全站儀在水文工作中應用探析

王 昕

（陜西省西安水文水資源勘測局，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著現代科技的發展和計算機的廣泛應用，集測距、測角裝置和微處理器為一體,能自動計算、存儲和輸出的測量儀器被稱為“全站儀(EDM)”,廣泛應用于線路、水利、電力和房建等工程。緣于水文事業的快速發展,全站儀等儀器也被引進水文行業并得到迅速應用。工作中熟悉儀器操作步驟、功能，合理設置參數，正確選擇測量模式，才能發揮其優勢，達到減輕勞動強度,提高工效之目的。

1 全站儀主要功能

角度測量:利用水平角置零測定兩點之間夾角；

距離測量:先設置測距模式、反射棱鏡類型、棱鏡常數和氣象改正數后，進行距離測量；

坐標測量:輸入測站點坐標、儀器高、棱鏡高和瞄準后視點并輸入坐標方位角，用坐標測量功能測量待測點三維坐標；

放樣測量:根據設計數據在實地測設出所要求的點位；

懸高測量:用于無法在其上安置棱鏡的物體的測量。

2 測量案例

以西安水文局某站為例，采用SOKKIA SET230R全站儀，測角精度±2＂,測距精度棱鏡±(2+2×10-6D）mm,免棱鏡±(3+2×10-6D）mm。以電磁波測距高程導線校測水準點、EDM三角高程測量校測水尺零高和大斷面。

2.1 水準點及水尺校測

水準點每年至少校測一次,水尺零高汛前汛后至少校核一次,汛期依情況隨時校測。線路長高差大的測站水準點校測由市局人員下站使用水準儀施測,外業工作量大,作業周期長。使用EDM,速度快,且精度符合要求。

2.1.1 觀測要求

依椐《國家三、四等水準測量規范》GB/T22898-2009[1]、《水利水電工程施工測量規范》SL52-2015[2]以及《水文測量規范》SL58-2014[3],觀測過程中成像應穩定清晰且宜在中午附近進行,否則不宜觀測;視線長度不宜超過700 m,最大不超過1 km;觀測斜距、平距和高差時,每站需量取氣溫氣壓值輸入儀器內,溫度超過1℃時,重新輸入溫度后再觀測;斜距觀測兩測回,互差和測回差分別為10 mm和15 mm；天頂距觀測用中絲法讀數,盤左、盤右分別照準同一目標為一測回,測回差及指標差均不得超過5＂。

2.1.2 計算原理

1)每點設站時,直返覘高差的按下式進行計算：

式中:α為豎直角觀測值；h為儀器至觀測點之間的高差；S為儀器至觀測點之間的斜距離；R為為地球曲率半徑，取值6369 km；i，v 為分別表示儀器高和覘標高；h1，h2為分別表示往測和返測高差；△h為往測和返測高差之差；h'為相鄰測站間對向觀測的誤差中值。

2)隔點設站時,相鄰照準點間高差按下式計算：

式中:腳標1,2為后視與前視標號。

2.1.3 水準點校測實例

某站，2018年4月對水準點進行校測。采用全站儀施測,用水準儀比測。計算過程見表1,結果見表2。限于篇幅,電磁波測距高程導線觀測資料、水準觀測資料及水尺零高資料略去。

表1 某站電磁波測距高程導線高差計算表 單位：m

表2 某站水準點測量成果表 單位：m

從表2可看出,計算結果與第五列用三等水準測量結果相符，滿足規范要求。

2.2 大斷面測量

每年汛前或汛后應施測一次大斷面。在地形復雜、高差較大的測站，用水準儀施測大斷面,作業艱苦,尤以岸邊為懸崖陡壁的地形,水準儀只能止步。用全站儀（免棱鏡功能），速度快、簡便靈活，很好地解決了此難題。

2.2.1 獨立坐標系建立

目前,測站由絕對基面、凍結基面和水準點等構成高程系統，但未建立坐標系統。為水文工作發展之需,應建立測站坐標系統。方法是以基線端點為原點O,起點距增加的方向為X軸,以基線指向下游的方向為Y軸,垂直于OX軸或OY軸天頂方向為Z軸(設定斷面方向與基線方向垂直)。設O點坐標為(0,0,Z),高程Z通過水準測量得到。通常，儀器架設在便于觀測的某一固定點O′上并修建觀測平臺。通過坐標軸的旋轉平移和測量O′點高程,得到O′點坐標(a,b,Z′)，見圖1。

