電子水準(zhǔn)儀在道路沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

PAGE 題目：電子水準(zhǔn)儀在道路沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用專(zhuān)業(yè)：測(cè)繪工程【摘要】：道路沉降監(jiān)測(cè)是變形測(cè)量中比較常見(jiàn)的一種測(cè)量項(xiàng)目。那么，我們要探索的就是快速獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和安全分析。高精度的電子水準(zhǔn)儀在這方面既有高效且成本低的優(yōu)勢(shì)，下面就電子水準(zhǔn)儀的原理特點(diǎn)及其在龍巖學(xué)院道路沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹和分析。【關(guān)鍵詞】：道路沉降;高精度；電子水準(zhǔn)儀；數(shù)據(jù)處理目錄TOC\o"1-3"\u1緒論 11.1電子水準(zhǔn)儀的發(fā)展 11.2DL-201電子水準(zhǔn)儀的基本原理 11.3儀器參數(shù) 11.4DL-201電子水準(zhǔn)儀的特點(diǎn) 12傳統(tǒng)測(cè)量方法 22.1道路沉降 22.1.1道路沉降的原因 22.1.2道路沉降監(jiān)測(cè)的意義 22.2幾何水準(zhǔn)測(cè)量 22.3三角高程測(cè)量 23瑞德DL-201電子水準(zhǔn)儀在龍巖學(xué)院道路沉降監(jiān)測(cè)舉例 23.1測(cè)區(qū)狀況 23.2已有資料 33.3精度要求 33.4實(shí)測(cè)內(nèi)容 43.4.1原始數(shù)據(jù) 43.4.2數(shù)據(jù)處理 63.4.3成果分析 74結(jié)論 8致謝 8參考文獻(xiàn) 9PAGE51緒論1.1電子水準(zhǔn)儀的發(fā)展隨著微電子技術(shù)以及傳感器工藝的發(fā)展，帶來(lái)了測(cè)量?jī)x器在設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)革新。在高程測(cè)量?jī)x器中，1987年瑞士leica公司推出了世界第一臺(tái)電子水準(zhǔn)儀NA2000。NA200經(jīng)數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用于水準(zhǔn)儀標(biāo)尺的影像，使得測(cè)量員不需要使用雙眼而是用CCD陣列傳感器來(lái)讀數(shù)，效率顯著[1]。之后，蔡司、拓普康、索佳等測(cè)量公司也先后推出了各自的電子水準(zhǔn)儀。到目前，電子水準(zhǔn)儀已有了第二、第三代產(chǎn)品。其測(cè)量的精度也已達(dá)到了一等、二等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。1.2DL-201電子水準(zhǔn)儀的基本原理電子水準(zhǔn)儀識(shí)別編碼的原理是碼相關(guān)的原理[2]。代表水準(zhǔn)尺讀數(shù)的編碼，已儲(chǔ)存在了電子水準(zhǔn)儀的程序里，在測(cè)量時(shí)，接受來(lái)自標(biāo)尺的信號(hào)，對(duì)比CCD上的影像信息，從而獲得比較。也就是按照一定的距離將參考信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)，并對(duì)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性的計(jì)算，直到這兩個(gè)有最大的相關(guān)系數(shù)，這樣就得到標(biāo)尺的讀數(shù)和視距。1.3儀器參數(shù)瑞德儀器公司生產(chǎn)的DL-201型號(hào)儀器，相關(guān)參數(shù)如下：表1-1儀器參數(shù)儀器型號(hào)技術(shù)指標(biāo)DL-201高程測(cè)量精度（每公里往返測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差）電子讀數(shù)1.0mm光學(xué)讀數(shù)2.0mm距離測(cè)量精度電子讀數(shù)D≦10m:10mm;D>10m:D*0.001測(cè)程電子讀數(shù)1.8m～105m最小顯示高差 1mm/0.1mm距離 0.1/1cm1.4DL-201電子水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)(1)讀數(shù)客觀。