謝春濤 / 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司

全站儀在高程控制測(cè)量中的精度分析

謝春濤 / 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司

水準(zhǔn)測(cè)量的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量也比較小，很容易計(jì)算和處理，并且精確度非常高。但是，因?yàn)榇嬖谝欢ǖ奈恢貌町悾谔厥獾乩砦恢?，采用全站儀進(jìn)行高程測(cè)量，能夠更進(jìn)一步提高精度和測(cè)量效率。據(jù)此，本文主要對(duì)全站儀在高程控制測(cè)量中的精度進(jìn)行了詳細(xì)分析。

全站儀；高程控制測(cè)量；精度

一、全站儀高程測(cè)量概述

（一）全站儀含義

全站儀，即全站型電子測(cè)距儀，是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測(cè)量?jī)x器，是集水平角、垂直角、距離、高差測(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)。和光學(xué)經(jīng)緯儀相比較分析，電子經(jīng)緯儀把光學(xué)度盤(pán)換成光電掃描度盤(pán)，把人工光學(xué)測(cè)微讀數(shù)代之，以此自動(dòng)記錄，并顯示讀數(shù)，促使測(cè)角操作更加簡(jiǎn)單化，從而進(jìn)一步防止產(chǎn)生讀數(shù)誤差。由于一次性就可以安置儀器，便能夠完成測(cè)站上的全部測(cè)量工作，因此稱為全站儀。其主要應(yīng)用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測(cè)量或變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。而且，全站儀和光學(xué)經(jīng)緯儀的主要區(qū)別就是度盤(pán)讀數(shù)和顯示系統(tǒng)，光學(xué)經(jīng)緯儀的水平度盤(pán)和豎直度盤(pán)，及讀數(shù)裝置，分別采用兩個(gè)相同光柵度盤(pán)和讀數(shù)傳感器進(jìn)行角度測(cè)量。切實(shí)根據(jù)測(cè)角精度可以劃分為0.5″，1″，2″，3″，5″，7″等幾個(gè)等級(jí)。

（二）全站儀高程測(cè)量原理

把全站儀當(dāng)作水準(zhǔn)儀來(lái)使用，使棱鏡高相同，達(dá)到抵消儀器高和棱鏡高的目的，從而不必量取棱鏡高和儀器高，這樣既能在地形復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行快速的高程傳遞，又能確保足夠的高程測(cè)量精度。如果在較短的距離內(nèi)不考慮兩差對(duì)高差測(cè)量的影響，那么觀測(cè)計(jì)算得到的A，B兩點(diǎn)高差只受垂直角測(cè)量和距離測(cè)量精度的影響。如果兩點(diǎn)間高差較大或距離較遠(yuǎn)，僅安置一次儀器不能測(cè)出其高差時(shí)，就可以在兩點(diǎn)間安置多次儀器，加設(shè)多個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，然后再分段設(shè)站觀測(cè)。具體如圖1所示。

圖1 全站儀測(cè)量高程原理圖

SCA為后視斜距，SCB為前視斜距，DCA為后視平距，DCB為前視平距，iA為后視點(diǎn)棱鏡的高度，iB為前視點(diǎn)棱鏡的高度，VC為全站儀的高度，hAC為后點(diǎn)A至測(cè)站點(diǎn)C的高差，hCB為測(cè)站點(diǎn)C至前點(diǎn)B的高差，h1為后視棱鏡中心至全站儀橫軸的高差，h2為全站儀橫軸至前視棱鏡中心的高差，hAB為后視點(diǎn)A至前視點(diǎn)B的地面高差，A1為全站儀觀測(cè)后視棱鏡中心點(diǎn)的豎直角，A2為全站儀對(duì)前視棱鏡中心點(diǎn)的豎直角。

（三）全站儀高程測(cè)量方法

如果可以把全站儀像水準(zhǔn)儀一樣隨意安置點(diǎn)，而不是置在已知的高程點(diǎn)上，同時(shí)又在不量取儀器高和棱鏡高的前提下，合理利用三角高程測(cè)量原理，進(jìn)行待測(cè)點(diǎn)高程測(cè)量，施測(cè)的速度會(huì)進(jìn)一步提高。如果A點(diǎn)高程已知，而B(niǎo)點(diǎn)高程未知，通過(guò)全站儀測(cè)定其他待測(cè)點(diǎn)的高程。

首先由式（1）可得式（2），

除了Dtanα即V的值可以用儀器直接測(cè)出外，i、t都是未知。但是，可以確定即儀器一旦設(shè)置好，i值也將隨之不變，同時(shí)選取跟蹤桿作為反射棱鏡，架設(shè)t值也固定不變。

從式（2）可得式（3），

由式（3）可知，基于假設(shè)，HB+i-t在任一測(cè)站上是固定不變的，還可以計(jì)算出值W。

此方法的操作流程為：首先，儀器任意置點(diǎn)，但是所選點(diǎn)位要求能和已知高程點(diǎn)通視。其次，使用儀器照準(zhǔn)已知高程點(diǎn)，測(cè)出V值，并算出W值。此時(shí)與儀器高程測(cè)定有關(guān)的常數(shù)如測(cè)站點(diǎn)高程，儀器高，棱鏡高均為任一值，施測(cè)前不必設(shè)定。再次，將儀器測(cè)站點(diǎn)高程重新設(shè)定為W，儀器高和棱鏡高設(shè)為0即可。最后，照準(zhǔn)待測(cè)點(diǎn)測(cè)出其高程。

