無棱鏡全站儀測距穩定性及精度分析

馬春艷，馬玉寬，張紅星

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院 河南 焦作 454003；2.鄭州市規劃勘測設計研究院，河南 鄭州 450000)

(1.School of Surveying & Land Information Engineering,He’nan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China; 2.Institute Zhengzhou Urbrn Planning Design & Survey,Zhengzhou 450000， China)

無棱鏡全站儀測距穩定性及精度分析

馬春艷1，馬玉寬2，張紅星1

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院 河南 焦作 454003；2.鄭州市規劃勘測設計研究院，河南 鄭州 450000)

介紹無棱鏡全站儀的測量原理，以拓普康GPT-3100N全站儀為例，通過實驗重點分析無棱鏡測距的穩定性與反射面材質、顏色、入射角、測量距離、網孔、拐角、邊緣點等之間的關系，以及能達到的測量精度，得出儀器測距精度穩定的結論，提出無棱鏡全站儀在測距工作中的注意事項。

全站儀；無棱鏡；穩定性；精度

測量技術進入數字化、自動化時代，各種先進的測量理論與方法不斷地應用于實踐，在全站儀方面的重要發展是長距離免棱鏡全站儀的出現。自徠卡公司生產出第一臺免棱鏡全站儀以來，其有效測量距離已發展到當前的1000 m以上[1]。隨著測程增加的同時，無棱鏡全站儀的測量精度也在逐步提高，無棱鏡全站儀如今以其“所瞄即所測”的功能廣泛應用于控制測量、地形測量、工程測量、滑坡監測等測量工作中[2]，尤其在人們無法到達的懸崖陡壁的地形測量、地下大型工程的斷面測量、建筑物的變形測量等不易或不能設置棱鏡的測量中顯示出無可比擬的優點。隨著無棱鏡全站儀在各種精密工程測量及變形監測中的廣泛應用，無棱鏡全站儀測距的精度要求也逐漸提高，因此，有必要對無棱鏡全站儀的測距穩定性進行分析研究。

1 無棱鏡模式全站儀的測距原理

無棱鏡測距，又叫作無接觸測距，指的是測距儀光束徑經自然表面漫反射后直接測距[3]。其測距原理與有棱鏡測距基本相同，只是傳統的測距儀大都用發光管(LED)作為信號源，新型測距儀的信號源為激光管，這樣可以提高發射功率，保證無棱鏡測距時的測程和測距精度。相位法測距采用的測量光束很細，因此能準確地分辨出非常近的相鄰點。無棱鏡全站儀測距原理如圖1所示。

圖1 無棱鏡測距原理

如圖1所示，測定A，B兩點間的距離D，把無棱鏡全站儀安置在A點，瞄準目標點B，就可測出距離：

D=1/2ct.

式中：c為電磁波在大氣中的傳播速度；t為待測距離兩端點間往返一次的傳播時間。

2 無棱鏡全站儀測距穩定性實驗

在實際測量中，無棱鏡模式的測距穩定性不僅與激光的特性有關，還與被測物體的反射特性、色彩、入射角等有關[4-6]。本文使用拓普康的GPT-3100N全站儀進行如下測試，并對實驗數據進行分析。從概率統計和測量平差的觀點講，觀測值均方誤差可以很好地反映觀測值的離散程度，離散程度可表示觀測結果的穩定性，在Excel表格中分別用函數SQRT(VAR(NUM1:NUM2))、AVERAGE(NUM1:NUM2)函數計算出觀測值均方差、觀測值均值，用于分析觀測結果。

2.1 入射角度對測量距離穩定性的影響

在河南理工大學新校區實驗場地擺設全站儀，再在距全站儀約80 m處架設目標板，將畫有十字絲的白紙板貼于目標板背面，使其大約能繞紙板十字絲的豎絲轉動,如圖2所示。開啟全站儀，設置為無棱鏡測量模式，旋轉棱鏡，調節入射角度，每個角度測距30次，計算出測距均值和方差，處理后的數據見表1。

圖2 入射角度對測量穩定性影響示意圖

由觀測結果可知觀測值方差呈現遞增趨勢，即無棱鏡模式測距的穩定性隨入射角度的增大而減弱,隨著入射角的增大測距的穩定性減弱越快。

表1 不同入射角測量結果

2.2 常見不同材質反射面對測距穩定性的影響

在河南理工大學新校區實驗場地，分別對不同材質的反射面(平整巖石面、水泥路面、泥土路面、平靜水面、金屬管狀物、平整墻面、樹干)進行多次觀測。根據有關結論：入射角在小范圍內變化對測量結果無明顯影響，所以，只需保證距離相等，入射角大致相等即可，每一種反射面連續觀測30次，反射面與儀器之間的距離約為60 m。處理后數據見表2。

表2 不同反射面測量結果

從表2可以看出，在幾種常見材料反射面中，其對測距穩定性的影響有一定的區別，由于無棱鏡測距利用的是反射面的漫反射原理，當反射面過于光滑(如玻璃)則更容易發生鏡面反射，導致信號無法返回或測距結果出錯，對測距結果影響較大[7]。當然，對于一般常見反射面(如表中所列)都具有一定粗糙度，根據實驗數據顯示，常見反射面對測距影響程度從大到小依次是平靜水面、泥土路面、樹干、金屬管狀物(銀白)、平整墻面(紅色)、水泥路面、平整巖石面，但是總體上也可以看出不同反射面對測距穩定性影響并不明顯。