它消除了由于人為因素產(chǎn)生的誤差，所以不存在讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤的問(wèn)題。（2）精度高。觀測(cè)的距離和高度是把很多的影像通過(guò)系統(tǒng)的取平均值的計(jì)算獲得的，所以水準(zhǔn)標(biāo)尺的分劃誤差變得十分小。（3）速度快。因?yàn)椴恍枰斯ぷx數(shù)、記錄、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算以及由于出錯(cuò)的重測(cè)，時(shí)間大大縮短。（4）效率高。測(cè)量時(shí)只需要調(diào)焦和按測(cè)量鍵即可得出數(shù)據(jù)，減輕了勞動(dòng)量。（5）操作簡(jiǎn)單。由于儀器大部分都是自動(dòng)化記錄，處理。并且有內(nèi)置程序可以實(shí)時(shí)檢查是否超限。因此不需要太復(fù)雜的操作量[3]。2傳統(tǒng)測(cè)量方法2.1道路沉降2.1.1道路沉降的原因近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市的大規(guī)模建設(shè)。許多交通線(xiàn)路如高速、高鐵逐漸建設(shè)和使用。但是，由于人為因素或自然因素，這些線(xiàn)路或者邊坡產(chǎn)生了一定程度的沉降。汽車(chē)或火車(chē)在其面上行駛，過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)和壓力會(huì)使得路基、橋梁等產(chǎn)生形變，特別是道路的沉降。2.1.2道路沉降監(jiān)測(cè)的意義道路沉降不僅會(huì)導(dǎo)致交通運(yùn)輸?shù)臒o(wú)法運(yùn)行，嚴(yán)重的還會(huì)造成人員的傷亡以及經(jīng)濟(jì)的損失[4]。所以為了保證道路安全運(yùn)營(yíng)，避免異常情況的發(fā)生，就必須進(jìn)行沉降觀測(cè)。2.2幾何水準(zhǔn)測(cè)量幾何水準(zhǔn)測(cè)量是經(jīng)典高差測(cè)量方法，使用的儀器是水準(zhǔn)儀，其原理是借助于水平視線(xiàn)（由水準(zhǔn)器獲得）獲取豎立在兩點(diǎn)上的標(biāo)尺讀數(shù)，從而測(cè)定兩立尺間的高差[5]。光學(xué)水準(zhǔn)儀長(zhǎng)久以來(lái)都是水準(zhǔn)測(cè)量的主要儀器，因而傳統(tǒng)的道路監(jiān)測(cè)是使用精密的光學(xué)水準(zhǔn)儀和銦瓦水準(zhǔn)尺，用光學(xué)測(cè)微法讀數(shù)進(jìn)行往返觀測(cè)。光學(xué)水準(zhǔn)儀有可靠的精度保證，但人工觀測(cè)記錄時(shí)作業(yè)強(qiáng)度大[6]。又受到觀測(cè)時(shí)觀測(cè)誤差及人員記錄錯(cuò)誤的影響，滿(mǎn)足不了數(shù)字化和自動(dòng)化的測(cè)量要求2.3三角高程測(cè)量三角高程測(cè)量是根據(jù)兩點(diǎn)間的水平距離和經(jīng)緯儀觀測(cè)的垂直角，應(yīng)用三角公式計(jì)算出兩點(diǎn)之間的高差[7]。一般是使用全站儀測(cè)角、測(cè)距后得到兩點(diǎn)之間的高差，叫做電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量，可以代替二、三、四等的幾何水準(zhǔn)測(cè)量[8]。設(shè)地面上的兩點(diǎn)為A、B，在點(diǎn)A安置經(jīng)緯儀，在點(diǎn)B設(shè)置覘標(biāo)，測(cè)得垂直角αAB，若又量的儀器高iA和覘標(biāo)高jB，并已知A、B兩點(diǎn)間的水平距離DAB，則可確定出高差hAB[9]。三角高程的計(jì)算公式為：hAB=DAB*tanαAB+iA–JB（2-1）目前一般采用全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量。