全站儀在高程控制測量中的精度分析

謝春濤 / 中國葛洲壩集團勘測設計有限公司

全站儀在高程控制測量中的精度分析

謝春濤 / 中國葛洲壩集團勘測設計有限公司

水準測量的操作相對簡單，數據量也比較小，很容易計算和處理，并且精確度非常高。但是，因為存在一定的位置差異，在特殊地理位置，采用全站儀進行高程測量，能夠更進一步提高精度和測量效率。據此，本文主要對全站儀在高程控制測量中的精度進行了詳細分析。

全站儀；高程控制測量；精度

一、全站儀高程測量概述

（一）全站儀含義

全站儀，即全站型電子測距儀，是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器，是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器系統。和光學經緯儀相比較分析，電子經緯儀把光學度盤換成光電掃描度盤，把人工光學測微讀數代之，以此自動記錄，并顯示讀數，促使測角操作更加簡單化，從而進一步防止產生讀數誤差。由于一次性就可以安置儀器，便能夠完成測站上的全部測量工作，因此稱為全站儀。其主要應用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監測領域。而且，全站儀和光學經緯儀的主要區別就是度盤讀數和顯示系統，光學經緯儀的水平度盤和豎直度盤，及讀數裝置，分別采用兩個相同光柵度盤和讀數傳感器進行角度測量。切實根據測角精度可以劃分為0.5″，1″，2″，3″，5″，7″等幾個等級。

（二）全站儀高程測量原理

把全站儀當作水準儀來使用，使棱鏡高相同，達到抵消儀器高和棱鏡高的目的，從而不必量取棱鏡高和儀器高，這樣既能在地形復雜地區進行快速的高程傳遞，又能確保足夠的高程測量精度。如果在較短的距離內不考慮兩差對高差測量的影響，那么觀測計算得到的A，B兩點高差只受垂直角測量和距離測量精度的影響。如果兩點間高差較大或距離較遠，僅安置一次儀器不能測出其高差時，就可以在兩點間安置多次儀器，加設多個轉點，然后再分段設站觀測。具體如圖1所示。

圖1 全站儀測量高程原理圖

SCA為后視斜距，SCB為前視斜距，DCA為后視平距，DCB為前視平距，iA為后視點棱鏡的高度，iB為前視點棱鏡的高度，VC為全站儀的高度，hAC為后點A至測站點C的高差，hCB為測站點C至前點B的高差，h1為后視棱鏡中心至全站儀橫軸的高差，h2為全站儀橫軸至前視棱鏡中心的高差，hAB為后視點A至前視點B的地面高差，A1為全站儀觀測后視棱鏡中心點的豎直角，A2為全站儀對前視棱鏡中心點的豎直角。

（三）全站儀高程測量方法

如果可以把全站儀像水準儀一樣隨意安置點，而不是置在已知的高程點上，同時又在不量取儀器高和棱鏡高的前提下，合理利用三角高程測量原理，進行待測點高程測量，施測的速度會進一步提高。如果A點高程已知，而B點高程未知，通過全站儀測定其他待測點的高程。

首先由式（1）可得式（2），

除了Dtanα即V的值可以用儀器直接測出外，i、t都是未知。但是，可以確定即儀器一旦設置好，i值也將隨之不變，同時選取跟蹤桿作為反射棱鏡，架設t值也固定不變。

從式（2）可得式（3），

由式（3）可知，基于假設，HB+i-t在任一測站上是固定不變的，還可以計算出值W。

此方法的操作流程為：首先，儀器任意置點，但是所選點位要求能和已知高程點通視。其次，使用儀器照準已知高程點，測出V值，并算出W值。此時與儀器高程測定有關的常數如測站點高程，儀器高，棱鏡高均為任一值，施測前不必設定。再次，將儀器測站點高程重新設定為W，儀器高和棱鏡高設為0即可。最后，照準待測點測出其高程。

