淺談全站儀及GPS技術測量地下管線方法

劉占秋

摘 要：地下管線測量是指在工程建設的勘察設計、施工、驗收、運營管理期間所要進行的測量作業，主要包括測量和放樣兩部分。近年來隨著科學技術的進步，測繪技術也正由傳統的測繪技術向數字化測繪技術發展，我國的工程測量的發展趨勢正在向內外業作業的一體化、數據獲取和處理的自動化、測量過程的智能化、測量結果的數字化方向發展，尤其是利用GPS和全站儀技術在地下管線工測量中的應用，比傳統的測量方法的測量速度快、效率高、精度高，且節省人力物力財力，這兩種技術可以做到優勢互補，具有較高的工程推廣價值。

關鍵詞：全站儀；GPS接收儀；地下管線；測量

1 引言

地下管線歷來是城市的“血管”和“神經”，地下管線涉及給水、雨水、污水、燃氣、電力、路燈、有線電視、工業等十多種地下管線，形成了一張錯綜復雜的地下管線網絡，為了滿足城市建設的需要，查清復雜的地下管線的情況，及時、準確地測定地下管線的位置和分布情況，我國已經生產或引進了許多不同類型的地下管線勘測儀器。一般管線探測的精度為平面5cm，高程3cm，但是有的大型及精密工程測量在精度上有更高的要求，目前管線探測儀獲得數據的精度上不能滿足其需要。

2 GPS系統的特點分析

2.1 GPS的概述

GPS即全球定位系統，是美國國防部研制的衛星導航系統，由空間衛星星座、地面監控系統和用戶的接收機組成，借助于空中的多個GPS衛星確定地面點的三維坐標和速度等參數的定位系統，具有全球性、全天候、連續性、實時性導航定位的特點以及定時等功能。

2.2 GPS的原理

GPS的主要應用功能有單點導航定位和相對測地定位兩種，對于常規的工程測量則應用的是其相對測地定位的功能。相對測地定位的原理是載波相位測量局域差分法，測量時需要在接收機之間求一次差，并且在接收機和衛星觀測歷元之間求二次差，對這兩次差采用差分計算的方式計算出待測基線的長度。為了精確求解整周模糊度，按照特定的算法模型將其作業模式分為靜態、快速靜態和RTK作業模式三種，靜態作業模式主要應用于變形觀測和大地測量等高精度的測量，快速靜態作業模式的主要特點是效率高，主要應用于精度要求相對較低的施工控制測量，而RTK作業模式能夠對數據進行實時處理，主要應用于數據采集與工程放樣中[1]。

3 全站儀的功能及用途分析

3.1 全站儀的概述

全站儀是全站型電子素測儀的簡稱，它集電子經緯儀、光電測距儀和微處理器于一體，由電子測角、電子測距、電子補償和微機處理裝置組成，可以同時進行水平角和垂直角的測量、距離及高差測量和數據處理，其可以在一個固定測點就能完成控制點內所有的測量工作。

3.2 全站儀的原理

全站儀的工作原理根據其功能分為測角原理和測距原理。這兩種功能的原理都用到數學的平面幾何、立體幾何以及微積分等原理，結合測距數據測算其他邊短距離和角度等參數，測角功能還用到“角度度盤和角度傳感器”來獲取角度的數字化數據的原理，而測距功能則與光電測距儀的原理基本相同，主要依靠的是電磁波測相技術[2]。

4 技術方案

4.1 觀測誤差分類

地下管線的數字采集測量誤差主要是指測量儀器的誤差和測量觀測的誤差。

全站儀觀測中的誤差主要包括全站儀水平角觀測中的誤差和垂直角觀測中的誤差。其中，全站儀水平角觀測中的誤差主要是由目標偏心誤差、對中誤差和照準誤差構成的；垂直角觀測中的誤差主要由照準誤差與儀器自動補償誤差構成[2]。

全站儀觀測中的誤差m主要是由水平角觀測中的誤差和垂直角觀測中的誤差構成。全站儀的觀測誤差也包括外界環境影響引起的誤差、儀器自身誤差和儀器讀數誤差。儀器自身誤差主要是指垂直軸誤差。據相關部門統計，在通常情況下，m=±1.5″，外界環境的影響主要是指溫度的變化，儀器讀數的誤差大致為m±1.5″。