設(shè)測(cè)出的斜距為SAB，三角高程的計(jì)算公式為：hAB=SAB*tanαAB+iA–JB（2-2）當(dāng)A、B兩點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，三角高程需顧及地球曲率和大氣垂直折光的影響，加球氣差改正后的公式為：hAB=DAB*tanαAB+iA–JB+DAB/2R(1-k)[10]（2-3）式中，R為地球半徑;k為大氣折光系數(shù)，可由對(duì)向觀測(cè)得到，也可以在兩已知高程點(diǎn)之間由三角高程觀測(cè)求得。雖然三角高程測(cè)量相對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量來(lái)說(shuō)顯得靈活方便，但其精度較低。其中垂直角觀測(cè)誤差以及大氣垂直折光影響的復(fù)雜性和多變性，很難準(zhǔn)確進(jìn)行量化計(jì)算。3瑞德DL-201電子水準(zhǔn)儀在龍巖學(xué)院道路沉降監(jiān)測(cè)舉例3.1測(cè)區(qū)狀況我小組是以龍巖學(xué)院外圍道路的一周為監(jiān)測(cè)路段，以行政樓D64（高程為378.2800m）點(diǎn)為水準(zhǔn)點(diǎn)沿著經(jīng)福煤樓、逸夫樓到四組團(tuán)與三組團(tuán)交界的S1點(diǎn)再經(jīng)二組團(tuán)到文虎樓門(mén)口的S2點(diǎn)，接著繼續(xù)沿同心路到其與奇邁大道的交會(huì)處，直到體育館出口的S3點(diǎn)。最后閉合回D64點(diǎn)。形成一閉合二等水準(zhǔn)路線(xiàn)對(duì)龍巖學(xué)院道路周?chē)?個(gè)點(diǎn)實(shí)施觀測(cè)，其中D64為一等水準(zhǔn)測(cè)量要求所得的工作基點(diǎn)，S1、S2、S3為沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采用“后前前后”的觀測(cè)順序，每個(gè)星期進(jìn)行觀測(cè)兩次。D64D64S2S3S1圖3-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖龍巖學(xué)院地勢(shì)不平緩，高差有時(shí)較大，因此要縮短觀測(cè)距離，不過(guò)標(biāo)尺與儀器之間通視較好，作業(yè)環(huán)境優(yōu)良，交通便利。因觀測(cè)期間有學(xué)生來(lái)往，所以應(yīng)選擇周末或者學(xué)生上課期間為好。測(cè)量一圈閉合環(huán)時(shí)，最好是當(dāng)天完成，減少因不同時(shí)段觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生的誤差。3.2已有資料由龍巖市測(cè)繪局測(cè)得得D64點(diǎn)高程（378.2800m）以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S3的具體位置。《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB12897-2006）?！豆こ虦y(cè)量規(guī)范》（GB0026-93）。3.3精度要求水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)按照《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》[11]（GB12897—2006）的要求。表3-1一、二等水準(zhǔn)測(cè)量限差規(guī)定項(xiàng)目等級(jí)視線(xiàn)長(zhǎng)度前后視距差/M前后視距累計(jì)差/m視線(xiàn)高度下絲讀數(shù)/m基輔分劃所得高差之差/mm上下絲讀數(shù)平均值與中絲讀數(shù)之差檢測(cè)間歇點(diǎn)高差之差/mm水準(zhǔn)路線(xiàn)測(cè)段往返高差不符值/mm儀器類(lèi)型視距/M0.5cm分劃標(biāo)尺/mm1cm分劃標(biāo)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——測(cè)段、區(qū)段或路線(xiàn)長(zhǎng)度，km；3.4實(shí)測(cè)內(nèi)容3.4.1原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是由外業(yè)測(cè)量獲得，并儲(chǔ)存于SD卡中。