电子水准仪在道路沉降监测中的应用

PAGE 题目：电子水准仪在道路沉降监测中的应用专业：测绘工程【摘要】：道路沉降监测是变形测量中比较常见的一种测量项目。那么，我们要探索的就是快速获得精准的数据并进行处理和安全分析。高精度的电子水准仪在这方面既有高效且成本低的优势，下面就电子水准仪的原理特点及其在龙岩学院道路沉降监测中的应用进行介绍和分析。【关键词】：道路沉降;高精度；电子水准仪；数据处理目录TOC\o"1-3"\u1绪论 11.1电子水准仪的发展 11.2DL-201电子水准仪的基本原理 11.3仪器参数 11.4DL-201电子水准仪的特点 12传统测量方法 22.1道路沉降 22.1.1道路沉降的原因 22.1.2道路沉降监测的意义 22.2几何水准测量 22.3三角高程测量 23瑞德DL-201电子水准仪在龙岩学院道路沉降监测举例 23.1测区状况 23.2已有资料 33.3精度要求 33.4实测内容 43.4.1原始数据 43.4.2数据处理 63.4.3成果分析 74结论 8致谢 8参考文献 9PAGE51绪论1.1电子水准仪的发展随着微电子技术以及传感器工艺的发展，带来了测量仪器在设计和制造的技术革新。在高程测量仪器中，1987年瑞士leica公司推出了世界第一台电子水准仪NA2000。NA200经数字图像技术应用于水准仪标尺的影像，使得测量员不需要使用双眼而是用CCD阵列传感器来读数，效率显著[1]。之后，蔡司、拓普康、索佳等测量公司也先后推出了各自的电子水准仪。到目前，电子水准仪已有了第二、第三代产品。其测量的精度也已达到了一等、二等水准测量的要求。1.2DL-201电子水准仪的基本原理电子水准仪识别编码的原理是码相关的原理[2]。代表水准尺读数的编码，已储存在了电子水准仪的程序里，在测量时，接受来自标尺的信号，对比CCD上的影像信息，从而获得比较。也就是按照一定的距离将参考信号进行移动，并对测量信号与参考信号进行相关性的计算，直到这两个有最大的相关系数，这样就得到标尺的读数和视距。1.3仪器参数瑞德仪器公司生产的DL-201型号仪器，相关参数如下：表1-1仪器参数仪器型号技术指标DL-201高程测量精度（每公里往返测标准差）电子读数1.0mm光学读数2.0mm距离测量精度电子读数D≦10m:10mm;D>10m:D*0.001测程电子读数1.8m～105m最小显示高差 1mm/0.1mm距离 0.1/1cm1.4DL-201电子水准仪的特点(1)读数客观。它消除了由于人为因素产生的误差，所以不存在读数错误、记录错误的问题。（2）精度高。观测的距离和高度是把很多的影像通过系统的取平均值的计算获得的，所以水准标尺的分划误差变得十分小。（3）速度快。因为不需要人工读数、记录、现场计算以及由于出错的重测，时间大大缩短。（4）效率高。测量时只需要调焦和按测量键即可得出数据，减轻了劳动量。（5）操作简单。由于仪器大部分都是自动化记录，处理。并且有内置程序可以实时检查是否超限。因此不需要太复杂的操作量[3]。2传统测量方法2.1道路沉降2.1.1道路沉降的原因近年来，经济的快速发展以及城市的大规模建设。许多交通线路如高速、高铁逐渐建设和使用。但是，由于人为因素或自然因素，这些线路或者边坡产生了一定程度的沉降。汽车或火车在其面上行驶，过程中产生的震动和压力会使得路基、桥梁等产生形变，特别是道路的沉降。2.1.2道路沉降监测的意义道路沉降不仅会导致交通运输的无法运行，严重的还会造成人员的伤亡以及经济的损失[4]。所以为了保证道路安全运营，避免异常情况的发生，就必须进行沉降观测。2.2几何水准测量几何水准测量是经典高差测量方法，使用的仪器是水准仪，其原理是借助于水平视线（由水准器获得）获取竖立在两点上的标尺读数，从而测定两立尺间的高差[5]。光学水准仪长久以来都是水准测量的主要仪器，因而传统的道路监测是使用精密的光学水准仪和铟瓦水准尺，用光学测微法读数进行往返观测。光学水准仪有可靠的精度保证，但人工观测记录时作业强度大[6]。又受到观测时观测误差及人员记录错误的影响，满足不了数字化和自动化的测量要求2.3三角高程测量三角高程测量是根据两点间的水平距离和经纬仪观测的垂直角，应用三角公式计算出两点之间的高差[7]。一般是使用全站仪测角、测距后得到两点之间的高差，叫做电磁波测距三角高程测量，可以代替二、三、四等的几何水准测量[8]。设地面上的两点为A、B，在点A安置经纬仪，在点B设置觇标，测得垂直角αAB，若又量的仪器高iA和觇标高jB，并已知A、B两点间的水平距离DAB，则可确定出高差hAB[9]。三角高程的计算公式为：hAB=DAB*tanαAB+iA–JB（2-1）目前一般采用全站仪进行三角高程测量。设测出的斜距为SAB，三角高程的计算公式为：hAB=SAB*tanαAB+iA–JB（2-2）当A、B两点较远时，三角高程需顾及地球曲率和大气垂直折光的影响，加球气差改正后的公式为：hAB=DAB*tanαAB+iA–JB+DAB/2R(1-k)[10]（2-3）式中，R为地球半径;k为大气折光系数，可由对向观测得到，也可以在两已知高程点之间由三角高程观测求得。虽然三角高程测量相对于水准测量来说显得灵活方便，但其精度较低。