免棱鏡全站儀在地形測量中的精度分析

■楊曉峰 ■湖北省荊州市測繪院，湖北 荊州 434000

當前地形測量中，一般野外測量通常采用有棱鏡全站儀或GPSRIK聯合全站儀的方式進行，這些測量手段可以保障測量人員迅速完成區域內的地形測量任務。但是，在地形測量中，不少危險地區是測量人員無法到達的，例如:深谷、懸崖、沼澤等地區，但是為了確保地形測量的精確，這些地區在地形圖上要有明顯的標記。隨著科技的發展，常規測量方法無法完成的測量任務，免棱鏡全站儀可以順利完成。利用免棱鏡全站儀，測量人員在測量時無需將棱鏡立在測量點位。這不但方便了測量人員的測量工作，而且不少實踐證明，免棱鏡全站儀在測量精度上面完全可以滿足地形測量的要求。所以，免棱鏡全站儀在地形測量中有著廣闊的應用空間［1］。

1 免棱鏡全站儀簡介

1.1 免棱鏡全站儀

免棱鏡全站儀的測量原理是將激光束打到測定目標身上，而后接受目標的慢反射回的激光信號，而后通過對打回激光信號的分析，準確的確定目標的三維坐標，通常免棱鏡全站儀的測量距離為150米左右。隨著技術的不斷發展，目前免棱鏡全站儀的測量距離已經達到了1 200多米，并且免棱鏡全站儀本身具有全站儀的全部功能，測程比一般的全站儀更長。由于無需反射棱鏡，因此它在人員不易達到地區，以及常規的地形測量、地籍測量、工程測量、房產測量、施工測量等領域所發揮的作用越來越大，在不久的將來也許會全面取代目前的常規全站儀。

1.2 免棱鏡全站儀地形測量中的技術優勢

(1)微信號不失真放大技術，當不使用反射棱鏡時，返回的信號除了信號強度極其微弱外(傳統的紅外全站儀的回光信號強度為10 mV左右，而不用棱鏡通過物體漫反射回來的信號僅為0.1 mV)信號的信噪比也非常小(由于各種物體都會產生回波、雜散波非常多)。因此微信號不失真放大技術和信號處理技術使得免棱鏡全站儀在地形測量中有著明顯的優勢。

(2)大動態范圍信號處理技術，傳統的紅外全站儀用的是反射棱鏡，其回光信號變化從10 mV變到100 mV，變化范圍也就是10倍，而激光全站儀的回光信號要么是物體漫反射的回光信號(強度0.1 mV左右)，要么是用棱鏡反射的很強的激光信號(強度1 V左右)，相差1萬倍，要想不失真地把回光信號放大，是免棱鏡全站儀解決的地形測量中的另一個技術問題。

(3)高頻信號處理技術，傳統的紅外全站儀，調制在砷化鎵紅外發光管的信號大都是15MHz，而激光全站儀就需要用60 MHz 100 MHz才行，測量精度高了，周期誤差小了，相位均勻性好了，但接收板的要求高了，需要處理的信號頻率比原來高4～8倍，這也是免棱鏡全站儀解決的一個技術問題［2］。

2 免棱鏡全站儀測量精度分析

在實際測圖過程中，作為比較，在部分人能到達的測量點，分別采用有棱鏡全站儀和免棱鏡全站儀兩種方式進行測量，測量點數有數千個之多。為了做精度分析在這數千點中隨機的抽取出18組用于統計比較，這樣具有統計意義，最后的結果具有很高的可信度。兩種方式測量結果的精度比較在18組數據中免棱鏡全站儀與有棱鏡全站儀測量的點位精度其平面點位差在9mm到29mm，高程差在5mm到25mm。。算得Ms=19mm，平面精度小于規范50mm的要求。由以上的數據分析可得，免棱鏡全站儀測量的精度是可以滿足大比例尺地形圖測圖精度要求的，在實際測圖中可以采用免棱鏡全站儀進行地形測量。

2.1 無凌鏡測距的精度分析

免凌鏡測距都以±(Amm+Bppm.D)或者±(A+B×D×10－6)的形式表示儀器的綜合精度，A為固定誤差，B為比例誤差。應注意的是，這里的A、B都是隨機誤差，和前邊所討論的加、乘常數系統誤差不是一個概念。它們的聯系僅在于，標稱精度是對測量成果在進行了正確的加、乘常數誤差改正之后的殘差的隨機分布特征的描述。

