一种井下测点坐标测量方法

摘要

本发明提供一种井下测点坐标测量方法，其包括以下步骤：基于控制点与目标测点之间的巷道分布情况，获取测站个数和控制点坐标参数；根据控制点坐标参数，基于测站坐标求解算法，获取每一个测站的三维坐标，以得到目标测点的三维坐标。本发明提供了一种携带方便、操作简单、且测量精准的井下测点坐标测量方法，以解决现有井下坐标测量过程中所存在的测量仪器操作复杂、便携性较差且测量不准确等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及井下勘测技术领域，更具体地，涉及一种井下测点坐标测量方法。

背景技术

在矿山建设和采矿过程中，为矿山的规划设计、勘探建设、生产和运营管理以及矿山报废等进行的测绘工作，是矿山建设时期和生产时期的重要一环。由于矿山测量工作涉及地面和井下，不但要为矿山生产建设服务，也要为安全生产提供信息，以供领导对安全生产做出决策。

目前矿山测量主要使用的仪器有全站仪、经纬仪、水准仪和陀螺仪等。其中以全站仪使用最广泛。全站仪，是一种集光、机、电为一体的高技术测量设备，具有角度测量、距离(斜距、平距、高差)测量、三维坐标测、导线测量和放样测量等功能。

如，全站仪在井下进行测量坐标的方法过程为：1)架设仪器，对中、调平；2)输入测站点的仪器高和坐标，完成测站输入；3)输入后视点的棱镜镜高和坐标，测量后视点，获取初始方位；4)输入前视点棱镜镜高，瞄准测量得到目标测点坐标。

而全站仪这种专业的测绘仪器，往往需要经过专业的培训才能完成现场测量过程；全站仪不仅价格昂贵而且体型笨重，不方便携带，给测量人员在矿井中带来搬运困难；全站仪在测量之前需要设置棱镜常数、大气改正值或气温、气压值等参数，操作过程复杂；仪器高则是借助钢尺等手动测距工具测量，测量误差较大。

针对上述的技术问题，在中国专利申请号为201510121265.1中，公开了基于旋转扇面激光的悬臂式掘进机位姿测量方法的发明专利，公开了一种利用基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，即将该系统的扇面激光发射端安装在悬臂式掘进机机身上，扇面激光接收端(包含3个不共线的扇面激光接收器)固定安装在已经由悬臂式掘进机掘出的煤巷后方，扇面激光接收器相对于空间大地坐标系的坐标值由其他测量方式测得。由扇面激光发射端测得扇面激光接收器相对于发射端的坐标值，再通过相应的坐标转换，计算出悬臂式掘进机上固定三点(不共线)相对于空间大地坐标系的三维坐标值。

上述专利，虽然解决了传统采用人工测量所带来了测量误差大，操作复杂的问题，但是，其体积较为庞大，且当掘进机处于截割过程时，机身的强烈振动和摆尾，可能使激光接收端无法接收到激光发射器发出的扇形激光，导致检测失败。因此亟需一种经济、便携、操作简单的井下测点坐标测量方法。

发明内容

本发明提供一种携带方便、操作简单、且测量精准的井下测点坐标测量方法，以解决现有井下坐标测量过程中所存在的测量仪器操作复杂、便携性较差且测量不准确等问题。

根据本发明的一个方面，提供一种井下测点坐标测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1.基于控制点与目标测点之间的巷道分布情况，获取测站个数和控制点坐标参数；

S2.根据控制点坐标参数，基于测站坐标求解算法，获取每一个测站的三维坐标，以得到目标测点的三维坐标。

在上述方案基础上优选，所述步骤S2包括以下步骤：

S21.在距离两个控制点最近的两个测站处分别架设测距仪，分别测量获取两个测站与两个控制点之间的距离和倾斜角；

S22.基于测站坐标求解算法，获取两个测站坐标；

S23.将获取到的两个测站坐标作为新控制点，执行S21，直到获取目标测点的三维坐标。

在上述方案基础上优选，所述步骤S21包括：

在距离两个控制点最近的两个测站处分别架设测距仪，基于测站处的测距仪顺时针观察2个控制点，先观察到的为控制点1，后观察到的为控制点2，获取其中一个测站与两个控制点之间的距离为和测量获取其中一个测站与两个控制点之间的倾斜角为和测量获取另一个测站与两个控制点之间的距离分别为和测量获取另一个测站与两个控制点之间的倾斜角分别为和