4.2 技術方案

為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種數字地下管線測量系統及采用該測量系統的測量方法。一種數字地下管線測量系統，用于對地下管線的多個管線點進行測量，包括計算機、全站儀、靜態GPS接收機以及分別與各管線點匹配設置的多個地面標志物，全站儀和靜態GPS接收機通過電纜與計算機通訊連接，全站儀的頂部連接有豎向的伸縮桿，靜態GPS接收機設置在伸縮桿的頂端。

（1）全站儀為高精度自動跟測全站儀，包括支架和設置在支架上的全站儀本體，全站儀本體的頂部設有提手，提手頂部中央設有螺孔，伸縮桿通過螺孔與提手可拆卸連接。（2）該系統還包括用于測量靜態GPS接收機和全站儀本體之間距離的激光測距儀，激光測距儀設置在GPS接收機上，并與計算機通過電纜通訊連接。（3）測量時，地面標志物距離全站儀的距離為50～100m。（4）全站儀的精度如下：測角精度為0.5″，測距精度為0.8mm+1ppm·D，觀測照準精度為2″，對中誤差為5mm，目標偏心誤差為5mm。

4.3 使用方法

采用數字地下管線測量系統的測量方法，包括以下步驟：（1）確定與管線點匹配設置的地面標志物，架設全站儀，安裝靜態GPS接收機；（2）輸入全站儀的假定位置信息，使用全站儀對各地面標志物進行測量，得到地面標志物的假定位置信息，同時通過靜態GPS接收機獲取位置信息，地面標志物的假定測量信息及靜態GPS接收機獲取的位置信息通過電纜傳輸至計算機；（3）以全站儀對多個管線點的地面標志物測量完畢后，靜態GPS接收機獲取的位置信息作為靜態GPS接收機的位置信息，計算機根據靜態GPS接收機的位置信息結合全站儀本體與靜態GPS接收機的相對位置計算得到全站儀的位置信息，并用其替換假定位置信息，根據地面標志物的假定測量信息計算得到地面標志物的測量信息，根據全站儀的位置信息與地面標志物的測量信息計算出地面標志物的位置信息，從而得到管線點的位置信息。

5 小結

（1）測量效率和測量精度高。利用靜態GPS接收機獲取位置信息精度高的優點，來對全站儀的位置信息進行精確測量，而由于靜態GPS接收機得到高精度的坐標需要的時間較長，因此，先輸入全站儀的假定位置信息（也就是輸入一個假定的位置信息），然后再進行各管線點的測量，一段時間后，待多個管線點測量完畢，靜態GPS接收機獲得的位置信息精度已達到較高水平，此時用靜態GPS接收機獲取的位置信息作為靜態GPS接收機的位置信息。

（2）方法簡單，操作方便。全站儀的位置信息通過靜態GPS接收機獲取，不必設置后視點，全站儀的選位更加自由，能夠通過合適的選位，一次測量更多的管線點，而一次測量的管線點越多，需要的時間也越多，靜態GPS接收機獲取的位置信息也越精確，測量結果也越高，由于靜態GPS接收機獲取位置信息和全站儀測量是同步進行的，不會因此而降低測量效率。

（3）在高精度數字地下管線的測量過程中，測點的距離最好控制在50～100m。鑒于此，全站儀的測角精度為0.5″，測距精度為0.8mm+1ppm·D，觀測照準精度為2″，對中誤差為5mm，目標偏心誤差為5mm。同時，在測量過程中，應嚴格標定管線測點中心的位置，確保測點平面點位的精度，則可達到毫米級的精度。

（4）對于多個特殊管線點的高精度實時動態監測，高精度自動跟測全站儀可以節省人力與成本，提高工作效率。

參考文獻：

[1] 陳杰華，陳敏.城市地下管線測量方法研究[J].江西測繪，2015（2）：38～41.

[2] 石志偉.地下管線測量方法和技術分析[J].智能城市，2017（5）：112.