基于自動照準全站儀的精密三角高程測量代替二等水準測量的研究與應用

2016-04-11 01:25:47歐海平劉業光

測繪通報 2016年2期

孔　寧，林　鴻，歐海平，劉業光，羅　峰

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

孔寧，林鴻，歐海平，劉業光，羅峰

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

Research and Application of Precise Trigonometric Leveling to Replace Second-order Leveling Based on Intelligent Total Station

KONG Ning，LIN Hong，OU Haiping，LIU Yeguang，LUO Feng

摘要：隨著測繪新技術的發展及高精度自動照準全站儀的出現，傳統高程傳遞的作業模式具備了改進的空間，本文對基于自動照準全站儀的精密三角高程測量代替二等水準測量方法進行了深入研究，經理論推導、精度分析和實際應用，基于自動照準全站儀的精密三角高程測量成果完全滿足國家二等水準測量精度要求。

關鍵詞：自動照準全站儀；精密三角高程測量；二等水準測量；精度分析

傳統幾何水準測量的高程傳遞具有測量精度高、操作簡單等缺點，但其測量視線短、速度慢、勞動強度大、易受氣象條件影響等缺點，使其作業效率難以提高。三角高程測量路線靈活、速度快、勞動強度小，但由于受球氣差等的影響，測量精度較低。基于此，許多專家學者相繼對三角高程測量代替二等水準測量的可能進行了深入研究[1-3]。本文采用兩臺高精度自動照準全站儀(測量機器人)進行同時段對向觀測，極大地消減了球氣差的影響，在路線傳遞過程中進行偶數測邊的對向觀測，起、末點對中桿高度不變，避免了丈量儀器高和對中桿高帶來的誤差影響。筆者通過對該技術的理論推導、精度分析，論證了該技術的可行性，最后將該技術應用于實際工程，成果精度完全滿足國家二等水準測量的精度要求。

一、精密三角高程測量

1. 觀測方程

基于自動照準全站儀的精密三角高程測量，將改裝后的棱鏡分別固定在兩臺儀器的把手上，進行同時段對向觀測。一個測段的傳播示意圖如圖1所示。

圖1　精密三角高程測量路線圖

圖1中，A、B間高差為

hAB=hA1+h1N+…+hNB

(1)

儀器在位置1對A點棱鏡進行觀測，平距為D1A，在位置N對B點棱鏡進行觀測，平距為DNB，VA、VB分別為對中桿棱鏡中心與起、末水準點之間的垂直距離，α1A、αNB為觀測垂直角，受儀器軸系誤差影響，在精密三角高程代替二等水準測量時，觀測垂直角不得超過10°[4]。當D1A≤20 m，DNB≤20 m時，可以不考慮球氣差和垂線偏差等影響[1]，則hA1、hNB分別為

hA1=-D1Atanα1A

(2)

hNB=DNBtanαNB

(3)

在位置1，2，…，N上儀器照準中心與其把手上棱鏡中心之間高差為V1，V2，…，Vn。因此，位置1、位置2上兩儀器照準中心之間的高差h12為

(4)

整理后得

(5)

式中，α12、α21為位置1、位置2的垂直觀測角；M21、M12、f12、f21為兩儀器在位置1與位置2時對向觀測的垂線偏差和球氣差改正值。根據三角高程嚴密計算公式[5]，在非高山地帶可以不考慮垂線偏差的影響[5-7]；球差可以通過對向觀測取均值抵消；在氣象條件變化均勻時段進行同時段對向觀測，且對向觀測點間的氣象條件相差不大時，可認為氣差對對向觀測高差值的影響大致相反[8]，氣差在這里也基本消除。

因此，式(5)可簡化為

(6)

高程傳遞時候，將位置1上的全站儀遷至位置3，對向觀測位置2的棱鏡，兩儀器照準中心高差為

(7)

在一個測段高程傳遞過程中，V1=V3，V2=V4，…，VA=VB，則

hAB=-D1Atanα1A+0.5(D12tanα12-D21tanα21)+

(8)

式(8)即為基于自動照準全站儀的精密三角高程測量傳遞公式，式中消除了球差，消減了氣差影響，同時避免了量取儀器高和對中桿高帶來的誤差。

2. 精度分析

對式(1)全微分得

(9)

式中

(10)

其中

(11)

假設一個測段中每一個對向觀測邊的測邊、測角均相等，觀測條件也相等，即

則每一個對向觀測獲得高差的精度也相等。

因此可得

(12)

(13)

表1　測段高差中誤差統計　mm

由表1可知，基于自動照準全站儀的精密三角高程測量，在觀測高度角不超過10°，測距≤1000 m的情況下，使用測角精度為0.5″、測距精度為0.6 mm+1×10-6D、ATR測距精度為1 mm的儀器，成果完全滿足二等水準測量的精度要求。

本文精度分析是在假設儀器設站無整平誤差、對中桿無整平誤差等情況下進行的，但若設站次數過多、測段長度過長，成果精度都將降低。

二、工程應用

1. 項目概述

GZCORS硬件升級需對7個基準站進行高程聯測，聯測成果需達到二等水準精度要求(如圖2所示)。采用基于自動照準全站儀的精密三角高程測量方法進行高程傳遞，降低了勞動強度，提高了作業效率。

圖2　GZCORS基準站之一的高程聯測路線

2. 項目實施

(1) 設備投入

根據項目需要，投入Leica TM30自動照準全站儀兩臺、強制對中桿一套、高低棱鏡組兩組、外業觀測手簿兩臺、手持氣象儀兩臺、對講機兩臺等儀器設備(如圖3所示)。

圖3　儀器設備

(2) 路線選定

外業實測前，由經驗豐富的測量人員選定高程傳遞路線，確定每站儀器架設的大致位置，較優的傳遞路線可大大提高作業效率。高程傳遞路線應避免通過行人車輛頻繁的道路上，儀器架設處應避開地面震動地段和松軟的土質地段，觀測視線內不宜出現草、樹葉、電線等引起旁垂直折光影響的物體。

(3) 外業觀測

一個測段的作業流程如圖4所示。

圖4測段作業流程

3. 成果分析

經計算，GZCORS 7個基準站的高程聯測閉合差計算統計結果見表2。

表2　閉合差統計

分別對以上測段內較長的對向觀測邊的高差進行高差中誤差計算，統計結果見表3。

表3　高差中誤差

通過以上計算分析，GZCORS 7個基準站的高程聯測成果精度較好，滿足國家二等水準測量精度要求。

三、結束語

本文對基于自動照準全站儀的精密三角高程測量代替二等水準測量進行了詳細闡述，并對其進行了精度分析，論證了這一方法的可行性，最后通過工程應用驗證了該技術的可行。

值得注意的是，本文對其閉合差的計算均是按傳統幾何水準測量規范的限差要求進行的，若水準網內使用的高程傳遞方法既有傳統幾何水準測量，又有精密三角高程測量，則數據處理時如何進行取權平差和精度評定，還有待作進一步的深入研究。同時，筆者呼吁在進一步完善該技術相關技術指標及后期數據處理等相關內容后，盡快完善相關規范標準的制定。

參考文獻：

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中圖分類號：P258