CN115374511B - 一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计系统和方法，所述仿真设计系统包括如下四个模块：三维模型管理模块，用于创建隧道三维模型；网形布设与优化模块，用于根据实际情况布设基准点与控制点，建立三维隧道模型布设控制网，即三维控制网，并对所述三维控制网中的控制点进行优化；网形精度评估模块，用于对所述三维控制网的测量精度进行评定，根据评定结果进行三维控制网进行动态可视化分析，实现三维控制网的优化设计；成果管理模块，用于数据存储、成果输出和网络发布。并提供了一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，本发明可以填补传统控制网设计时的技术缺失，建立三维控制网，动态调整网型结构，实现网形的优化设计。

Description

一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计系统和方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，具体是一种地铁隧道监测三维控制网设计方法和仿真系统。

背景技术

随着城市化进程的迅速发展，大中城市行人和车辆数量大幅度的增长，城市的交通压力急剧增加，地铁已发展为城市公共交通的主动脉。但在地铁施工和运营过程中，由于受到地面沉降、土体扰动、周边建筑物负载、隧道周边工程施工等外界因素的影响，会造成隧道结构产生沉降、位移、裂缝和倾斜等变形，这些变形会危害地铁安全，导致地铁存在潜在的安全隐患。为此，地铁在施工和运营过程中需要全方位的安全监测，以降低地铁运营风险，保障人民生命财产安全。地铁的安全监测是测绘工作的一部分，任何测绘工作首先需要进行控制测量。

控制测量是一切后续测量工作的基础，没有控制测量，后面的测图和施工放样等工作就没办法进行。建立控制网是控制测量的基本内容，是把测区各部分的测量工作联系起来，既起控制全局的作用，又起限制误差传递和累积的作用。工程控制网对于地铁工程建设的重要性，贯穿于地铁工程建设的各个阶段，故控制网的测量精度一般要求较高。为了保证控制网的精度，往往需要分别建立平面控制网和高程控制网，即三维的数据转化为二维的平面数据和一维的高程数据进行处理。这样既忽略了平面数据和高程数据之间的相关性、降低了数据的功效，又会影响控制网平差的质量。

随着测量技术和测量仪器的发展，相较于传统的监测手段，测量机器人凭借其测量精度高、操作简捷、作业灵活方便和数据处理的快速与准确等优势，在测绘领域得到了广泛应用。基于高精度测量机器人直接建立精密三维控制网，取代传统的将平面控制网和高程控制网分开构建模式已成为可能。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术存在的不足，本发明旨在提出一种地铁隧道监测三维控制网设计仿真系统和方法，本发明可以填补传统控制网设计时的技术缺失，建立三维控制网，动态调整网型结构，实现网形的优化设计。

