全站儀免棱鏡測量外符合精度的室內測試方法

趙少良 任伯龍

(山東科技大學 測繪科學與工程學院, 山東 青島 266590)

0 引言

免棱鏡全站儀不僅具有設站靈活性高、精度高、測程遠等普通全站儀的特點,還具有激光免棱鏡測量模式以及極高的自動化程度[1]。免棱鏡全站儀不需要接觸被測地物,就可測得被測地物的三維坐標,真正實現了“所測即所得”[2-3]。免棱鏡全站儀的有效測距已發展到現在的1 km以上,其測量精度也在逐漸提高,在地下工程的斷面測量、狹窄建筑物的危險點和特殊點等不易設置棱鏡的短程測量環境中顯示出極大的優越性。

針對不同材質的反射面,已有很多研究證明不同的反射面,其測距精度隨反射面的粗糙程度增大逐漸降低[4-5]。在此基礎上,本文繼續探究不同材質反射面對全站儀免棱鏡模式下的點位測量精度的影響。

1 全站儀免棱鏡測量及其反射材質

1.1 全站儀免棱鏡測量原理

Leica TM30全站儀作為最新一代的超高精度精密監測機器人,以其高精度、高速度、全自動化、全天候等優點,在各種測量工作中得到了廣泛的應用[6]。Leica TM30全站儀的測角精度最高可達0.5″,確保每次測量的高可靠性;其獨特的測距技術,使其有棱鏡測距精度達到0.6 mm+1×10-6D(D為平距),無棱鏡測距有效距離最遠可達1 km以上,測距精度達到2 mm+2×10-6D[7]。免棱鏡測量不需要棱鏡等合作目標的參與,只要被測物體的表面材質符合免棱鏡測量的標準,就可以直接獲取目標點的三維坐標。免棱鏡測量技術基于相位法測量原理,從激光系統發射出極細小的激光束,非常精確地打在待測點上,以保證極高的測量精度。

全站儀免棱鏡測量三維坐標的原理如圖1所示,在設置測站點及后視方位角定向完成后,便可測量目標點的三維坐標。目標點的三維坐標計算公式為:

圖1 全站儀免棱鏡模式三維坐標測量示意圖

NP=N0+S×sinβ×cosα

(1)

EP=E0+S×sinβ×cosα

(2)

ZP=Z0+S×cosβ+h0-hP

(3)

式中,N0為測站點北坐標;E0為測站點東坐標;Z0為測站點高程;S為斜距;α為坐標方位角;β為豎直角;h0為儀器高;hP為目標高[8]。

1.2 不同材質的反射特性分析

免棱鏡全站儀之所以能準確地得到待測點的三維坐標,其根本是應用了物質的漫反射原理。免棱鏡全站儀發射激光打在待測點上,待測點表面對激光束進行漫反射返回全站儀中。激光測距系統在粗糙程度、距離等因素的影響下,會導致激光的漫發射特性發生較大的變化,并影響激光測距的精度[9]。因此為使激光測距系統具有較高精度,需對不同材質的墻體表面進行漫反射特性分析,以明確儀器進行免棱鏡測量模式的精度,保證監測任務質量。

2 外符合精度的基準構建與測試方案

在山東科技大學3D綜合試驗場內架設實驗儀器,利用經緯儀測量系統測得高精度點位數據,為徠卡TM30全站儀免棱鏡測量模式提供外符合精度基準。

2.1 經緯儀測量系統介紹

Leica Axyz經緯儀測量系統由兩臺高精度TM5100A電子經緯儀與配套的計算機軟件構成,根據空間前方交會原理來獲取空間點的三維坐標,系統的尺度通過對配套基準尺的測量來確定,可實現高精度、無接觸測量[8]。其進行測量的基本原理是空間測角前方交會,由兩臺經緯儀進行互瞄相對定向、同瞄8個及以上公共點建立坐標系、同瞄基準尺引入長度單位等步驟,并利用前方交會原理在此基礎上進行目標點三維坐標測量。

2.2 外符合精度測試的基準構建

Leica Axyz經緯儀測量系統的有效測量范圍在2～50 m,其坐標測量精度隨測程的增加嚴重衰減[10]。在0～50 m范圍內,全站儀無棱鏡模式下的測距精度隨測程的增加而降低,其外符合精度在20 m范圍內為0.6 mm[2],可滿足大部分工程實際中的精度要求。因此,在室內特定條件下,短測程建筑測量可以利用全站儀無棱鏡模式進行。

