一种用于工程测量的斜坡高程测量装置的制作方法

本发明涉及工程测量，尤其涉及一种用于工程测量的斜坡高程测量装置。

背景技术：

1、工程建设过程中，公路边坡、水利坝坡、基坑边坡、露天矿边坡以及山区工程斜坡的高程数据是边坡施工控制、坡度分析、土方计算、稳定性评价及后期形变监测的重要基础数据。目前工程斜坡高程测量主要采用人工棱镜逐点测量或者全站仪免棱镜测量方式。其中，人工棱镜测量通常需要测量人员携带棱镜杆进入坡面，在不同位置逐点架设棱镜进行高程测定，当待测坡面坡度较大、坡体存在松散碎石或者局部失稳风险时，测量人员进入坡面不仅作业效率较低，而且存在较大的安全风险；采用免棱镜全站仪虽然能够在坡体外部完成非接触式测量，但实际工程坡面通常存在植被、碎石、浮尘、局部湿润反射面以及不同材料结构面，容易造成测距信号强度波动以及异常反射，从而使测量数据产生离散误差。

2、为了提高免棱镜测量数据的稳定性，现有技术通常对获取的坡面测点采用统一平面模型进行拟合，并依据测点相对于该平面的残差进行数据滤波。然而，实际工程斜坡并非均为单一规则平面，尤其是公路和水利工程边坡通常包括坡肩、坡脚、一级或多级马道、不同坡率坡段和明显变坡线，部分天然边坡、弧形坝坡以及经长期风化形成的坡体还存在连续凹曲面、凸曲面以及局部不规则弯曲区域。此时若仍将整个斜坡作为一个平面进行统一拟合，则不同坡段之间真实存在的坡度变化以及曲率变化容易表现为相对于统一平面的较大残差，进而被误认为异常测点而被剔除，导致测量结果不能真实反映复杂斜坡的原有几何形态。

技术实现思路

1、针对背景技术中提出的技术问题，本发明提供一种用于工程测量的斜坡高程测量装置。

2、本发明所采用的技术方案是：一种用于工程测量的斜坡高程测量装置，包括全站仪，还包括与所述全站仪数据连接的测量控制处理单元，所述测量控制处理单元包括基准网布设模块、设站标定模块、先导扫描分区模块、局部自适应建模模块、分区扫描粗算模块、有效点分级判定模块、多约束平差精解模块以及成果验证输出模块；

3、所述基准网布设模块用于根据设置于待测斜坡外围稳定区域的基准控制点和独立检查点的测量数据建立统一的平面与高程基准，并由所述基准控制点向待测坡面上的坡面基准约束点传递基准高程；所述设站标定模块用于根据所述基准控制点完成所述全站仪的安置、定向和设站校核，并获取全站仪高、现场气温和大气压强，以确定后续测距及高程计算的改正参数；

4、所述先导扫描分区模块用于控制所述全站仪以低采样密度对待测斜坡进行先导扫描，获得坡面初始三维先导点集，根据所述坡面初始三维先导点集的局部坡度、坡向、高程变化率及局部曲率识别坡肩线、坡脚线、变坡线、马道边界和曲面区域，并以识别出的坡面特征作为分区依据将待测斜坡划分为若干几何子区域，所述几何子区域的区域边界及几何特征作为所述局部自适应建模模块的建模输入；

5、所述局部自适应建模模块用于针对各几何子区域分别建立候选局部几何模型，并根据候选局部几何模型与对应几何子区域内先导点的拟合误差确定该几何子区域的局部几何模型，使不同几何子区域采用与其局部坡面形态相匹配的几何约束，并根据几何子区域的局部几何模型和几何复杂度确定分区扫描步距，将所述局部几何模型、几何子区域边界及分区扫描步距作为所述分区扫描粗算模块的控制参数；

6、所述分区扫描粗算模块用于控制所述全站仪按照各几何子区域对应的分区扫描步距进行免棱镜扫描，获取斜距、水平角、竖直角和测距信号强度，并对观测数据进行气象改正以及地球曲率与大气折光联合改正，得到各测点的粗算高程，并将包含测点所属几何子区域和测距信号强度的粗算高程数据输出至所述有效点分级判定模块；

