盾构坐标和测量坐标的转换

南京工业大学本科生毕业设计（论文）1盾构坐标和测量坐标的转换摘要随着空间定位技术的不断发展，全球一体化的形成，越来越要求全球测绘资料的统一，研究各测量坐标系统的建立方法及其相互转换模型，对于实现不同测量坐标系成果的换算具有重要的意义。坐标转换已经不是一个新的课题了，随着与人们生活密切相关的测绘事业的迅速发展，全球一体化的形成，越来越多的要求全球测绘资料形成统一规范，尤其是坐标系统的统一。由于各测量单位工作目的不同，所选择的椭球参考系也会有所不同，出现了许多不同形式的坐标系，例如WGS-84坐标系、国家80坐标系、北京54坐标系、独立地方坐标及各种城建坐标。在同一坐标系下坐标的表示方式又有空间直角坐标、大地坐标、平面坐标。根据不同的测绘需求，需要将不同的坐标系下的坐标进行相互转换，在这些坐标转换的过程中既会运用到同一坐标系下的坐标转换模型，又会用到不同参考系下各坐标系间的坐标转换模型。本文主要研究的是设想先求出盾构机轴线局部坐标系与实际三维空间坐标系两种坐标系的转换参数，然后再利用转换参数求出盾首中心和盾尾中心点的实际坐标，获取盾构机的空间位置信息。该方法数学模型的实质是空间直角坐标系之间的转换。基于这些理论并结合相关的转换模型及算法编程实现了坐标转换系统。关键词：坐标系转换模型转换参数测量坐标坐标转换系统南京工业大学本科生毕业设计（论文）2ShieldcoordinatesandthemeasurementcoordinatesconversionAbstract新罗马小四南京工业大学本科生毕业设计（论文）3目录摘要…………………………………………………………………………………IABSTRACT………………………………………………………………………II第一章绪论………………………………………………………………………11.1研究背景及意义……………………………………………………………21.2盾构导向系统的测量方法与应用…………………………………………81.3盾构系统的发展趋势………………………………………………………8第二章测量坐标系基础理论………………………………………………92.1测量坐标系统的类型………………………………………………………92.1.1地心坐标系…………………………………………………………102.1.2参心坐标系…………………………………………………………112.1.3地方独立坐标系……………………………………………………122.2我国常用的坐标系统………………………………………………………92.2.11954年北京坐标系…………………………………………………102.2.21980年西安坐标系…………………………………………………122.2.3WGS-84坐标系………………………………………………………132.2.42000国家大地坐标系………………………………………………142.3常用等价坐标系……………………………………………………………2.3.1大地坐标系……………………………………………………………2.3.2空间直角坐标系………………………………………………………2.3.3平面直角坐标系………………………………………………………第三章坐标转换原理3.1坐标转换原理……………………………………………………………3.2坐标转换模型……………………………………………………………3.3坐标转换模型的精度……………………………………………………第四章算例………………………………………………………………………南京工业大学本科生毕业设计（论文）4第五章盾构坐标与测量坐标转换系统的设计与实现5.1盾构坐标与测量坐标转换系统的设计5.1.1系统开发工具……………………………………………………5.1.2系统的总体设计…………………………………………………5.1.3系统的功能设计…………………………………………………5.1.4系统的流程设计……………………………………………………5.2盾构坐标与测量坐标转换系统的实现5.2.1系统主程序界面……………………………………………………5.2.2系统实现中的关键技术……………………………………………5.3盾构坐标与测量坐标转换系统的应用5.3.1结语………………………………………………………………………………104参考文献…………………………………………………………………………106致谢………………………………………………………………………………107南京工业大学本科生毕业设计（论文）5第一章绪论1.1研究背景及意义在地铁隧道贯通测量中，及时地获取盾构的姿态非常重要。而盾构的姿态通常是根据全站仪获取盾构上的特征点的坐标来计算的。本文设想先求出盾构机轴线局部坐标系与实际三维空间坐标系两种坐标系的转换参数，然后再利用转换参数求出盾首中心和盾尾中心点的实际坐标，获取盾构机的空间位置信息。该方法数学模型的实质是空间直角坐标系之间的转换。基本的坐标转换模型包括布尔沙-沃尔夫转换模型、莫洛金斯基转换模型和范士转换模型等，但它们都是基于小角度的转换。由于这两种坐标系统之间的欧拉角可能很大，所以在纠正过程中不能采用基于小角度转换的空间直角坐标转换模型。本文在基于大旋转角的空间直角坐标转换模型的基础上，对计算模型进行了归一化计算，使计算过程更为简明，便于程序的实现，同时还分析了坐标转换模型的精度。1.2盾构导向系统的测量方法与应用盾构导向系统作用主要是实时测出盾构掘进的姿态，计算出盾构与隧道设计中心线的偏差，从而指导盾构司机控制盾构掘进。各种测量方法的不同，在于测量仪器选取、自动化程度高低，主要分为:人工测量法（标尺法），半自动测量方法（陀螺仪法），自动导向法（棱镜法和ELS激光法)。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用。全面理解激光导向系统的原理，有助于工程技术人员在地铁的盾构施工中及时发现问题、解决问题，保证隧道的正确掘进和最后贯通；有助于国产盾构机及国产激光导向系统研制工作的开展]13[。