其中垂直角观测误差以及大气垂直折光影响的复杂性和多变性，很难准确进行量化计算。3瑞德DL-201电子水准仪在龙岩学院道路沉降监测举例3.1测区状况我小组是以龙岩学院外围道路的一周为监测路段，以行政楼D64（高程为378.2800m）点为水准点沿着经福煤楼、逸夫楼到四组团与三组团交界的S1点再经二组团到文虎楼门口的S2点，接着继续沿同心路到其与奇迈大道的交会处，直到体育馆出口的S3点。最后闭合回D64点。形成一闭合二等水准路线对龙岩学院道路周围的4个点实施观测，其中D64为一等水准测量要求所得的工作基点，S1、S2、S3为沉降监测点。采用“后前前后”的观测顺序，每个星期进行观测两次。D64D64S2S3S1图3-1监测点示意图龙岩学院地势不平缓，高差有时较大，因此要缩短观测距离，不过标尺与仪器之间通视较好，作业环境优良，交通便利。因观测期间有学生来往，所以应选择周末或者学生上课期间为好。测量一圈闭合环时，最好是当天完成，减少因不同时段观测时产生的误差。3.2已有资料由龙岩市测绘局测得得D64点高程（378.2800m）以及监测点S1、S2、S3的具体位置。《国家一、二等水准测量规范》（GB12897-2006）。《工程测量规范》（GB0026-93）。3.3精度要求水准测量应按照《国家一、二等水准测量规范》[11]（GB12897—2006）的要求。表3-1一、二等水准测量限差规定项目等级视线长度前后视距差/M前后视距累计差/m视线高度下丝读数/m基辅分划所得高差之差/mm上下丝读数平均值与中丝读数之差检测间歇点高差之差/mm水准路线测段往返高差不符值/mm仪器类型视距/M0.5cm分划标尺/mm1cm分划标尺/mm一等S05≤35≤0.5≤1.5≥0.5≤0.4≤1.5≤3.0≤0.7≤±2√K二等S1≤50≤1.0≤3.0≥0.3≤0.6≤1.5≤3.0≤1.0≤±4√KS05≤60注：K——测段、区段或路线长度，km；3.4实测内容3.4.1原始数据数据是由外业测量获得，并储存于SD卡中。由于数据量较大，在此，只列出了第一次观测的数据。其中，第一列为对应的前后标尺读数，单位为米，精确到小数点后四位。第二列为对应的前后视距，单位为米。精确到小数点后三位。第三列为站点的高程读数，单位为米。精确到小数点后四位。第四列为测站数。第五列为测站点。第六列为前后视的标记。表3-2原始数据表1.6126m9.086m378.2800m1D64B11.1307m9.099m378.7619m1P01F11.1306m9.111m378.7619m1P01F21.6124m9.094m378.2800m1D64B20.8477m24.95m379.7372m2P02F11.8242m25.22m378.7619m2P01B11.8220m25.21m378.7619m2P01B20.8479m24.94m379.7372m2P02F21.7201m24.92m379.7372m3P02B10.5550m25.03m380.9022m3P03F10.5554m25.04m380.9022m3P03F21.7203m24.94m379.7372m3P02B20.8765m16.800m381.8923m4P04F11.8667m16.936m380.9022m4P03B11.8668m16.931m380.9022m4P03B20.8768m16.798m381.8923m4P04F21.8285m14.950m381.8923m5P04B10.4077m15.039m383.3130m5P05F10.4077m15.035m383.3130m5P05F21.8283m14.956m381.8923m5P04B20.4237m15.183m384.7600m6P06F11.8705m15.008m383.3130m6P05B11.8709m15.010m383.3130m6P05B20.4237m15.185m384.7600m6P06F21.8651m15.035m384.7600m7P06B10.3473m15.062m386.2778m7P07F10.3474m15.069m386.2778m7P07F21.8653m15.013m384.7600m7P06B21.3419m24.89m386.7705m8P08F11.8352m25.03m386.2778m8P07B11.8347m25.02m386.2778m8P07B21.3427m24.90m386.7705m8P08F20.5244m25.01m386.7705m9P08B11.7283m24.92m385.5667m9P09F11.7281m24.93m385.5667m9P09F20.5244m25.01m386.7705m9P08B21.2801m24.91m384.8450m10P10F10.5580m24.96m385.5667m10P09B10.5582m24.96m385.5667m10P09B21.2794m24.92m384.8450m10P10F21.5994m34.97m384.8450m11P10B10.6984m34.79m