CN111457848B - 通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法及系统，通过测量相邻监测点间的相对位移变化量，并根据各监测点的绝对坐标，通过坐标系转换得到各监测点的绝对坐标，且整个监测过程仅需人工测量各监测点的初始绝对坐标即可，无需随施工进度多次测量各监测点的绝对坐标，从而减少了工作量，且减少了各种误差积累影响。

Description

通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法及系统

技术领域

本发明涉及工程安全监测领域，具体涉及一种通过相邻监测点间坐标变化而测定监测点位移量的方法及系统。

背景技术

基坑监测是基坑工程施工中的一个重要环节，是指在基坑开挖及地下工程施工过程中，对基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化，进行各种观察及分析工作，并将监测结果及时反馈，预测下一步施工后将导致的变形及稳定状态的发展，根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度，来指导设计与施工，实现所谓信息化施工。基坑监测主要包括水平位移监测和竖向位移监测，测定特定方向上的水平位移时可采用视准线法、小角度法、投点法等；测定监测点任意方向的水平位移时可视监测点的分布情况，采用前方交会法、自由设站法、极坐标法等；当基准点距基坑较远时，可采用GPS测量法或三角、三边、边角测量与基准线法相结合的综合测量方法。水平位移监测基准点应埋设在基坑开挖深度2倍范围以外不受施工影响的稳定区域，或利用已有稳定的施工控制点，不应埋设在低洼积水、湿陷、冻胀、胀缩等影响范围内；基准点的埋设应按有关测量规范、规程执行。宜设置有强制对中的观测墩；采用精密的光学对中装置，对中误差不宜大于0.5mm。如图1所示，为目前主流的测量方式，一般至少设置两个基准点(D1和D2)分别测出监测点(A1、A2……)的相对坐标，最后换算成监测点在监测系统的绝对坐标，从而测量出其水平位移量，该方式测量时需要人工采用全站仪进行观测，其缺点主要体现在以下几方面：

(1)受操作人员经验影响，不同操作人员测量得到的人工误差不同，从而使得测量精度较低；

(2)无法实时测量，每次测量都需要人工观测并记录，从而使得测量工作的开展难度较大，且需要投入较多的人工成本进行监测；

(3)需要对每个监测点进行测量，使得测量工作量大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过相邻监测点间空间坐标变化测定其位移量的方法及系统，通过用物联网技术测量各监测点间的相对位移变化量得到监测点自身的绝对坐标及位移量，且整个监测过程自动完成，不受人工经验影响。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法，主要用于基坑的水平位移量测量，该方法步骤如下：

步骤S1：坐标系定义；

定义监测坐标系作为绝对坐标系(X,Y)，所监测的基坑位于绝对坐标系(X,Y)中；

在绝对坐标系中定义相对坐标系(x,y)，选定基坑一边两拐角处的监测点作为工作基点A0、An，A0到An的连线即为直线kX+bY+c＝0，以A0为原点，直线kX+bY+c＝0为x轴，垂直于直线kX+bY+c＝0的为y轴；建立相对坐标系(x,y)，其余监测点按空间顺序依次标记为A1、A2……An；基坑其他边的监测点按类似方法处理；

定义观测坐标系(x',y')，其中观测坐标系垂直于监测坐标系和相对坐标系；

步骤S2：测量各监测点在监测坐标系下的绝对坐标的初始值，分别标记为Ai(Xi，Yi)，其中i取值为0-n，则有各监测点间距离为

步骤S4:以在监测坐标系中两点A0(X0,Y0)，An(Xn,Yn)建立直线方程，其直线方程为kX+bY+c＝0，其中系数k、b、c可根据两点式直线方程解得：(X-X0)/(Xn-X0)＝(Y-Y0)/(Yn-Y0)；根据监测点Ai(Xi，Yi)及直线方程kX+bY+c＝0可以计算监测点Ai到x轴的垂线距离

步骤S3：建立各监测点的相对坐标系，以工作基点A0为原点，A0到An之间连线为x轴，连线的垂直方向为y轴；得到以工作基点A0为原点的相对坐标系，L_i为监测点到x轴的垂线距离，各监测点间在x轴上的距离为

或

则各点的相对坐标为

其中L_i-L_i-1表示相邻两监测点位于x轴同侧，L_i+L_i-1表示相邻两监测点位于x轴两侧；

步骤S5：在各监测点上，布设用于发射红外线或激光的发射装置和接收靶位，并以接收靶位建立垂直于基坑水平面的观测坐标系(x',y')，用于测量各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx'_i,Δy'_i)，Δx'_i其中表示监测点朝向基坑内的偏移量，Δy'_i表示该监测点的沉降变化量；