技术方案：一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计系统，包括如下四个模块：

S1、三维模型管理模块，用于创建隧道三维模型；

S2、网形布设与优化模块，用于根据实际情况布设基准点与控制点，建立三维隧道模型布设控制网，即三维控制网，并对所述三维控制网中的控制点进行优化；

S3、网形精度评估模块，用于对所述三维控制网的测量精度进行评定，根据评定结果进行三维控制网进行动态可视化分析，实现三维控制网的优化设计；

S4、成果管理模块，用于数据存储、成果输出和网络发布。

进一步的，所述三维模型管理模块：

将不同建模软件导出的BIM模型转换成Unity软件支持的.FBX格式；

对BIM模型坐标系进行坐标换算，建立BIM模型虚拟坐标系与测量现场真实坐标系的映射关系，精确计算BIM模型在WGS84大地坐标系下的位置、姿态和缩放系数；

进行基准点模型添加和控制点模型添加；

用于动态浏览三维模型内部结构。

进一步的，网形布设与优化模块中，对所述三维控制网中的控制点进行优化内容为：

控制点范围规划，使各控制点的有效观测范围有重叠区域；

控制点可视化分析功能，使控制点间能够相互通视。

本发明还公开了一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，包括如下步骤：

步骤1、运用三维模型管理模块，创建三维隧道模型；

步骤2、基于创建的三维隧道模型，通过网形布设与优化，建立三维隧道模型布设控制网，简称三维控制网；

步骤3、对所述步骤2建立的三维控制网进行网形精度评估，实现网形的优化设计。

进一步的，所述步骤1具体包括如下步骤：

1.1、导入BIM模型，将其转换成Unity软件支持的.FBX格式；

1.2、对BIM模型坐标系进行坐标换算；

1.3、建立BIM模型虚拟坐标系与测量现场真实坐标系的映射关系，精确计算BIM模型在WGS84大地坐标系下的位置、姿态和缩放系数；

1.4、添加基准点模型和控制点模型。

进一步的，述步骤2包括如下具体步骤：

2.1、网形仿真布设：所述网形仿真布设包括基准点布设与控制点布设；根据实际情况，采用自由设站法在三维模型上完成基准点和控制点的规划布设，建立三维控制网：

2.2、对建立的三维控制网的控制点进行优化；包括控制点范围规划和控制点可视化分析：所述控制点范围规划是指各控制点的有效观测范围应有重叠区域；所述控制点可视化分析是指控制点间应能够相互通视。

进一步的，网形仿真布设时，基准点和控制点布设的位置应符合点位布设的原则为：基准点应布设在远离变形区的稳定区域，控制点交错布置于隧道两侧，相邻的三维隧道控制点的水平距离为90m至120m。

进一步的，步骤3、网形精度评估的指标是，测量点的点位解算精度和整网解算精度是否满足给定的精度评价标准；

网形精度评估的评价方法如下：

3.1、对三维控制网测量数据仿真分析获取三维控制网中控制点的仿真测量值；所述仿真测量值，包括方位角、天顶距和斜距；

3.2、三维控制网平差解算；

采用以下步骤对仿真测量值进行改化：

3.2.1、设在控制点i使用测量机器人观测j点，则水平方向、斜距及天顶距的线性化后的误差方程为：

式中：

为控制点的i的近似坐标，/>

为点j的近似坐标；

δx_i，δy_i，δz_i和δx_j，δy_j，δz_j分别为i，j两点的坐标近似值改正数；

ρ为206265”，

为定向角近似值，δω_i为定向角近似值改正数；

为天顶距近似值，/>

为平距近似值，/>

为斜距近似值；

为方位角近似值，K为大气折光改正系数，R为地球平均曲率半径；

3.2.2、采取Helmet方差分量估计来进行定权：

将全站仪观测的水平方向观测值中误差m_L定为单位权中误差，即m₀＝m_L；那么水平方向、天顶距和斜距的初始权分别如下面所示：

采用下面的方差估算公式：

S·δ²＝W_δ

式中：

S_ii＝n_i-2tr(N^-1N_i)+tr(N^-1N_i)²，S_ij＝tr(N^-1N_iN^-1N_j)，(i≠j)

得到结果后，根据下面的公式进行定权：

其中，C为单位权方差；

通过最小二乘计算未知数的残差值：

δx＝(B^TPB)^-1B^TPL；

3.2.3、将测量点初始值加上位置参数残差值就可以得到测量点的解算真值；

3.3、精度评定：计算得到坐标协因数阵Q_xx＝(V^TPB)^-1和验后单位权中误差δ_o，得到测量点j在XYZ这三个坐标轴方向上不同的坐标中误差

以及及其点位中误差

3.4、三维控制网可视化：

对三维控制网进行动态可视化分析，根据评估计算的精度指标来动态调整网型结构，实现网形的优化设计。

进一步的，获取三维控制网中控制点的仿真测量值的步骤如下：

1)在隧道三维模型上布设控制点与测量点，生成理论真值；

2)对测量点的坐标不确定度进行分析，构建仿真测量值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)三维控制网的布设方法、数据获取方式和平差模型解决了传统布网方式中将空间的三维问题转化成平面位置的二维问题和高程位置的一维问题的技术缺陷，在实际工程应用中可以充分发挥测量机器人的作用，提高数据的功效和平差结果的质量。

2)使用三维隧道模型布设控制网表达更直观，能立体的呈现出隧道内的基础结构，还能以任意试图对隧道内结构进行查看，选择合适的位置布设控制点与测量点。

3)本发明基于隧道BIM模型构建的控制网设计仿真系统，并集成了控制网网型精度评估计算功能；在进行控制网仿真设计时，既顾及了隧道空间的三维狭长结构参数，还可以根据评估计算的精度指标来动态调整网型结构，可以动态调整网型结构，解决实际测量过程中因时间紧、任务重、高成本导致的难以二次返工临时调整控制网网形的问题，为实际施工应用提供指导。

