楊為民 朱海華

（河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，洛陽 471023）

?

測距反射片測量精度的實驗研究

楊為民 朱海華

（河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，洛陽 471023）

摘 要：工程測量中，通過直接粘貼在被測物體表面的測距反射片與免棱鏡全站儀結(jié)合，即可實現(xiàn)距離測量。而以不同的入射角度和不同的豎直角觀測時，測距精度會受到一定的影響。通過設(shè)計實驗?zāi)Ｐ?，對全站儀在反射片條件下的測距精度進(jìn)行實驗研究，找出在何種觀測條件下可以取得較好的精度，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出一些對工程實踐有參考價值的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：測距反射片 觀測條件 測量精度

引言

隨著全站儀在測量中的廣泛運用，一些相應(yīng)的問題也隨之而來。在一些常規(guī)的測量中，我們必須要做的一項工作就是定向。需要去后視點架設(shè)棱鏡，并且要專人去做，還要花費相應(yīng)的時間。更重要的是，實際中有很多地方架設(shè)棱鏡非常困難且危險，如在密密麻麻的鋼筋網(wǎng)架、隧道的墻壁、車水馬龍的路面上、深大基坑的邊緣等。免棱鏡全站儀是不需要棱鏡作為合作目標(biāo)就可以進(jìn)行測距的全站儀，是免棱鏡測距技術(shù)與傳統(tǒng)全站儀的結(jié)合。同以往的全站儀或免棱鏡測距儀相比，具有測距速度快、測程遠(yuǎn)、效率高、適用范圍廣、安全性能高等優(yōu)點，因而在地籍測量、地形測量、工程斷面測量、建筑物傾斜測量等方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。自貼式反射片可以直接粘貼在被測物體的表面，避免架設(shè)棱鏡的困難和危險，達(dá)到棱鏡測量的同等精度，且具有安置方便、耐用、成本低、適合長期布設(shè)的優(yōu)點。它與免棱鏡全站儀配合，是完成特殊情況下測量工作的最佳工具。因此，測距反射片廣泛應(yīng)用于隧道、橋梁、地鐵、建筑等工程領(lǐng)域的測量工作中。

1 實驗的目的及內(nèi)容

測距反射片主要用于距離測量中。在對一些幾何體、變形體、立面傾斜、平整度等測量過程中，由于它可以直接粘貼在所測物體表面，使得觀測點位置不會發(fā)生變化，保證了每次能觀測在同一位置，使用起來非常方便。但同樣由于其不可移動和轉(zhuǎn)動，在基準(zhǔn)點位有限的情況下，從不同角度照準(zhǔn)目標(biāo)，特別是具有較大仰俯角度時，可能會對所測距離精度產(chǎn)生一定影響。同時，在有些入射角度很大的情況下，可能無法測出距離?；谶@種情況，很有必要設(shè)計一種實驗?zāi)Ｐ?，找出在怎樣的觀測條件下可以觀測并可取得較好的精度，并對測距結(jié)果的精度進(jìn)行分析研究以指導(dǎo)工程實踐。

在一根鋼尺上設(shè)計位置粘貼反射片，并在鋼尺下端懸掛重物，將鋼尺上端固定在某一樓房的高位，使鋼尺在荷重作用下自然下垂，尺面成為一個鉛垂面。在天氣良好無風(fēng)力影響的情況下，通過與尺面形成不同的角度和位置進(jìn)行距離測量試驗，獲取距離測量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

2.1 全站儀與反射片的選擇

根據(jù)實驗的基本要求和實驗室條件，選擇一臺日本索佳公司生產(chǎn)的全站儀SET2110Ⅱ作為測距儀器。SET2110Ⅱ以紅外光作為載波信號，具備用棱鏡和反射片作為反射裝置進(jìn)行測距的功能。試驗主要測試反射片。為保證精度，試驗使用索佳品牌規(guī)格為10mm×10mm的反射片，30m鋼尺一把，尺面平整無扭曲。

2.2 試驗場地的選擇

試驗場地的選擇是影響試驗結(jié)果的關(guān)鍵。理論上，選擇在室內(nèi)最為理想，因為這樣可以避免風(fēng)力的影響。但由于場地懸掛鋼尺需要較高的空間，具備可懸掛重物，下端可安置儀器，同時周邊有較大空地，所以選擇室內(nèi)試驗不現(xiàn)實。最終，試驗場地選擇在校園某一教學(xué)樓附近。

2.3 鋼尺的懸掛與反射片的粘貼

如圖1、圖2、圖3所示，從教學(xué)樓某一層陽臺向下懸掛鋼尺，頂端固定在陽臺上，零尺端向下懸掛一16KG的混凝土試塊。待無風(fēng)且重物完全停止擺動時，小心將重物固定，保持尺面鉛垂?？紤]到樓房的高度有限，尺子懸掛太長容易擺動，在與儀器大體等高的位置（尺子刻劃0.8m）粘貼反射片，然后每向上3m粘貼一反射片，粘貼位置分別是0.8m、3.8m、6.8m、9.8m、12.8m、14.5m，14.5m已到懸掛尺子頂端位置。尺子下垂穩(wěn)定后，再用全站儀從兩個垂直方向校正，以確保尺子位于鉛垂線方向。