7、所述有效点分级判定模块用于根据测点相对于所属几何子区域的局部几何模型的局部几何残差、邻域高程连续性、邻域残差一致性和测距信号强度，对测点进行分级判定，并将待复测点所在局部区域反馈至所述分区扫描粗算模块触发局部加密复测，将高可信点和复测确认点作为有效测点输出至所述多约束平差精解模块，以区分真实坡面结构变化与随机噪声；

8、所述多约束平差精解模块用于根据有效测点的等级设置观测权，并基于所述坡面基准约束点建立基准强制约束，同时建立局部几何约束和相邻几何子区域的边界连续约束，对各几何子区域的局部几何模型参数进行联合平差，获得有效测点的精化高程；

9、所述成果验证输出模块用于利用未参与平差计算的独立检查点验证所述精化高程，并在验证结果超过预设限差时输出对应几何子区域的回溯处理信息，在验证合格后生成斜坡高程测量成果。

10、本发明进一步的设置为，所述基准网布设模块用于接收在待测斜坡外围稳定区域布设的不少于3个基准控制点的坐标和高程，所述基准控制点分布于坡顶平台、坡脚外侧及坡体两侧的无扰动区域且相互通视；所述基准网布设模块还用于接收不少于3个独立检查点的坐标和高程，所述独立检查点分别对应规则坡面、变坡区域和局部曲面区域；并根据所述基准控制点的已知高程向待测坡面的坡肩稳定平台、马道硬化面、坡脚稳定基岩或预埋测量标志中的至少一种位置传递高程基准，确定不少于3个坡面基准约束点，并在完成坡面分区后将各坡面基准约束点与其所在几何子区域关联；所述独立检查点不参与所述多约束平差精解模块的平差计算，所述坡面基准约束点用于建立所述基准强制约束。

11、本发明进一步的设置为，所述设站标定模块用于从所述基准控制点中选择能够通视待测斜坡的基准控制点作为测站，在所述测站安装强制对中基座并安置所述全站仪，通过至少2个不同方向的基准控制点进行方位角定向，并利用未参与定向的另一基准控制点进行设站校核；所述设站标定模块还用于采集测站现场的气温t和气压p，并设置地球曲率与大气折光改正参数，其中粗算阶段的大气折光系数k取0.14。

12、本发明进一步的设置为，所述先导扫描分区模块用于以3m～5m的扫描步距控制所述全站仪对待测斜坡进行免棱镜自动扫描，并采用邻域滑动窗口对所述坡面初始三维先导点集进行局部几何计算，根据局部坡度、坡向、高程变化率和局部曲率的空间变化关系识别坡肩线、坡脚线、变坡线、马道边界和曲面区域；所述先导扫描分区模块以识别出的坡面特征作为几何子区域边界，并使单个几何子区域内部的坡度差不大于5°、坡向差不大于10°，且每个几何子区域内的先导点数量不少于10个。

13、本发明进一步的设置为，所述局部自适应建模模块用于针对每一几何子区域分别拟合局部平面模型和局部二次曲面模型，其中第j个几何子区域的局部平面模型为：

14、；

15、第j个几何子区域的局部二次曲面模型为：

16、；

17、其中，j表示几何子区域编号；x、y分别表示工程坐标系下测点的平面坐标，z表示对应平面坐标（x，y）处的模型高程；对于局部平面模型，分别为第j个几何子区域沿x方向和y方向的坡度分量，为局部平面模型的高程截距；对于局部二次曲面模型，分别为x²项和y²项的二次项系数，为xy交叉项系数，分别为x方向和y方向的一次项系数，为二次曲面模型的常数项；所述局部平面模型与局部二次曲面模型中的模型系数均根据对应几何子区域内的先导测点分别独立拟合获得，同名字母在不同候选模型中不表示数值相同的参数；

18、所述局部自适应建模模块采用最小二乘法分别计算局部平面模型的拟合中误差m平和局部二次曲面模型的拟合中误差m曲，当m平≤2cm时采用局部平面模型；当m平＞2cm且m曲＜m平时采用局部二次曲面模型，以所确定的局部几何模型作为对应几何子区域的局部几何约束基准。

