基于自動(dòng)化全站儀的跨河測(cè)量技術(shù)研究

摘 要：本文基于筆者多年從事工程測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以基于自動(dòng)化全站儀的跨河測(cè)量為研究對(duì)象，論文從三角高程測(cè)量單向觀測(cè)的高差計(jì)算公式人手，分析了三角高程測(cè)量的誤差來(lái)源。推導(dǎo)了跨河水準(zhǔn)網(wǎng)中測(cè)距三角高程的精度估算公式，在此基礎(chǔ)上，得出了減弱各項(xiàng)誤差從而提高精度的一些結(jié)論。結(jié)合目前的自動(dòng)化全站儀，探討了精密三角高程測(cè)量實(shí)現(xiàn)精密跨河水準(zhǔn)的可行性和便利性，最后指出了在實(shí)施跨河水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)應(yīng)注意的一些事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：精密三角高程測(cè)量 跨河水準(zhǔn) 全站儀 測(cè)量機(jī)器人 精度分析

中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（a）-0039-02

當(dāng)水準(zhǔn)路線必須跨越江河或峽谷時(shí)，視線將超出常規(guī)水準(zhǔn)的長(zhǎng)度或前后視距相差很大，一方面水準(zhǔn)尺讀數(shù)的精度將會(huì)降低；另一方面水準(zhǔn)儀i角誤差及大氣折光的影響也會(huì)急劇增大。

當(dāng)水準(zhǔn)路線跨越江河，視線長(zhǎng)度超過(guò)100 m時(shí)，應(yīng)根據(jù)視線長(zhǎng)度和儀器設(shè)備情況，選擇適當(dāng)?shù)目绾铀疁?zhǔn)測(cè)量方法。

三角高程測(cè)量是測(cè)量高程的傳統(tǒng)方法，以其快速、簡(jiǎn)便且能保證一定精度而深受測(cè)繪工作者喜愛。特別是近年來(lái)全站儀的發(fā)展提高了測(cè)角和測(cè)距的精度，目前全站儀測(cè)角精度達(dá)到±0.5″，測(cè)距精度達(dá)到MD=±（0.5 mm+10-6×D），同時(shí)自動(dòng)化程度越來(lái)越高。自動(dòng)全站儀能自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和精確照準(zhǔn)目標(biāo)，大大提高了工作效率。因此，以全站儀代替水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量，無(wú)疑具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，三角高程測(cè)量已可以代替三四等跨河水準(zhǔn)測(cè)量，但用于代替精密跨河水準(zhǔn)測(cè)量仍處在研究階段，已有不少文獻(xiàn)就此進(jìn)行研究，并得出了一些結(jié)論。

1 正高高差計(jì)算及誤差分析

三角高程測(cè)量單向觀測(cè)的高差計(jì)算為：

（1）

其中，為平距；為垂直角；為儀高；為標(biāo)高；為大氣垂直折光系數(shù)；為地球半徑。誤差關(guān)系式為：

由此可以看出，三角高程測(cè)量的精度除了受測(cè)距中誤差、垂直角觀測(cè)中誤差、儀器標(biāo)量高誤差外，還受大氣折光和地球曲率的影響。

由（2）式可dtBiDfLTX4Mkzs3uIBZDw+ZhDIrLvmjE/OMo8GxbSvo=知，對(duì)的影響為：

跨河距離D<

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)的影響。可見，測(cè)角誤差是三角高程測(cè)量的主要誤差來(lái)源，因此要盡可能采用高精度的測(cè)角儀器，觀測(cè)時(shí)要保證成像清晰穩(wěn)定，并適當(dāng)增加測(cè)回?cái)?shù)。（2）對(duì)的影響隨角度增加的變化量較大，而隨距離增加的變化量較小，因此觀測(cè)角度不能超過(guò)一定范圍。（3）對(duì)的影響隨角度增加的變化量較小，而隨距離增加的變化量較大。因此跨河長(zhǎng)度需控制在一定范圍內(nèi)，這就要求跨河點(diǎn)位盡量選擇在河道狹窄處。