2.3 常見不同色彩反射面對測距穩定性的影響

在河南理工大學新校區實驗場地，分別對測量過程中常見的幾種不同顏色：白色、土黃色(泥土)、綠色(植被)、灰色(路面)、黑色、暗紅色(墻面)等進行觀測，根據相關結論：距離、入射角、反射面粗糙程度小范圍內變化對測量結果無明顯影響，所以，只需保證距離、入射角、反射面粗糙程度大致相同即可，每一種顏色的反射面連續觀測30次，反射面與儀器之間的距離約為70 m，測量數據處理結果如表3所示。

根據表3數據，比較對不同色彩的反射面的觀測值方差，可知隨著反射面顏色深度的增加，觀測值方差也隨之增大，可知顏色越淺對測距越有利。但是，總體上除黑色外，顏色對測值的影響不是很明顯。

表3 不同色彩的測量結果

2.4 網孔、距離對測距穩定性的影響

河南理工大學新校區實驗場地，用帶有若干孔洞的紙片模擬實際測量時遇到的樹葉間隙，分別對不同距離處的相同反射物體在有、無網孔影響的條件下進行多次測距，如圖3所示，每一次測距連續觀測30次，測量數據處理結果如表4所示。

圖3

表4 網孔、距離實驗結果

根據表4中數據可作出折線圖，如圖4所示。

圖4 距離對測距精度的影響

根據圖4可知，在無棱鏡測距模式下，隨著距離的增加，其測距的穩定性逐漸減弱,并且若超出儀器規定的最大測程，則無信號返回；網格、距離對測距的穩定性有一定的影響，遮擋部分測距信號，但總體影響不大[8-10]。

2.5 邊緣點、拐角對測距穩定性的影響

在河南理工大學新校區實驗基地的場地上，擺設全站儀，并在距全站儀一定距離處(約70 m)架設棱鏡基座，事先準備可折疊的白紙板置于棱鏡基座上，然后手動調節角度，如圖5所示，分別大約取180°,150°,120°,90°,60°,30°,0°，每調節一個角度，則將全站儀瞄準折痕測距30次，記錄測量結果，測量處理數據見表5。

圖5 邊緣點、拐角對測距穩定性的影響實驗示意圖

表5 不同拐角測量結果

由表5數據可看出，拐角對測距結果有影響，并且拐角越尖，影響越大。

3 結束語

通過拓普康GPT-3100N全站儀的實驗和數據分析，可知全站儀在無棱鏡模式下，測距的穩定性隨入射角度的增加而減弱；并且，隨著入射角的增加測距的穩定性減弱的越快；測量目標表面的理想狀態顏色應為白色或棕色為好；當物體表面的反射能力足夠強，且信號穩定，則物體表面的粗糙程度對測量數據的影響并不明顯；材料顏色對測距精度的影響也不明顯，但總體上顏色越淺，物體的反射信號越強，對測距越有利；在測量物體拐角時，實際所得距離為測站到等效平面的距離，并且拐角越尖，對測距穩定性影響越大。因此在實際工作中，應盡量避免照準諸如玻璃之類的透明物體，避免瞄準拐角點，對于精度要求較高的測量工作，應避免一次測量較遠的距離，以保證精度。

[1]侯曉真，于瑞鵬.道路勘測階段控制測量方法的研究 [J].測繪工程，2012,21(4):70-73.

[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，2008,6(4):133-136.

[3]范白興,夏治國.全站儀無棱鏡測距及精度分析[J].北京測繪，2004,4(1):28-32.

[4]宋云記,李瑞明.遙測目標點三維坐標的一種新方法[J].測繪通報，2004(8):78-90.

[5]詹長根,鮑家偉,黃德霖.全站儀棱鏡常數未改正引起的測量誤差分析[J].北京測繪， 2011,4(3):30-34.

[6]朱順平,薛英.無反射棱鏡全站儀及其測試[J].測繪通報，2001(3):41-43.

[7]王勝強.無反射棱鏡全站儀測距精度分析[J].測繪與空間地理信息，2012,35(3):191-195.

[8]李超,文鴻雁.智能全站儀的光學準直方法與精度測試[J].測繪科學,2011,12(5):114-118.

[9]曾懷恩，劉金平.基于免棱鏡全站儀的豎井高精度測量[J].測繪工程，2013，22(3)：5-7.

[10]張立群，趙仲榮，袁樹才，等.免棱鏡全站儀在建筑物傾斜監測中應用分析[J].測繪工程，2011，20(2)：54-60.

[責任編輯：張德福]

Distance measurement stability and precision analysis of non-reflector total station

MA Chun-yan1,MA Yu-kuan2, ZHANG Hong-xing1

It firstly introduces the principle of the total station measurement, taking Topcon GPT-3100N total station as an example.Through the experiments the stability of non-reflector on the total station is analyzed with reflector material, surface color, distance measurement, range finder,angle of incidence, corners, gaps, etc.Through the experiment data, the conclusion of measuring precision and notice are obtained.

total station; non-reflector; stability; precision

2013-09-22

國家自然科學基金資助項目(41072225)；河南省科技廳重點攻關項目(092102210362)；河南省科技廳重點攻關項目(112102210193)；教育部人文社會科學重點項目(11YJCZH030)

馬春艷(1980-)，女，講師，碩士.

P204

：A

：1006-7949(2014)09-0009-03

(1.School of Surveying & Land Information Engineering,He’nan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China; 2.Institute Zhengzhou Urbrn Planning Design & Survey,Zhengzhou 450000， China)