[发明专利]单向精密测距三角高程测量方法

权利要求书

1.单向精密测距三角高程测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：布设基准点及待测点

本步骤包括如下具体步骤：

1).首先根据工程需求布设待测点，即布设观测目标点；在待测点确定的基础上开展基准点的布设，包括用于对待测点直接观测的基准点的布设以及用于测定实时大气垂直折光系数的基准方向点的布设；

2).确保基准点在基准点的一个复测周期内不发生显著变形，这里采用t检验法对各基准点进行位移显著性检验以确定是否发生显著变形；

3).所布设的基准方向，应与待测方向视线所穿越的地形结构及朝向情况接近，确保两者近地气层结构相似，其中基准方向指由基准点至基准方向点所确定的方向，待测方向指由基准点至待测点所确定的方向；

4).如果滑坡体周边没有满足步骤2)和步骤3)要求的基准点，则在异地独立建造辅助基准点与基准方向，要求异地所建的辅助基准点与基准方向应与基准点至待测点方向视线所穿越的地形结构及朝向一致，确保两地地形及朝向一致，光照条件一致；

步骤2：获取基准点及待测点高程

基准点、待测点布设完成后，联测基准点及待测点已知高程，采用水准或者精密测距三角高程测量的方式联测，基准点高程要准确测定，测量精度高于待测点一个等级；待测点初始高程精度需高于设计的精度要求，对于部分获取待测点精确高程存在困难的项目，则采用单向测距三角高程测量结果，每次反演大气垂直折光系数所采用的基准高程应一致；

步骤3：获取样本数据用于确定基准方向与待测方向大气垂直折光系数相关关系

取多个环境下的测距三角高程测量样本数据来建立基准方向与待测方向的相关关系；通过连续观测基准点及待测点方向测距三角高程数据，利用步骤2所获取的高程数据，同步计算出持续的折光系数；通过对折光系数的统计、降噪处理，建立基准方向与待测方向的相关关系；观测时间避开阴天，以保证复杂的温度梯度变化，确保在这个观测条件下获取日常观测需要的参数，采用等步长观测，在大气变换剧烈的情况下加密观测；

对于步骤2中提出的待测点采用单向测距三角高程的情况，需保证在数据采集的起、止时间段内待测点不会发生显著变形，对于发生变形的点位，可通过在起、止时间分别观测高程，按照时间内插各个时刻待测点高程；

对于拥有多期测距三角高程测量数据的项目，直接对这些数据进行精度及可靠性检验后，作为样本数据进行计算分析；

无论是何种方式获取的测距三角高程测量样本数据，均需要保证每组所采集的基准方向与待测方向测距三角高程测量数据在时间上一一对应；

步骤4：确定各观测方向大气垂直折光系数

依据步骤2所提供的基准点及待测点高程值，以及步骤3得到的测距三角高程测量样本数据，按照如下公式求解各组基准方向及待测方向大气垂直折光系数k值，其中，各组基准方向含辅助基准方向：

k值计算公式如下：

k＝1-[(h-S_斜×Sinα-I+L)2R/(S_斜×cosα)²] (2)

上式中：h为已知高差值，S_斜为斜距，α为垂直角，I为仪器高,L为标高,R为参考椭球曲率半径；

对所计算的大气垂直折光系数采用小波进行降噪处理，或者在回归方程参数估计过程中采用整体最小二乘方法进行参数估计，大气垂直折光系数方差m_k²估算公式如下：

公式中m_h²、m_s²、m_a²、m_I²、m_L²分别为对应的高差h、斜距S_斜、垂直角α、仪器高I、标高L的方差；

用待测点连续观测进行计算时，短期内变形点如果发生变形，则在观测起、止时间分别测定待测点高程，通过时间内插求出指定时刻的变形点高程；

步骤5：确定基准方向与待测方向大气垂直折光系数的相关关系及折光系数方差估计在步骤4确定的大气垂直折光系数k及其方差基础上，建立起基准方向与待测方向大气垂直折光系数的相关关系模型；两者相关性建立有两种方法：

方法一：利用回归方程建立基准方向与各个待测方向相关关系；

方法二：结合当地近地气层温度梯度分布特点，以方位、高度角要素确定任意方向待测点大气垂直折光系数计算模型；

基于步骤4所计算的大气垂直折光系数k，利用回归方程建立基准方向与各个待测方向的相关关系；首先通过绘制散点图，确定回归方程选配线型，然后分析基准方向与各个待测方向大气垂直折光系数的相关性，根据项目精度要求进行相关性满足要求的待测方向筛选，筛选的原则是精度要求越高则对相关性要求越高；通过相关性检验后，建立基准方向与各个待测方向折光系数的回归方程，并进行回归方程参数的计算及折光系数方差的估算；

如果观测点较多，不便于逐点确定，则按照方法二，以方位、高度角要素确定任意方向待测点大气垂直折光系数计算模型；

步骤6：单向测距三角高程的确定

步骤5确定出了基准方向与待测方向的相关关系，每次测量过程中按照公式(2)确定基准方向大气垂直折光系数，为了表示区别，不含辅助基准方向的基准方向折光系数采用KH表示：

KH_i＝1-[(h_H-S_斜×Sinα-I+L)2R/(S_斜×cosα)²] (14)

每次监测过程中，通过观测出测站点至基准点的高差h_H、斜距S_斜、垂直角α，仪器高I和标高L，计算出大气垂直折光系数；

将计算出的系数KH_i代入下式：

KB_i＝a+bKH_i (15)

每次测量过程中，通过测出KH_i，就可以求出KB_i，将KB_i代入下式，确定出各个方向的修正后三角高差值：

h_i＝S_斜×Sinα_i+I_i-L_i+(1-KB_i)×(S_斜×Cosα_i)²/2R (16)

步骤7：单向测距三角高程网的确权及平差

通过两个或者多个测站对待测点进行测量，能够形成附合或者闭合路线，则依据高程闭合差进一步修正大气垂直折光系数；计算过程如下：

设测量两个基准点至待测点B1的高差分别为h₁和h₂，两个基准点高程为H₁和H₂，则存在如下关系：

ω＝H₁+h₁-h₂-H₂ (17)

式中的ω就是闭合差，理论上ω＝0，然后将ω按照距离确权分配到高差h₁和h₂上，再将这个数值再代回式(2)进行k值迭代计算；

然后建立高差观测值间接平差模型，确定各个高差的最优估计值，模型如下：

V为高差观测值改正数；B为平差模型的系数矩阵；为高程未知参数；-f为平差模型的常数项；由此模型确定高程参数

其中高程平差按照测距三角高程方差进行确权。