索佳NET05X全站儀在高精度測(cè)距中的應(yīng)用分析

鈄春紅,李子坡

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

0 引 言

杭州市三堡排澇工程作為城市防洪工程,以防洪治澇為主,結(jié)合改善水環(huán)境、二線船閘下游引航道段排水箱涵建設(shè),進(jìn)行三堡二線船閘下游引航道西側(cè)防洪堤達(dá)標(biāo)建設(shè).防洪堤與引航道南端的錢塘江標(biāo)準(zhǔn)海塘連接,該工程有利于完善太湖流域防洪布局、構(gòu)建南排杭州灣防洪工程體系、提高杭州市區(qū)排澇能力,有利于推動(dòng)京杭運(yùn)河杭州段綜合治理、加快江河交匯區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè),意義十分重大.應(yīng)杭州市三堡排澇工程(錢塘江排水口至鳳起東路)三個(gè)標(biāo)段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)施工需要,根據(jù)杭州市南排工程建設(shè)管理處要求,對(duì)三堡排澇工程施工范圍內(nèi)進(jìn)行二等GPS平面控制測(cè)量.測(cè)區(qū)附近有杭州市規(guī)劃局施測(cè)的兩個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)(A55882、A31570)作為平面起算點(diǎn),在三個(gè)標(biāo)段附近按業(yè)主的要求選埋六點(diǎn)GPS點(diǎn)新點(diǎn)位(B1-B6),組成一個(gè)八點(diǎn)GPS點(diǎn)組成的二等GPS控制網(wǎng),采用八臺(tái)中海達(dá)V8雙頻接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè).全網(wǎng)采用索佳NET05X全站儀測(cè)定兩條基線(B2-B3、B3-B4),基線邊呈均勻分布,由于測(cè)區(qū)地勢(shì)較低,基線邊長(zhǎng)投影至零米高程面.解算過(guò)程中采用投影到零米高程面上的兩條改正后的基線邊長(zhǎng)分別除以其自由網(wǎng)平差后的邊長(zhǎng),取平均值,得到比例因子δ,以離控制網(wǎng)最近的E級(jí)GPS點(diǎn)(A55882)作為已知起算點(diǎn),用兩個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)的方位角和自由網(wǎng)平差后的返算基線邊長(zhǎng)乘以比例因子δ,算得兩個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)邊長(zhǎng),計(jì)算出另一E級(jí)GPS點(diǎn)(A31570)的坐標(biāo);利用新的兩點(diǎn)坐標(biāo)作為平面起算數(shù)據(jù)進(jìn)行全約束平差,得到其余GPS點(diǎn)的坐標(biāo).由于基線邊長(zhǎng)的精度直接影響整個(gè)二等控制網(wǎng)內(nèi)GPS點(diǎn)的坐標(biāo)的準(zhǔn)確度,作業(yè)中非常有必要掌握兩條基線的測(cè)定有關(guān)的測(cè)距精度影響因素,對(duì)索佳NET05X全站儀測(cè)距精度影響進(jìn)行分析,并在作業(yè)過(guò)程中正確進(jìn)行必要的檢查、檢測(cè)與操作處理.

1 索佳NET05X全站儀高精度測(cè)距誤差分析

1.1 索佳NET05X全站儀基本特性

索佳NET05X達(dá)到了業(yè)界最高的0.5(測(cè)角精度,以索佳反射片為合作目標(biāo),在200 m的范圍內(nèi)提供亞毫米級(jí)(0.5 mm+1×10-6)的測(cè)量精度,標(biāo)準(zhǔn)單棱鏡的測(cè)距精度為(0.8 mm+1×10-6),測(cè)程可達(dá)3500 m.在1000 m以上的邊長(zhǎng)測(cè)量中提供業(yè)界最高的測(cè)量精度,精測(cè)模式中的單次測(cè)量時(shí)間小于2.4 s,無(wú)棱鏡的測(cè)距精度(1 mm+1×10-6),測(cè)程已擴(kuò)充到100 m,業(yè)界獨(dú)一無(wú)二的高亮度LED燈,便于在昏暗的測(cè)量環(huán)境中清晰照亮棱鏡、反射片等目標(biāo),IP65的防塵防水等級(jí),在WinCE操作系統(tǒng)的全站儀中,達(dá)到了世界最高水平.

