馬春艷，馬玉寬，張紅星

(1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院 河南 焦作 454003；2.鄭州市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450000)

(1.School of Surveying & Land Information Engineering,He’nan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China; 2.Institute Zhengzhou Urbrn Planning Design & Survey,Zhengzhou 450000， China)

無棱鏡全站儀測距穩(wěn)定性及精度分析

馬春艷1，馬玉寬2，張紅星1

(1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院 河南 焦作 454003；2.鄭州市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450000)

介紹無棱鏡全站儀的測量原理，以拓普康GPT-3100N全站儀為例，通過實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)分析無棱鏡測距的穩(wěn)定性與反射面材質(zhì)、顏色、入射角、測量距離、網(wǎng)孔、拐角、邊緣點(diǎn)等之間的關(guān)系，以及能達(dá)到的測量精度，得出儀器測距精度穩(wěn)定的結(jié)論，提出無棱鏡全站儀在測距工作中的注意事項(xiàng)。

全站儀；無棱鏡；穩(wěn)定性；精度

測量技術(shù)進(jìn)入數(shù)字化、自動(dòng)化時(shí)代，各種先進(jìn)的測量理論與方法不斷地應(yīng)用于實(shí)踐，在全站儀方面的重要發(fā)展是長距離免棱鏡全站儀的出現(xiàn)。自徠卡公司生產(chǎn)出第一臺(tái)免棱鏡全站儀以來，其有效測量距離已發(fā)展到當(dāng)前的1000 m以上[1]。隨著測程增加的同時(shí)，無棱鏡全站儀的測量精度也在逐步提高，無棱鏡全站儀如今以其“所瞄即所測”的功能廣泛應(yīng)用于控制測量、地形測量、工程測量、滑坡監(jiān)測等測量工作中[2]，尤其在人們無法到達(dá)的懸崖陡壁的地形測量、地下大型工程的斷面測量、建筑物的變形測量等不易或不能設(shè)置棱鏡的測量中顯示出無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。隨著無棱鏡全站儀在各種精密工程測量及變形監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用，無棱鏡全站儀測距的精度要求也逐漸提高，因此，有必要對無棱鏡全站儀的測距穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 無棱鏡模式全站儀的測距原理

無棱鏡測距，又叫作無接觸測距，指的是測距儀光束徑經(jīng)自然表面漫反射后直接測距[3]。其測距原理與有棱鏡測距基本相同，只是傳統(tǒng)的測距儀大都用發(fā)光管(LED)作為信號(hào)源，新型測距儀的信號(hào)源為激光管，這樣可以提高發(fā)射功率，保證無棱鏡測距時(shí)的測程和測距精度。相位法測距采用的測量光束很細(xì)，因此能準(zhǔn)確地分辨出非常近的相鄰點(diǎn)。無棱鏡全站儀測距原理如圖1所示。

圖1 無棱鏡測距原理

如圖1所示，測定A，B兩點(diǎn)間的距離D，把無棱鏡全站儀安置在A點(diǎn)，瞄準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)B，就可測出距離：

D=1/2ct.

式中：c為電磁波在大氣中的傳播速度；t為待測距離兩端點(diǎn)間往返一次的傳播時(shí)間。

2 無棱鏡全站儀測距穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際測量中，無棱鏡模式的測距穩(wěn)定性不僅與激光的特性有關(guān)，還與被測物體的反射特性、色彩、入射角等有關(guān)[4-6]。本文使用拓普康的GPT-3100N全站儀進(jìn)行如下測試，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從概率統(tǒng)計(jì)和測量平差的觀點(diǎn)講，觀測值均方誤差可以很好地反映觀測值的離散程度，離散程度可表示觀測結(jié)果的穩(wěn)定性，在Excel表格中分別用函數(shù)SQRT(VAR(NUM1:NUM2))、AVERAGE(NUM1:NUM2)函數(shù)計(jì)算出觀測值均方差、觀測值均值，用于分析觀測結(jié)果。

