基于激光測距儀測量坡度方法的改進(jìn)

趙振宇，徐玉清，周新建，沈曉強(qiáng)

(總裝工程兵科研一所，江蘇無錫 214035)

0 引言

在地面工程坡度測量中，如果能查閱到相關(guān)地形地圖，可以采用地圖上的坡度尺，它是根據(jù)地形圖上等高線的平距，確定相應(yīng)的地面坡度或其逆過程的一種圖解曲線尺［1，2］。如果沒有相關(guān)地形地圖可供查詢，目前一種較快捷的測量方式是利用激光測距儀進(jìn)行測量［3－5］，通過視頻觀測，利用測距瞄準(zhǔn)被測量坡面的上沿和下沿進(jìn)行測距(上下沿連接線與坡面斜度一致)，讀取所獲取的兩次測距信息以及相應(yīng)云臺傾角數(shù)值，利用坡度測量軟件計(jì)算得到坡度值［6，7］。但在實(shí)際測量中，找準(zhǔn)與坡面斜度相同的傾斜線難度較大，從而導(dǎo)致測量誤差較大，不能滿足地面工程坡度測量誤差≤1°的要求［8－10］?；诖?，本文分析了激光測距儀測量坡度時存在的問題，闡釋了其測量坡度的原理，并結(jié)合在標(biāo)準(zhǔn)坡面上多次實(shí)測的結(jié)果，提出了改進(jìn)的方法。

1 激光測距儀測量坡度時的問題

為了敘述簡單，本文基于測量標(biāo)準(zhǔn)坡展開描述。如圖1所示，激光測量儀位于O點(diǎn)，對標(biāo)準(zhǔn)坡面KLMN進(jìn)行測量(線AB與水平面的夾角值)，分別在O點(diǎn)測量距離坡面上點(diǎn)A和點(diǎn)B的距離OA和OB，并讀取∠AOB的值，通過軟件計(jì)算出∠ABP，即標(biāo)準(zhǔn)坡面KLMN的坡度值。但在測量時，由于人為操作時的偏差，在讀取A點(diǎn)后，選取下坡面上的點(diǎn)時可能會選成點(diǎn)C、點(diǎn)D或者點(diǎn)E，從而導(dǎo)致算取的坡度值不準(zhǔn)確。經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)坡面上進(jìn)行多次實(shí)測得知:只有當(dāng)按照與坡面斜度相同的傾斜線進(jìn)行測量時，角度值才是最小的，也是最接近坡度值的，相反，測得的角度值都比實(shí)際的坡度值要大［11，12］。

圖1 激光測距儀測量坡度示意

2 激光測距儀測量坡度的原理

激光測距儀進(jìn)行坡度測量的原理如圖2所示，其為圖1的部分截圖，激光測距儀位于O點(diǎn)，分別測量出OA和OB的距離為a和b，∠AOB的值為α，坡度值為β，則由正余弦定理可得［13］:

將式(1)和式(2)迭代，得到式(3):

通過激光測距儀測得a、b和夾角α，則在式(3)中，只有斜面坡度β一個未知參數(shù)，通過軟件編程即可求得坡度β的值。

圖2 激光測距儀測量坡度原理

3 基于最小值平均的改進(jìn)方法

針對激光測距儀測量坡度的原理，結(jié)合在標(biāo)準(zhǔn)坡面上多次實(shí)測的結(jié)果:只有當(dāng)按照與坡面斜度相同的傾斜線進(jìn)行測量時，測得角度值才是最小的，也是最接近坡度值的，相反，測得的角度值都比實(shí)際的坡度值要大;同時考慮在實(shí)際測量中，找準(zhǔn)與坡面斜度相同的傾斜線難度較大等因素，本文提出了基于最小值平均的測量改進(jìn)方法。

在進(jìn)行坡度測量時，應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行:

①使激光測距儀正對著要測量的坡面;

②在坡面上部選取一個點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)A，在坡面下部、點(diǎn)A在坡面上的投影線附近選取3～5個點(diǎn)進(jìn)行測量;

③利用坡度測量軟件依次計(jì)算出對應(yīng)的角度值，選擇角度最小值min(βi)對應(yīng)的點(diǎn)，記為點(diǎn)B;

④再在點(diǎn)B附近選取3～5個點(diǎn)，仍以點(diǎn)A作為基準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)步驟③，得到第一次測量的坡度值;

⑤移動激光測距儀的位置，重復(fù)步驟①～步驟④;進(jìn)行多次測量后取均值E(β)即為坡度值。

其中，步驟①～步驟④是在測量位置點(diǎn)逐步修正尋找與坡面斜度相同傾斜線的過程，步驟⑤是考慮不同測量位置因素進(jìn)行進(jìn)一步修正的過程。

4 測量結(jié)果分析

將軟件按照基于最小值平均的測量方法改進(jìn)后，利用激光測距儀，分別針對坡度為20°、25°和30°標(biāo)準(zhǔn)坡，在距離斜坡100 m的位置進(jìn)行測量，記錄坡度測量值，計(jì)算測量誤差。

測量結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示。其中，對每個標(biāo)準(zhǔn)坡在4個不同位置進(jìn)行測量，在每個位置點(diǎn)測量時采用改進(jìn)方法中的步驟①～步驟④，得到各次測量結(jié)果，再將4次測量結(jié)果取平均作為最終測量結(jié)果，對應(yīng)改進(jìn)方法步驟⑤。由圖可以看出，在各個位置點(diǎn)測量時由于采取了多點(diǎn)逐步修正的方法，測量誤差已經(jīng)較小，再將不同測量位置因素考慮在內(nèi)進(jìn)行平均后，得到的最終測量結(jié)果與實(shí)際坡度值就很接近了，測量坡度誤差≤1°。

圖3 對20°標(biāo)準(zhǔn)坡測量結(jié)果

圖4 對25°標(biāo)準(zhǔn)坡測量結(jié)果

圖5 對30°標(biāo)準(zhǔn)坡測量結(jié)果

圖中的單次測量結(jié)果都是在同一位置多次測量并逐步修正尋找與坡面斜度相同傾斜線得到的，這和同一位置單次測量、同一位置多次無規(guī)律測量相比，是有明顯優(yōu)勢的。

5 結(jié)束語

地面工程坡度測量是地形地貌的一個主要測量內(nèi)容，其測量精度對于繪制地形地圖、工程施工等都具有重要的意義。在實(shí)際測量中，找準(zhǔn)與坡面斜度相同的傾斜線難度較大，上述研究內(nèi)容是運(yùn)用多測量點(diǎn)逐步修正，并考慮不同測量位置因素來找出坡面傾斜線的方法，該方法已在實(shí)際測量中多次驗(yàn)證，取得了良好的測量效果。 ■

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