专利名称：全站仪精密沉降监测方法
技术领域：
本发明属于工程测量领域中的地质、地物、建筑物等的垂直沉降变形监测。
背景技术：
对于地质、地物、建筑物等的沉降变形监测，目前主要有两种方法第一种是水准
测量，第二种是三角高程测量。第一种方法精度高，但一般需要三个专业测量人员和二名配合人员，且外业工作量大，观测时间长。第二种方法只需要一个专业测量人员和一名配合人员即可进行作业，且外业工作量少，观测时间短。该方法分两种情况一是使用仪器三脚架的全站仪测量，二是使用观测墩的全站仪测量。后者与前者的主要区别是，观测墩能够使得仪器高中误差从前者的士2. Omm提高为士0.3mm甚至更高。但是这种传统的方法存在以下改进和升级空间(1)若需要建立观测墩但又无法建立观测墩，或者希望进行精密沉降监测而又因为使用仪器三脚架时的仪器高误差太大、从而造成只能满足较低等级的沉降监测精度；(2)现有沉降量计算方法依赖的参数多，如基准点高程、监测点的高程或高差、初始仪器高、觇标高、垂线偏差改正、地球曲率改正和大气遮光改正等，使得监测工作较为复杂；(3)对于沉降的开始发生和继续应该有一个统一的判断法则；(4)沉降量的精度和可靠性需要提高，以满足高精度的沉降监测预报工作。

发明内容
几个主要名词解释①监测和观测的区别监测指的是对变形点的变化的监视，观测指的是对具体角度、距离等数据的测量，通过这些测量数据实现对变形点的监测。对于一个被监测点来说， 一次监测可以只观测一次，也可以观测多次，除第一次观测为必要观测外，从第二次观测开始被称为是对本次监测的复测。②复测是指重新架设全站仪并初始化相关设备再进行一次全面观测。复测可以消除多种误差，包括未知原因产生的正态分布误差。③基准点在监测工作中，架设全站仪所依据的对中点叫做基准点，例如观测墩中心点或地面上的控制点。④水平距基准点中心到监测点中心的水平距离。⑤后视点用于精确求得全站仪仪器高的依据点。⑥后视距基准点中心到后视点的水平距离。⑦仪器三脚架是指在不使用观测墩时与全站仪配套使用的仪器三脚架。⑧观测墩在实地上用水泥等材料建立起来的直径约0. 5m左右，高度约1. 5m左右的圆柱形或棱台形物体，其顶面中间有一个螺母，全站仪底座中间也有一个螺母，每次观测前首先通过一个螺丝将两个螺母通过旋转全站仪拧紧连接在一起。⑨固定基准点沉降周期监测法在监测期间用于全站仪设站的固定基准点不变， 每次监测时全站仪均架设在这些固定点上对被监测点进行观测其沉降，其被监测点的沉降量通过后次观测值与其初始值进行比较而得到。因此，当初始值和后次观测值中包含相同的误差量或常量时，在计算沉降量时会自然抵消，因此对沉降量的精度没有影响，此称为等量消除现象，也可称为无关性。这种监测方法是一站式的，即全站仪架设在基准点上就能够直接对被监测点进行观测而得出沉降量，不需要转站，象

图1那样的。而且，被监测的变形区域属于小范围精密监测，一般不需要构网，观测边长大多数情况下在几百米以内为宜，一般不超过1公里，若距离越长，其沉降量的精度应当首先通过估算是否符合具体工程的要求。⑩后次监测或后次观测除获得初始值外，此后的每一次监测均称为后次监测或后次观测。〈要解决的技术问题〉本发明的目的是通过研究给出一种方法，使得三角高程测量能够满足大量精密沉降监测工作的精度要求，从而节约人力资源，并使得监测工作高效、监测方法简单快捷而且精度高、实施方便、减少依赖因素和观测量、以及提高沉降预告的可靠性。本发明采用固定基准点沉降周期监测法作业获得沉降量。(1)虚拟观测墩技术建立虚拟观测墩的主要目的之一是要得到一个与观测墩等同精度的高精度仪器