1.2 索佳NET05X全站儀測(cè)距的基本原理

索佳NET05X全站儀的光電測(cè)距部分的分類屬于短程相位式型號(hào),基本原理公式為D=ct,采用砷化鎵(GaAs)二極管氣體激光器產(chǎn)生的相位式測(cè)距儀的光源,發(fā)射光強(qiáng)直接由注入電流調(diào)制,發(fā)射一種紅外調(diào)制光;在測(cè)線的另一端安置一個(gè)反射器(棱鏡或反射片等),使發(fā)射的調(diào)制光經(jīng)它反射后,被儀器接收器接收;采用光電轉(zhuǎn)換器件把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào),測(cè)距原理公式為D=(N+ΔΦ/2π)=L(N+Δ N)(式中 ΔN=ΔΦ/2π代表測(cè)尺長(zhǎng)度、N代表整周數(shù)、L=c/2f=λ/2代表不足一周的尾數(shù)),相位式光電測(cè)距儀的工作原理及測(cè)距原理形態(tài)見(jiàn)圖1、圖2.

1.3 索佳NET05X全站儀測(cè)距精度影響因素

1.3.1 測(cè)距精度影響因素

圖1 電測(cè)距儀工作原理

圖2 測(cè)距原理形態(tài)圖

全站儀測(cè)距精度影響因素就其產(chǎn)生“誤差”方式來(lái)講分兩大類,一些與測(cè)量距離長(zhǎng)短無(wú)關(guān),稱其為“固定誤差”;有些是與測(cè)量距離成比例的,稱為“比例誤差”.固定誤差來(lái)源主要包括測(cè)相、加常數(shù)和對(duì)中誤差,其中測(cè)相誤差包括測(cè)相設(shè)備本身的誤差、幅相誤差、照準(zhǔn)誤差、信噪比引起的誤差、周期誤差;加常數(shù)誤差包括全站儀加常數(shù)、反射鏡加常數(shù);對(duì)中誤差又分全站儀、反射鏡兩種情形.比例誤差來(lái)源主要包括測(cè)量時(shí)氣象因素和全站儀測(cè)距頻率偏移(乘常數(shù)),氣象因素主要包括溫度、氣壓、濕度;引起頻率偏移原因有全站儀電源電壓、溫度變化等.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院購(gòu)置的索佳NET05X全站儀(編號(hào)103274)于2010年2月檢定,加常數(shù)K=-2.3 mm、乘常數(shù) R=0 mm/km、周期誤差振幅 A=0.1 mm、初相 B=291°9′37.3″,可見(jiàn)固定誤差中測(cè)相誤差很小,對(duì)中誤差可以人為減弱,比例誤差中測(cè)距頻率偏移(乘常數(shù))忽略不計(jì),反射鏡加常數(shù)由于根據(jù)不同品牌型號(hào)儀器對(duì)應(yīng)專用的配套反射鏡,出廠時(shí)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)定,可以忽略反射鏡加常數(shù)的影響.因此在杭州市三堡排澇工程實(shí)踐中,最關(guān)注的是固定誤差中的加常數(shù)和比例誤差中的氣象因素改正,本文主要針對(duì)索佳NET05X全站儀討論固定誤差中儀器加常數(shù)和比例誤差中氣象改正因素形成原理或變化特性.

1.3.2 加常數(shù)

索佳NET05X全站儀外光路測(cè)得的距離是由發(fā)光面和接收面的實(shí)際中心到反射面的距離,內(nèi)光路測(cè)量的距離是由發(fā)射面經(jīng)內(nèi)光路到接收面的等效反射面的距離,待測(cè)的距離為儀器中心(豎軸)到反射中心(豎軸)的距離.由于發(fā)光面和接收面與儀器實(shí)際中心不重合;等效反射面與反射中心不重合;內(nèi)光路距離值以及內(nèi)部線路自身的時(shí)間延遲等的影響,使儀器測(cè)得的距離與實(shí)際距離之間有一個(gè)常數(shù)差,此常數(shù)稱為儀器的加常數(shù).儀器出廠前,該常數(shù)都要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè),并將其檢測(cè)出的常數(shù)預(yù)置到儀器內(nèi),這樣測(cè)距時(shí)儀器顯示是地面兩點(diǎn)間的實(shí)際距離值.該常數(shù)不是一個(gè)永久不變的值,使用中儀器光電路參數(shù)產(chǎn)生漂移而使儀器加常數(shù)發(fā)生變化,為了保證測(cè)距的精度,必須對(duì)加常數(shù)進(jìn)行定期的檢測(cè),變化大的要重新設(shè)置或在測(cè)距成果中進(jìn)行加常數(shù)改正.索佳NET05X全站儀(編號(hào)103274)出廠日期是2009年7月,常數(shù)嚴(yán)格檢測(cè)后常數(shù)預(yù)置到儀器內(nèi),2010年2月2日由上海市測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站重新檢測(cè),常數(shù)值K變化為-2.3 mm(測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為0.3 mm).索佳NET05X全站儀的標(biāo)準(zhǔn)單棱鏡的測(cè)距精度為0.8 mm+1×10-6,測(cè)程＜3.5 km,顯然常數(shù)值K=-2.3 mm對(duì)測(cè)定短基線影響比較顯著.

