王 濤，田林亞，魏玉明，吳 坤

(1. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100； 2. 蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

高精度儀器高量取方法研究

王 濤1，田林亞1，魏玉明2，吳 坤1

(1. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100； 2. 蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

各種工程對測量的精度要求越來越高，儀器高的量取是測繪中的首要程序，儀器高的精度決定了測量外業(yè)的整體精度。本文介紹了量取儀器高的一般方法，并在對現(xiàn)有三腳架作出局部改動的基礎上，配對一種新設計的尺子，提出了一種新的儀器高量取方法。該方法操作簡便，可行性強，可提高儀器高的測量精度，具有很強的普及性。本文的設想為測量工作中儀器高的量取提供了新的參考，也為儀器改良提供了新的思路。

儀器高量??；鋼尺量距法；三腳架；活動旋鈕；精度分析

目前，GPS技術以其全天候、實時性、高精度等優(yōu)點廣泛應用于各類工程建設和安全監(jiān)測中，其靜態(tài)定位精度可達到毫米級，隨著科研人員的努力，其定位精度正逐漸提高。在高速鐵路的建設中，CP0、CPI、和CPII控制網(wǎng)均采用了GPS測量，為了保持列車高速行駛條件下平順性和舒適性的要求，測量精度要保持在毫米級的范圍內[1]。在GPS觀測中，儀器高的量取是其中的一個環(huán)節(jié)，儀器高的精度影響了全網(wǎng)測量精度。全站儀三角高程測量由于具有施測速度快、不受地形限制等優(yōu)點成為水準測量必要的補充，但目前三角高程測量存在的問題是精度低，而影響其精度的主要因素是儀器高和棱鏡高的量取誤差[2]。

儀器高是指儀器度盤中心到測站點的鉛垂距離。儀器高的量取是測繪外業(yè)中的重要工作，儀器高的精度直接影響著最終測量結果的精度。目前量取儀器高的通用方法是鋼尺量距法，其理論精度約為2～3 mm[3-4]，實際操作中在各種因素的影響下其精度會更低，這在精密工程測量中是一個不能回避的因素，如何設法提高儀器高的量取精度是一個很重要的基礎問題。本文本著便捷、簡單、實用的原則，同時在不影響現(xiàn)有三腳架使用價值的基礎上，通過在三腳架上增加水準氣泡和改進三腳架上的活動旋鈕，并配合一種新設計的尺子，提出一種高精度儀器高量取方法。

1 鋼尺量距法概述

在全站儀導線測量、三角高程測量、地形圖測繪、施工放樣及GPS靜態(tài)觀測、GPS水準測量中，均需要量取儀器高，儀器設站簡化示意圖如圖1所示。鋼尺量距法是現(xiàn)行通用的儀器高量取方法，量取時采用2～5 m小鋼尺，一般需要兩個人完成測量，鋼尺量距一般采用平距測量和斜距測量兩種方法，其量取示意圖如圖2所示。圖2中，O代表測站點，A代表儀器中心，B代表三腳架邊線，平距測量法是測量與測站點O處于同一水平位置的O1到與A處于同一水平位置的A1的鉛垂距離O1A1，平距法測量精度高但一般不易實行，因為與O及A處于同一水平位置的代替點不易確定。工程上一般使用的是斜距測量法，斜距測量法是沿OBA1所在直線量取儀器高，斜距測量誤差較大，在斜距測量中產生的誤差主要有：①尺起始端點未精確量至測站點，尺測量終點未精確量至儀器中心；②鋼尺拉力不均勻引起的誤差；③鋼尺測量時傾斜引起的誤差。由于以上過程均是人為操作，產生誤差是不可避免的，并且誤差會因觀測者的改變而變化。有學者試驗證明，使用全站儀量取的儀器高與理論值誤差最少為3.5 mm，且儀器高越低，高程誤差越大[5]。這些誤差在精度較高的測量工作中有很大影響，基于此，本文提出一種直接在儀器高所在空間位置量取儀器高的新方法。