尚ο(2)减少依赖因素，直接计算沉降量新的无关性沉降量计算方法，使得与下列参数无关基准点高程、监测点的高程或高差、初始仪器高、垂线偏差改正、地球曲率改正和大气遮光改正。而只用垂直角、水平距和后视距直接计算出沉降量；当已知监测点只发生沉降而不发生平面位移时，则后次监测时只观测垂直角，不需要观测水平距，且在这种情况下，允许使用较大垂直角(一般指10° 30° )作业并允许水平距存在较大的误差，这都对监测工作有利。(3)判断沉降发生或继续的法则提出对沉降量的假设检验，并给出拒绝域和接受域临界值点的判断法则，以便发现沉降的开始或继续。应用本法则，可以发现较小的沉降量，以确保重点工程部位和建筑物的安全。(4)提高沉降量的监测精度和沉降预报的可靠性①将固定照准标志直接做在被监测目标上可以明显提高沉降量的精度，因不存在觇板安置误差。②在正式开始监测前，经过有限次观测获得的初始值，仍可能存在有较大的误差， 因此，在监测初期，可利用尚未发生沉降的监测结果对初始值进行继续修正，使初始值更加逼近真值，使沉降预告更准确、更具可靠性。(5)兼容问题本发明同样兼顾适合于从事一般精度的沉降监测工作。除虚拟观测墩技术外，本发明也适合于使用观测墩、仪器三脚架的全站仪沉降监测工作。本发明不影响同时进行平面位移监测。<技术方案>在一定的设备和观测精度条件下，并采用固定基准点沉降周期监测法，本发明体现全站仪精密沉降监测的四个途径是(1)使用虚拟观测墩(或观测墩)，获得高精度仪器高；(2)无关性沉降量计算方法，使得与多个包含误差的参数无关，只与垂直角和水平距有关；(3)提高被监测点的初始值精度，使其更加逼近真值，以提高沉降量的精度和可靠性；(4)沉降发生和继续的判断准则，以发现较小的沉降量，对保护可能会发生变形的重点工程部位效果显著。以上四条是请求保护的权利。除了上述实现高精度途径外，要想进一步提高沉降监测精度，就需要提高垂直角的观测精度，提高测距精度，或使用精度更高的全站仪。必要时还要限制垂直角大小，限制水平距长度，这要根据具体工程的需求而定。一.建立虚拟观测墩虚拟观测墩是指不需要建立观测墩，就可以达到与观测墩等同的仪器高精度和观测精度。如果需要建立观测墩而由于受施工干扰或地理位置的局限而无法建立观测墩、或者基岩太深而为建立观测墩深挖地基耗资太大、以及为了节约经费而不愿建立观测墩等， 可以采用虚拟观测墩。也或者为了工作方便、经济和快捷而使用虚拟观测墩以获得高精度的仪器高。例如，在地下洞室进行洞顶的沉降监测，如果建立观测墩或在洞底建立固定标志， 都很容易遭到施工机械或其它施工因素破坏。又如，若观测墩必须建立在无法避开施工现场时，则在监测期间观测墩很容易被施工机械或人为破坏，使得监测工作中断，甚至会影响施工进度，这时可以使用虚拟观测墩。虚拟观测墩由基准点、后视点、仪器三脚架和全站仪组成。最简单的虚拟观测墩只需要一个后视点。如果有绝对把握保证在监测期间后视点不会发生垂直位移，您可以选择一个或者两个后视点即可，但本发明建议至少建立三个后视点。因为后视点的建立和观测都很容易，且对工作十分有利，例如可以通过多个数学仪器高增量计算以后视距倒数为权的加权数学仪器高增量平均值以提高其精度，可以发现和定位个别后视点的垂直位移等。(一 )选择基准点在合适的地面上选择一个监测用的基准点，也叫设站点，最好能与所有监测点通视，否则，应该选择第二个或更多的基准点，这时，相邻两个基准点之间至少要有2个重复监测点，以便实现对沉降量的相互检查。选择基准点要让地质人员参加，确保基准点选在稳定的地方。并且，当采用多个基准点工作时，可采用常规控制测量方法定期对基准点进行校测，以保证基准点之间的关系稳定不变。基准点距离变形区域越近越好，如果能采用一个基准点就能将被监测的点全部统一观测，就不要选用两个基准点进行作业，但作为必要检查点的基准点除外，以此类推，尽可能采用较少的基准点完成监测工作为宜。(二)建立后视点后视点可以建立在稳定的大型建筑物墙壁、岩石壁、大树干部、近距离地面等以及一切在监测期间不会发生垂直变形的物体上，并与基准点保持良好的通视。还可以自建打入地下一定深度的木桩、水泥柱等。自建桩打入地面的深度最好到岩石上，或咨询地质人员，其深度只要能保持其稳定即可。(三)计算数学仪器高根据三角高程测量原理可知，对于同一个后视点，在同一个基准点上先后两次架设全站仪测得该后视点的高差应该相等，根据这一条件可以得到下列方程Dtan α ^i0 = Dtan α 2+i其中α工为后视点的初始垂直角；α 2为后视点的后次观测垂直角山为初始仪器高；i为后次架设全站仪的仪器高；D为后视距。令Ai = i-i。，则Ai = D (tan α「tan α 2)(1)而i = 0+Δ i(2)为了区别手工量取的仪器高，把这种通过计算方法得到的仪器高i称为数学仪器高，Ai称为数学仪器高增量。