2.1 入射角度對測量距離穩(wěn)定性的影響

在河南理工大學(xué)新校區(qū)實(shí)驗(yàn)場地?cái)[設(shè)全站儀，再在距全站儀約80 m處架設(shè)目標(biāo)板，將畫有十字絲的白紙板貼于目標(biāo)板背面，使其大約能繞紙板十字絲的豎絲轉(zhuǎn)動(dòng),如圖2所示。開啟全站儀，設(shè)置為無棱鏡測量模式，旋轉(zhuǎn)棱鏡，調(diào)節(jié)入射角度，每個(gè)角度測距30次，計(jì)算出測距均值和方差，處理后的數(shù)據(jù)見表1。

圖2 入射角度對測量穩(wěn)定性影響示意圖

由觀測結(jié)果可知觀測值方差呈現(xiàn)遞增趨勢，即無棱鏡模式測距的穩(wěn)定性隨入射角度的增大而減弱,隨著入射角的增大測距的穩(wěn)定性減弱越快。

表1 不同入射角測量結(jié)果

2.2 常見不同材質(zhì)反射面對測距穩(wěn)定性的影響

在河南理工大學(xué)新校區(qū)實(shí)驗(yàn)場地，分別對不同材質(zhì)的反射面(平整巖石面、水泥路面、泥土路面、平靜水面、金屬管狀物、平整墻面、樹干)進(jìn)行多次觀測。根據(jù)有關(guān)結(jié)論：入射角在小范圍內(nèi)變化對測量結(jié)果無明顯影響，所以，只需保證距離相等，入射角大致相等即可，每一種反射面連續(xù)觀測30次，反射面與儀器之間的距離約為60 m。處理后數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同反射面測量結(jié)果

從表2可以看出，在幾種常見材料反射面中，其對測距穩(wěn)定性的影響有一定的區(qū)別，由于無棱鏡測距利用的是反射面的漫反射原理，當(dāng)反射面過于光滑(如玻璃)則更容易發(fā)生鏡面反射，導(dǎo)致信號(hào)無法返回或測距結(jié)果出錯(cuò)，對測距結(jié)果影響較大[7]。當(dāng)然，對于一般常見反射面(如表中所列)都具有一定粗糙度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，常見反射面對測距影響程度從大到小依次是平靜水面、泥土路面、樹干、金屬管狀物(銀白)、平整墻面(紅色)、水泥路面、平整巖石面，但是總體上也可以看出不同反射面對測距穩(wěn)定性影響并不明顯。

2.3 常見不同色彩反射面對測距穩(wěn)定性的影響

在河南理工大學(xué)新校區(qū)實(shí)驗(yàn)場地，分別對測量過程中常見的幾種不同顏色：白色、土黃色(泥土)、綠色(植被)、灰色(路面)、黑色、暗紅色(墻面)等進(jìn)行觀測，根據(jù)相關(guān)結(jié)論：距離、入射角、反射面粗糙程度小范圍內(nèi)變化對測量結(jié)果無明顯影響，所以，只需保證距離、入射角、反射面粗糙程度大致相同即可，每一種顏色的反射面連續(xù)觀測30次，反射面與儀器之間的距離約為70 m，測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，比較對不同色彩的反射面的觀測值方差，可知隨著反射面顏色深度的增加，觀測值方差也隨之增大，可知顏色越淺對測距越有利。但是，總體上除黑色外，顏色對測值的影響不是很明顯。

表3 不同色彩的測量結(jié)果

2.4 網(wǎng)孔、距離對測距穩(wěn)定性的影響

河南理工大學(xué)新校區(qū)實(shí)驗(yàn)場地，用帶有若干孔洞的紙片模擬實(shí)際測量時(shí)遇到的樹葉間隙，分別對不同距離處的相同反射物體在有、無網(wǎng)孔影響的條件下進(jìn)行多次測距，如圖3所示，每一次測距連續(xù)觀測30次，測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示。

圖3

表4 網(wǎng)孔、距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可作出折線圖，如圖4所示。

圖4 距離對測距精度的影響

根據(jù)圖4可知，在無棱鏡測距模式下，隨著距離的增加，其測距的穩(wěn)定性逐漸減弱,并且若超出儀器規(guī)定的最大測程，則無信號(hào)返回；網(wǎng)格、距離對測距的穩(wěn)定性有一定的影響，遮擋部分測距信號(hào)，但總體影響不大[8-10]。