圖1 設站儀器示意圖

圖2 3種鋼尺量距法簡化示意圖

2 量取儀器高的設想

2.1 對三腳架的改進

對三腳架的改進包括兩點：其一，現(xiàn)有三腳架沒有水準氣泡，不具有整平的功能，本文設想通過在三腳架的一側增加水準氣泡使其能通過腳架的調節(jié)達到水平，且提出的儀器高測量方法默認是在三腳架整平的基礎上進行的；其二，現(xiàn)有活動旋鈕是由上部金屬螺旋和下部塑料圓柱組成，整體是中空的，作為儀器對中的觀察孔。本文只對下部塑料圓柱進行研究，塑料圓柱簡化圖如圖3(a)所示。本設想的改進方式是在塑料圓柱內增加一定厚度的半圓形鐵塊作為承重塊，設定在圓柱內部兩個相對平行的位置，在設計時要求鐵塊平面保持水平，并且不影響儀器對中觀察，其位置如圖3(b)所示。

圖3

2.2 設想依據(jù)

在測量時先整平三腳架，此時三腳架上平面水平，再將測量儀器置于三腳架上并對中整平，可以發(fā)現(xiàn)，全站儀、棱鏡、GPS等儀器中心到三腳架上平面的垂直距離可直接測出，三腳架上平面水平時活動旋鈕下平面也處于水平位置，三腳架到活動旋鈕下平面的長度在旋緊狀態(tài)下為定值，此時只需測出活動旋鈕至對中點的垂直距離即可。

2.3 儀器高的構成

在三腳架旋緊及對中整平合格的情況下，儀器高由5部分組成，其結構如圖4所示。即：①儀器中心到三腳架平面的鉛垂距離L1；②三腳架平面板自身高度L2；③活動桿的自身高度L3；④活動桿下平面至活動旋鈕的高度L4；⑤活動旋鈕至測站點的鉛垂距離L。對于全站儀、棱鏡、GPS等儀器，儀器中心到三腳架上平面板的鉛垂距離L1可由高精度測尺測出；L2、L3、L4全部為定值，可由三腳架廠家直接給出，設C=L2+L3+L4；此時只需測出L，最后儀器高h=L1+C+L，因此本設想中只要測量出L的值即可得到儀器高，現(xiàn)通過設計一種尺子配合儀器高的測量任務。

2.4 尺子的設計

本設計中尺子的作用是測出活動旋鈕與測站點的距離L，在本設想中要求尺子掛接在活動旋鈕下并能長短伸縮的活動尺，根據(jù)儀器高的一般高度，要求尺子的測量范圍為0.5～2 m，這可基本滿足所有儀器高的測量[6-7]，并要求該尺子質量輕、可伸縮，能隨身攜帶。設計圖如圖5所示。圖5中，a為連接柄，起到與活動旋鈕緊密結合的作用，是連接三腳架與尺子的紐帶，用磁性材料制成，其具有的吸附作用能與活動旋鈕結合得更緊密；b為伸縮尺，一般工廠就可以制作；c為平面板，其半徑為5 cm(活動旋鈕的活動范圍)，作用是連接測點和尺子下端。要求：①整個尺子由密度小硬度高的輕質材料構成；②連接柄長度要略小于活動旋鈕內徑。

圖4 儀器高的構成

圖5

2.5 測量過程

先整平三腳架，后對中整平儀器。測量時，首先將尺子通過活動旋鈕空隙處由下而上進入活動旋鈕，經旋轉90°后連接柄放在活動旋鈕鐵塊上，此時尺子與活動旋鈕結合，調節(jié)尺子長度，使尺子下端面板與測站對中點接觸，此時讀取尺子讀數(shù)，這樣就完成了對L的測量，測量后取出尺子。根據(jù)使用的儀器，查出已知值L1，根據(jù)使用的三腳架查出已知值C，最后可得儀器高h，這樣就完成了對儀器高的測量。

