一种免棱镜全站仪的泄洪水面线动态观测方法

技术领域

本发明涉及一种免棱镜全站仪的泄洪水面线动态观测方法，属于水利工程测量领域。

背景技术

大坝泄洪时，由于下泄水流流量大、流速高，会对下游消力池产生巨大的冲刷、气蚀、振动作用，给消力池的安全带来严重考验。因此，工程上迫切需要对泄洪时大坝下游的水面线快速、准确的测量，以满足消力池水力特性和稳定安全分析，确定合理的泄洪方案，以减小下泄水流对消力池安全的影响。

在目前的水面线测量方法中，传统的水位尺测量需要人工将测量尺架设在水中，在水流流量较大、流速较高的泄洪消力池测量中根本无法使用；而传统的免棱镜全站仪测量水面线方法，当混凝土面被水湿润后，对激光信号存在较大吸收，反射回光信号严重减弱，导致全站仪很难捕捉到有效的激光回光信号，进而无法完成数据的测量。针对传统测量方法的不足，广大学者提出了一些新的测量方法。李翊等提出了通过图像识别技术检测水面线的技术，但此方法同样需要在待测点架设标尺；另外，若标尺在测量过程中出现污点，则对测量结果有较大的影响；鲍江等通过采集视频图像，再通过Haar特征检测出水位线，但此方法在采集视频图像时，要求待测水面保持稳定，而在消力池泄洪时，水流比较湍急，水面起伏较大，水面很难保持平静，同时该方法在阳光比较强烈的情况下，很容易出现误检的情况，而消力池两岸的混凝土对阳光的反射都比较强烈，因此该方法很难对消力池泄洪时的水面线进行有效观测；李东峰等通过潮位仪与GPS技术来测量水面线高程，但要求潮位仪稳定不动，同时要求GPS流动站安装在测量船上，而消力池泄洪时，水流湍急，波浪翻滚剧烈，无论是潮位仪还是GPS测量船，都很难在泄洪时保持稳定，因而不能用于消力池水面的动态测量；钟强等提出了利用高速摄像机视频和三维地形的测量方法，对动态水面进行三维重构，但此方法不能直接实时测得水面线的高程。尽管这些方法有所改进，但仍不能满足泄洪水面线快速、高效的观测要求。

发明内容

本发明提供了一种免棱镜全站仪的泄洪水面线动态观测方法，满足快速、高效地对泄洪水面线动态观测要求。

本发明的技术方案是：一种免棱镜全站仪的泄洪水面线动态观测方法，首先在待观测的水面线上方附近找一容易观测点作为工作基点，利用全站仪测得工作基点的高程以及工作基点与测站间的距离；然后将望远镜瞄准待测的动态水面线的待测点，并及时测得待测点与工作基点间的水平角和竖直角；再利用待测点与工作基点的三角关系，推算出全站仪与待测点之间的高差，得出待测点的高程。

具体地，首先测量全站仪与待测点之间的高差，所述方法如下：

(1)工作基点视线水平且与对岸垂直

待测点A位于测站O的前方的正下方，选择水平视线与对岸垂直的交点B为工作基点，A'为A点水平方向上在竖直面上的投影点，首先测得O、B两点间的水平距离d，再将全站仪望远镜的十字丝对准水面与混凝土的交界面待测点A，测得OB和OA之间的俯角α，则可通过OBA之间的三角关系求出B点与A点之间的高差BA’，即全站仪与待测点之间的高差；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则A、B点之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与水面之间的高差BA’为：

(2)工作基点视线仰视且与对岸垂直

若测站O点正前方无法设置工作基点，可选择其正前方的上方的D点作为工作基点，首先测得O、D之间的斜距d以及OD与水平视线OB之间仰角γ；然后再将全站仪望远镜的十字丝对准待测点A点，测得OA和OB之间的俯角α，则可通过OBA之间的三角关系求出全站仪与待测点之间的高差BA’；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则此时全站仪与待测点之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与水面之间的高差BA’为：

(3)工作基点视线水平且与对岸斜交

若待测点A不在测站O的正前方，位于正前方视线两侧，则需在正前方的两侧方位设置工作基点B，当全站仪的视线存在水平偏转时，观测视线立面与待测点对岸不垂直，视线立面与岸坡的交线的倾角并非岸坡的倾角，而是一视倾角θ，视倾角θ、岸坡坡角β以及视线水平方向偏转角δ三者之间的关系则为：

tanθ＝tanβcosδ (5)

首先测得水平视线与OA之间的俯角α以及视线OA的水平偏转角δ；然后调整全站仪的视线OB水平，测得O、B之间的距离d；则可通过OBA之间的三角关系求出全站仪与待测点之间的高差BA’；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则此时全站仪与待测点之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与待测点A之间的高差BA’为：

(4)工作基点视线仰视且与对岸斜交

若待测点A不在测站O的正前方，位于正前方视线两侧，工作基点D设置在侧方且位于水平视线的上方，首先测得水平视线与OA之间的俯角α以及视线OA的水平偏转角δ；然后调整全站仪的视线至D点，测得O、D之间的距离d和OD与水平视线OB之间的仰角γ；则可通过OBA之间的三角关系求出全站仪与待测点之间的高差BA’；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则此时全站仪与待测点A之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与待测点A之间的高差BA’为：