圖1 坐標系統示意圖

2.2.2 計算原理

1)測站O′高程計算

分兩種情況,即將儀器置于水準點上和便于觀測的任意位置?？墒褂镁幊逃嬎闫鞣謩e按式（5）、（6）計算：

式中：Z0為測站某已知水準點高程；h為已知點與待測點高差；i為儀器高；v為目標高。

2)坐標測量及起點距計算

啟動儀器“測量”按鈕，坐標（N,E,Z）顯示在操作屏幕上,可手工記錄或按鍵儲存于儀器中。三維坐標采用下式計算：

EDM三角高程測量原理見圖2。

圖2 EDM三角高程測量原理圖

式中，α、β分別為測站至棱鏡中心的豎直角和坐標方位角。

起點距從斷面樁O點開始,利用式(8)計算或校核。可用Excel編輯公式或編程計算器予以累加計算。

2.2.3 斷面測量實例

某站2018年汛前大斷面測量外業觀測記錄及計算結果,見表3。操作過程如下：

1)架設并整平儀器,按【測量】菜單鍵（F1）;

2)按【測距】鍵,測量測站與后視點之高差h并記錄;

3)按【FUNC】鍵，在【坐標】菜單下按“坐標測量”，按“測站定向”,按“測站坐標”,輸測站坐標（0,0,H）;輸“儀器高”;輸“目標高”,“后視定向”,瞄準斷面方向或基線方向并輸假定方位角0°00′00〃。按“ESC”鍵退出測站設置;

4)按“測量”,按“儀器高”F2,重新輸入測站坐標（0,0,H）;

5)在【坐標測量】下按“測量”,得后視點坐標（N,E,Z）,檢查高程符合性,進行坐標測量。

表3 某站大斷面測量記錄及計算表

3 誤差分析及結論

3.1 誤差分析

EDM三角高程測量,誤差來源主要是豎直角α的誤差mα和斜距S的誤差mS,儀器高i及棱鏡高v的量測誤差mi,mv,顧及折光系數k及垂線偏差系數u的誤差mk,mu。由誤差傳播定律，對式(1)微分并線性化后，對向觀測時高差中數方差為,mh2={(Sinαms)2+(Scosαmα/ρ)2+(S2cos2αmk2/2R)2+mi2+mv2)}+mu2。mS、mα可分別取標稱精度估算，即2+2×10-6D和±2＂;據有關文獻介紹，mk宜取±0.04mm;mi、mv,均不超過2 mm。因測區范圍不大，mu可忽略。因此,誤差構成主要是mα,ms,mi,mv。故mh不超過3 mm。采取增加測回數減少豎直角和距離觀測誤差影響;對向觀測,減少大氣折光影響;采用后前前后觀測順序,削弱大氣折光影響;精確量取儀器高、棱鏡高,減小人為誤差影響。

3.2 結論

依椐《水利水電工程施工測量規范》SL52-2015表4.4.2光電測距三角高程測量技術要求,采用對向觀測,視線長度小于500 m,可達到三等水準精度;在800 m以內,可達到四等水準精度。

1)在滿足必要的觀測條件下用EDM三角高程測量方法完全可以替代三、四等水準測量；

2)采用對向觀測,組成附合路線或閉合環可進行水準點校測；

3)采用單向觀測,往返路線可對水尺零高校測及大斷面測量。

4 結語

通過EDM三角高程測量代替水準儀完成水文三、四等水準測量,對于高差大的地形的水準點以及岸邊接陡崖的大斷面測量發揮了很大作用,具有速度快、作業靈活的特點，水準觀測困難地區可作為新方法。全站儀應在水文領域不限于下列應用。

1)水文應急監測時作為高洪測驗手段搶測河道浮標；

2)水文纜道起點距、雷達水位計探頭高度率定；

3)中小河流洪水位預警預報之河道控制縱、橫斷面測量；

4)洪水調查；

5)測站地形圖測繪。