2.6 測量誤差分析

下面對本設想測量過程中可能存在的誤差進行分析，此過程中誤差可能存在以下3個方面：

(1)L1誤差由最初測量時產生，選擇精度高的測尺或游標卡尺測量，其誤差可忽略。

(2)L2、L3、L4為固定值，誤差由最初測量初值時產生，但存在三腳架因長期使用產生的磨損誤差，可通過改變腳架材質減小磨損，也可使用新腳架來避免。

(3)L的誤差包括以下3個方面：①尺子中心線與儀器高所在鉛垂線不重合引起測尺傾斜，這在對中整平合格的情況下可以忽略；②尺長形變誤差，選用合適材料可減緩；③尺與腳架結合不緊密，可通過磁力吸附作用、重力作用等使誤差可以忽略。

本文測量方法的誤差主要來源于儀器、腳架的磨損，為了盡量減小誤差，可由抗磨損性高的材料構成。綜上所述，本文設計中誤差產生很小，在理論上其精度非常高。

2.7 本文設計的創(chuàng)新點

在本文設計中，不改變現(xiàn)有三腳架的使用價值，只對三腳架上的零件活動旋鈕作出改進，增加了水準氣泡，在實際使用中只需要更換新的活動旋鈕和增加水準氣泡即可，未對設備進行更新和浪費，具有較高的可行性和普及性。提出了在儀器高所在空間位置直接測量的思路，減小了其他間接測量方法引起的不必要的誤差。尺子設計簡單，費用低，易于普及；測量儀器高可由一人單獨完成，節(jié)省人員。在對儀器高量取精度要求高的工程中應用，也可代替鋼尺量距法普及下來。

3 結論與展望

隨著科學的發(fā)展和人類生活水平的提高，各種大型工程的建設都對工程測量的精度有了更高的要求，在測繪領域幾十年的發(fā)展中，各種測繪儀器性能和精度日益提高，各種測量方法不斷更新完善，但儀器高的量取精度卻一直未能提高，這已經成為禁錮工程建設的一大障礙。鋼尺量距法作為傳統(tǒng)的量取儀器高的方法，其精度已不能滿足眾多精密工程測量的要求。本文對儀器高的組成部分進行了分析，發(fā)現(xiàn)測量儀器高主要是測量活動旋鈕以下的部分，設計了一種配合測量的尺子，并根據(jù)儀器整平對中后三點一線的事實，確定了在活動旋鈕和測站點測量的思路， 并基于設計在不改變現(xiàn)有三腳架實用性的基礎上，對腳架一小部件(活動旋鈕)作出小的改動，即可完成測量。該方法具有測量精度高、操作簡便的特點，具有較高的可行性及普及型。

本文所論述量取儀器高的方法對改善儀器高量取的精度有很好的作用， 在對精度要求高的工程測量領域有很高的適用性。本文提出的設想是對現(xiàn)有儀器高量取方法的有益補充，也可作為今后儀器改良的一種思路。

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ResearchontheMethodofMeasuringInstrumentalHeightinHighPrecision

WANG Tao1,TIAN Linya1,WEI Yuming2,WU kun1

(1. School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Demands of various engineering on measuring accuracy are higher and higher, The first program in surveying and mapping is measuring instrumental height, the precision of measuring instrumental height will determine the overall precision of the measurement field. This paper introduces the common methods of measuring instrumental height, and makes local changes to tripod and matches a new design of a ruler. In the end, it puts forward a new method of measuring instrumental height, which is simple in operation and have good feasibility. In addition, it can improve the accuracy of measuring instrumental height and gain high popularity. In this paper, the idea provides a new reference for measuring instrumental height in measurement field and provides a new idea for improve instrument.

measuring instrumental height; the method of steel rule measure distance; corner bracket; active knob; precision analysis

P207

A

0494-0911(2017)01-0144-03

王濤，田林亞，魏玉明，等.高精度儀器高量取方法研究[J].測繪通報，2017(1)：144-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0032.

2016-03-23

王 濤(1992—)，男，碩士，研究方向為測量數(shù)據(jù)處理理論與方法。E-mail：hkingt121@163.com