附图说明

图1为本发明的地铁隧道监测三维控制网设计方法和仿真系统的组成示意图；

图2为三维视图浏览示意图；

图3为基准点与控制点布设示意图；

图4为网形布设与优化流程图；

图5为基于三维隧道模型布设的三维控制网布局图；

图6为三维控制网平差解算的流程图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。

如图1所示，一种地铁隧道监测三维控制网设计仿真系统，包括：S1三维模型管理模块、S2网形布设与优化模块、S3网形精度评估模块、S4数据管理模块四大模块；

S1、三维模型管理模块，用于创建隧道三维模型；

所述三维模型管理模块包括：

(1)、BIM模型数据预处理：可以将不同建模软件导出的BIM模型转换成Unity软件支持的.FBX格式。

(2)、BIM模型坐标转换：用于对BIM模型坐标系进行坐标换算，建立BIM模型虚拟坐标系与测量现场真实坐标系的映射关系，精确计算BIM模型在WGS84大地坐标系下的位置、姿态和缩放系数；

隧道测量三维控制网涉及的面积较小，一般隧道工程会建立一个独立的工程三维坐标系，因此需对BIM模型坐标系进行坐标换算，建立BIM模型虚拟坐标系与测量现场真实坐标系的映射关系，精确计算BIM模型在WGS84大地坐标系下的位置、姿态和缩放系数，消除模型变形，以实现三维模型和实地隧道的交互作用。

(3)、对象添加：包括基准点模型添加和控制点模型添加；

所述基准点模型、控制点模型均为标准构件族，具有几何形状的特征，不含有任何其他的属性信息，可以直接依附于隧道模型中的任何一个物体表面进行放置；

(4)、视图浏览：如图2所示，可以动态浏览三维模型内部结构，便于完成后续基准点的规划布设和控制点的优化布局。

S2、网形布设与优化模块，用于根据实际情况布设基准点与控制点，建立三维隧道模型布设控制网，简称三维控制网；并对三维控制网中的控制点进行优化；

所述网形布设与优化模块包括：

(1)、网形仿真布设，用于基准点布设与控制点布设；

(2)、控制点范围规划，用于对控制点进行优化，使各控制点的有效观测范围应有重叠区域；

(3)、控制点可视化分析，用于对控制点进行优化，使控制点间能够相互通视。

S3、精度评定模块，用于对所述三维控制网的测量精度进行评定，根据评定结果进行三维控制网进行动态可视化分析，实现三维控制网的优化设计；

S4、成果管理模块，用于数据存储、成果输出和网络发布。

所述成果管理模块包括：

(1)、数据存储功能：

主要对三维控制网中各流程计算的数据进行存储，完成软件系统与VisualStudio动态链接库的数据传输，为可视可测性分析和验后方差分量定权的平差程序实现提供数据基础

(2)、成果输出功能：用于平差报告的输出；

(3)、网络发布功能：用于将成果发布到信息化管理平台，在基于Unity的隧道监测信息化管理平台发布，成果在Web端可直接浏览。

本发明还提供了一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，所述仿真设计方法基于所述地铁隧道监测三维控制网仿真设计系统，所述仿真设计方法包括如下步骤：

步骤1、运用三维模型管理模块，创建三维隧道模型；

1.1、导入BIM模型，将其转换成Unity软件支持的.FBX格式；

1.2、对BIM模型坐标系进行坐标换算；

1.3、建立BIM模型虚拟坐标系与测量现场真实坐标系的映射关系，精确计算BIM模型在WGS84大地坐标系下的位置、姿态和缩放系数；

1.4、添加基准点模型和控制点模型；

步骤2、基于创建的三维隧道模型，通过网形布设与优化，建立三维隧道模型布设控制网，简称三维控制网；

2.1、网形仿真布设：如图3-4所示，根据实际情况，采用自由设站法在三维模型上完成基准点和控制点的规划布设，建立三维控制网：

网形仿真布设包括基准点布设与控制点布设；所述三维隧道模型能立体的表达隧道的各个结构，技术人员可以通过浏览三维隧道模型，根据实际情况在三维隧道模型上采用自由设站法布设基准点和控制点，可实现地下隧道的可视化、可透明化。

