上相邻两期的变形量。步骤(1)中所述三个控制点A、B和C，其中A位于变形区域一侧，B和C位于变形区域另一侧，且A与B二者连线方向大致与轨道方向平行。步骤(1)所述全站仪的架设如下：整平全站仪；每期测量全站仪架设位置处于变形区域内。步骤(3)所述三维基线向量坐标系的建立过程为：以控制点A为坐标原点，方向为Y坐标轴正向，在和确定的平面内垂直于并指向隧道另一侧为X坐标轴正向，Z坐标轴垂直于三点所在平面，Z坐标轴正向与X坐标轴正向、Y坐标轴正向构成右手直角坐标系，从而三维基线向量坐标系建立。步骤(6)所述监测基线向量在三维基线向量坐标系X、Y和Z坐标轴方向上的投影分别为和其中i＝1,2,…,n，n为监测点数目，j＝1,2，表示测期号，其长度分别为和其中|·|表示向量取模运算，和分别为X、Y和Z坐标轴单位方向向量。有益效果：与现有技术相比，本专利技术公开的基于基线的地铁隧道三维变形监测方法具有如下优点：1、将垂直位移监测和水平位移监测合二为一，减少了作业时间；2、无需通过测站传导的模式获取监测点过程，且无需后方交会和测站定向两个步骤，消除了其引入的误差影响；3、测设过程简单灵活，架站位置任意，大大提高了劳动效率，这是传统隧道三维变形监测所不能达到的。附图说明图1为本专利技术的一种基于基线的隧道三维变形监测的流程图；图2为本专利技术的三维基线向量坐标系建立及点位关系示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术。如图1所示，一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法，包括以下步骤：(1)架设全站仪，利用全站仪采集两期控制点坐标数据，全站仪架设于两侧控制点之间，每期控制点A、B和C的观测值分别为三维坐标：和其中下标j＝1,2，表示测期号；三个控制点A、B和C，其中A位于变形区域一侧，B和C位于变形区域另一侧，且A与B二者连线方向大致与轨道方向平行，三点与轨道位置关系如图2所示。步骤(1)所述全站仪的架设如下：全站仪的架设无需对中，只需整平即可；每期测量全站仪架设位置处于变形区域即可，无需固定位置。(2)根据控制点坐标分别计算两期控制基线三维向量其中下标j＝1,2，表示测期号；(3)根据控制基线三维向量，建立三维基线向量坐标系；所述三维基线向量坐标系的建立过程为：如图2所示，以控制点A为坐标原点，方向为Y坐标轴正向，在和确定的平面内垂直于并指向隧道另一侧为X坐标轴正向，Z坐标轴垂直于三点所在平面，Z坐标轴正向与X坐标轴正向、Y坐标轴正向构成右手直角坐标系，从而三维基线向量坐标系建立。(4)利用全站仪采集两期监测点三维坐标数据Pij(xij，yij，zij)i＝1,2,…,n，j＝1,2，表示测期号，n为监测点数目；(5)根据控制点和监测点坐标，计算监测基线向量其中n为监测点数目，j＝1,2，表示测期号；(6)将监测基线向量投影至三维基线向量坐标系，得到监测基线向量在基线坐标系中X、Y和Z坐标轴方向的分量；步骤(6)所述监测基线向量在三维基线向量坐标系X、Y和Z坐标轴方向上的投影分别为和其中i＝1,2,…,n，n为监测点数目，j＝1,2，表示测期号，其长度分别为和其中|·|表示向量取模运算，和分别为X、Y和Z坐标轴单位方向向量。(7)通过比较两期同一监测基线三维向量在三维基线向量坐标系中的分量，得到监测点平行于轨道、垂直于轨道和垂直于轨道所在平面三个方向上相邻两期的变形量。如图1和图2所示，根据图1的方法流程，以“某地铁保护区隧道三维变形监测”为应用实例，对本专利技术作进一步阐述：(1)架设全站仪，利用全站仪采集三个控制点A、B和C三维坐标数据，全站仪架设于变形监测区域中央之间，观测值为控制点三维坐标：测期一：A1(1042.6981,478.5057,10.0101)，B1(1396.8045,221.2325，10.0510)，C1(1395.7945,219.8424，10.0213)测期二：A2(1085.9686,660.8760，10.0110)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)架设全站仪，利用全站仪采集两期控制点坐标数据，全站仪架设于两侧控制点之间，每期控制点A、B和C的观测值分别为三维坐标：

【技术特征摘要】
1.一种基于基线的地铁隧道三维变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)架设全站仪，利用全站仪采集两期控制点坐标数据，全站仪架设于两侧控制点之间，每期控制点A、B和C的观测值分别为三维坐标：和其中下标j＝1,2，表示测期号；(2)根据控制点坐标分别计算两期控制基线三维向量其中下标j＝1,2，表示测期号；(3)根据控制基线三维向量，建立三维基线向量坐标系；(4)利用全站仪采集两期监测点三维坐标数据Pij(xij，yij，zij)i＝1,2,…,n，j＝1,2，表示测期号，n为监测点数目；(5)根据控制点和监测点坐标，计算监测基线向量其中n为监测点数目，j＝1,2，表示测期号；(6)将监测基线向量投影至三维基线向量坐标系，得到监测基线向量在基线坐标系中X、Y和Z坐标轴方向的分量；(7)通过比较两期同一监测基线三维向量在三维基线向量坐标系中的分量，得到监测点平行于轨道、垂直于轨道和垂直于轨道所在平面三个方向上相邻两期的变形量。2.如权利要求1所述的基于基线的地铁隧道三维变形监测方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈月千，王锦国，黄腾，李东升，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32