一種高精度地形測量系統的製作方法

2023-06-02 18:54:36 1

一種高精度地形測量系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高精度地形測量系統，該系統包括：測量軌道、水平測橋、測架、捲尺以及雷射測距儀；其中，所述測量軌道設置在河工模型的兩側，設置方向與河道走向一致；所述水平測橋架設在所述測量軌道上；所述水平測橋的一個側面上設有捲尺，所述水平測橋上還設有測架，該測架上固定設置一雷射測距儀。通過採用本實用新型公開的系統，提高了測量效率與測量精度，且成本較低。
【專利說明】-種局精度地形測量系統

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及水利工程【技術領域】，尤其涉及一種高精度地形測量系統。

【背景技術】
[0002] 河工模型是用於研究河流由於水流、泥沙、邊界等條件改變而引起河床的地形變 化的模型。模型通過相似性原理將天然河流按一定比例縮小製作而成,在試驗過程中，地形 參數在研究河床衝刷及遊積問題中的重要參數，用於表達河床的衝?於變形和河勢演變。因 此，河道衝淤變化是動床河工模型試驗的主要內容，實驗要求地形量測儀器能夠快速、準確 地完成模型地形的測量。測量地形的儀器在使用方便的基礎上，應儘可能提高模型測量的 精度和效率。
[0003] 雷射測距儀是利用雷射對目標的距離進行準確測定（又稱雷射測距）的儀器。激 光測距儀在工作時向目標射出一束很細的雷射，由光電元件接收目標反射的雷射束，計時 器測定雷射束從發射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。雷射測距儀由於雷射 的單色性好、方向性強等特點，加上電子線路半導體化集成化，與光電測距儀相比，不僅可 以日夜作業、而且能提高測距精度，顯著減少重量和功耗。雷射測距儀精度可達到1mm，適合 各種高精度測量用途。
[0004] 傳統的測量方法為測針或鋼尺測量法，以及釆用經緯儀和水準儀的地形測量方 法。隨著雷射技術、超聲波技術、光學技術、計算機技術以及圖像處理技術等先進技術的發 展，又逐漸發展了光電反射式地形儀、電阻式地形儀、跟蹤地形儀、超聲地形儀、雷射掃描儀 等儀器以及近景攝影測量等新技術測量方法。河工模型地形測量技術也從單一的人工測量 向自動測量、從接觸式測量向非接觸式測量、從單點向多點測量發展。
[0005] 但是，傳統的測量方法為接觸式測量，受人為誤差影響，測量效率低，需停水後測 量。
[0006] 另外，上述新技術測量方法相較傳統的測量方法在精度測量精度或可靠性上有一 定的提升，但是，受到計算機採集缺點的限制，普遍存在測量成果需將電流信號轉換成數字 信號的影響，對水體含沙、電路中的電流波動和外界因素（如溫度、溼度）等因素的影響大， 且造價高，安裝調試麻煩，維護保養需專業人員操作，搬運移動不方便。 實用新型內容
[0007] 本實用新型的目的是提供一種高精度地形測量系統，提高了測量效率與測量精 度，且成本較低。
[0008] 本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的：
[0009] 一種高精度地形測量系統，該系統包括：測量軌道、水平測橋、測架、捲尺以及雷射 測距儀；
[0010] 其中，所述測量軌道設置在河工模型的兩側，設置方向與河道走向一致；所述水平 測橋架設在所述測量軌道上；所述水平測橋的一個側面上設有捲尺，所述水平測橋上還設 有測架，該測架上固定設置一雷射測距儀。
[0011]由上述本實用新型提供的技術方案可以看出，該系統結合了傳統測針、鋼尺測量 設備簡便易用的優點和雷射測量技術快捷、數位化的優點；具體來說，相對傳統的測針測 量，由於採用的是非接觸式測量，對模型地形不會產生擾動與破壞，防止測量中測針破壞床 面地形，有效避免了人為操作問題（如測針插入泥面過深或未接觸到泥面）等因素帶來的 測裡"^差，儀器米用數字顯不屏直接輸出距尚，大大提高了地形參數的讀取效率，避免人員 因素帶來的讀數錯誤，提高了模型試驗地形參數的測量工作效率和精度，節約了人工成本； 相對新技術測量方法而言，具有成本低廉、使用方便、結構輕巧、受外界因素幹擾小、維護保 養便利等優點，而且雷射發射的測量點是可視的，測量方式直觀可信，不會漏測河工模型中 地形變化劇烈的部位（如河灘與河槽的分界點）。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要 使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施 例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖 獲得其他附圖。