基准点和控制点布设的位置应符合点位布设的原则：基准点应布设在远离变形区的稳定区域，控制点交错布置于隧道两侧，相邻的三维隧道控制点的水平距离为90m至120m；

2.2、对建立的三维控制网的控制点进行优化；

2.2.1、控制点范围规划：

三维控制网的覆盖区域与控制点的有效观测范围相关，各控制点的有效观测范围应有重叠区域并在隧道交通线路上的长度向线路方向前后各延伸50米的原则确定监测范围，延伸区域按5环1个断面布设，每个断面布设6个监测点，即在轨道的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置布设两个水平位移监测点，隧道拱顶布设两个拱顶沉降监测点；

2.2.2、控制点可视化分析：测量机器人属于光学测量系统，控制点间应能够相互通视；

步骤3、对所述步骤2建立的三维控制网进行网形精度评估；

三维控制网的测量精度，主要取决于测量点的点位解算精度和整网解算精度是否满足给定的精度评价标准；在网络布设过程中，控制点到基准点的仿真观测值是网络布设可靠性的重要评价指标之一；

网形精度评估，包括如下步骤：

3.1、对三维控制网测量数据仿真分析获取三维控制网中控制点的仿真测量值，步骤如下：

1)在隧道三维模型上布设控制点与测量点，生成理论真值；

2)对测量点的坐标不确定度进行分析，构建仿真测量值；

所述坐标不确定度考虑了环境因素对测量精度的影响，基于测量误差(仪器制造和测量环境)的坐标不确定度评价模型，对实际测量中所使用的测量设备的不确定度进行分析，通过两个已知坐标推算出两个坐标之间的观测值(即仿真测量值)。如图5所示，获取三维控制网中控制点的仿真测量值；所述仿真测量值为方位角测量值、天顶距测量值、斜距测量值；

将仿真测量值的解算误差与实测结果的解算误差相比较，验证坐标不确定度估计方法的可靠；

3.2、三维控制网平差解算：如图6所示，采用以下步骤对仿真测量值进行改化：

3.2.1、设在控制点i使用测量机器人观测j点，则水平方向、斜距及天顶距的线性化后的误差方程为：

式中：

为控制点的i的近似坐标，/>

为点j的近似坐标；

δx_i，δy_i，δz_i和δx_j，δy_j，δz_j分别为i，j两点的坐标近似值改正数；

ρ为206265”，

为定向角近似值，δω_i为定向角近似值改正数；

为天顶距近似值，/>

为平距近似值，/>

为斜距近似值；

为方位角近似值，K为大气折光改正系数，R为地球平均曲率半径；

3.2.2、采取Helmet方差分量估计来进行定权：

将全站仪观测的水平方向观测值中误差m_L定为单位权中误差，即m₀＝m_L。那么水平方向、天顶距和斜距的初始权分别如下面所示：

采用下面的方差估算公式：

S·δ²＝W_δ

式中：

S_ii＝n_i-2tr(N^-1N_i)+tr(N^-1N_i)²，S_ij＝tr(N^-1N_iN^-1N_j)，(i≠j)

得到结果后，根据下面的公式进行定权：

其中，C为单位权方差；

通过最小二乘计算未知数的残差值：

δx＝(B^TPB)^-1B^TPL

3.2.3、将测量点初始值加上位置参数残差值就可以得到测量点的解算真值；

3.3、精度评定：可以计算得到坐标协因数阵Q_xx＝(B^TPB)^-1和验后单位权中误差δ_o，得到测量点j在XYZ这三个坐标轴方向上不同的坐标中误差

以及及其点位中误差/>

3.4、三维控制网可视化：对三维控制网进行动态可视化分析，根据评估计算的精度指标来动态调整网型结构，实现网形的优化设计。

本发明基于隧道BIM模型构建的控制网设计仿真系统，并集成了控制网网型精度评估计算功能；在进行控制网仿真设计时，既顾及了隧道空间的三维狭长结构参数，还可以根据评估计算的精度指标来动态调整网型结构，解决实际测量过程中因时间紧、任务重、高成本导致的难以二次返工临时调整控制网网形的问题，以实现控制网网型结构的最优化设计。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，所述仿真设计方法基于地铁隧道监测三维控制网仿真设计系统建立，其特征在于，