二、全站儀在高程控制測(cè)量中應(yīng)用的必要性

在施工測(cè)量中，常常涉及到高程測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是水準(zhǔn)測(cè)量與三角高程測(cè)量。兩種測(cè)量方法各具特色，但都存在不足。水準(zhǔn)測(cè)量是一種直接性的測(cè)高法，其測(cè)定高差的精確度比較高，但是，受地形起伏限制，外業(yè)工作量比較大，施測(cè)的速度比較慢。而三角高程測(cè)量是一種間接的測(cè)高法，其不會(huì)受地形起伏限制，施測(cè)的速度比較快，在大比例地形圖測(cè)繪、線性工程和管網(wǎng)工程等測(cè)量中備受青睞。但傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量也有其不足之處，即在每一站都需要量取儀器高和讀取棱鏡高，不僅麻煩，還直接增加了誤差來(lái)源，降低了高差測(cè)定的精度。隨著全站儀的廣泛使用，使用棱鏡跟蹤桿配合全站儀測(cè)量高程的方法越來(lái)越受到廣大測(cè)量人員青睞，全站儀三角高程測(cè)量法既結(jié)合了水準(zhǔn)測(cè)量的任一置站的特點(diǎn)，又減少了傳統(tǒng)三角高程的誤差來(lái)源，同時(shí)每次測(cè)量時(shí)還不必量取儀器高、棱鏡高。使三角高程測(cè)量精度進(jìn)一步提高，施測(cè)速度更快。

三、全站儀在高程控制測(cè)量中的精度分析

（一）精度分析方法

選取測(cè)角精度為2″的全站儀，進(jìn)行高程測(cè)量精度分析。測(cè)距精度為ms=（2+210-6D）mm，ms=4mm。按照全站儀1km的測(cè)距進(jìn)行計(jì)算，大氣的折光系數(shù)為mk=0.04mm，儀器高和棱鏡高的量取誤差為3mm。

采用中點(diǎn)法測(cè)量高差主要與測(cè)量斜距S、豎直角A、棱鏡高v，及大氣折光系數(shù)K相關(guān)，這就直接避免了儀器對(duì)高程量取精度的影響。A、B兩點(diǎn)采用同一對(duì)中桿，并且不變換高度，當(dāng)V1=V2時(shí)：

（二）精度的影響因素

受地形不同與已知高程點(diǎn)距離的影響；受大氣折光、大風(fēng)等外界環(huán)境的影響；受儀器自身影響；受測(cè)量人員和其它原因的影響。

（三）精度提高途徑

1.根據(jù)高程測(cè)量的路線和地形變化，選擇最佳測(cè)量位置，在待測(cè)工程點(diǎn)距離已知高程點(diǎn)比較遠(yuǎn)的時(shí)候，可以劃分高程測(cè)量路線。

2.選擇天氣晴朗，風(fēng)力比較小，濕度和溫度適宜的氣候狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

3.在測(cè)量前，必須詳細(xì)檢查儀器的部件，一旦發(fā)現(xiàn)有損壞，及時(shí)修復(fù)，根據(jù)測(cè)量需要，合理設(shè)置儀器參數(shù)，確保儀器具備充足的電量。

4.一定要保證測(cè)量是全站儀與棱鏡的對(duì)中整平要求，計(jì)算時(shí)一定要保留到毫米位。

四、全站儀高程控制測(cè)量的注意事項(xiàng)

1.使用全站儀三角高程測(cè)量法替代水準(zhǔn)測(cè)量，方式方法比較簡(jiǎn)單，測(cè)量速度相對(duì)較快，為后續(xù)快速、準(zhǔn)確構(gòu)建高程控制網(wǎng)提供了新途徑。

2.采用全站儀中點(diǎn)法進(jìn)行高程測(cè)量，相鄰兩點(diǎn)之間不能通視，可以靈活選取測(cè)站點(diǎn)的位置，不需要對(duì)中，能夠在很大程度上節(jié)約時(shí)間，降低勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。如果想要進(jìn)一步提高精度，盡量保證前后視的距離相同。

3.全站儀單向高程測(cè)量的時(shí)候，盡量近距離觀測(cè)，豎直角不宜過(guò)大，并盤(pán)左盤(pán)右觀測(cè)，可以消除系統(tǒng)誤差影響，并在一定范圍內(nèi)，能夠替代四等水準(zhǔn)測(cè)量。

4.全站儀三種高程測(cè)量的誤差，都會(huì)隨觀測(cè)距離和豎直角的增大，而有所增加，并和測(cè)邊、測(cè)角的精度密切相關(guān)，所以，為了有效提高測(cè)量精度，可以適當(dāng)增加測(cè)回?cái)?shù)，以此提高距離與豎直角的觀測(cè)精度。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全站儀以其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在高程控制測(cè)量中得以廣泛應(yīng)用。充分合理利用全站儀進(jìn)行高程控制測(cè)量，不僅可以不受地形限制，加密控制點(diǎn)，并高程放樣，而且測(cè)量的精度相對(duì)較高，施工十分便利，具有一般水準(zhǔn)測(cè)量無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，能夠直接替代水準(zhǔn)儀。雖然全站儀對(duì)于地形復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行高程控制測(cè)量精度能夠滿足要求，但是也需要適當(dāng)注意誤差對(duì)測(cè)量的影響。

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