由于數(shù)據(jù)量較大，在此，只列出了第一次觀測(cè)的數(shù)據(jù)。其中，第一列為對(duì)應(yīng)的前后標(biāo)尺讀數(shù)，單位為米，精確到小數(shù)點(diǎn)后四位。第二列為對(duì)應(yīng)的前后視距，單位為米。精確到小數(shù)點(diǎn)后三位。第三列為站點(diǎn)的高程讀數(shù)，單位為米。精確到小數(shù)點(diǎn)后四位。第四列為測(cè)站數(shù)。第五列為測(cè)站點(diǎn)。第六列為前后視的標(biāo)記。表3-2原始數(shù)據(jù)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在原始數(shù)據(jù)中，把原先標(biāo)記的S1、S2、S3各測(cè)量點(diǎn)的高程提取出來(lái)，然后以各個(gè)時(shí)期為列，制成表格。下表格為S1、S2、S3各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù):單位（米）表3-3高程數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)處理閉合差采用DL-201電子水準(zhǔn)儀內(nèi)部的程序計(jì)算獲得。根據(jù)觀測(cè)的結(jié)果對(duì)各個(gè)時(shí)期的變形量以及閉合差和每個(gè)測(cè)站高差中數(shù)中誤差計(jì)算，各項(xiàng)允許限差都滿(mǎn)足規(guī)范的要求。閉合差和每測(cè)站高差中數(shù)中誤差的計(jì)算如下，并且把各個(gè)時(shí)期的計(jì)算結(jié)果都以表格的形式表達(dá)，如下表：閉合差：Wh=∑h測(cè)(3-1)式中，∑h測(cè)為實(shí)測(cè)高差的代數(shù)和。每測(cè)站高差中數(shù)中誤差：M=±w/√n[12](3-2)式中，n為測(cè)站數(shù)。通過(guò)以上公式，可以得出實(shí)測(cè)閉合差以及每測(cè)站高差中數(shù)中誤差。并根據(jù)允許閉合差±0.7√n公式算出對(duì)應(yīng)的允許閉合差。通過(guò)比較可以得出實(shí)測(cè)閉合差都在允許的范圍內(nèi)，為合格的數(shù)據(jù)。并將結(jié)果制成表格，見(jiàn)下表：表3-4中誤差計(jì)算觀測(cè)次數(shù)時(shí)間允許閉合差±0.7√n實(shí)測(cè)閉合差/mm測(cè)站數(shù)每測(cè)站高差中數(shù)中誤差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現(xiàn)將S1、S2、S3各個(gè)時(shí)期的高程與第一次監(jiān)測(cè)得到的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程進(jìn)行相減，于是就得到了各個(gè)時(shí)期的沉降量。表3-5各點(diǎn)各時(shí)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單位（mm）3.4.3成果分析由上面的表格計(jì)算可得，允許閉合差與每測(cè)站高差中數(shù)中誤差的精度要求已完全符合測(cè)量規(guī)范允許的誤差。各個(gè)誤差所得值差值較小，可以得出DL-201電子水準(zhǔn)儀其精度具有一定的可靠性和一定的穩(wěn)定性[13]。從而讓我們對(duì)于DL-201電子水準(zhǔn)儀在地面沉降觀測(cè)及精度要求較高的測(cè)量作業(yè)更加信賴(lài)。為了使觀測(cè)計(jì)算的結(jié)果更加直觀易懂，現(xiàn)將得到的數(shù)據(jù)繪制成折線(xiàn)圖。其中，圓點(diǎn)表示S1點(diǎn)的沉降曲線(xiàn)。三角形表示S2點(diǎn)的沉降曲線(xiàn)圖。正方形表示S3點(diǎn)的沉降曲線(xiàn)圖。橫軸表示觀測(cè)次數(shù)，縱軸表示沉降量，單位為mm。下圖為根據(jù)S1、S2、S3各點(diǎn)的沉降數(shù)值繪制而成的沉降曲線(xiàn)圖3-2沉降曲線(xiàn)從曲線(xiàn)可以看出來(lái),S1、S2具有相似的沉降趨勢(shì)。都是地面高度先上升，之后又趨于平衡。經(jīng)分析后得知，在9月21日至28日期間連續(xù)降雨，導(dǎo)致地面土地