Ai与垂线偏差影响和地球曲率影响无关，与大气遮光影响基本无关，而只与大气遮光影响之误差有关，但因后视点一般都不易选的太远、例如后视距在150m以内时，其影响误差可以忽略不计。一般地，只要观测方便，后视点选得近些为好。后视点建立的高度在 3m以下为宜，但若后视距较长时应保证视线高出地面两米以上，后视点的标志中心大小应以能清晰的精确照准、保证垂直角的观测精度即可。(四)数学仪器高增量Δi的中误差如果后视点的后次观测垂直角与初始垂直角精度相同，则Δ i的中误差计算公式为mAi = ± (tan a1 — tan a2)2m^ + (sec4 a± + sec4 a2)D2 “^(3)
p其中mD是后视距中误差；ma为垂直角观测中误差；P = 206265〃。因为精密沉降监测垂直角的变化不大，所以后视距中误差mD对数学仪器高的影响较小,这时tan α j-tan α 2 tan ( α j- α 2)当 α ^a2 = 0.1°、mD= 士50mm 时(tan α「tan α 2)mD = 士 0. 09mm可见，后视距的精度不需要很高，这也为实际工作带来了一些便利。因此，(3)式可以变为
权利要求
1.全站仪精密沉降监测方法，是一种用全站仪和观测墩或仪器三脚架应用三角高程测量原理监测物体沉降的方法，其特征是虚拟观测墩技术获取高精度仪器高；无关性沉降量计算方法，使得与多个包含误差的参数无关，而只与垂直角和水平距有关，并在已知被监测点仅发生沉降不伴随平面位移的情况下，允许一定的水平距误差存在和允许使用较大垂直角(一般指10° 30° )作业；沉降开始发生或继续的判断法则，以发现较小的沉降量， 对保护可能会发生变形的重点工程部位效果显著；在监测初期利用尚未发生沉降的监测结果对初始值进行修正，使初始值更加逼近真值，以提高沉降量的监测精度和可靠性；除虚拟观测墩技术外，本发明也适合于使用观测墩或仪器三脚架的全站仪沉降监测工作，本发明不影响同时进行平面位移监测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是虚拟观测墩由基准点、后视点、仪器三脚架和全站仪组成，通过后视点垂直角和后视距计算出数学仪器高增量和数学仪器高，并对数学仪器高增量的精度做出符合实际的估计，其方法是数学仪器高增量Δ i为Δ i = D (tan α「tan α 2) (1)数学仪器高为i = io+Δ (2)其中α工为后视点的初始垂直角；α 2为后视点的后次观测垂直角；、为初始仪器高； i为后次架设全站仪的仪器高；D为后视距；如果后视点的后次观测垂直角与初始垂直角精度相同，则Ai的中误差计算公式为mM = 士(tan Ct1 — tan a2)2m|, + (sec4 Ct1 + sec4 α2)02 ~j(3)Pi其中mD是后视距中误差；ma为垂直角观测中误差；P = 206265' 因为精密沉降监测时垂直角的变化不大，因此，( 式可以变为mAi ^ 士 tan2 (a± — a2 ) m , + 2 sec4 a1 D2 “^Pz如果不考虑初始垂直角误差影响，则^ 士tan2 (a± — a2) m^ + sec4 a± D2 —j-对于一定的，其数学仪器高增量的范围不要超过下式的限制 DTTili ~ se(-4 ai D2 ~jΔι = ■而相应的后视点垂直角增量范围为_ _1 Ai Aa = +tan —
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是一种无关性沉降量计算方法，其与基准点高程、监测点的高程或高差、初始仪器高、觇标高、垂线偏差影响、地球曲率影响、大气遮光影响均无关，直接计算出沉降量，其方法是从现有沉降量计算方法经过改进而得出 (一)现有沉降量计算方法和精度估计三角高程测量原理高差的一般计算公式为 h = Stan α +i- ν +f(4)现有方法获取沉降量是基于(4)式的，称为常规算法，具体步骤是先计算出初始高差h0 = S0tan α 0+i0- ν 0+f0(5)再计算出后次观测高差 h = Stan α +i- ν +f(6)然后计算出沉降量 Ah = h-hn1O(7)其中为监测点的初始垂直角；α为监测点的后次观测垂直角为初始水平距；S 