385.7452m11P11F10.6994m34.75m385.7452m11P11F21.5987m34.96m384.8450m11P10B20.6089m4.928m386.6903m12P12F11.5539m4.834m385.7452m12P11B11.5540m4.832m385.7452m12P11B20.6088m4.927m386.6903m12P12F21.7386m6.807m386.6903m13P12B10.7816m7.079m387.6472m13P13F10.7814m7.082m387.6472m13P13F21.7382m6.826m386.6903m13P12B20.5298m13.065m386.6920m37P36B11.8522m12.998m385.3694m37P37F11.8527m13.015m385.3694m37P37F20.5300m13.042m386.6920m37P36B21.9478m12.818m383.9547m38P38F10.5333m13.004m385.3694m38P37B10.5337m12.995m385.3694m38P37B21.9487m12.872m383.9547m38P38F20.5125m12.928m383.9547m39P38B11.8150m12.930m382.6509m39P39F11.8176m13.095m382.6509m39P39F20.5126m12.930m383.9547m39P38B21.7561m11.133m381.3575m40P40F10.4630m10.823m382.6509m40P39B10.4630m10.830m382.6509m40P39B21.7567m11.143m381.3575m40P40F20.6011m5.440m381.3575m41P40B11.7677m5.586m380.1909m41P41F11.7680m5.591m380.1909m41P41F20.6013m5.431m381.3575m41P40B21.8724m9.965m378.9367m42P42F10.6182m9.918m380.1909m42P41B10.6182m9.925m380.1909m42P41B21.8723m9.972m378.9367m42P42F20.4274m17.982m378.9367m43P42B11.8433m18.026m377.5208m43P43F11.8433m18.043m377.5208m43P43F20.4274m17.984m378.9367m43P42B21.8427m17.971m376.2119m44P44F10.5338m18.038m377.5208m44P43B10.5341m18.041m377.5208m44P43B21.8430m17.988m376.2119m44P44F20.4973m18.030m376.2119m45P44B11.7903m17.982m374.9190m45P45F11.7903m17.987m374.9190m45P45F20.4975m18.027m376.2119m45P44B21.9035m17.991m373.5246m46P46F10.5091m17.973m374.9190m46P45B10.5088m17.980m374.9190m46P45B21.9033m17.997m373.5246m46P46F20.3564m17.997m373.5246m47P46B11.9245m17.983m371.9564m47P47F11.9247m17.976m371.9564m47P47F20.3565m17.997m373.5246m47P46B21.9174m16.890m370.5203m48P48F10.4814m17.002m371.9564m48P47B10.4813m17.001m371.9564m48P47B21.9176m16.896m370.5203m48P48F20.8826m9.502m370.5203m49P48B11.6763m9.431m369.7265m49P49F11.6764m9.444m369.7265m49P49F20.8825m9.493m370.5203m49P48B21.6169m12.899m368.5758m50P50F21.7635m17.014m368.5758m51P50B10.4227m16.973m369.9165m51P51F10.4226m16.975m369.9165m51P51F21.7633m17.012m368.5758m51P50B20.3748m17.179m371.3828m52P52F11.8409m16.789m369.9165m52P51B11.8411m16.778m369.9165m52P51B20.3746m17.187m371.3828m52P52F21.8527m14.001m371.3828m53P52B10.6886m13.988m372.5467m53P53F10.6889m13.977