步骤S6：在各监测点布置测距装置，测量各监测点间距离的时间位移变化Δl_t，其中t表示时间变量，在实际测量中Δl_t≈0，因此忽略不计；

步骤S7：根据各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx'_i,Δy'_i)，计算各监测点位移后在其相对坐标系内的相对坐标，则有Ai的相对坐标为

步骤S8：各监测点的在Y方向的坐标值

也是等同于用视准线法或小角法测量的监测点的位移量。

进一步的，还包括一个根据监测点位移后相对坐标计算监测点在监测坐标系下坐标的步骤，其步骤如下：

步骤S9：根据工作基点A0、An在绝对坐标系的坐标(X0,Y0),(Xn,Yn)，在相对坐标系下的坐标(0，0)，(0，Dn)，其中

计算这两个坐标系的平移旋转转换参数：旋转参数θ，平移参数(X₀,Y₀)；

步骤S10：依次将各监测点位移后的相对坐标平移旋转到监测坐标系，则有Ai平移旋转后的在监测坐标系下的坐标则有：

相对坐标系x轴与绝对坐标系X轴同向：

其中，θ为相对坐标系X轴与绝对坐标系X轴的夹角；

进一步的，所述工作基点A0、An在监测坐标系中的绝对坐标通过传统监测手段测量，后续测量过程中，定期测量工作基点A0、An的监测坐标系中坐标，用于判断其是否稳定。

进一步的，所述工作基点A0、A1、A2……An-1、An(其中A0、An亦为为工作基点)，是位于直伸导线上的监测点。

一种通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的系统，该系统包括设置在各监测点上的可见光发射装置、光斑标靶以及上位机；

同一监测点的光斑标靶用于接收上一监测点对应的可见光发射装置发射的光斑，并记录各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx'_i,Δy'_i)将其上传至上位机；

同一监测点的可见光发射装置用于发射红外射线或激光至下一监测点的光斑标靶(200)，并在光斑标靶上形成相应的光斑；

选定基坑拐角处的两个监测点作为工作基点A0、An,其余监测点按空间顺序依次标记为A1、A2……An-1，测量各点在监测坐标系下的绝对坐标，分别标记为Ai(Xi，Yi)，其中i取值为0-n，并将其上传至上位机，上位机根据各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx'_i,Δy'_i)并结合初始坐标Ai(Xi，Yi)，计算出各监测点的相对坐标，则有Ai的相对坐标为

并据此计算出各监测点的实时绝对坐标：

相对坐标系x轴与绝对坐标系X轴同向,监测点Ai位移后在监测坐标系下的坐标为

其中，θ为相对坐标系x轴与监测坐标系X轴的夹角；

进一步的，所述光斑标靶由暗箱、靶位、摄像机组成，所述靶位位于暗箱前端，摄像机位于暗箱用于拍摄靶位投影光斑后的图像。

进一步的，所述摄像机拍摄的图像测量精度为0.06mm。

进一步的，所述暗箱底部设置有滑轨，滑轨上架设一滑块，所述摄像机固定在滑块上。

进一步的，所述摄像机的拍摄画面覆盖整个靶位。

本发明的有益效果是：

(1)每次测量只需要测量监测原点的实际位移坐标即可，并结合初始坐标即可测出监测原点的位移量，其余各监测点均可通过系统自动测量，从而减少了测量工作量；

(2)测量监测原点，可采用多次反复测量的方式降低误差，且监测原点的误差越小则各监测点的误差也越小，从而给提高了监测精度；

(3)利用计算机自动控制红外发射装置发射红外光线，基本可实现24小时全天候监测。

附图说明

图1为现有技术水平位移测量示意图；

图2为本发明测量原理示意图；

图3为监测点的布置示意图；

图4为单个监测点位移测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图2所示，步骤S1：坐标系定义；

定义监测坐标系作为绝对坐标系(X,Y)，所监测的基坑位于绝对坐标系(X,Y)中；

在绝对坐标系中定义相对坐标系(x,y)，选定基坑一边两拐角处的监测点作为工作基点A0、An，A0到An的连线即为直线kX+bY+c＝0，以A0为原点，直线kX+bY+c＝0为x轴，垂直于直线kX+bY+c＝0的为y轴；建立相对坐标系(x,y)，其余监测点按空间顺序依次标记为A1、A2……An；基坑其他边的监测点按类似方法处理；

定义观测坐标系(x',y')，其中观测坐标系垂直于监测坐标系和相对坐标系；

步骤S2：测量各监测点在监测坐标系下的绝对坐标的初始值，分别标记为Ai(Xi，Yi)，其中i取值为0-n，则有各监测点间距离为

步骤S4:以在监测坐标系中两点A0(X0,Y0)，An(Xn,Yn)建立直线方程，其直线方程为kX+bY+c＝0，其中系数k、b、c可根据两点式直线方程解得：(X-X0)/(Xn-X0)＝(Y-Y0)/(Yn-Y0)；根据监测点Ai(Xi，Yi)及直线方程kX+bY+c＝0可以计算监测点Ai到x轴的垂线距离