在上述方案基础上优选，所述测站坐标求解算法包括以下步骤：

S221.将两个控制点分别投影至距离其该控制点最近的测站所在水平面中，获取投影点A和B；

S222.以投影点A为圆心，为半径作圆；以B为圆心，为半径作圆，则两圆的交点(C和D)之一为测站1，获取A点坐标，B点坐标；

S223.连接圆心A、B和C、D相交于E，分别过E、C作水平线和竖直线相交于F，基于直线斜率和勾股定理，获取交点C、D坐标；

S224.基于向量的积计算，确定交点C或交点D为测站1，以获得测站坐标。

在上述方案基础上优选，步骤S22还包括获取两个测站坐标后，在用于固定测距仪的三脚架上竖直各安装1个靶标，用以代替测站的空间位置。

在上述方案基础上优选，所述测距仪为激光测距仪。

在上述方案基础上优选，所述测距仪为红外探测仪。

在上述方案基础上优选，所述测距仪为超声波测距仪。

本申请提出一种井下测点坐标测量方法，其具备以下优点：

1)采用激光测距仪进行测量，由于激光测距仪外观迷你，质轻便携，大大减轻井下测量人员的搬运负重；

2)使用时，只用在工业平板上输入2个控制点坐标，便可通过逆向反推获取目标测点的三维坐标，测量方便准确；

3)整个测量过程中，无需人工测绘，故对测量人员的专业水平无显示，降低对测量人员的技能要求；

4)测量完毕，测量现场就可直接结算并读取目标测点的三维坐标，测量精确迅速；

5)具有极大的推广价值，本发明可以代替全站仪测量井下测点坐标，操作简单，极易上手。

附图说明

图1为本发明的一种井下测点坐标测量方法的流程图；

图2为本发明的图1中步骤S2的详细流程图；

图3为本发明的一种井下测点坐标测量方法的过程图；

图4为本发明的测站坐标解算水平投影示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1所示，本发明提供了一种井下测点坐标测量方法，其包括以下步骤：

S1.通过井下现场踏勘，选择距离目标测点最近的2个控制点，并获取出两个控制点的坐标参数，然后统计出控制点与目标测点之间的巷道拐角个数为N，在每个拐角处布设两个测站，则测站个数为2N；

S2.根据控制点坐标参数，用测距仪测量获取每个测站到2个已知控制点的距离和倾斜角，通过测站坐标求解算法，反向推导获取每一个测站的三维坐标，以得到目标测点的三维坐标。

为了进一步详细说明本发明的技术方案，请继续参阅图2所示，本发明的步骤S2包括以下步骤：

S21.在距离两个控制点最近的两个测站处分别架设测距仪，分别测量获取两个测站与两个控制点之间的距离和倾斜角；

S22.基于测站坐标求解算法，获取两个测站坐标；

S23.将获取到的两个测站坐标作为新控制点，执行S21，直到获取目标测点的三维坐标。

为了详细说明本发明的获取测站三维坐标的过程，以下将以控制点1和控制点2计算获取测站1的三维坐标作为示例说明。具体请参阅图2、图3和图4所示。

设定控制点1坐标为(X₁,Y₁,Z₁)和控制点2坐标为(X₂,Y₂,Z₂)。在距离两个控制点最近的两个测站(测站1和测站2)处分别架设测距仪，基于测站1和测站2处的测距仪顺时针观察2个控制点，先观察到的为控制点1，后观察到的为控制点2，用测距仪获取测站1与控制点1之间的空间距离为和倾斜角为用测距仪获取测站1与控制点2之间的空间距离为和倾斜角为用测距仪获取测站2与控制点1之间的空间距离为和倾斜角为用测距仪获取测站2与控制点2之间的空间距离为和倾斜角为

第一步，将控制点1和控制点2分别投影至距离其该控制点最近的测站1所在水平面中，获取投影点A和B；

第二步，以投影点A为圆心，以为半径作圆；以B为圆心，为半径作圆，则两圆的交点(C和D)之一为测站1，获取A点坐标B点坐标为

第三步，连接圆心A、B和交点C、D相交于E，分别过E、C作水平线和竖直线相交于F，则AB的斜率K_AB＝(Y₁-Y₂)/(X₁-X₂)，CD的斜率K_CD＝-1/K_AB。

在直角三角形ACE中，CE²＝r₁²-AE²；在直角三角形BCE中，根据勾股定理，CE²＝r₂²-BE²＝r₂²-(AB-AE)²＝r₂²-AB²+2AB*AE-AE²，则