經緯儀測量系統采用光束法平差原理對所有的坐標點進行平差,以保證在進行目標點測量時具有極高的點位精度,其測量原理如圖2所示,A、B兩點為電子經緯儀的位置,兩臺經緯儀觀測目標點T時,根據其水平基線長度b,水平角α和β,以及天頂距ZAT、ZBT,可通過式(4)～(6)求得T點的坐標:

圖2 經緯儀測量系統原理示意圖

(4)

(5)

(6)

2.3 外符合精度的測試方案

已知Leica Axyz經緯儀測量系統在目標點5 m范圍內測量精度可達0.05 mm,10 m范圍內可達0.1 mm,且交會測量在60°～120°范圍內精度最高。因此,本次實驗將經緯儀測量系統的測量值當作真值,與TM30全站儀免棱鏡模式下的測量值進行對比分析。

3 實驗測試與分析

3.1 外符合精度測試實驗

實驗器材布置如圖2所示,在A、B點安置TM5100A電子經緯儀,在C點安置Leica TM30全站儀。其中A、B點之間距離為5 m,C點位置位于A、B點連線的垂直平分線上,且不影響兩臺電子經緯儀的互瞄定向。具體測試方案流程如圖3所示。本次實驗選取了4種不同材質的墻面,分別為白瓷磚墻面、白灰墻面、水泥墻面與紅磚墻面;以對比不同反射面對TM30全站儀測量精度的影響。

圖3 外符合精度測試方案流程圖

實驗過程如下:

(1)在山東科技大學3D實驗場進行經緯儀測量系統的連接,啟動經緯儀進行相對定向和絕對定向,構建坐標系;

(2)在目標墻面上選取12個目標點,并確保點位集中在經緯儀水平基線的垂直平分線周圍,以確保交會測量觀測角度為90°,點位應具備良好的通視性且均勻分布,保證點位在觀測時不能有任何偏移;

(3)利用經緯儀測量系統對墻面點進行觀測,采用左右盤觀測取平均值的方法來實現觀測值的高精度,其三維坐標值為第一步中構建坐標系中的坐標值;

(4)將TM30全站儀放置在C點周圍適當位置,采用自由設站法設站,利用免棱鏡模式測量墻面點的坐標。

3.2 實驗成果及分析

利用配套的Axyz軟件將TM30全站儀測得的坐標數據轉換到Leica Axyz經緯儀測量系統的坐標系下,點位誤差如圖4所示。

由圖4(a)、(b)、(c)中數據分析可知,白瓷墻面的目標點在X、Y、Z坐標軸方向上的誤差最小,其誤差絕對值基本分布在0.5 mm左右;白灰和水泥墻面的軸向誤差絕對值相差不大,基本分布在0.7～0.9 mm;紅磚墻面較為粗糙,其軸系誤差絕對值最大,分布在1.5 mm左右。在圖4(d)中顯示了4種墻面的三維坐標整體誤差,誤差最大的紅磚墻面分布在2 mm左右,其余均在2 mm以下,滿足TM30全站儀免棱鏡模式的標稱精度。

圖4 誤差分布圖

3.3 實驗結論

本文設計完成實驗分析了TM30全站儀免棱鏡模式的外符合精度,得出結論,在10 m范圍內的室內條件下,對于較為平整光滑的反射面,其測量精度較高,反之測量相對粗糙的反射面時,其精度較低。但本文的試驗內容和研究仍有局限和不足,例如全站儀同測站沒有重復多次測量,以評定其內符合精度;本次實驗只進行了全站儀10 m范圍內的免棱鏡模式外符合精度分析,更大測程的精度未知。在以后的工作中應對以上問題進一步研究。

4 結束語

(1)本文針對室內短程條件下的建筑測量,提出了一種TM30全站儀免棱鏡模式的外附合精度測試方法,結果表明對于平整材質,其測量精度較高,對于較粗糙墻面,測量精度較低。

(2)利用TM30全站儀,在室內短測程條件下,對符合免棱鏡模式測量條件的墻面等目標,可以直接用免棱鏡模式測量,不需施測人員進行棱鏡放置,大大提高了工作效率,且能夠快速、準確的獲得測量成果,有廣闊的應用前景。

(3)基于全站儀相位法測量原理,且測程越遠,光斑越大,可知其免棱鏡測量精度隨測程增加逐漸降低。在測量中,將全站儀有棱鏡和無棱鏡模式相結合,以應對不同的觀測環境,更能起到事半功倍的效果。