m372.5467m53P53F21.8525m13.983m371.3828m53P52B20.7274m12.945m373.5113m54P54F11.6923m13.080m372.5467m54P53B11.6915m13.041m372.5467m54P53B20.7271m12.945m373.5113m54P54F21.7540m14.882m373.5113m55P54B10.5376m15.016m374.7278m55P55F10.5376m15.017m374.7278m55P55F21.7542m14.877m373.5113m55P54B20.3967m11.977m376.2451m56P56F11.9141m11.906m374.7278m56P55B11.9140m11.900m374.7278m56P55B20.3968m11.968m376.2451m56P56F21.9290m13.325m376.2451m57P56B10.6101m12.583m377.5640m57P57F10.6104m12.580m377.5640m57P57F21.9293m13.335m376.2451m57P56B20.8251m20.30m378.2823m58P58F11.5433m20.62m377.5640m58P57B11.5431m20.64m377.5640m58P57B20.8247m20.30m378.2823m58P58F2PAGE9在原始数据中，把原先标记的S1、S2、S3各测量点的高程提取出来，然后以各个时期为列，制成表格。下表格为S1、S2、S3各监测点的高程数据:单位（米）表3-3高程数据12345678910S1391.3734m391.3725m391.3739m391.3749m391.3757m391.556m391.3748m391.3745m391.3741m391.3740mS2395.5148m395.5152m395.5153m395.5160m395.5162m395.5161m395.5156m395.5156m395.5153m395.5151mS3370.5203m370.5196m370.5194m370.5188m370.5184m370.5177m370.5174m370.5171m370.5169m370.5168m3.4.2数据处理闭合差采用DL-201电子水准仪内部的程序计算获得。根据观测的结果对各个时期的变形量以及闭合差和每个测站高差中数中误差计算，各项允许限差都满足规范的要求。闭合差和每测站高差中数中误差的计算如下，并且把各个时期的计算结果都以表格的形式表达，如下表：闭合差：Wh=∑h测(3-1)式中，∑h测为实测高差的代数和。每测站高差中数中误差：M=±w/√n[12](3-2)式中，n为测站数。通过以上公式，可以得出实测闭合差以及每测站高差中数中误差。并根据允许闭合差±0.7√n公式算出对应的允许闭合差。通过比较可以得出实测闭合差都在允许的范围内，为合格的数据。并将结果制成表格，见下表：表3-4中误差计算观测次数时间允许闭合差±0.7√n实测闭合差/mm测站数每测站高差中数中误差Mw/mm12014.09.10±5.33+2.3580.30200522014.09.13±5.23+1.9560.25389832014.09.17±5.86+2.5700.29880742014.09.21±5.51-2.2620.27940052014.09.24±5.42+2.6600.33565962014.09.28±5.33-2.3580.30200572014.09.30±5.33-2.4580.31513582014.10.08±5.60+1.564010.11±5.42+1.9600.245289102014.10.15±5.23+2.1560.280624现将S1、S2、S3各个时期的高程与第一次监测得到的各监测点的高程进行相减，于是就得到了各个时期的沉降量。表3-5各点各时期沉降量12345678910S10-0.90.51.52.32.21.41.10.70.6S200.40.51.21.41.30.80.80.50.3S30-0.7-0.9-1.5-1.9-2.6-2.9-3.2-3.4-3.5单位（mm）3.4.3成果分析由上面的表格计算可得，允许闭合差与每测站高差中数中误差的精度要求已完全符合测量规范允许的误差。各个误差所得值差值较小，可以得出DL-201电子水准仪其精度具有一定的可靠性和一定的稳定性[13]。从而让我们对于DL-201电子水准仪在地面沉降观测及精度要求较高的测量作业更加信赖。为了使观测计算的结果更加直观易懂，现将得到的数据绘制成折线图。其中，圆点表示S1点的沉降曲线。三角形表示S2点的沉降曲线图。正方形表示S3点的沉降曲线图。横轴表示观测次数，纵轴表示沉降量，单位为mm。下图为根据S1、S2、S3各点的沉降数值绘制而成的沉降曲线图3-2沉降曲线从曲线可以看出来,S1、S2具有相似的沉降趋势。都是地面高度先上升，之后又趋于平衡。经分析后得知，在9月21日至28日期间连续降雨，导致地面土地