圖1 鋼尺底端

圖2 鋼尺頂端

圖3 粘貼的應(yīng)變片

2.4 測站位置的確定

如圖4所示，虛線表示與反射片在同一直線的方向。然后，以該方向為基準(zhǔn)線，每間隔15°、28°、45°、68°、90°、120°、150°、165°方向?？紤]到儀器仰角不可過大（不超過30°），如反射片高度為15m，則儀器距反射片的水平距離以不小于26m為適宜。但由于場地所限，各觀測點位距反射片水平距離分別在20m左右，分別在A、B、C、D、E、F、G、H各點設(shè)置測站對各反射片進(jìn)行觀測?？紤]到鋼尺即使在無風(fēng)的情況下也可能產(chǎn)生微小擺動，距離測量模式將選用連續(xù)多次觀測取平均數(shù)的方法獲得。儀器中設(shè)定的觀測次數(shù)為5次，均值精確至0.1mm，如此連續(xù)觀測3次。

圖4 測站位置示意圖

2.5 現(xiàn)場測量結(jié)果及精度計算

由于天氣條件的影響，在H點無法觀測。又因沿水平面和鉛垂面內(nèi)入射角的影響，A測站只得到一組數(shù)據(jù)。此外，B、G測站得到四組數(shù)據(jù)，C、D、E、F測站各得到六組數(shù)據(jù)。對A～G測站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理（如表1所示），利用白塞爾公式（見式1）分別計算得到各測站觀測值的中誤差[2]。

表1 觀測成果表

3 實驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

把表1中的距離平均值部分分別以0.1mm為單位。由于前四位數(shù)字相同，只保留后兩位數(shù)，利用EXCEL折線圖形表示出在不同測站通過不同豎直角測得距離變化的規(guī)律，如圖5所示。

3.2 誤差分析

圖5 不同測站觀測不同點位距離的變化規(guī)律

從圖5可以看出，隨著高度角的變化，所測距離均產(chǎn)生了一定變化。這樣的結(jié)果一方面說明了測量誤差的存在，另一方面也說明了在入射角較大時可能對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。（1）實驗場地建在室外，不可避免要受到自然環(huán)境如陽光、風(fēng)力、人和車流等因素的影響，特別是前兩者。陽光長時間照射鋼尺會使其產(chǎn)生變形；儀器局部受熱會易導(dǎo)致水平氣泡產(chǎn)生偏離；風(fēng)力會使尺子擺動，造成反射片移位。這些因素都會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生不同程度的誤差。（2）鋼尺下端盡管懸掛16KG的重物保證尺面平展，但試驗時受天氣條件的影響，鋼尺和反射片不可能達(dá)到絕對的鉛垂。試驗時，微小的風(fēng)力也會使尺子出現(xiàn)抖動，只能等尺子靜止時方可觀測讀數(shù)。因為尺子是否完全靜止，也會影響到測量結(jié)果。（3）當(dāng)豎直角過大時，儀器視準(zhǔn)軸繞橫軸旋轉(zhuǎn)成一傾斜面，無法形成一個豎直面。同時，大氣垂直折光的變化會導(dǎo)致視線的變化，從而導(dǎo)致豎直角發(fā)生變化，最終使水平距離出現(xiàn)一定誤差。

4 結(jié)語

試驗時采取多種措施，取得了最后的觀測結(jié)果。但是，受試驗條件和環(huán)境的限制，觀測結(jié)果不能完全令人滿意。盡管如此，從試驗結(jié)果中也得到一些結(jié)論，對工程實踐具有一定的參考價值。第一，當(dāng)仰角在15°之內(nèi)時，所測的距離可以認(rèn)為沒有變化；隨著仰角的增加，儀器誤差會顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致水平距離出現(xiàn)一定誤差。因此，在精度要求較高時，盡量使仰俯角不超過15°。第二，當(dāng)入射角大于30°時，測距誤差明顯增加。因此，利用反射片進(jìn)行距離測量時，應(yīng)盡量使視線垂直于反射片。

參考文獻(xiàn)

[1]夏立福，李井春，胡友健，等.免棱鏡全站儀測距精度性能的測試及精度分析[J].空間地理信息，2008，（2）：133-135.

[2]曹輝.土木工程測量[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

Experimental Study on Measuring Accuracy of Range Reflector Sheet

YANG Weimin,ZHU Haihua
(College of Civil Engineering , Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023, China)

Abstract:In engineering survey, the range reflector sheets are pasted on the surface of measured object, distance measurement is conducted by non-prism total station instrument. With different incident angles and different vertical angles, the measuring accuracy can be affected. By designing the model of experiment, the accuracy of distance measurement is studied using total station instrument and reflector sheet. It is found out that the observation conditions affect on the accuracy of distance, and anal yzing the experimental data, some conclusions a re obtained which have reference value for the engineering practice.

Key words:range reflector s heet,observation condition, measuring accuracy

基金項目：河南科技大學(xué)實驗技術(shù)開發(fā)基金（SY0304033）。