二、全站儀在高程控制測量中應用的必要性

在施工測量中，常常涉及到高程測量，傳統的測量方法是水準測量與三角高程測量。兩種測量方法各具特色，但都存在不足。水準測量是一種直接性的測高法，其測定高差的精確度比較高，但是，受地形起伏限制，外業工作量比較大，施測的速度比較慢。而三角高程測量是一種間接的測高法，其不會受地形起伏限制，施測的速度比較快，在大比例地形圖測繪、線性工程和管網工程等測量中備受青睞。但傳統的三角高程測量也有其不足之處，即在每一站都需要量取儀器高和讀取棱鏡高，不僅麻煩，還直接增加了誤差來源，降低了高差測定的精度。隨著全站儀的廣泛使用，使用棱鏡跟蹤桿配合全站儀測量高程的方法越來越受到廣大測量人員青睞，全站儀三角高程測量法既結合了水準測量的任一置站的特點，又減少了傳統三角高程的誤差來源，同時每次測量時還不必量取儀器高、棱鏡高。使三角高程測量精度進一步提高，施測速度更快。

三、全站儀在高程控制測量中的精度分析

（一）精度分析方法

選取測角精度為2″的全站儀，進行高程測量精度分析。測距精度為ms=（2+210-6D）mm，ms=4mm。按照全站儀1km的測距進行計算，大氣的折光系數為mk=0.04mm，儀器高和棱鏡高的量取誤差為3mm。

采用中點法測量高差主要與測量斜距S、豎直角A、棱鏡高v，及大氣折光系數K相關，這就直接避免了儀器對高程量取精度的影響。A、B兩點采用同一對中桿，并且不變換高度，當V1=V2時：

（二）精度的影響因素

受地形不同與已知高程點距離的影響；受大氣折光、大風等外界環境的影響；受儀器自身影響；受測量人員和其它原因的影響。

（三）精度提高途徑

1.根據高程測量的路線和地形變化，選擇最佳測量位置，在待測工程點距離已知高程點比較遠的時候，可以劃分高程測量路線。

2.選擇天氣晴朗，風力比較小，濕度和溫度適宜的氣候狀態進行測量。

3.在測量前，必須詳細檢查儀器的部件，一旦發現有損壞，及時修復，根據測量需要，合理設置儀器參數，確保儀器具備充足的電量。

4.一定要保證測量是全站儀與棱鏡的對中整平要求，計算時一定要保留到毫米位。

四、全站儀高程控制測量的注意事項

1.使用全站儀三角高程測量法替代水準測量，方式方法比較簡單，測量速度相對較快，為后續快速、準確構建高程控制網提供了新途徑。

2.采用全站儀中點法進行高程測量，相鄰兩點之間不能通視，可以靈活選取測站點的位置，不需要對中，能夠在很大程度上節約時間，降低勞動量和勞動強度，具有非常明顯的優勢。如果想要進一步提高精度，盡量保證前后視的距離相同。

3.全站儀單向高程測量的時候，盡量近距離觀測，豎直角不宜過大，并盤左盤右觀測，可以消除系統誤差影響，并在一定范圍內，能夠替代四等水準測量。

4.全站儀三種高程測量的誤差，都會隨觀測距離和豎直角的增大，而有所增加，并和測邊、測角的精度密切相關，所以，為了有效提高測量精度，可以適當增加測回數，以此提高距離與豎直角的觀測精度。

五、結語

綜上所述，全站儀以其自身的獨特優勢，在高程控制測量中得以廣泛應用。充分合理利用全站儀進行高程控制測量，不僅可以不受地形限制，加密控制點，并高程放樣，而且測量的精度相對較高，施工十分便利，具有一般水準測量無法比擬的優點，能夠直接替代水準儀。雖然全站儀對于地形復雜的區域進行高程控制測量精度能夠滿足要求，但是也需要適當注意誤差對測量的影響。

[1]孫宏林.全站儀高程控制測量精度與誤差分析[J].科學時代,2015(10).

[2]元昊.精密工程測量中全站儀三角高程精度分析[J].工程技術,2016(2):00270-00270.

[3]李曉毅.全站儀相對高差法在高程測量中的精度分析及應用[J].建筑工程技術與設計,2014(12).