其中图2展示的理想状态下均位于直线上，但是在实际测量中，各监测点距离x轴均有一定偏离。

步骤S3：建立各监测点的相对坐标系，以工作基点A0为原点，A0到An之间连线为x轴，连线的垂直方向为y轴；得到以工作基点A0为原点的相对坐标系，L_i为监测点到x轴的垂线距离，各监测点间在x轴上的距离为

或

则各点的相对坐标为

其中L_i-L_i-1表示相邻两监测点位于x轴同侧，L_i+L_i-1表示相邻两监测点位于x轴两侧；

步骤S5：在各监测点上，布设用于发射红外线或激光的发射装置和接收靶位，并以接收靶位建立垂直于基坑水平面的观测坐标系(x',y')，用于测量各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx'_i,Δy'_i)，Δx'_i其中表示监测点朝向基坑内的偏移量，Δy'_i表示该监测点的沉降变化量；

步骤S6：在各监测点布置测距装置，测量各监测点间距离的时间位移变化Δl_t，其中t表示时间变量，在实际测量中Δl_t≈0，因此忽略不计；

步骤S7：根据各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx'_i,Δy'_i)，计算各监测点位移后在其相对坐标系内的相对坐标，则有Ai的相对坐标为

步骤S8：各监测点的在Y方向的坐标值

也是等同于用视准线法或小角法测量的监测点的位移量。

进一步的，还包括一个根据监测点位移后相对坐标计算监测点在监测坐标系下坐标的步骤，其步骤如下：

步骤S9：根据监测点A0、An在绝对坐标系的坐标(X0,Y0),(Xn,Yn)，在相对坐标系下的坐标(0，0)，(0，Dn)，其中

计算这两个坐标系的平移旋转转换参数：旋转参数θ，平移参数(X₀,Y₀)；

步骤S10：依次将各监测点位移后的相对坐标平移旋转到监测坐标系，则有Ai平移旋转后的在监测坐标系下的坐标则有：

相对坐标系x轴与绝对坐标系X轴同向：

其中，θ为相对坐标系X轴与绝对坐标系X轴的夹角；

进一步的，所述工作基点A0、An在监测坐标系中的绝对坐标通过传统监测手段测量，后续测量过程中，定期测量工作基点A0、An的监测坐标系中坐标，用于判断其是否稳定。

进一步的，所述工作基点A0、A1、A2……An-1、An(其中A0、An亦为为工作基点)，是位于直伸导线上的监测点。

监测状态下，实时监测各接收靶位上的接收坐标，假设接收靶位测得该监测点相对于上一监测点的时间空间坐标变化(Δx,Δy)，则监测点A1、A2、A3……An测得的空间位移坐标分别为(Δx'₁,Δy'₁)、(Δx'₂,Δy'₂)、……(Δx'_n,Δy'_n)；即监测点A1相对于监测原点A0在

相对坐标系x轴和y轴的变化量分别为Δx'₁和Δy'₁，其中y轴为沉降量，在本方案中仅做数据采集。

优选的，如图3和图4所示，光斑标靶200由暗箱1、靶位2、摄像机3组成，靶位2位于暗箱1前端，摄像机3位于暗箱1用于拍摄靶位2投影光斑后的图像。摄像机3拍摄的图像测量精度为0.06mm，且经过实际证明，采用该分辨率的摄像机可保证基坑监测点位移测量的误差控制在0.3mm以内。精度跟相机分辨率有关和标靶的绝对长宽有关。如果标靶长宽为60mm，标靶在相机中占用了1000*1000个像素，则每个像素点就代表实际中的60/1000＝0.06mm。所以测量分辨率为0.06mm。其中，光斑为一个不规则形状，需要算出光斑的中心/或者质心。暗箱1底部设置有滑轨4，滑轨4上架设一滑块5，摄像机3固定在滑块5上，摄像机3的拍摄画面覆盖整个靶位2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法，用于基坑的水平位移量测量，其特征在于，该方法步骤如下：

步骤S1：坐标系定义；

定义监测坐标系作为绝对坐标系(X,Y)，所监测的基坑位于绝对坐标系(X,Y)中；

在绝对坐标系中定义相对坐标系(x,y)，选定基坑一边两拐角处的监测点作为工作基点A0、An，A0到An的连线即为直线kX+bY+c＝0，以A0为原点，直线kX+bY+c＝0为x轴，垂直于直线kX+bY+c＝0的为y轴；建立相对坐标系(x,y)，其余监测点按空间顺序依次标记为A1、A2……An；基坑其他边的监测点按类似方法处理；