我們可以看出，標稱精度反映了儀器外部符合的不確定度，它是剔除了主要系統誤差后的結果，有時人們也把它稱為綜合精度。但是，這里需特別指出的是，切不可把這個“綜合精度”片面相反理解為涵蓋了所有系統誤差。后面章節介紹測角誤差時也有類似情況，全站儀都以隨機誤差性能作為標稱精度反映儀器的性能，我們無法從標稱精度中看出儀器的系統誤差，但決不意味著儀器沒有系統誤差.而從生產的角度看，關注系統誤差的意義往往比關注隨機誤差的意義更大。因為數量上系統誤差多半比隨楓誤差對成果的影響更大，而且系統誤差性質上的積累效應以及多次重復測量的不可消減性也決定了它對測量成果的影響比隨機誤差的影響可能更大。

2.2 免棱鏡全站儀提高精度的方法

根據免棱鏡全站儀固有系統誤差具有系統誤差是斗個非隨機變量。即系統誤差的出現不服從統計規律而服從確定的規律;重復測量時誤差的重現性;可修正性，負于系統誤差的重現性確定了它具有可修正的特點。為了應對這些誤差，可以采用以下措施來提高測量精度:

(1)正確的設計思想和精密的制造工藝技術。

(2)在儀器設計制造環節引入正確的修正值通過適當的數據處理，來減小系統誤差——電子補償。

(3)施測前進行準確的儀器校正。

(4)施測中通過改進測量方法，有效利用某些誤差的抵償特性。

(5)在后續數據處理環節，根據系統誤差的規律將其作為未知量參與乎差。

2.3 免棱鏡全站儀在地形測量中的精度控制

隨著我國經濟的快速發展，需要建設的大型交通公路工程結構物越來越多。特別在一些地形復雜(如城市建筑群、不良地質構造區等)的位置，由于缺少大比例的地形圖，往往給合理定位帶來很多麻煩。而利用SETl010全站儀及PC－E500計算機，就可以快捷方便的完成這種大比例尺地形圖的外業數據采集任務。

首先，依照測量精度要求，建立相應等級的導線控制網。布設導線時建立足夠數量的圖根點，由SETl010全站儀直接測得三維坐標。利用PC－E500計算機上的“導線測量內外業一體化”程序記錄測量結果;PC－E500會自動提示定義文件名形成獨立文件，之后進行導線網的嚴密平差，且程序對導線網形狀不限(自由網除外)。平差后，輸出各點的坐標及點位中誤差、測角中誤差、各邊的邊長及方位角。如果是符合導線，還可輸出方位角閉合差、橫坐標閉合差、縱坐標閉合差、導線全長、全長閉合差和全長相對閉合差。根據導線點提供的三維坐標，利用PC－－E500上的程序可快捷有效的進行碎部采集，其觀測記全部為漢字提示輸入，現場提示各種限差判別，提示超限、重測、補測等信息。對原始觀測值可顯示、存儲、打印。此外該程序與平差程序相連，能實現平面、三角高程平差計算。真正實現由外業觀測記錄到平差計算一體化，人工干預甚少。

外業測量結束后，通過編制的“數據通訊程序”將PC－E500計算機中的數據傳人計算機，再通過“數據轉換程序”將其轉換為平面地形圖軟件所需格式。這樣即可方便快速由平面地形圖軟件繪出精確度較高的大比例(比例可根據需要設定)地形圖。從而為大型結構物的合理定位提供了有力保障。

2.4 在路線導線測量中的精度控制

利用SETl010型全站儀進行導線測量，既可進行常規偏角、距離測量，又可直接利用其坐標測量功能測出每一導線點的三維坐標。在導線測量過程中，對每一導線點進行排序編號，全站儀根據編號順序依次存儲每一點坐標。導線測量進行一階段后，將全站儀所測的數據傳輸至PC－E500計算機中，利用其中的導線數據處理程序進行平差處理后自動計算出每一彎道的偏角值、導線點間距、交點間距等數據。通過全站儀和PC－E500計算機的綜合運用，使導線測量基本上擺脫了人工記錄與數據計算，避免了復雜地形中導線計算難度大、錯誤率較高等現象的發生。

3 結束語

監測人員在一些人員無法到達的地區，采用免棱鏡全站儀進行測量，不但能夠有效保障監測人員的安全，而且還能保障作業的精度和工作效率。免棱鏡全站儀測量也有一定的局限性，測量時注意，測量的物體不能有東西遮擋，要有很好的反光性。總之，免棱鏡全站儀在地形測量中不但高效、安全，而且還能夠有效的保障測圖的精度［3］。

［1］馬維康.李建杰.劉久偉.免棱鏡全站儀在地形測量中的精度分析［J］.勘察科學技術.2013(06).

［2］夏立福.李井春.胡友健等.免棱鏡全站儀測距性能的測試及精度分析［J］.地理空間信息.2008(02).

［3］彭玉兵.GPS—RTK與免棱鏡全站儀在地形測量中的應用［J］.山西建筑.2009(5).