趙少良 任伯龍

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

0 引言

免棱鏡全站儀不僅具有設(shè)站靈活性高、精度高、測(cè)程遠(yuǎn)等普通全站儀的特點(diǎn),還具有激光免棱鏡測(cè)量模式以及極高的自動(dòng)化程度[1]。免棱鏡全站儀不需要接觸被測(cè)地物,就可測(cè)得被測(cè)地物的三維坐標(biāo),真正實(shí)現(xiàn)了“所測(cè)即所得”[2-3]。免棱鏡全站儀的有效測(cè)距已發(fā)展到現(xiàn)在的1 km以上,其測(cè)量精度也在逐漸提高,在地下工程的斷面測(cè)量、狹窄建筑物的危險(xiǎn)點(diǎn)和特殊點(diǎn)等不易設(shè)置棱鏡的短程測(cè)量環(huán)境中顯示出極大的優(yōu)越性。

針對(duì)不同材質(zhì)的反射面,已有很多研究證明不同的反射面,其測(cè)距精度隨反射面的粗糙程度增大逐漸降低[4-5]。在此基礎(chǔ)上,本文繼續(xù)探究不同材質(zhì)反射面對(duì)全站儀免棱鏡模式下的點(diǎn)位測(cè)量精度的影響。

1 全站儀免棱鏡測(cè)量及其反射材質(zhì)

1.1 全站儀免棱鏡測(cè)量原理

Leica TM30全站儀作為最新一代的超高精度精密監(jiān)測(cè)機(jī)器人,以其高精度、高速度、全自動(dòng)化、全天候等優(yōu)點(diǎn),在各種測(cè)量工作中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。Leica TM30全站儀的測(cè)角精度最高可達(dá)0.5″,確保每次測(cè)量的高可靠性;其獨(dú)特的測(cè)距技術(shù),使其有棱鏡測(cè)距精度達(dá)到0.6 mm+1×10-6D(D為平距),無(wú)棱鏡測(cè)距有效距離最遠(yuǎn)可達(dá)1 km以上,測(cè)距精度達(dá)到2 mm+2×10-6D[7]。免棱鏡測(cè)量不需要棱鏡等合作目標(biāo)的參與,只要被測(cè)物體的表面材質(zhì)符合免棱鏡測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn),就可以直接獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。免棱鏡測(cè)量技術(shù)基于相位法測(cè)量原理,從激光系統(tǒng)發(fā)射出極細(xì)小的激光束,非常精確地打在待測(cè)點(diǎn)上,以保證極高的測(cè)量精度。

全站儀免棱鏡測(cè)量三維坐標(biāo)的原理如圖1所示,在設(shè)置測(cè)站點(diǎn)及后視方位角定向完成后,便可測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算公式為:

圖1 全站儀免棱鏡模式三維坐標(biāo)測(cè)量示意圖

NP=N0+S×sinβ×cosα

(1)

EP=E0+S×sinβ×cosα

(2)

ZP=Z0+S×cosβ+h0-hP

(3)

式中,N0為測(cè)站點(diǎn)北坐標(biāo);E0為測(cè)站點(diǎn)東坐標(biāo);Z0為測(cè)站點(diǎn)高程;S為斜距;α為坐標(biāo)方位角;β為豎直角;h0為儀器高;hP為目標(biāo)高[8]。

1.2 不同材質(zhì)的反射特性分析

免棱鏡全站儀之所以能準(zhǔn)確地得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),其根本是應(yīng)用了物質(zhì)的漫反射原理。免棱鏡全站儀發(fā)射激光打在待測(cè)點(diǎn)上,待測(cè)點(diǎn)表面對(duì)激光束進(jìn)行漫反射返回全站儀中。激光測(cè)距系統(tǒng)在粗糙程度、距離等因素的影響下,會(huì)導(dǎo)致激光的漫發(fā)射特性發(fā)生較大的變化,并影響激光測(cè)距的精度[9]。因此為使激光測(cè)距系統(tǒng)具有較高精度,需對(duì)不同材質(zhì)的墻體表面進(jìn)行漫反射特性分析,以明確儀器進(jìn)行免棱鏡測(cè)量模式的精度,保證監(jiān)測(cè)任務(wù)質(zhì)量。