19、本发明进一步的设置为，所述局部自适应建模模块用于根据几何子区域的局部几何模型和几何复杂度设置分区扫描步距，其中规则坡面的扫描步距为1.0m～2.0m，特征边界区域的扫描步距为0.5m～1.0m，高曲率曲面区域的扫描步距为0.2m～0.5m；所述分区扫描粗算模块用于按照对应的分区扫描步距依次扫描各几何子区域，并使相邻几何子区域的边界处重叠1～2行测点；所述分区扫描粗算模块在对斜距完成气象改正后，根据气象改正后的斜距s、竖直角θ、大气折光系数k以及地球平均曲率半径r计算测站横轴中心至测点的高差h：

20、；

21、并根据测站点已知高程、全站仪（1）高以及所述高差h计算第i个测点的粗算高程：

22、；

23、其中，所述地球平均曲率半径r取6371000m。

24、本发明进一步的设置为，所述有效点分级判定模块用于针对每一测点建立空间邻域，将第i个测点的平面坐标代入其所属第j个几何子区域的局部几何模型，获得模型理论高程，并根据所述第i个测点的粗算高程计算局部几何残差：

25、；

26、所述有效点分级判定模块同时计算邻域高程标准差、邻域高程梯度变化以及邻域残差的平均值、标准差和符号分布，并结合测距信号强度进行分级判定：将局部几何残差绝对值不大于2cm、邻域高程标准差不大于3cm且测距信号强度不低于40%的测点判定为高可信点；将局部几何残差绝对值大于2cm且不大于5cm、邻域残差呈连续同向变化且高程梯度连续的测点判定为待复测点；将局部几何残差绝对值大于5cm、邻域内无连续变化特征且测距信号强度低的测点判定为噪声点。

27、本发明进一步的设置为，所述有效点分级判定模块用于将待复测点所在的局部区域确定为加密复测区域，并使所述分区扫描粗算模块将所述加密复测区域的扫描步距缩小为原扫描步距的1/2后重新扫描；复测完成后，所述有效点分级判定模块重新计算所述加密复测区域内测点的局部几何残差，当复测后的残差保持连续分布时将对应待复测点确定为复测确认点，当复测后的残差呈随机离散分布时将对应待复测点确定为噪声点。

28、本发明进一步的设置为，所述多约束平差精解模块采用带等式约束的间接平差模型，以高可信点和复测确认点的粗算高程作为观测值，并分别设置观测权，其中高可信点的观测权为1，复测确认点的观测权为0.5；对于第q个坡面基准约束点，所述多约束平差精解模块建立基准强制约束：

29、；

30、其中，表示将第q个坡面基准约束点的平面坐标代入其对应的第j个几何子区域局部几何模型得到的模型高程，表示第q个坡面基准约束点由基准控制点传递获得的基准高程；对于相邻第j个几何子区域与第j+1个几何子区域公共边界上的边界特征点，建立边界连续约束：

31、；

32、以使不同几何子区域保持各自局部坡面几何特征的同时，在公共边界处保持高程连续，并通过坡面基准约束点使分区模型与外围工程高程基准建立可实施的高程传递关系。

33、本发明进一步的设置为，所述多约束平差精解模块用于在满足所述基准强制约束、局部几何约束和边界连续约束的条件下，使各有效测点的加权残差平方和最小，以求得各几何子区域局部几何模型的最优参数并得到各有效测点的精化高程；所述成果验证输出模块用于分别利用设置于规则坡面、变坡区域和局部曲面区域的独立检查点进行外部精度验证，其中规则坡面高程中误差不大于2cm，变坡区域和局部曲面区域高程中误差不大于3cm，并在验证合格后基于精化高程点云采用不规则三角网构建坡面数字高程模型。

