王 昕

（陜西省西安水文水資源勘測(cè)局，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，集測(cè)距、測(cè)角裝置和微處理器為一體,能自動(dòng)計(jì)算、存儲(chǔ)和輸出的測(cè)量?jī)x器被稱(chēng)為“全站儀(EDM)”,廣泛應(yīng)用于線路、水利、電力和房建等工程。緣于水文事業(yè)的快速發(fā)展,全站儀等儀器也被引進(jìn)水文行業(yè)并得到迅速應(yīng)用。工作中熟悉儀器操作步驟、功能，合理設(shè)置參數(shù)，正確選擇測(cè)量模式，才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，達(dá)到減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,提高工效之目的。

1 全站儀主要功能

角度測(cè)量:利用水平角置零測(cè)定兩點(diǎn)之間夾角；

距離測(cè)量:先設(shè)置測(cè)距模式、反射棱鏡類(lèi)型、棱鏡常數(shù)和氣象改正數(shù)后，進(jìn)行距離測(cè)量；

坐標(biāo)測(cè)量:輸入測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、儀器高、棱鏡高和瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)并輸入坐標(biāo)方位角，用坐標(biāo)測(cè)量功能測(cè)量待測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)；

放樣測(cè)量:根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在實(shí)地測(cè)設(shè)出所要求的點(diǎn)位；

懸高測(cè)量:用于無(wú)法在其上安置棱鏡的物體的測(cè)量。

2 測(cè)量案例

以西安水文局某站為例，采用SOKKIA SET230R全站儀，測(cè)角精度±2＂,測(cè)距精度棱鏡±(2+2×10-6D）mm,免棱鏡±(3+2×10-6D）mm。以電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線校測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)、EDM三角高程測(cè)量校測(cè)水尺零高和大斷面。

2.1 水準(zhǔn)點(diǎn)及水尺校測(cè)

水準(zhǔn)點(diǎn)每年至少校測(cè)一次,水尺零高汛前汛后至少校核一次,汛期依情況隨時(shí)校測(cè)。線路長(zhǎng)高差大的測(cè)站水準(zhǔn)點(diǎn)校測(cè)由市局人員下站使用水準(zhǔn)儀施測(cè),外業(yè)工作量大,作業(yè)周期長(zhǎng)。使用EDM,速度快,且精度符合要求。

2.1.1 觀測(cè)要求

依椐《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》GB/T22898-2009[1]、《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》SL52-2015[2]以及《水文測(cè)量規(guī)范》SL58-2014[3],觀測(cè)過(guò)程中成像應(yīng)穩(wěn)定清晰且宜在中午附近進(jìn)行,否則不宜觀測(cè);視線長(zhǎng)度不宜超過(guò)700 m,最大不超過(guò)1 km;觀測(cè)斜距、平距和高差時(shí),每站需量取氣溫氣壓值輸入儀器內(nèi),溫度超過(guò)1℃時(shí),重新輸入溫度后再觀測(cè);斜距觀測(cè)兩測(cè)回,互差和測(cè)回差分別為10 mm和15 mm；天頂距觀測(cè)用中絲法讀數(shù),盤(pán)左、盤(pán)右分別照準(zhǔn)同一目標(biāo)為一測(cè)回,測(cè)回差及指標(biāo)差均不得超過(guò)5＂。

2.1.2 計(jì)算原理

1)每點(diǎn)設(shè)站時(shí),直返覘高差的按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中:α為豎直角觀測(cè)值；h為儀器至觀測(cè)點(diǎn)之間的高差；S為儀器至觀測(cè)點(diǎn)之間的斜距離；R為為地球曲率半徑，取值6369 km；i，v 為分別表示儀器高和覘標(biāo)高；h1，h2為分別表示往測(cè)和返測(cè)高差；△h為往測(cè)和返測(cè)高差之差；h'為相鄰測(cè)站間對(duì)向觀測(cè)的誤差中值。