所述地铁隧道监测三维控制网仿真设计系统，包括S1三维模型管理模块、S2网形布设与优化模块、S3网形精度评估模块、S4数据管理模块四大模块；

所述仿真设计方法包括如下步骤：

步骤1、运用三维模型管理模块，创建三维隧道模型；

步骤2、基于创建的三维隧道模型，通过网形布设与优化，建立三维隧道模型布设控制网，简称三维控制网；

步骤3、对所述步骤2建立的三维控制网进行网形精度评估，实现网形的优化设计；

所述步骤3中，网形精度评估的指标是指，测量点的点位解算精度和整网解算精度是否满足给定的精度评价标准；

网形精度评估的评价方法如下：

3.1、对三维控制网测量数据仿真分析获取三维控制网中控制点的仿真测量值；所述仿真测量值，包括方位角、天顶距和斜距；

3.2、三维控制网平差解算；采用以下步骤对仿真测量值进行改化：

3.2.1、设在控制点i使用测量机器人观测j点，则水平方向、斜距及天顶距的线性化后的误差方程为：

式中：

为控制点的i的近似坐标，/>

为点j的近似坐标；

δx_i,δy_i,δz_i和δx_j,δy_j,δz_j分别为i，j两点的坐标近似值改正数；

ρ为206265”，

为定向角近似值，δω_i为定向角近似值改正数；

为天顶距近似值，/>

为平距近似值，/>

为斜距近似值；

为方位角近似值，K为大气折光改正系数，R为地球平均曲率半径；

3.2.2、采取Helmet方差分量估计来进行定权：

将全站仪观测的水平方向观测值中误差m_L定为单位权中误差，即m₀＝m_L；那么水平方向、天顶距和斜距的初始权分别如下面所示：

采用下面的方差估算公式：

S·δ²＝W_δ

式中：

S_ii＝n_i-2tr(N^-1N_i)+tr(N^-1N_i)²，S_ij＝tr(N^-1N_iN^-1N_j),(i≠j)

得到结果后，根据下面的公式进行定权：

其中，C为单位权方差；

通过最小二乘计算未知数的残差值：

δx＝(B^TPB)^-1B^TPL；

3.2.3、将测量点初始值加上位置参数残差值就可以得到测量点的解算真值；

3.3、精度评定：计算得到坐标协因数阵Q_xx＝(B^TPB)^-1和验后单位权中误差δ_o，得到测量点j在XYZ这三个坐标轴方向上不同的坐标中误差

以及及其点位中误差/>

3.4、三维控制网可视化：

对三维控制网进行动态可视化分析，根据评估计算的精度指标来动态调整网型结构，实现网形的优化设计。

2.根据权利要求1所述的一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下步骤：

1.1、导入BIM模型，将其转换成Unity软件支持的.FBX格式；

1.2、对BIM模型坐标系进行坐标换算；

1.3、建立BIM模型虚拟坐标系与测量现场真实坐标系的映射关系，精确计算BIM模型在WGS84大地坐标系下的位置、姿态和缩放系数；

1.4、添加基准点模型和控制点模型。

3.根据权利要求2所述的一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：

2.1、网形仿真布设：所述网形仿真布设包括基准点布设与控制点布设；根据实际情况，采用自由设站法在三维模型上完成基准点和控制点的规划布设，建立三维控制网：

2.2、对建立的三维控制网的控制点进行优化；包括控制点范围规划和控制点可视化分析：所述控制点范围规划是指各控制点的有效观测范围应有重叠区域；所述控制点可视化分析是指控制点间应能够相互通视。

4.根据权利要求3所述的一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，其特征在于，网形仿真布设时，基准点和控制点布设的位置应符合点位布设的原则为：基准点应布设在远离变形区的稳定区域，控制点交错布置于隧道两侧，相邻的三维隧道控制点的水平距离为90m至120m。

5.根据权利要求1所述的一种地铁隧道监测三维控制网仿真设计方法，其特征在于，所述3.1中，获取三维控制网中控制点的仿真测量值的步骤如下：

1)在隧道三维模型上布设控制点与测量点，生成理论真值；

2)对测量点的坐标不确定度进行分析，构建仿真测量值。

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