1.3.3 氣象因素改正

氣象改正實(shí)質(zhì)是大氣折射率對(duì)距離的改正,大氣折射率與氣壓、氣溫、濕度有關(guān).標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下距離公式D0=(n0代表標(biāo)準(zhǔn)參考大氣折射率),實(shí)際作業(yè)中距離公式D==D0×(n代表實(shí)際大氣折射率),因此呈比例改正.根據(jù)索佳NET 05X全站儀使用說(shuō)明書(shū)介紹,氣象改正值可采用如下公式Δ=282.324-(公式中T為溫度值、P為氣壓值、E為水蒸汽氣壓值),儀器按照溫度15℃、氣壓1013 hPa、相對(duì)濕度50%時(shí)的氣象改正數(shù)為0設(shè)計(jì),水蒸汽氣壓值E由相對(duì)濕度與飽和水蒸汽氣壓值換算.從該公式可以推算出,在通常的大氣情況下,當(dāng)氣壓保持不變,溫度值每變化1℃,或者溫度值保持不變,氣壓值每變化3.6 hPa時(shí),都將引起所測(cè)距離值 1×10-6的變化,即每公里1 mm的變化;當(dāng)其他條件不變,相對(duì)濕度值每變化1%,會(huì)引起所測(cè)距離值0.04×10-6的變化,因此溫度值是最關(guān)鍵的因素,相對(duì)濕度值影響最小.

2 保證索佳NET05X全站儀測(cè)距精度的措施

2.1 提高索佳NET05X全站儀測(cè)距時(shí)大氣參數(shù)測(cè)定的精度

氣象儀表檢定和校核至關(guān)重要,選購(gòu)質(zhì)量穩(wěn)定可靠的氣象儀表,能夠精確判讀0.2格值以上,使用前對(duì)溫度計(jì)、氣壓表和濕度表進(jìn)行校核,濕度表、氣壓表上有溫度計(jì)的情況,進(jìn)行交叉比對(duì),符合要求后用于距離測(cè)量.正確讀取數(shù)據(jù),視線應(yīng)垂直于儀表讀數(shù)面,手溫不要影響溫度,氣象儀表應(yīng)放置在通風(fēng)良好的位置,并盡量高于地面,以免產(chǎn)生地面植被、河道水汽對(duì)測(cè)量基線氣象的偏差.由于B03選在船閘的建筑屋頂,地勢(shì)較高,B02、B04地勢(shì)較低,因此測(cè)定了兩條基線兩端的氣象參數(shù),讓氣象參數(shù)真正符合現(xiàn)場(chǎng)情形.

2.2 檢核索佳NET05X全站儀的加常數(shù)等儀器檢定參數(shù)

盡管索佳NET05X全站儀由上海市測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢定,高精度測(cè)距前仍然有必要對(duì)其檢定參數(shù)進(jìn)行檢核,認(rèn)真比對(duì)后才放心使用.固定誤差中測(cè)相誤差很小,比例誤差中測(cè)距頻率偏移(乘常數(shù))可以忽略不計(jì),忽略反射鏡加常數(shù)的影響,由于測(cè)定加常數(shù)存在誤差,加上光路的微變和電路的老化,儀器加常數(shù)檢核顯得非常重要.用于測(cè)定加常數(shù)的常用方法有解析法、迭加法與比較法等,解析法和迭加法都是利用儀器自身的測(cè)量結(jié)果,通過(guò)平差求解加常數(shù),比較法是把儀器的觀測(cè)值與精確基線值進(jìn)行比較.由于受條件所限,采用兩種簡(jiǎn)單方法進(jìn)行檢校:(1)在儀器檢校室將索佳NET05X全站儀固定在升降臺(tái)上,另一端安置索佳配套單棱鏡,通過(guò)升降將全站儀視準(zhǔn)線水平,讓其相當(dāng)于一條短基線.經(jīng)過(guò)氣象、加常數(shù)改正后,所測(cè)距離與使用銦鋼尺量取距離大致相同.(2)在不具備因瓦尺校準(zhǔn)條件下,可以采用簡(jiǎn)單解析法檢定加常數(shù),在50 m距離的平坦地面上,架設(shè)3個(gè)以上腳架,使它們位于一條水平直線上,每個(gè)腳架上固定一個(gè)基座,相鄰腳架構(gòu)成n個(gè)小測(cè)段(n=3或4),首末兩個(gè)腳架構(gòu)成一個(gè)大測(cè)段.用同一只棱鏡和同一臺(tái)受檢全站儀分別測(cè)定n個(gè)小測(cè)段距離d1-d2-dn和大測(cè)段距離D,因?yàn)樗鼈兌及粋€(gè)加常數(shù)K和乘常數(shù)R,應(yīng)當(dāng)滿足如下方程:(n-1)K=D-∑d+(D-∑d)R,其中,(D-∑d)和R數(shù)值都很小(編號(hào)103274全站儀R值為零),二者乘積可以忽略不計(jì),所以加常數(shù)可以按照如下公式計(jì)算:K=(D-∑d)/(n-1),求取加常數(shù)[4].