2)隔點(diǎn)設(shè)站時(shí),相鄰照準(zhǔn)點(diǎn)間高差按下式計(jì)算：

式中:腳標(biāo)1,2為后視與前視標(biāo)號(hào)。

2.1.3 水準(zhǔn)點(diǎn)校測(cè)實(shí)例

某站，2018年4月對(duì)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校測(cè)。采用全站儀施測(cè),用水準(zhǔn)儀比測(cè)。計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1,結(jié)果見(jiàn)表2。限于篇幅,電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線觀測(cè)資料、水準(zhǔn)觀測(cè)資料及水尺零高資料略去。

表1 某站電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線高差計(jì)算表 單位：m

表2 某站水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量成果表 單位：m

從表2可看出,計(jì)算結(jié)果與第五列用三等水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果相符，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.2 大斷面測(cè)量

每年汛前或汛后應(yīng)施測(cè)一次大斷面。在地形復(fù)雜、高差較大的測(cè)站，用水準(zhǔn)儀施測(cè)大斷面,作業(yè)艱苦,尤以岸邊為懸崖陡壁的地形,水準(zhǔn)儀只能止步。用全站儀（免棱鏡功能），速度快、簡(jiǎn)便靈活，很好地解決了此難題。

2.2.1 獨(dú)立坐標(biāo)系建立

目前,測(cè)站由絕對(duì)基面、凍結(jié)基面和水準(zhǔn)點(diǎn)等構(gòu)成高程系統(tǒng)，但未建立坐標(biāo)系統(tǒng)。為水文工作發(fā)展之需,應(yīng)建立測(cè)站坐標(biāo)系統(tǒng)。方法是以基線端點(diǎn)為原點(diǎn)O,起點(diǎn)距增加的方向?yàn)閄軸,以基線指向下游的方向?yàn)閅軸,垂直于OX軸或OY軸天頂方向?yàn)閆軸(設(shè)定斷面方向與基線方向垂直)。設(shè)O點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0,Z),高程Z通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量得到。通常，儀器架設(shè)在便于觀測(cè)的某一固定點(diǎn)O′上并修建觀測(cè)平臺(tái)。通過(guò)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)平移和測(cè)量O′點(diǎn)高程,得到O′點(diǎn)坐標(biāo)(a,b,Z′)，見(jiàn)圖1。

圖1 坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖

2.2.2 計(jì)算原理

1)測(cè)站O′高程計(jì)算

分兩種情況,即將儀器置于水準(zhǔn)點(diǎn)上和便于觀測(cè)的任意位置?？墒褂镁幊逃?jì)算器分別按式（5）、（6）計(jì)算：

式中：Z0為測(cè)站某已知水準(zhǔn)點(diǎn)高程；h為已知點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)高差；i為儀器高；v為目標(biāo)高。

2)坐標(biāo)測(cè)量及起點(diǎn)距計(jì)算

啟動(dòng)儀器“測(cè)量”按鈕，坐標(biāo)（N,E,Z）顯示在操作屏幕上,可手工記錄或按鍵儲(chǔ)存于儀器中。三維坐標(biāo)采用下式計(jì)算：

EDM三角高程測(cè)量原理見(jiàn)圖2。

圖2 EDM三角高程測(cè)量原理圖

式中，α、β分別為測(cè)站至棱鏡中心的豎直角和坐標(biāo)方位角。

起點(diǎn)距從斷面樁O點(diǎn)開(kāi)始,利用式(8)計(jì)算或校核?？捎肊xcel編輯公式或編程計(jì)算器予以累加計(jì)算。

2.2.3 斷面測(cè)量實(shí)例

某站2018年汛前大斷面測(cè)量外業(yè)觀測(cè)記錄及計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表3。操作過(guò)程如下：

1)架設(shè)并整平儀器,按【測(cè)量】菜單鍵（F1）;