[0013]圖1為本實用新型實施例提供的一種高精度地形測量系統的示意圖；
[0014]圖2為本實用新型實施例提供的一種測架基座的示意圖；
[0015]圖3為本實用新型實施例提供的一種雷射測距儀固定與限位部件的示意圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清 楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實 施例。基於本實用新型的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲 得的所有其他實施例，都屬於本實用新型的保護範圍。
[0017] 實施例
[0018] 圖1為本實用新型實施例提供的一種高精度地形測量系統的示意圖。如圖1所示， 該系統主要包括：
[0019] 測量軌道11、水平測橋12、測架13、捲尺14以及雷射測距儀15 ;
[0020] 其中，所述測量軌道11設置在河工模型的兩側，設置方向與河道走向一致；所述 水平測橋12架設在所述測量軌道11上；所述水平測橋12的一個側面上設有捲尺14,所述 水平測橋12上還設有測架13,該測架13上固定設置一雷射測距儀15。
[0021] 進一步的，所述測架13包括：測架基座、雷射測距儀固定與限位部件、水平測橋限 位部件；
[0022] 其中，所述測架基座的上部固定設置雷射測距儀固定與限位部件，下部固定設置 水平測橋限位部件。
[0023] 進一步的，所述雷射測距儀固定與限位部件包括：底部固定片、垂直固定片、側向 限位片；
[0024] 所述底部固定片通過固定螺絲固定在所述測架基座上；所述垂直固定片上設有一 固定安裝所述雷射測距儀固定螺栓的通孔；所述側向限位片設於所述垂直固定片的一側。
[0025] 進一步的，所述水平測橋限位部件由兩塊限位部件組成，其間距為所述水平測橋 的寬度。
[0026] 進一步的，該系統還包括：
[0027] 基準校驗部件16,該基準校驗部件上設有基準校驗點；所述基準校驗部件設置在 所述測量軌道附近的定床上或高程固定不變的區域。
[0028] 另外，圖1中附圖標記16表示測量軌道11上的基點支架，附圖標記17表示河工 模型定床，附圖標記18表示斷面。
[0029] 以上為本實用新型所提供的高精度地形測量系統的主要組成結構，為便於理解， 下面對每一部件進行詳細的介紹說明。
[0030] 1、測量軌道。
[0031] 河工模型為測量方便，常在模型研究範圍的河道兩側設置高程相同的測量軌道， 用於放置水平測橋。軌道方向大多與河道走向一致，垂直與河道橫斷面。
[0032] 2、水平測橋。
[0033] 水平測橋移動架設在所述測量軌道上，為保證方柱的強度和抗剪應力、承載強度 足夠，也有採用多根柱材鉚固成一根的作法。材料選擇上，可以是鋼、鋁等金屬，為保證其移 動輕便，以質量較輕、材料鋼度強的鋁合金為優。
[0034] 在測橋的長方向上貼有經計量認證的鋼捲尺，用以測量水平方向的位移。鋼尺的 位置應低於測架的最低點，防止在測量時測架對鋼捲尺磨損。鋼捲尺外面覆蓋有透明膠帶， 保持鋼捲尺順直狀態，保護捲尺不粘上汙物和字跡不被磨損。
[0035] 3、測架。
[0036] 該測架移動設置在所述水平側橋的上方；其主要由三個部分組成，分別為測架基 座、雷射測距儀固定與限位部件、水平測橋限位部件。
[0037] 如圖2所示，所述測架基座21的上部通過固定孔22固定雷射測距儀固定與限位 部件22,下部通過固定孔23(共8個）固定設置水平測橋限位部件24。所述測架基座的尺 寸大小可根據所需固定的測量儀器和水平測橋截面的具體尺寸進行合理的調整；其材料可 以是有機玻璃，也可以選擇塑料板、鋼板等其它材料；考慮加工方便、日常使用輕便、基座不 易變形、維護簡易等方面的問題，宜採用有機玻璃或厚塑料板。
