全站儀在水文測站的應用

陳泉志+陳艷+王崇智

摘 要：根據全站儀測量三角高程測量的原理和方法，應用誤差傳播定律，對其進行系統的精度分析，得出應用全站儀三角高程測量完全可以替代水文三、四水準測量和進行大斷面測量。根據誤差分析結果及《水電水利工程施工測量規范》、《水文普通測量規范》結合中游測區實際情況，制訂出用全站儀進行水準、大斷面、水尺零點高程測量的方法，以及相關測量誤差控制指標和誤差的修正方法。

關鍵詞：全站儀；水文站；應用

1 全站儀三角高程測量原理

用全站儀進行高程測量的方法有單向觀測和對向觀測法，下面分別給出其觀測原理和高差的計算公式。

1.1 全站儀單向觀測測定高差的計算公式

A為已知高程點，B為待測高程點。將全站儀安置于A點，量儀器高i；將棱鏡置于B點，量棱鏡高為l。則A、B兩點的高差為：

式中：s為斜距，？琢為觀測豎直角，k為大氣折光系數，R為地球曲率半徑，i為儀器高，l為棱鏡高。

2 全站儀三角高程測量的誤差分析

2.1 誤差

全站儀測距中誤差ms對高差的影響與豎直角？琢的大小有關。目前我局引進的全站儀為徠卡TC 1800，其測距精度一般在±（1mm+1ppm·D）～±（2mm+2ppm·D）之間。由于測距精度很高，因此對高程的影響很小。

誤差指標采用《水文普通測量規范》、《水利水電工程測量規范》、《國家三、四等水準測量規范》中的相關規定。

根據《水利水電工程測量規范》，豎直角不宜大于25°，根據《水利水電工程測量規范》、《國家三、四等水準測量規范》綜合考慮視線長度應不超1200m。

由表1可知，2種測量方法中對向觀測的誤差較低，精度較高；三角高程測量的誤差隨著邊長的增大而增加；對于中游區來說，因視線長度較短，三角高程測量誤差又隨著豎直角的增大而增加。

從表中可以看出，三等水準測量用對向觀測在視線長度大于200m，小于600m，豎直角小于25°時，觀測精度可滿足其要求；四等水準測量用對向觀測在視線長度小于1200m，豎直角小于25°時，或用單向觀測距離大于200m，小于800m，豎直角小于25°時，觀測精度可滿足其要求；五等水準測量用單向觀測在視線長度小于1200m，豎直角小于25°時，測量精度可滿足其要求。

4.4 分析結論

（1）用全站儀三角高程測量方法完全可以替代水準測量，且方法簡單易行，測量速度較傳統方法快的多，為今后快速、準確進行水準測量提供了又一新的途徑。

（2）從表1可以看出，全站儀用對向觀測視線長度在一定范圍內，豎直角小于25°時，測量精度高于水準儀，否則測量精度低于水準儀。

（3）單向觀測距離小于1200m，豎直角小于25°時，其測量精度可滿足五等水準測量，就中游區來講可進行大斷面測量。

（4）對向觀測距離小于1200m，豎直角小于25°時，或單向觀測距離大于200m，小于800m，豎直角小于25°時，其觀測精度可滿足四等水準測量精度要求，就中游測區來講可進行水尺校核。

（5）對向觀測距離大于200m，小于600m，豎直角小于25°時，其觀測精度可滿足三等水準測量精度要求，就中游測區來講可進行水準點校測。

4.5 實際操作中注意事項

（1）三角高程測量豎直角觀測精度對其高程精度影響較大，因此，為提高測量精度，可適當增加測回數。能見度不好，中午光線太強時不要觀測。

（2）在精度分析中，儀器高和棱鏡高的量取誤差假設為定值，但在實際量取中為非固定值，并直接影響著高差值，因此應認真量取至0.5毫米，使其控制在最小范圍內。若前后棱鏡用的是強制對中桿的應盡量取相同值，以便減少棱鏡量取誤差，進一步提高測量精度。

5 用全站儀進行水準、水尺零點、大斷面測量的方法

5.1 一般規定

觀測時距離和豎直角按分析結論掌握，視線高度和離開障礙物的距離不得小于1.5m；斜距和豎直角的觀測應在成像清晰、信號穩定的情況下進行；測距的準備工作，觀測方法和作業要求、氣象元素測定及重測取舍，氣象、加常數、乘常數修正值及邊長修正等，均按GB/T 16818的相應規定執行；儀器高、棱鏡高各獨立量取2次，當較差小于2mm時取其平均值作為最終結果。各項觀測讀數和計算數值取位按表2（見《國家三、四等水準測量規范》）規定執行。

5.2 全站儀進行水準、校核水尺零點高程測量方法

根據《水利水電工程施工測量規范》，用全站儀進行水準、水尺零點高程測量時，特作如下規定。

（1）全站儀精度為±（2+2×106s）mm以上；最小讀數為0.2℃的溫度計；最小讀數為1mb的氣壓表。

（2）天頂距觀測用中絲法進行，盤左位置和盤右位置分別照準同一目標讀數為一測回，每次照準目標時均精確照準兩次，讀數兩次，且兩次讀數差不大于3″。

（3）全站儀進行水準、水尺零點校核具體要求見表3（見《水電水利工程施工測量規范》）。

（4）用全站儀進行水準、水尺零點校核時也可以直接測量斜距、平距、高差，其測量技術要求見表3和表4（見《水電水利工程施工測量規范》），但表3中斜距和天頂距測量要求應按表4中斜距和高差測量要求進行。打開儀器主菜單，在F6（測量模式）下輸入氣壓、氣溫。全站儀在水文站具體應用時即可這樣操作。

（5）對向觀測應在短時間內完成。

（6）用全站儀校測水準點時，視線長度在200m至600m之間，豎直角不得大于25°，應采用三等三角高程測量方法觀測，組成附合路線或閉合環，并進行往返測（類似水準測量的往返觀測）；若進行水尺零點校測時，視線長度在100m至1200m之間，豎直角不得大于25°，測站（轉點）間應采用四等三角高程測量方法觀測，組成附合路線或閉合環，并進行往返觀測（類似水準測量的往返觀測）；水尺高程的測定可采用四等單向三角高程方法觀測，并進行往返觀測（類似水準儀測水尺點高程用的間視法），視線長度在200m至800m之間；對于水尺零點高程校測，如果不需要轉點即可完成測量時，可采用一鏡雙高法進行觀測。

6 用全站儀進行水準、水尺零點、大斷面測量計算的軟件開發

計算系統采用VB6.0語言編程，采用了表格控件fexlcell和界面控件Xpsuite以及Api函數編程等技術手段。各測量項目數據處理的算法嚴格按照有關規范規定的計算方法。

軟件利用了已開發的“水文測驗數據處理系統“作為統一平臺，增加了支持全站儀測量方法的三種相應表格和計算程序模塊。采取即時填表，自動計算。具有記錄、計算、打印等功能，操作簡便直觀，界面友好，使用簡單。

7 適用性

我局地處山區，水準、大斷面測量比較困難，看似距離很短的兩個待測點，測量路線變的較長，工作量也較大。本課題的成果可很好的適用我區實際地形情況，如水尺零點高程校測，將全站儀安置于某個合適控制點，可同時將上、下比降斷面及基本斷面水尺全部施測完畢，減輕了勞動強度，提高工了作效率，特別是在兩岸之間的水準測量，大斷面測量發揮了較大的作用，成為水文現代化的重要組成部分。同時使用本課題配套軟件，可免去過去繁瑣的內業計算、校核工作，減少了不少中間環節，避免了內業整理錯誤的出現。