根据直线AB的斜率，基于A点的坐标，获得直线AB的上E点的横纵坐标为x_E＝X₁-(X₁-X₂)AE/AB,y_E＝Y₁-(Y₁-Y₂)AE/AB。

根据勾股定理，在三角形ACE和三角形CEF中，获得CE的距离平方如下：

CE²＝AC²-AE²＝r₁²-(X₁-x_E)²-(Y₁-y_E)²＝EF²+CF²＝EF²+(EF*K_CD)²；

由上述公式获得故交点C、D的坐标分别为：x_C＝x_E+EF，y_C＝y_E+CF，x_D＝x_E-EF，y_D＝y_E-CF，z_C＝z_D＝Z_A＝Z_B。

由于计算出C、D两个交点的坐标，为了筛选确定具体是交点C还是交点D为本发明的测站1，本发明采用向量的积计算，进行筛选。

按照先控制点1后控制点2计算和的正负性，若为负值，则C点为测站1，若为负值，则D点为测站1。

以上为测站1的坐标推算过程，当需要获取测站2的三维坐标时，仅需要在第一步时，将控制点1和控制点2分别投影至距离其该控制点最近的测站2所在水平面中，获取投影点；带入上述第二步至第三步，以解算获得测站2的三维坐标。

当计算获得了测站1和测站2的三维坐标后，将其作为新的控制点，计算距离该新的控制点最近的两个测站的三维坐标，如此反复后，直至获得目标测点。

进一步的，为了详细说明本发明的技术方案，以下将以获取测站2N和测站2N-1的三维坐标为实例进行说明，请继续参阅图3所示。当在测站2n-1(2≤n≤N)处用三脚架水平架设激光测距仪，顺时针观察测点2n-3和测点2n-2作为测量的先后顺序。假设先测点2n-3后测点2n-2为顺时针，激光测距仪先瞄准测量测点2n-3获取空间距离和倾斜角后瞄准测量测点2n-2获取和在测站2n(2≤n＜N)处用三脚架水平架设激光测距仪，激光测距仪先瞄准测量测点2n-3获取空间距离和倾斜角后瞄准测量测点2n-2获取和由于测点2n-3和测点2n-2的三维坐标为已知参数，故根据测点2n-3(x_2n-3,y_2n-3,z_2n-3)和测点2n-2(x_2n-2,y_2n-2,z_2n-2)，解算出测站2n-1和测站2n的坐标分别为(x_2n-1,y_2n-1,z_2n-1)和(x_2n,y_2n,z_2n)(2≤n≤N)。

在每获取两个测站坐标后，可在用于固定测距仪的三脚架上竖直各安装1个靶标，用以代替测站的空间位置。使用时，该三脚架的位置保持不变，由于三脚架上有水平气泡，可通过微调旋钮，保证三脚架气泡水平，使用靶标的中心高度与测距仪中心高度一致，以保证靶标中心为测站的空间位置。

以下将具体说明本发明根据测站2N-1和测站2N获取目标测点T的过程，请参阅图3所示。

判断第N个巷道拐角的测站2N-1(x_2N-1,y_2N-1,z_2N-1)、测站2N(x_2N,y_2N,z_2N)和目标测点T的顺时针关系，若测站2N-1、测站2N和目标测点T为顺时针顺序。

在测站2N-1处用激光测距仪瞄准目标测点T，获取空间距离和倾斜角相当于从目标测点T瞄准测站2N-1，获取空间距离和倾斜角那么在测站2N处用激光测距仪瞄准目标测点T，获取空间距离和倾斜角相当于从目标测点T瞄准测站2N，获取空间距离和倾斜角那么将相应参数代入计算过程，解算得到目标测点T的空间坐标(x_T,y_T,z_T)。

作为本发明的优选技术方案，本发明使用的测距仪为激光测距仪，其该激光测距型号为Leica S910，该激光测距仪的测距量程为300m，距离精度达到1mm，角度精度0.1°，测量数据可通过蓝牙或无线传输。

优选的，该测距仪还可以是红外探测仪或超声波测距仪。

本申请提出一种井下测点坐标测量方法，其具备以下优点：

1)采用激光测距仪进行测量，由于激光测距仪外观迷你，质轻便携，大大减轻井下测量人员的搬运负重；

2)使用时，只用在工业平板上输入2个控制点坐标，便可通过逆向反推获取目标测点的三维坐标，测量方便准确；

3)整个测量过程中，无需人工测绘，故对测量人员的专业水平无要求，降低对测量人员的技能要求；

4)测量完毕，测量现场就可直接解算并读取目标测点的三维坐标，测量精确迅速；

5)具有极大的推广价值，本发明可以代替全站仪测量井下测点坐标，操作简单，极易上手。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。