[0038]如圖3所示，雷射測距儀固定與限位部件由兩個L形的直角鋼構件組成，構成一個 由兩個直角形組成的三維形狀。該部件的主要作用為固定手持式雷射測距儀，從上下前後 左右六個方向固定住儀器，使固定的雷射測距儀器設備不發生位移或旋轉，主要包括底部 固定片31、垂直固定片32與側向限位片33。材料選擇以加工方便為原則，可選用鋼或鋁合 金材料。
[0039]底部固定片31與測架基座相連，使用螺絲穿過三個鑽孔311與測架基座（圖2的 固定孔22)連接在一起。手持雷射測距儀背面設置有通用i/4英寸連接螺母用於固定機 器，與底部固定片31相連的垂直固定片 32也開有一個穿孔321，用來安裝測距儀的固定螺 栓組，精密加工時垂直片開孔可以開成1/4英寸螺絲孔，直接用螺栓將測距儀與垂直片固 定在一起。不同款式的手持式雷射測距儀的固定螺孔位置不同，垂直片的開孔位置要與激 光測距儀匹配。側向限位片的作用是限制雷射測距儀發生側向的移動和儀器旋轉，保證儀 器維持在垂直狀態。上述三個小部件的尺寸可根據實際需求進行設定。
[0040] 測架基座底部安裝的水平測橋限位部件，主要作用是控制測架沿水平測橋方向移 動，保證測量時測架只能沿橫斷面方向平面移動，並限制垂直於的橫斷面方向的平面位移。 限位部件由兩塊限位部件組成，與基座的長邊方向平行。兩塊限位部件內側的間距與測橋 截面寬度一致，這樣能夠保證測架能穩定地放在水平測橋上，且順著測橋移動時不產生垂 向位移。為保證測架的重心穩定，限位部件一般採用略重的鋼鐵，截面形式與所用材料有 關，可以是方形鋼管，也可以是槽鋼或角鐵。
[0041] 4、雷射測距儀。
[0042] 本實用新型實施例中，雷射測距儀可以為手持式雷射測距儀。手持式雷射測距儀 是利用雷射對目標的距離進行準確測定的儀器。雷射測距儀在工作時向目標射出一束很細 的雷射，由光電元件接收目標反射的雷射束，計時器測定雷射束從發射到接收的時間，計算 出從觀測者到目標的距離。
[0043] 雷射測距是光波測距中的一種測距方式，如果光以速度C在空氣中傳播在A、B兩 點間往返一次所需時間為T，則A、B兩點間距離D可用下列表示：
[0044] D = CT/2
[0045] 式中，D為測站點A、B兩點間距離，C為光的速度，T為光往返A、B -次所需的時 間。
[0046] 由上式可知，要測量A、B距離實際上是要測量光傳播的時間T。
[0047] 根據測量時間方法的不同，雷射測距儀通常可分為脈衝式和相位式兩種測量形 式。手持式雷射測距儀採用相位式，其測相併不是測量紅外或者雷射的相位，而是測量調製 在紅外或者雷射上面的信號相位，因而，其測量精度遠高於脈衝式測量。
[0048] 5、基準校驗部件。
[0049] 該基準校驗部件上設有基準校驗點；所述基準校驗部件設置在所述測量軌道附近 的定床上或高程固定不變的區域，用於換算和校核測量的地形數據。基準校驗點的高程採 用水準儀或經緯儀測量得到，平面位置坐標可以通過模型邊牆點或模型內已知基準點的坐 標換算得到。
[0050] 以上為每一部件進行詳細的說明，下面簡述測量工作的相關方法。
[0051] 測量準備：需要在預設好的橫斷面位置的軌道上放置水平測橋，再在水平測橋上 放上雷射測距儀的測架。調整水平測橋的位置，使雷射測距儀的點正好通過需要測量的斷 面。
[0052] 基準校驗點和斷面的測量：將測架在水平測橋上移動至需要測量的地形點或基準 校驗點，在鋼捲尺上讀出水平距離讀數，使用雷射測距儀讀出垂直距離的讀數，並記錄在記 錄紙上。
[0053] 地形高程轉換算法：模型測量記錄的原始數據為相對的水平距離和垂直距離，因 此需要對地形數據進行轉換。假設左右兩側的基點水平距離分別為隊和D K，垂直距離分別 為扎和Hr，基點高程分別為&和Βκ，斷面點的水平距離為D m和Hm，則斷面點的地形高程Bm 可按下式計算：
[0054] m 二.Β?Λ.孤η. - -? ~~z^rCAi ^/.) 1 * - "/.) _
