基于激光测距仪测量坡度方法的改进

2014-10-18赵振宇徐玉清周新建沈晓强

无线电工程 2014年8期

赵振宇，徐玉清，周新建，沈晓强

(总装工程兵科研一所，江苏无锡 214035)

0 引言

在地面工程坡度测量中，如果能查阅到相关地形地图，可以采用地图上的坡度尺，它是根据地形图上等高线的平距，确定相应的地面坡度或其逆过程的一种图解曲线尺［1，2］。如果没有相关地形地图可供查询，目前一种较快捷的测量方式是利用激光测距仪进行测量［3－5］，通过视频观测，利用测距瞄准被测量坡面的上沿和下沿进行测距(上下沿连接线与坡面斜度一致)，读取所获取的两次测距信息以及相应云台倾角数值，利用坡度测量软件计算得到坡度值［6，7］。但在实际测量中，找准与坡面斜度相同的倾斜线难度较大，从而导致测量误差较大，不能满足地面工程坡度测量误差≤1°的要求［8－10］。基于此，本文分析了激光测距仪测量坡度时存在的问题，阐释了其测量坡度的原理，并结合在标准坡面上多次实测的结果，提出了改进的方法。

1 激光测距仪测量坡度时的问题

为了叙述简单，本文基于测量标准坡展开描述。如图1所示，激光测量仪位于O点，对标准坡面KLMN进行测量(线AB与水平面的夹角值)，分别在O点测量距离坡面上点A和点B的距离OA和OB，并读取∠AOB的值，通过软件计算出∠ABP，即标准坡面KLMN的坡度值。但在测量时，由于人为操作时的偏差，在读取A点后，选取下坡面上的点时可能会选成点C、点D或者点E，从而导致算取的坡度值不准确。经在标准坡面上进行多次实测得知:只有当按照与坡面斜度相同的倾斜线进行测量时，角度值才是最小的，也是最接近坡度值的，相反，测得的角度值都比实际的坡度值要大［11，12］。

图1 激光测距仪测量坡度示意

2 激光测距仪测量坡度的原理

激光测距仪进行坡度测量的原理如图2所示，其为图1的部分截图，激光测距仪位于O点，分别测量出OA和OB的距离为a和b，∠AOB的值为α，坡度值为β，则由正余弦定理可得［13］:

将式(1)和式(2)迭代，得到式(3):

通过激光测距仪测得a、b和夹角α，则在式(3)中，只有斜面坡度β一个未知参数，通过软件编程即可求得坡度β的值。

图2 激光测距仪测量坡度原理

3 基于最小值平均的改进方法

针对激光测距仪测量坡度的原理，结合在标准坡面上多次实测的结果:只有当按照与坡面斜度相同的倾斜线进行测量时，测得角度值才是最小的，也是最接近坡度值的，相反，测得的角度值都比实际的坡度值要大;同时考虑在实际测量中，找准与坡面斜度相同的倾斜线难度较大等因素，本文提出了基于最小值平均的测量改进方法。

在进行坡度测量时，应按照以下步骤进行:

①使激光测距仪正对着要测量的坡面;

②在坡面上部选取一个点作为基准点A，在坡面下部、点A在坡面上的投影线附近选取3～5个点进行测量;

③利用坡度测量软件依次计算出对应的角度值，选择角度最小值min(βi)对应的点，记为点B;

④再在点B附近选取3～5个点，仍以点A作为基准点，重复步骤③，得到第一次测量的坡度值;

⑤移动激光测距仪的位置，重复步骤①～步骤④;进行多次测量后取均值E(β)即为坡度值。

其中，步骤①～步骤④是在测量位置点逐步修正寻找与坡面斜度相同倾斜线的过程，步骤⑤是考虑不同测量位置因素进行进一步修正的过程。

4 测量结果分析

将软件按照基于最小值平均的测量方法改进后，利用激光测距仪，分别针对坡度为20°、25°和30°标准坡，在距离斜坡100 m的位置进行测量，记录坡度测量值，计算测量误差。

测量结果分别如图3、图4和图5所示。其中，对每个标准坡在4个不同位置进行测量，在每个位置点测量时采用改进方法中的步骤①～步骤④，得到各次测量结果，再将4次测量结果取平均作为最终测量结果，对应改进方法步骤⑤。由图可以看出，在各个位置点测量时由于采取了多点逐步修正的方法，测量误差已经较小，再将不同测量位置因素考虑在内进行平均后，得到的最终测量结果与实际坡度值就很接近了，测量坡度误差≤1°。