34、本发明的有益效果是：

35、一、本发明通过设置基准网布设模块、设站标定模块、先导扫描分区模块、局部自适应建模模块、分区扫描粗算模块、有效点分级判定模块、多约束平差精解模块以及成果验证输出模块，使各模块形成连续的数据处理链。相较于现有将整个斜坡预设为单一平面并按照统一扫描步距采集数据的方式，能够首先识别坡肩、坡脚、变坡线、马道边界及曲面区域，再针对不同几何子区域建立与其真实形态相适应的局部几何约束，并利用局部模型反向确定扫描密度；同时通过邻域连续性、残差空间一致性和测距信号强度联合识别异常测点，并利用坡面基准约束点、局部几何约束和边界连续约束实施多约束平差以统一各区域高程。由此能够解决复杂坡面单一模型适应性不足、固定扫描效率低、真实坡面结构容易被误删以及多个区域之间基准不统一的问题，在保证非接触测量作业安全性的同时，提高复杂工程斜坡高程测量的精度、可靠性和适用范围。

36、二、本发明通过基准网布设模块在坡体外围稳定区域设置不少于三个相互通视的基准控制点，并在规则坡面、变坡区域以及局部曲面区域分别设置不参与平差计算的独立检查点，同时结合设站标定模块利用多个基准控制点完成全站仪定向和独立控制点校核，可以使整个斜坡不同区域的扫描数据建立在统一且可重复恢复的平面、高程基准上，并通过由外围基准控制点向坡面基准约束点的高程传递，使后续局部模型的基准强制约束具有明确的物理基准来源。进一步结合现场气温、气压、全站仪高以及地球曲率和大气折光改正参数，可在正式扫描前对影响三角高程测量的主要系统性误差源进行标定。与此同时，先导扫描分区模块采用低密度扫描先获取坡面整体几何信息，并根据坡度、坡向、高程变化率和局部曲率划分几何均质子区域，避免在不了解坡面结构的情况下直接实施全坡高密度扫描。该技术组合既能够降低测站整体偏移、定向误差和环境传播条件变化向全部坡面测点传递的风险，又能够为后续局部模型拟合提供边界清楚、内部几何性质相对一致的数据基础，并通过独立检查点保留真正独立的外部精度验证通道。

37、三、本发明通过局部自适应建模模块分别针对各几何子区域建立局部平面模型和局部二次曲面模型，并根据二者拟合误差自动选择与当前区域实际坡面形态更加匹配的模型，使规则坡面能够采用结构简单、稳定性较高的局部平面进行约束，而具有连续凹曲、凸曲或者弧形变化的区域能够采用二次曲面描述，从而突破现有技术利用单一平面对全坡进行统一约束的局限。在此基础上，根据模型类型和几何复杂程度分别设置规则坡面、特征边界以及高曲率曲面区域的扫描步距，使规则区域减少重复测点，变坡线、马道边缘及曲面区域增加测点密度，并在相邻区域边界设置重叠扫描点。再结合分区扫描粗算模块实施温压气象改正和地球曲率、大气折光联合改正，可以使各区域在不同扫描密度下得到统一格式的粗算高程数据。由此不仅能够降低规则坡面的无效扫描工作量，而且能够提高复杂几何位置的形态还原能力，在测量效率和局部高程精度之间形成自适应平衡。

38、四、本发明通过有效点分级判定模块将局部几何残差、邻域高程连续性、邻域残差一致性以及测距信号强度进行联合分析，并将测点划分为高可信点、待复测点和噪声点，使测点是否有效不再仅由单一残差阈值决定。对于残差较大但邻域内呈连续同向变化且高程梯度连续的测点，本发明不立即删除，而是将其所在区域确定为加密复测区域，通过缩小扫描步距再次获得独立实测数据，从而根据异常是否具有空间连续性和重复可观测性判断其属于真实坡面结构还是随机噪声。进一步地，多约束平差精解模块按照测点可信等级设置不同观测权，并将由坡面基准约束点形成的工程基准强制约束、各子区域自身局部几何约束以及相邻区域公共边界连续约束统一纳入联合平差，使多个局部模型在保持自身真实坡度和曲率特征的同时，又能够在工程基准和公共边界上协调一致。配合独立检查点进行最终外部验证，可有效减少随机反射点、弱信号点以及低可信测点对最终成果的影响，并抑制分区模型独立拟合导致的整体漂移和边界错台，提高最终高程成果的连续性、可信度及可复核性。