[0055] 其中，λ Η為河工模型的垂直比尺。各參數中，通過測橋上的鋼捲尺測讀的參數為 水平距離，包括左右基點的水平距離隊和DK、斷面點的水平距離DM ;由雷射測距儀測得參數 為垂直距離，包括左右基點的垂直距離&和Ηκ、斷面點的水平距離H M ;基點高程比和BR由 水準儀測得。 t〇〇56] 測架安裝與維護：雷射測距儀的安裝方法簡單，安裝時使用水準尺校正，使儀器保 持垂直。需要更換測距儀時，只需卸下雷射測距儀的垂直固定螺栓組件。雷射測距儀固定 與限位部件的設計高度低於測距儀的長度，固定部件不影響測距儀的電池更換。 t〇〇57] 另一方面，通過實驗驗證了本實用新型技術方案的測量效率。本次實驗中，由同一 測量人員對統一斷面地形進行測量；使用本實用新型的方案和傳統方法所花測量時間分別 為 7分鐘和1S分鐘，可見本實用新型方案的測量速度可達到傳統測針測量方法的2?3倍。 [0058] 本實用新型實施例中所提供的高精度地形測量系統結合了傳統測針、鋼尺測量設 備簡便易用的優點和雷射測量技術快捷、數位化的優點；具體來說，相對傳統的測針測量， 由於採用的是非接觸式測量，對模型地形不會產生擾動與破壞，防止測量中測針破壞床面 地形，有效避免了人為操作問題（如測針插入泥面過深或未接觸到泥面）等因素帶來的測 量誤差，儀器採用數字顯示屏直接輸出距離，大大提高了地形參數的讀取效率，避免人員因 素帶來的讀數錯誤，提高了模型試驗地形參數的測量工作效率和精度，節約了人工成本；相 對新技術測量方法而言，具有成本低廉、使用方便、結構輕巧、受外界因素幹擾小、維護保養 便利等優點，而且雷射發射的測量點是可視的，測量方式直觀可信，不會漏測河工模型中地 形變化劇烈的部位（如河灘與河槽的分界點）。
[0059]所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，僅以上述各功能 模塊的劃分進行舉例說明，實際應用中，可以根據需要而將上述功能分配由不同的功能模 塊完成，即將裝置的內部結構劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功 能。
[0060]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不 局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型披露的技術範圍內，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該 以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1. 一種高精度地形測量系統，其特徵在於，該系統包括：測量軌道、水平測橋、測架、卷 尺以及雷射測距儀； 其中，所述測量軌道設置在河工模型的兩側，設置方向與河道走向一致；所述水平測橋 架設在所述測量軌道上；所述水平測橋的一個側面上設有捲尺，所述水平測橋上還設有測 架，該測架上固定設置一雷射測距儀。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述測架包括：測架基座、雷射測距儀固 定與限位部件、水平測橋限位部件； 其中，所述測架基座的上部固定設置雷射測距儀固定與限位部件，下部固定設置水平 測橋限位部件。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述雷射測距儀固定與限位部件包括：底 部固定片、垂直固定片、側向限位片； 所述底部固定片通過固定螺絲固定在所述測架基座上；所述垂直固定片上設有一固定 安裝所述雷射測距儀固定螺栓的通孔；所述側向限位片設於所述垂直固定片的一側。
4. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述水平測橋限位部件由兩塊限位部件 組成，其間距為所述水平測橋的寬度。
5. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該系統還包括： 基準校驗部件，該基準校驗部件上設有基準校驗點；所述基準校驗部件設置在所述測 量軌道附近的定床上或高程固定不變的區域。
【文檔編號】G01C7/02GK204085505SQ201420503633
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月2日 優先權日:2014年9月2日
【發明者】胡健, 曹文洪, 戴清, 史紅玲, 田慶奇 申請人:中國水利水電科學研究院