2)按【測(cè)距】鍵,測(cè)量測(cè)站與后視點(diǎn)之高差h并記錄;

3)按【FUNC】鍵，在【坐標(biāo)】菜單下按“坐標(biāo)測(cè)量”，按“測(cè)站定向”,按“測(cè)站坐標(biāo)”,輸測(cè)站坐標(biāo)（0,0,H）;輸“儀器高”;輸“目標(biāo)高”,“后視定向”,瞄準(zhǔn)斷面方向或基線方向并輸假定方位角0°00′00〃。按“ESC”鍵退出測(cè)站設(shè)置;

4)按“測(cè)量”,按“儀器高”F2,重新輸入測(cè)站坐標(biāo)（0,0,H）;

5)在【坐標(biāo)測(cè)量】下按“測(cè)量”,得后視點(diǎn)坐標(biāo)（N,E,Z）,檢查高程符合性,進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量。

表3 某站大斷面測(cè)量記錄及計(jì)算表

3 誤差分析及結(jié)論

3.1 誤差分析

EDM三角高程測(cè)量,誤差來(lái)源主要是豎直角α的誤差mα和斜距S的誤差mS,儀器高i及棱鏡高v的量測(cè)誤差mi,mv,顧及折光系數(shù)k及垂線偏差系數(shù)u的誤差mk,mu。由誤差傳播定律，對(duì)式(1)微分并線性化后，對(duì)向觀測(cè)時(shí)高差中數(shù)方差為,mh2={(Sinαms)2+(Scosαmα/ρ)2+(S2cos2αmk2/2R)2+mi2+mv2)}+mu2。mS、mα可分別取標(biāo)稱(chēng)精度估算，即2+2×10-6D和±2＂;據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，mk宜取±0.04mm;mi、mv,均不超過(guò)2 mm。因測(cè)區(qū)范圍不大，mu可忽略。因此,誤差構(gòu)成主要是mα,ms,mi,mv。故mh不超過(guò)3 mm。采取增加測(cè)回?cái)?shù)減少豎直角和距離觀測(cè)誤差影響;對(duì)向觀測(cè),減少大氣折光影響;采用后前前后觀測(cè)順序,削弱大氣折光影響;精確量取儀器高、棱鏡高,減小人為誤差影響。

3.2 結(jié)論

依椐《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》SL52-2015表4.4.2光電測(cè)距三角高程測(cè)量技術(shù)要求,采用對(duì)向觀測(cè),視線長(zhǎng)度小于500 m,可達(dá)到三等水準(zhǔn)精度;在800 m以?xún)?nèi),可達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。

1)在滿(mǎn)足必要的觀測(cè)條件下用EDM三角高程測(cè)量方法完全可以替代三、四等水準(zhǔn)測(cè)量；

2)采用對(duì)向觀測(cè),組成附合路線或閉合環(huán)可進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)校測(cè)；

3)采用單向觀測(cè),往返路線可對(duì)水尺零高校測(cè)及大斷面測(cè)量。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)EDM三角高程測(cè)量代替水準(zhǔn)儀完成水文三、四等水準(zhǔn)測(cè)量,對(duì)于高差大的地形的水準(zhǔn)點(diǎn)以及岸邊接陡崖的大斷面測(cè)量發(fā)揮了很大作用,具有速度快、作業(yè)靈活的特點(diǎn)，水準(zhǔn)觀測(cè)困難地區(qū)可作為新方法。全站儀應(yīng)在水文領(lǐng)域不限于下列應(yīng)用。

1)水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)作為高洪測(cè)驗(yàn)手段搶測(cè)河道浮標(biāo)；

2)水文纜道起點(diǎn)距、雷達(dá)水位計(jì)探頭高度率定；

3)中小河流洪水位預(yù)警預(yù)報(bào)之河道控制縱、橫斷面測(cè)量；

4)洪水調(diào)查；

5)測(cè)站地形圖測(cè)繪。