2 外符合精度的基準(zhǔn)構(gòu)建與測(cè)試方案

在山東科技大學(xué)3D綜合試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)架設(shè)實(shí)驗(yàn)儀器,利用經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得高精度點(diǎn)位數(shù)據(jù),為徠卡TM30全站儀免棱鏡測(cè)量模式提供外符合精度基準(zhǔn)。

2.1 經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)介紹

Leica Axyz經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)由兩臺(tái)高精度TM5100A電子經(jīng)緯儀與配套的計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成,根據(jù)空間前方交會(huì)原理來(lái)獲取空間點(diǎn)的三維坐標(biāo),系統(tǒng)的尺度通過(guò)對(duì)配套基準(zhǔn)尺的測(cè)量來(lái)確定,可實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)接觸測(cè)量[8]。其進(jìn)行測(cè)量的基本原理是空間測(cè)角前方交會(huì),由兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行互瞄相對(duì)定向、同瞄8個(gè)及以上公共點(diǎn)建立坐標(biāo)系、同瞄基準(zhǔn)尺引入長(zhǎng)度單位等步驟,并利用前方交會(huì)原理在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量。

2.2 外符合精度測(cè)試的基準(zhǔn)構(gòu)建

Leica Axyz經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的有效測(cè)量范圍在2～50 m,其坐標(biāo)測(cè)量精度隨測(cè)程的增加嚴(yán)重衰減[10]。在0～50 m范圍內(nèi),全站儀無(wú)棱鏡模式下的測(cè)距精度隨測(cè)程的增加而降低,其外符合精度在20 m范圍內(nèi)為0.6 mm[2],可滿足大部分工程實(shí)際中的精度要求。因此,在室內(nèi)特定條件下,短測(cè)程建筑測(cè)量可以利用全站儀無(wú)棱鏡模式進(jìn)行。

經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)采用光束法平差原理對(duì)所有的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行平差,以保證在進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量時(shí)具有極高的點(diǎn)位精度,其測(cè)量原理如圖2所示,A、B兩點(diǎn)為電子經(jīng)緯儀的位置,兩臺(tái)經(jīng)緯儀觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)T時(shí),根據(jù)其水平基線長(zhǎng)度b,水平角α和β,以及天頂距ZAT、ZBT,可通過(guò)式(4)～(6)求得T點(diǎn)的坐標(biāo):

圖2 經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖

(4)

(5)

(6)

2.3 外符合精度的測(cè)試方案

已知Leica Axyz經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)在目標(biāo)點(diǎn)5 m范圍內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)0.05 mm,10 m范圍內(nèi)可達(dá)0.1 mm,且交會(huì)測(cè)量在60°～120°范圍內(nèi)精度最高。因此,本次實(shí)驗(yàn)將經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值當(dāng)作真值,與TM30全站儀免棱鏡模式下的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 外符合精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材布置如圖2所示,在A、B點(diǎn)安置TM5100A電子經(jīng)緯儀,在C點(diǎn)安置Leica TM30全站儀。其中A、B點(diǎn)之間距離為5 m,C點(diǎn)位置位于A、B點(diǎn)連線的垂直平分線上,且不影響兩臺(tái)電子經(jīng)緯儀的互瞄定向。具體測(cè)試方案流程如圖3所示。本次實(shí)驗(yàn)選取了4種不同材質(zhì)的墻面,分別為白瓷磚墻面、白灰墻面、水泥墻面與紅磚墻面;以對(duì)比不同反射面對(duì)TM30全站儀測(cè)量精度的影響。