盾构法由于具有其施工速度快、安全、质量好、对周围环境影响小等优点，已越来越多地在城市地铁隧道施工中得到应用。盾构隧道测量技术已由原来人工为主测量技术发展到现在的全自动激光经纬仪、GPS等高科技测量方法]9[。盾构姿态的测量方法可分为人工测量和自动测量两类。人工测量法人力投入大、测量频率高、测量工作量大，对隧道掘进干扰大，数据处理慢，无法实时获南京工业大学本科生毕业设计（论文）6知盾构机的姿态和偏差，施工控制较困难，但设备投入少，成本较低，目前国内盾构隧道施工仍较多采用人工测量。自动导向仪器有激光全站仪导向和陀螺仪导向两种，自动导向测量技术可全天候对盾构机姿态进行测量、控制，实时计算并显示盾构机姿态，具有人力投入小、测量频率高、对隧道掘进干扰小、测量速度高和数据处理快、数据和图象模拟能实时显示等优点，已成为盾构隧道测量技术的发展方向]9[。文献[9]对人工测量与自动测量的原理与方法都有详细的解释，同时还说明了盾构姿态的测量及计算方法。人工测量盾构姿态的传统方法目前有前后尺法，它原理简单、操作简便，目前仍被施工单位广泛采用。在盾构始发前测量盾构机始发姿态，包括旋转角、坡度角，同时根据测量控制点测出盾尾、盾首中心（预先采用几何方法定出中心）以及前后水平尺中心平面坐标，利用井下水准点测量盾首、盾尾及标尺高程，通过坐标转换，得到前后标尺在盾构局部坐标系中的坐标]5[。前后尺法的原理在文献[5]中做出了解释，同事也详细的说明了盾首、盾尾的的偏差计算以及高程的测量精度。激光自动导向系统主要通过固定在隧道成形管片上的全自动激光经纬仪对盾构机姿态进行测量。由于施工过程中各种意外因素可能导致盾构机上的激光接收靶位置变化，同时盾构千斤顶向后推力的水平或竖向分力往往会迫使已经就位的管片产生偏移甚至扭转，影响安装在管片上的激光经纬仪的位置变动，使所测量的盾构机姿态产生很大误差，甚至导致隧道超限，为此必须采用不同的测量方法对盾构机姿态进行复核]9[。1.3盾构系统的发展趋势目前，我国盾构机主要依靠进口，近年来进口的用于地铁隧道施工的盾构机一般都配备有自动导向系统，但如何对盾构姿态进行复核测量还无简单、快捷、准确的方法]9[。隧道盾构法施工是以盾构在地下暗挖隧道的一种施工方法。盾构是一个既可以支撑地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。目前在地下铁道建设中盾构施工方法逐渐被认同和采用，上海、广州和北京等城市已经将该方法引入生产南京工业大学本科生毕业设计（论文）7中。由于盾构施工法的安全性和先进性，盾构技术在城市地铁隧道施工中得到越来越广泛的应用]13[。第二章测量坐标系基础理论2.1测量坐标系统的类型为了表示椭球面上点的位置，必须选用一定的坐标系统，用该坐标系统的坐标参数来表示其点位。在测绘范畴内，坐标系统有几十种之多。常用的测量坐标系有地心坐标系、参心坐标系、站心坐标系等。无论是参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间直角坐标系和大地坐标系，它们都与地球相固连，与地球一起自转和公转，均属于地球坐标系统，用于确定和研究地球表面上点的坐标；另一类是空间固定的坐标系，与地球自转无关，称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。2.1.1地心坐标系以总地球椭球为基准，地球质心为原点建立的地球坐标系统称为地心坐标系。建立地心坐标系，需要满足以下条件：(1)确定地球椭球体。这个椭球体具有一定的几何物理参数，并在全球范围内与大地体最佳吻合。(2)地心的定位和定向。坐标系原点位于地球质心，起始子午面与国际时间局平均零子午面重合，Z轴与国际协议地极CIP的极轴相重合。(3)尺度。采用标准的国际米作为测量长度的尺度。地心坐标系是一个总称，它可以分为地心大地坐标系(以HLB,,为其坐标元素)和地心直角坐标系(以ZYX,,为其坐标元素)。地心坐标系的两种形式之间可以相互换算，建立地心坐标系对于各国大地坐标系的联接、地球动态研究、全球导航等均具有重要意义，是大地坐标系统的发展趋势。由于地球模型不同，世界上出现过很多种地心坐标系，如60-WGS、66-WGS、72-WGS、84-WGS等。我国历史上曾建立了1978年地心坐标系()1-DX和1988年地心坐标系()2-DX，而我国新启用的2000国家大地坐标系南京工业大学本科生毕业设计（论文）8也属于地心坐标系。2.1.2参心坐标系以参考椭球和局部地区大地水准面最为密合为原则建立的大地坐标系，一般称为参心坐标系。建立参心坐标系，需要进行下面几个工作：(1)选择或求定椭球的几何参数(长半径a和扁率f)。(2)确定椭球中心位置(椭球定位)。(3)确定椭球坐标轴的指向(椭球定向)。(4)建立大地原点。该坐标系最大的特点就是它和参考椭球的中心有密切的关系，也可以分为空间直角坐标系和大地坐标系两种。“参心”意指参考椭球的中心。由于参考椭球的中心一般和地球质心不一致，故参心坐标系又称非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系。参心大地坐标的应用十分广泛，它是经典大地测量的一种通用坐标系。根据地图投影理论，参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系，为地形测量和工程测量提供控制基础。由于不同时期采用的地球椭球不同或其定位与定向不同，在全世界有很多种类的参心大地坐标系。在我国历史上曾使用过的参心大地坐标系主要有1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、新1954年北京坐标系等三种。2.1.3地方独立坐标系在城市或工程建设地区(如矿山、水库)布设测量控制网时，其成果不仅要满足l：500比列尺测图需要，而且还应该满足一般工程放样的需要。施工放样时要求控制网由坐标反算的长度与实测的长度尽可能相符，而国家坐标系每个投影带都是按一定的间隔划分，由西向东有规律地分布，其中央子午线不可能刚好落在每个城市和工程建设地区的中央，各地区的地面位置与参考椭球面都