具体地，求得全站仪与待测点A之间的高差BA’之后，再结合测站点地面的高程▽

▽

本发明的有益效果是：不需要利用激光对待测点实时测量，只需利用十字丝对待测点进行实时跟踪即可，通过全站仪的角度测量传感器实时测量出竖直角和水平角，因此，可实现对待测点的快速测量，大幅提高测量的速度，实现对波浪影响区域内待测点的实时、快速测量，满足快速、高效地对泄洪水面线进行动态观测的要求。

附图说明

图1为本发明工作基点视线水平且与对岸垂直，对岸无马道。

图2为本发明工作基点视线水平且与对岸垂直，对岸有马道。

图3为本发明工作基点视线仰视且与对岸垂直，对岸无马道。

图4为本发明工作基点视线仰视且与对岸垂直，对岸有马道。

图5为本发明工作基点视线水平且与对岸斜交，对岸无马道。

图6为本发明工作基点视线水平且与对岸斜交，对岸有马道。

图7为本发明工作基点视线仰视且与对岸斜交，对岸无马道。

图8为本发明工作基点视线仰视且与对岸斜交，对岸有马道。

具体实施方式

实施例1：如图1～8所示，一种免棱镜全站仪的泄洪水面线动态观测方法，首先在待观测的水面线上方附近找一容易观测点作为工作基点，利用全站仪测得工作基点的高程以及工作基点与测站间的距离；然后将望远镜瞄准待测的动态水面线的待测点，并及时测得待测点与工作基点间的水平角和竖直角；再利用待测点与工作基点的三角关系，推算出全站仪与待测点之间的高差，得出待测点的高程。

进一步地，首先测量全站仪与待测点之间的高差，所述方法如下：

(1)工作基点视线水平且与对岸垂直

待测点A位于测站O(即全站仪的位置)的前方的正下方，选择水平视线与对岸垂直的交点B为工作基点，A'为A点水平方向上在竖直面上的投影点，首先测得O、B两点间的水平距离d，再将全站仪望远镜的十字丝对准水面与混凝土的交界面待测点A，测得OB和OA之间的俯角α，则可通过OBA之间的三角关系求出B点与A点之间的高差BA’，即全站仪与待测点之间的高差；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则A、B点之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与水面之间的高差BA’为：

(2)工作基点视线仰视且与对岸垂直

若测站O点正前方无法设置工作基点，可选择其正前方的上方的D点作为工作基点，首先测得O、D之间的斜距d以及OD与水平视线OB之间仰角γ；然后再将全站仪望远镜的十字丝对准待测点A点，测得OA和OB之间的俯角α，则可通过OBA之间的三角关系求出全站仪与待测点之间的高差BA’；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则此时全站仪与待测点之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与水面之间的高差BA’为：

(3)工作基点视线水平且与对岸斜交

若待测点A不在测站O的正前方，位于正前方视线两侧，则需在正前方的两侧方位设置工作基点B，当全站仪的视线存在水平偏转时，观测视线立面与待测点对岸不垂直，视线立面与岸坡的交线的倾角并非岸坡的倾角，而是一视倾角θ，视倾角θ、岸坡坡角β以及视线水平方向偏转角δ三者之间的关系则为：

tanθ＝tanβcosδ (5)

首先测得水平视线与OA之间的俯角α以及视线OA的水平偏转角δ；然后调整全站仪的视线OB水平，测得O、B之间的距离d；则可通过OBA之间的三角关系求出全站仪与待测点之间的高差BA’；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则此时全站仪与待测点之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与待测点A之间的高差BA’为：

(4)工作基点视线仰视且与对岸斜交

若待测点A不在测站O的正前方，位于正前方视线两侧，工作基点D设置在侧方且位于水平视线的上方，首先测得水平视线与OA之间的俯角α以及视线OA的水平偏转角δ；然后调整全站仪的视线至D点，测得O、D之间的距离d和OD与水平视线OB之间的仰角γ；则可通过OBA之间的三角关系求出全站仪与待测点之间的高差BA’；

若待测对岸仅为一斜坡，坡角为β，无马道，则此时全站仪与待测点A之间的高差BA’为：

若待测对岸为一斜坡，坡角为β，且存在一马道，宽度为b，则此时全站仪与待测点A之间的高差BA’为：

进一步地，计算待测点A的高程▽A

求得全站仪与待测点A之间的高差BA’之后，再结合测站点地面的高程▽

▽

3实例分析

3.1公式验证

为了验证公式的正确性，选择校园某一水池水位进行观测，通过观测计算值和实测值进行对比分析，验证公式的正确性。水池岸边为混凝土衬砌，斜坡坡角为62°59′40″，全站仪型号为中海达ZPS-121R。测量的相对误差为误差的绝对值与距离d之间的比值。观测结果如表1所示。由表1可以看出本方法的测量结果误差很小，精度很高。

表1校园某一水池水位观测结果

3.2明渠泄洪水面线观测

泄洪水面线观测，选择某水电站明渠泄洪时进行实际观测。全站仪还是选择中海达ZPS-121R，测站设在明渠的左导墙之上，以观测不同工况情况下明渠右岸的水面线变化情况。为方便观测，测站具体位置设置在左导0+239.341m，明渠边0.77m处，全站仪仪器高为1.46m。明渠左导墙顶高程为1004m，明渠右岸在高程1002.5m处设置一条马道，其宽度为2m，岸坡坡角为53°7′48″。泄洪水面线观测结果如表2所示。由表2可以看出本方法的测量结果误差很小，精度很高。

表2某水电站明渠泄洪水面线观测结果

通过实例分析表明，本方法的测量结果误差很小，可实现快速、高效地对泄洪水面线进行动态观测。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。