圖3 外符合精度測(cè)試方案流程圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:

(1)在山東科技大學(xué)3D實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的連接,啟動(dòng)經(jīng)緯儀進(jìn)行相對(duì)定向和絕對(duì)定向,構(gòu)建坐標(biāo)系;

(2)在目標(biāo)墻面上選取12個(gè)目標(biāo)點(diǎn),并確保點(diǎn)位集中在經(jīng)緯儀水平基線的垂直平分線周圍,以確保交會(huì)測(cè)量觀測(cè)角度為90°,點(diǎn)位應(yīng)具備良好的通視性且均勻分布,保證點(diǎn)位在觀測(cè)時(shí)不能有任何偏移;

(3)利用經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)墻面點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),采用左右盤(pán)觀測(cè)取平均值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)值的高精度,其三維坐標(biāo)值為第一步中構(gòu)建坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;

(4)將TM30全站儀放置在C點(diǎn)周圍適當(dāng)位置,采用自由設(shè)站法設(shè)站,利用免棱鏡模式測(cè)量墻面點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.2 實(shí)驗(yàn)成果及分析

利用配套的Axyz軟件將TM30全站儀測(cè)得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Leica Axyz經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)系下,點(diǎn)位誤差如圖4所示。

由圖4(a)、(b)、(c)中數(shù)據(jù)分析可知,白瓷墻面的目標(biāo)點(diǎn)在X、Y、Z坐標(biāo)軸方向上的誤差最小,其誤差絕對(duì)值基本分布在0.5 mm左右;白灰和水泥墻面的軸向誤差絕對(duì)值相差不大,基本分布在0.7～0.9 mm;紅磚墻面較為粗糙,其軸系誤差絕對(duì)值最大,分布在1.5 mm左右。在圖4(d)中顯示了4種墻面的三維坐標(biāo)整體誤差,誤差最大的紅磚墻面分布在2 mm左右,其余均在2 mm以下,滿足TM30全站儀免棱鏡模式的標(biāo)稱精度。

圖4 誤差分布圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)分析了TM30全站儀免棱鏡模式的外符合精度,得出結(jié)論,在10 m范圍內(nèi)的室內(nèi)條件下,對(duì)于較為平整光滑的反射面,其測(cè)量精度較高,反之測(cè)量相對(duì)粗糙的反射面時(shí),其精度較低。但本文的試驗(yàn)內(nèi)容和研究仍有局限和不足,例如全站儀同測(cè)站沒(méi)有重復(fù)多次測(cè)量,以評(píng)定其內(nèi)符合精度;本次實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行了全站儀10 m范圍內(nèi)的免棱鏡模式外符合精度分析,更大測(cè)程的精度未知。在以后的工作中應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文針對(duì)室內(nèi)短程條件下的建筑測(cè)量,提出了一種TM30全站儀免棱鏡模式的外附合精度測(cè)試方法,結(jié)果表明對(duì)于平整材質(zhì),其測(cè)量精度較高,對(duì)于較粗糙墻面,測(cè)量精度較低。

(2)利用TM30全站儀,在室內(nèi)短測(cè)程條件下,對(duì)符合免棱鏡模式測(cè)量條件的墻面等目標(biāo),可以直接用免棱鏡模式測(cè)量,不需施測(cè)人員進(jìn)行棱鏡放置,大大提高了工作效率,且能夠快速、準(zhǔn)確的獲得測(cè)量成果,有廣闊的應(yīng)用前景。

(3)基于全站儀相位法測(cè)量原理,且測(cè)程越遠(yuǎn),光斑越大,可知其免棱鏡測(cè)量精度隨測(cè)程增加逐漸降低。在測(cè)量中,將全站儀有棱鏡和無(wú)棱鏡模式相結(jié)合,以應(yīng)對(duì)不同的觀測(cè)環(huán)境,更能起到事半功倍的效果。