3 測(cè)距改正中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

3.1 除索佳NET05X全站儀本身以外的測(cè)距精度影響因素

本文以上提到到的為索佳NET05X全站儀有關(guān)的測(cè)距精度影響,實(shí)踐中還應(yīng)注意儀器、反射設(shè)備對(duì)中的精度,配套反射設(shè)備不能混淆,腳架穩(wěn)定和操作的科學(xué)性.對(duì)中的精度涉及基座水平圓、管氣泡以及光學(xué)或電子對(duì)點(diǎn)的精確度,測(cè)距前對(duì)其進(jìn)行了檢校;配套反射設(shè)備根據(jù)品牌、類型分類,一般分索佳、拓普康、徠卡等幾個(gè)品牌,分棱鏡、反射片等幾種類型,預(yù)置常數(shù)(界面見(jiàn)圖3,圖4,索佳目標(biāo)類型為棱鏡、常數(shù)為-30 mm);應(yīng)選配結(jié)實(shí)穩(wěn)重腳架,擰緊螺絲,防止震動(dòng).為獲取更高精度的測(cè)量結(jié)果,應(yīng)對(duì)棱鏡條件進(jìn)行檢測(cè),在儀器設(shè)置下棱鏡檢測(cè)項(xiàng)為“開(kāi)”,測(cè)試返回信號(hào)和ALC狀態(tài),如果視準(zhǔn)軸偏離棱鏡中心,精度將受影響.

圖3 界面參數(shù)設(shè)置EDM

圖4 界面參數(shù)設(shè)置PPM

3.2 測(cè)距改正的兩種方法比較

3.3 應(yīng)考慮地球曲率和大氣折射引起的誤差

3.4 歸化改正、投影改正后平距與GPS二維約束平差邊長(zhǎng)的比較

為保證與GPS二維約束平差邊長(zhǎng)距離的可比性,需將所測(cè)實(shí)際平距歸算到測(cè)區(qū)平均高程面,投影到國(guó)家大地水準(zhǔn)面(簡(jiǎn)稱為歸化改正),將橢球面的長(zhǎng)度歸化到高斯平面改正(簡(jiǎn)稱為投影改正).

歸化改正公式為

其中:H—觀測(cè)邊的平均大地高;R—該地區(qū)平均曲率半徑.

4 結(jié) 語(yǔ)

平差時(shí),首先將杭州坐標(biāo)系的已知點(diǎn)A55882和A31570轉(zhuǎn)換成1954年北京坐標(biāo)系,全網(wǎng)用SOKKIA NET05X全站儀測(cè)定了2條邊,B02～B03、B03～B04,邊長(zhǎng)經(jīng)過(guò)歸化改正、投影改正,作為GPS的擬合邊計(jì)算比例因子δ用.平差后二等GPS網(wǎng)的點(diǎn)位中誤差為1.4 mm小于規(guī)范規(guī)定的5～7 mm;最弱相鄰點(diǎn)邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/295000＜1/250000(規(guī)定),成果質(zhì)量?jī)?yōu)良.實(shí)踐證明,在高精度測(cè)距中正確掌握儀器的的工作原理和特性,采用正確的實(shí)施方法,能夠保證精密的測(cè)距結(jié)果.

[1]中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì).GB 50026-2007工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2008.

[2]水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.SL 197-97水利水電工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1997.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 5173-2003水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

[4]付子傲,宋以勝,包 歡,等.全站儀測(cè)距常數(shù)檢定新方法[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2009(3):53.