2.5 邊緣點(diǎn)、拐角對測距穩(wěn)定性的影響

在河南理工大學(xué)新校區(qū)實(shí)驗(yàn)基地的場地上，擺設(shè)全站儀，并在距全站儀一定距離處(約70 m)架設(shè)棱鏡基座，事先準(zhǔn)備可折疊的白紙板置于棱鏡基座上，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)角度，如圖5所示，分別大約取180°,150°,120°,90°,60°,30°,0°，每調(diào)節(jié)一個(gè)角度，則將全站儀瞄準(zhǔn)折痕測距30次，記錄測量結(jié)果，測量處理數(shù)據(jù)見表5。

圖5 邊緣點(diǎn)、拐角對測距穩(wěn)定性的影響實(shí)驗(yàn)示意圖

表5 不同拐角測量結(jié)果

由表5數(shù)據(jù)可看出，拐角對測距結(jié)果有影響，并且拐角越尖，影響越大。

3 結(jié)束語

通過拓普康GPT-3100N全站儀的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可知全站儀在無棱鏡模式下，測距的穩(wěn)定性隨入射角度的增加而減弱；并且，隨著入射角的增加測距的穩(wěn)定性減弱的越快；測量目標(biāo)表面的理想狀態(tài)顏色應(yīng)為白色或棕色為好；當(dāng)物體表面的反射能力足夠強(qiáng)，且信號(hào)穩(wěn)定，則物體表面的粗糙程度對測量數(shù)據(jù)的影響并不明顯；材料顏色對測距精度的影響也不明顯，但總體上顏色越淺，物體的反射信號(hào)越強(qiáng)，對測距越有利；在測量物體拐角時(shí)，實(shí)際所得距離為測站到等效平面的距離，并且拐角越尖，對測距穩(wěn)定性影響越大。因此在實(shí)際工作中，應(yīng)盡量避免照準(zhǔn)諸如玻璃之類的透明物體，避免瞄準(zhǔn)拐角點(diǎn)，對于精度要求較高的測量工作，應(yīng)避免一次測量較遠(yuǎn)的距離，以保證精度。

[1]侯曉真，于瑞鵬.道路勘測階段控制測量方法的研究 [J].測繪工程，2012,21(4):70-73.

[2]夏立福,李井春,胡友健,等.免棱鏡全站儀測距性能的測試及精度分析[J].地理空間信息，2008,6(4):133-136.

[3]范白興,夏治國.全站儀無棱鏡測距及精度分析[J].北京測繪，2004,4(1):28-32.

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[5]詹長根,鮑家偉,黃德霖.全站儀棱鏡常數(shù)未改正引起的測量誤差分析[J].北京測繪， 2011,4(3):30-34.

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[10]張立群，趙仲榮，袁樹才，等.免棱鏡全站儀在建筑物傾斜監(jiān)測中應(yīng)用分析[J].測繪工程，2011，20(2)：54-60.

[責(zé)任編輯：張德福]

Distance measurement stability and precision analysis of non-reflector total station

MA Chun-yan1,MA Yu-kuan2, ZHANG Hong-xing1

It firstly introduces the principle of the total station measurement, taking Topcon GPT-3100N total station as an example.Through the experiments the stability of non-reflector on the total station is analyzed with reflector material, surface color, distance measurement, range finder,angle of incidence, corners, gaps, etc.Through the experiment data, the conclusion of measuring precision and notice are obtained.

total station; non-reflector; stability; precision

2013-09-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41072225)；河南省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(092102210362)；河南省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(112102210193)；教育部人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(11YJCZH030)

馬春艷(1980-)，女，講師，碩士.

P204

：A

：1006-7949(2014)09-0009-03

(1.School of Surveying & Land Information Engineering,He’nan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China; 2.Institute Zhengzhou Urbrn Planning Design & Survey,Zhengzhou 450000， China)