为后次观测水平距；ν ^为初始觇标高；ν为后次观测觇标高；&为初始球气差；f为后次观测球气差；工程测量中其垂线偏差一般不需要考虑； 另外，也可以通过高程推算沉降量，方法是 设Ha为基准点的高程，则监测点的初始高程为 H0 = HA+h0 后次观测高程为 H = HA+h 沉降量为Ah = H-H0(8)通常，现有沉降量中误差计算公式是基于(4)式转化而来的，为mh = 士 tan2 am| + sec4 a S2 —^ + m + ml + mj(9)其中叫为仪器高中误差；mv为觇标高中误差；mf为球气差之中误差观为水平距中误差；设^71"。是初始高差中误差，依(7)式，则沉降量中误差为=+ K (10)如果后次观测高差与初始高差的精度相同，即m〃。=m〃，则mAh = V2mh (11)如果初始高差的误差可忽略不计，则K^h = Kih(12)(二)无关性沉降量计算方法和精度估计(1)被监测点的沉降和平面位移同时发生或沉降伴随有平面位移发生的情况所谓无关性沉降量计算方法是指公式中不包含常规算法中所必须的一些参数，将(5) 式和(6)式代人(7)式，并顾及⑴式和(2)式得到Ah = Stan α -S0tan α 0+ Δ i+ Δ + Δ f(13)其中Δν = ν0-ν, Af = f-f0当采用照准固定标志时，ν =0、％ = 0，则Δ ν = 0，而f &，此时的无关性沉降量计算公式变为
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是一种沉降开始发生或继续的判断法则，提出了统一的沉降临界点的计算公式，设ζα是变形监测点的已知沉降中误差的倍数，当不考虑初始高差误差影响时，则m,h = mh，设kn为沉降临界点，η是对某一监测点的监测复测次数，I为该监测点的这连续η次监测复测结果的沉降量平均值，则当、且此后的连续监测结果均保持不等式一直成立时，则认为沉降开始发生或仍在继续，具体方法是 如果初始高差中误差为“^。，后次观测高差中误差为mh，则
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是在监测初期，利用尚未发生沉降的监测结果对其变形监测点的初始值进行修正，使得初始值更加逼近真值；对于初始高差的修正方法是将得到的沉降量平均值而与初始高差或初始高程直接相加，为了避免大量数据的重复调用和便于计算机处理，可利用下面的平均值累加、累减公式进行修正计算(1)平均值的累加修正计算公式分两种情况①如果将第一次监测结果作为初始值，则平均值的累加修正计算公式为
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是除虚拟观测墩技术外，本发明也适合于使用观测墩的全站仪精密沉降监测工作。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是除虚拟观测墩技术外，本发明也适合于使用仪器三脚架的全站仪沉降监测工作。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是本发明不影响同时进行平面位移监测。
全文摘要
本发明公开了一种全站仪精密沉降监测方法，虚拟观测墩技术可获取高精度仪器高。无关性沉降量计算方法使得与多个参数无关，并在已知被监测点仅发生沉降不伴随平面位移的情况下，允许一定的水平距误差存在和允许使用较大垂直角作业。沉降开始发生或继续的判断法则以发现较小的沉降量，对保护可能会发生变形的重点工程部位效果显著。在监测初期利用尚未发生沉降的监测结果对其初始值进行修正，使之更加逼近真值，以提高沉降预报的可靠性。除虚拟观测墩技术外，本发明也适合于使用观测墩或仪器三脚架的全站仪沉降监测工作，也不影响同时进行平面位移监测。本发明几乎是0投资的，不会因实施而增加费用，且监测方法简单快捷、实施方便，节约资源。
文档编号G01C5/00GK102226697SQ201110090610
公开日2011年10月26日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者杨浩 申请人:杨浩