對(duì)于儀器和規(guī)標(biāo)量高中誤差，按常規(guī)的方法量測(cè)儀器高和規(guī)標(biāo)高，精度很難滿足要求，可以采用水準(zhǔn)標(biāo)尺讀數(shù)法確定儀器高和規(guī)標(biāo)高，在測(cè)站通過(guò)全站儀觀測(cè)水平視線在近標(biāo)尺點(diǎn)上的標(biāo)尺讀數(shù)，根據(jù)兩點(diǎn)間的已測(cè)水準(zhǔn)高差計(jì)算儀器高。這種方法測(cè)定的儀器高比直接量取準(zhǔn)確，精度可以達(dá)到±0.1mm。

大氣折光影響也是三角高程測(cè)量的一項(xiàng)主要誤差來(lái)源。在跨河三角高程測(cè)量時(shí)，大氣折光對(duì)高差的影響具有一定的特殊性。跨河視線不僅通過(guò)地面，而且通過(guò)水面，由于地面和水面上空空氣密度分布不均，形成了視線兩端向上彎曲，中間向下彎曲的“U”型曲線。故通過(guò)對(duì)向觀測(cè)取平均值，可以消除一部分大氣折光影響。如果觀測(cè)是在同樣情況下進(jìn)行的，特別是同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)，則可以近似地假定對(duì)向觀測(cè)的折光系數(shù)是相同的。

因此，為了削弱大氣折光對(duì)三角高程測(cè)量的影響，凡是三等以上（含三等）三角高程測(cè)量的垂直角都應(yīng)做到對(duì)向觀測(cè)，最好是同時(shí)對(duì)向觀測(cè)。

2 跨河測(cè)距三角高程的精度估算

要測(cè)跨河的A，B點(diǎn)之間的高差，由于交通工具的限制，不便迅速搬站，必須采用2臺(tái)同樣精度的全站儀和2個(gè)同樣的照準(zhǔn)裝置，進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)，即先將儀器置于A點(diǎn)，B點(diǎn)安置反射棱鏡，直接測(cè)定高差，再將儀器置于B點(diǎn)，A點(diǎn)安置反射棱鏡，直接測(cè)定高差。然后取兩高差的中數(shù)作為觀測(cè)結(jié)果。儀器高通過(guò)水準(zhǔn)標(biāo)尺讀數(shù)法獲得，觀測(cè)之前將2個(gè)照準(zhǔn)裝置的棱鏡高設(shè)置成相同的，邊長(zhǎng)垂直角均對(duì)向觀測(cè)，垂直角觀測(cè)6測(cè)回，邊長(zhǎng)觀測(cè)4測(cè)回。觀測(cè)使用TC2002全站儀。

根據(jù)三角高程測(cè)量單向觀測(cè)的高差計(jì)算公式，可得對(duì)向觀測(cè)高差的計(jì)算公式如下：

令：，則（3）式可以化為：

對(duì)于（4）式，由誤差傳播定律可得高差中誤差的計(jì)算公式為

為便于計(jì)算，令，儀器量高中誤差取±0.1mm，參考有關(guān)資料取±0.01，a和D分別取不同的值時(shí)。

以2作為限差與國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量限差比較。比較可以看出：

（1）高差中誤差隨邊長(zhǎng)的增大而增大的量較大，因此，要控制邊長(zhǎng)保證精度。（2）利用精密三角高程測(cè)量實(shí)現(xiàn)跨河水準(zhǔn)，跨河距離不能超過(guò)1500 m。（3）當(dāng)跨河距離不超過(guò)1000 m時(shí)，觀測(cè)垂直角可以放寬到15°；距離小于1200 m時(shí)，垂直角控制在8°以內(nèi)，滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。（4）跨河水準(zhǔn)用測(cè)距三角高程法時(shí)，其視線垂直角小于1°。

高差中誤差隨垂直角增大而增大的量甚小，在一定的邊長(zhǎng)范圍內(nèi)，即使垂直角超過(guò)規(guī)范要求仍能保證必要的精度，這對(duì)于跨河兩岸高差較大的情況具有實(shí)際意義。

3 自動(dòng)化全站儀在跨河測(cè)量中的應(yīng)用

自動(dòng)化全站儀，也稱測(cè)量機(jī)器人，是集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)角、自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)跟蹤目標(biāo)及自動(dòng)記錄于一體的測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量機(jī)器人用于跨河測(cè)量具有以下優(yōu)點(diǎn)：（圖1）。