定义观测坐标系(x′,y′)，其中观测坐标系垂直于相对坐标系的x轴；

步骤S2：测量各监测点在监测坐标系下的绝对坐标的初始值，分别标记为Ai(Xi，Yi)，其中i取值为0-n，则有各监测点间距离为

步骤S3：根据监测点Ai(Xi，Yi)及直线方程kX+bY+c＝0可以计算监测点Ai到x轴的垂线距离

Li与y轴同侧为正，反侧为负；

步骤S4：建立各监测点的相对坐标系，以工作基点A0为原点，A0到An之间连线为x轴，连线的垂直方向为y轴；得到以工作基点A0为原点的相对坐标系，L_i为监测点到x轴的垂线距离，各监测点间在x轴上的距离为

或

则各点的相对坐标为

步骤S5：在各监测点上，布设用于发射红外线或激光的发射装置和接收靶位或其它能测定相对位置变化的方式，并以接收靶位建立垂直于基坑水平面的观测坐标系(x′,y′)，用于测量各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx′_i,Δy′_i)，Δx′_i其中表示监测点朝向基坑内的偏移量，Δy′_i表示该监测点的沉降变化量；

步骤S6：在各监测点布置测距装置，测量各监测点间距离的时间位移变化Δl_t，其中t表示时间变量，在实际测量中Δl_t≈0，因此忽略不计；

步骤S7：根据各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx′_i,Δy′_i)，计算各监测点位移后在其相对坐标系内的相对坐标，则有Ai的相对坐标为

步骤S8：各监测点的在Y方向的坐标值

也是等同于用视准线法或小角法测量的监测点的位移量。

2.根据权利要求1所述的通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法，其特征在于，还包括一个根据监测点位移后相对坐标计算监测点在监测坐标系下坐标的步骤，其步骤如下：

步骤S9：根据工作基点A0、An在绝对坐标系的坐标(X0,Y0),(Xn,Yn)，在相对坐标系下的坐标(0，0)，(0，Dn)，其中

计算这两个坐标系的平移旋转转换参数：旋转参数θ，平移参数(X₀,Y₀)；

步骤S10：依次将各监测点位移后的相对坐标平移旋转到监测坐标系，则有Ai平移旋转后的在监测坐标系下的坐标则有：

相对坐标系x轴与绝对坐标系X轴同向：

其中，θ为相对坐标系X轴与绝对坐标系X轴的夹角。

3.根据权利要求2所述的通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法，其特征在于，所述工作基点A0、An在监测坐标系中的绝对坐标通过传统监测手段测量，后续测量过程中，定期测量工作基点A0、An的监测坐标系中坐标，用于判断其是否稳定。

4.根据权利要求1所述的通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量的方法，其特征在于，所述工作基点是位于直伸导线上的监测点。

5.一种用于实现权利要求1-4中任一项所述通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量方法的系统，其特征在于，该系统包括设置在各监测点上的可见光发射装置(300)、光斑标靶(200)以及上位机；

同一监测点的光斑标靶(200)用于接收上一监测点对应的可见光发射装置(300)发射的光斑，并记录各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx′_i,Δy′_i)将其上传至上位机；

同一监测点的可见光发射装置(300)用于发射红外射线或激光至下一监测点的光斑标靶(200)，并在光斑标靶(200)上形成相应的光斑；

选定基坑拐角处的两个监测点作为工作基点A0、An,其余监测点按空间顺序依次标记为A1、A2……An-1，测量各点在监测坐标系下的绝对坐标的初始值，分别标记为Ai(Xi，Yi)，其中i取值为0-n，并将其上传至上位机，上位机根据各相邻监测点间的时间空间坐标变化(Δx′_i,Δy′_i)并结合初始坐标Ai(Xi，Yi)，计算出各监测点的相对坐标，则有Ai的相对坐标为

并据此计算出各监测点的实时绝对坐标：

相对坐标系x轴与绝对坐标系X轴同向,监测点Ai位移后在监测坐标系下的坐标为

其中，θ为相对坐标系x轴与监测坐标系X轴的夹角。

6.根据权利要求5所述的通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量方法的系统，其特征在于，所述光斑标靶(200)由暗箱(1)、靶位(2)、摄像机(3)组成，所述靶位(2)位于暗箱(1)前端，摄像机(3)位于暗箱(1)用于拍摄靶位(2)投影光斑后的图像。

7.根据权利要求6所述的通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量方法的系统，其特征在于，所述暗箱(1)底部设置有滑轨(4)，滑轨(4)上架设一滑块(5)，所述摄像机(3)固定在滑块(5)上。

8.根据权利要求7所述的通过相邻监测点间坐标变化而测定位移量方法的系统，其特征在于，所述摄像机(3)的拍摄画面覆盖整个靶位(2)。

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