（1）測(cè)角精度很高，大大減小了由測(cè)角引起的誤差。（2）具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)辨（Automatic Target Recognition，簡(jiǎn)稱ATR）功能，可以自動(dòng)尋找并精確照準(zhǔn)目標(biāo)；允許在目標(biāo)處使用普通的棱鏡，而無(wú)需昂貴的特殊棱鏡或添置電源等配件。（3）可以自動(dòng)進(jìn)行氣象改正，克服氣象代表性誤差。（4）建立高精度的參考站，采用隨時(shí)改正的測(cè)量方案，可以消除和減弱各種誤差（外部的和儀器內(nèi)部的）對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，大幅度地提高測(cè)量精度。

現(xiàn)以TCA2003自動(dòng)化全站儀為例來(lái)說(shuō)明。其測(cè)距精度mD= ±（1 mm+10-6×D），測(cè)角精度（測(cè)回方向標(biāo)準(zhǔn)偏差）為±0.5"，若角度觀測(cè)6測(cè)回，取=±0.2"，其他參數(shù)取值不變。

同樣。以2作為限差。不難看出，僅僅一項(xiàng)測(cè)角精度的提高，使得精密三角高程測(cè)量實(shí)現(xiàn)跨河水準(zhǔn)更為容易。距離不超過(guò)2000 m的情況下，可以達(dá)到國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度；跨河距離小于1000 m時(shí)，垂直角控制在100以內(nèi)，可以滿足國(guó)家一等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)精密三角高程測(cè)量實(shí)現(xiàn)跨河水準(zhǔn)的精度從理論上進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，在觀測(cè)合理、處理方法得當(dāng)?shù)那闆r下，精密三角高程測(cè)量可以很容易實(shí)現(xiàn)國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量。使用目前的高精度自動(dòng)化全站儀，除了使操作更加便利外，可以提高三角高程測(cè)量的精度和實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的跨河測(cè)量，甚至有望實(shí)現(xiàn)跨江水準(zhǔn)測(cè)量。

另外，對(duì)于短距離跨河測(cè)量，可以達(dá)到國(guó)家一等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。此外，實(shí)施跨河水準(zhǔn)測(cè)量需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）測(cè)角誤差是高差誤差的主要來(lái)源之一，因此要盡可能的采用高精度的測(cè)角儀器，觀測(cè)時(shí)要保證成像清晰穩(wěn)定，并增加測(cè)回?cái)?shù)來(lái)提高測(cè)角精度。（2）垂直角在短距離測(cè)量高差中，影響高差值較大，在長(zhǎng)距離測(cè)量高差中，影響高差值較小，所以在短距離測(cè)定高差中.應(yīng)使儀器高與棱鏡高的差距盡量縮小。（3）跨河水準(zhǔn)測(cè)量受氣象因素影響極大，因此觀測(cè)應(yīng)選在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣進(jìn)行，在氣溫變化較大時(shí)應(yīng)停止觀測(cè)。大氣折光影響是個(gè)比較復(fù)雜的間題，本文參考了有關(guān)資料取為±0.01。（4）兩岸同時(shí)對(duì)向觀測(cè)，可以極大地提高精度，消除或減弱儀器高誤差、大氣折光差、地球曲率誤差等多項(xiàng)誤差。（5）隨著河視線長(zhǎng)度的增加，高差中誤差急劇增大，因此在條件允許的情況下，要盡可能縮短跨河視線長(zhǎng)度，將跨河水準(zhǔn)點(diǎn)選在河道最窄處。（6）對(duì)向觀測(cè)的2個(gè)鏡站設(shè)置同樣標(biāo)高，消除了標(biāo)高誤差。但觀測(cè)時(shí)，要經(jīng)常注意儀器及棱鏡桿的圓水準(zhǔn)器氣泡是否居中，精度要求高時(shí)，應(yīng)建造強(qiáng)制對(duì)中裝置。

參考文獻(xiàn)

[1]朱文明，劉式明.跨河測(cè)量技術(shù)綜述[J].科技資訊，2012，12.

[2]黃自龍，王閏成.全站儀測(cè)量技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011.

[3]陳三超.跨河測(cè)量智能化處理技術(shù)研究[J].科技資訊，2010.