無反射棱鏡全站儀實測精度檢測方法探討

馮永長

(江蘇省高郵市測繪院，江蘇高郵 225600)

1 概述

全站儀在多種測繪領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，已成為一種不可替代的測量設(shè)備。無反射棱鏡全站儀是不需要棱鏡作為前方目標(biāo)就可以進行測距的全站儀。在使用無反射棱鏡全站儀時，人們會很自然地關(guān)心其精度問題:即測角與測距的精度。實際上測角精度與使用棱鏡時是一樣的精度;測距精度比使用棱鏡時要復(fù)雜一些，它與照準(zhǔn)目標(biāo)密切相關(guān)，包括不同顏色的反射目標(biāo)對測程和測距精度的影響。本文將介紹簡便的測角和測坐標(biāo)的精度檢測方法。本實驗以拓普康MS05全站儀為例進行實驗。拓普康MS系列全站儀，是以超精密三維自動化測量而著稱的新型測量機器人。它提供了0.5″測角精度和亞毫米級測距精度，以及測量機器人智能一體化功能，采用了三大最新的拓普康專利技術(shù):IACS測角技術(shù)、RED-tech EX測距技術(shù)、多棱鏡目標(biāo)識別技術(shù)，并且具備三大特點:高精度、高性價比和自動化測量。可以實現(xiàn)包含自動跟蹤、自動照準(zhǔn)、智能識別、遙測控制等功能在內(nèi)的自動化測量，極大的提高了測量效率。此外，MS系列全站儀還具備隧道測量激光指示，完美的LED照明，Windows CE操作系統(tǒng)，特殊的萬能反射片功能，并包含無棱鏡測量功能。MS系列全站儀可應(yīng)用于所有測量、建筑、土木、精密測量領(lǐng)域，可以為各種測量任務(wù)提供完美解決方案。它的主要精度指標(biāo)見表1。

表1 拓普康MS05全站儀主要技術(shù)精度指標(biāo)

2 角度檢測方法

為了檢測角度測量的精度，可以采用如圖1所示的方法來實現(xiàn)。具體方法是在距儀器100 m左右處水平設(shè)置因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺，使尺子與全站儀構(gòu)成等腰三角形。然后以等間隔分別觀測各分劃方向值，并與理論值比較，求出差值，即可評定精度。

如圖1所示，若S=100 m，以因瓦尺上10 cm，20 cm，30 cm等間隔來與儀器中心構(gòu)成的小角度βi來進行檢測即可達到目的。對S的測量精度要求并不是很高，它的影響可以從以下計算來說明:

對式(1)中誤差傳播，則有:

在式(2)中若取 S=100 m，d=0.1 m，mβ=0.1″，則對 S 的測量精度要求為:

很顯然，這樣的測距要求是很容易達到的。本實驗用該方法對該類儀器的實際測角精度(100 m距離)檢測后，其角度測量的中誤差為m方=±0.58″。實際上，若邊長增加，測角精度會更好。

3 坐標(biāo)檢測方法

在日常測量工作中，坐標(biāo)測量經(jīng)常會碰到的。如放樣點位、測量空間點位坐標(biāo)等，特別是在結(jié)構(gòu)件安裝與拼接時，經(jīng)常要測量三維坐標(biāo)，這時最有效的方法就是無反射棱鏡測量模式。所以，探討無反射棱鏡測量模式測量三維坐標(biāo)的精度是很有實際意義的。

為了檢測三維測量的精度，可以采用如圖2所示的方法來實現(xiàn)。具體思路是在距儀器一定距離處設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)方格網(wǎng)，使其中心與全站儀照準(zhǔn)軸正交。然后分別觀測各方格網(wǎng)點的坐標(biāo)，并與理論值比較，求出差值，即可評定精度。

實驗時方格網(wǎng)采用常用的聚酯薄膜圖紙，其對角線精度小于0.3 mm，對于檢測有1 mm的固定誤差的無反射棱鏡測量模式，精度是合適的。方格網(wǎng)距儀器30 m處，照準(zhǔn)軸照準(zhǔn)方格網(wǎng)中心是垂直角為0°左右。通過對25個方格網(wǎng)點的重復(fù)測量，并與理論值比較，得到該觀測條件下的坐標(biāo)測量誤差分量分別為:

圖1 角度檢測示意圖

圖2 三維坐標(biāo)檢測示意圖

4 工程實例應(yīng)用比較

應(yīng)用的實例是一鋼結(jié)構(gòu)建筑，屋頂為橢圓形鋼構(gòu)件拼接施工。為了檢測結(jié)構(gòu)拼裝過程中的變形，我們用拓普康MS05全站儀對其進行變形監(jiān)測，設(shè)置檢測點30個，分布在主要軸線和穹頂及斜立柱的不同高度位置。

根據(jù)施工平面圖建立局部的三維坐標(biāo)系，每個點位采用正倒鏡觀測，以坐標(biāo)分量差值來衡量觀測精度，其部分觀測結(jié)果如表2所示，剔除誤差較大的西穹頂4點后，求得相應(yīng)的坐標(biāo)測量中誤差(摘自該項目5月27日檢測報告)。

用相應(yīng)的較差計算出坐標(biāo)分量的中誤差分別為:

5 結(jié)語

本文對MS05全站儀在無反射棱鏡模式下的實際測量精度進行了實驗，其結(jié)果與工程實例的測量結(jié)果相符，具有一定的實用價值。Z坐標(biāo)方向的中誤差較大，主要是1軸、28軸、29軸及31軸4.5A這些點的誤差較大所致。

在坐標(biāo)精度實驗時，其結(jié)果是綜合精度，沒有將測角、測距精度、目標(biāo)材質(zhì)、顏色不同等情況分開討論，因為大多數(shù)工程應(yīng)用時，都需要綜合精度，所以，這樣討論更有實際意義。本實驗還有一些問題沒有展開討論，例如，不同測程情況下的精度問題，不同高度角的情況下，精度是否有變等問題，還有待進行實驗與分析研究。

表2 坐標(biāo)差值分量表

目前全站儀無棱鏡測量模式雖然還存在一些不足，但是隨著科技的發(fā)展，無棱鏡全站儀的不斷完善，它將逐漸取代傳統(tǒng)的測量儀器，成為測繪行業(yè)中的一顆明珠。無反射棱鏡測量方式在各個領(lǐng)域的應(yīng)用會愈來愈廣，應(yīng)值得大家去分析和研究。

［1］張正祿.工程測量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005.

［2］拓普康公司.拓普康MS05全站儀操作手冊［Z］.2009.

［3］邊小偉，梁孝忠，李道發(fā).RTK及全站儀在公路測量中的應(yīng)用及比較［J］.山西建筑，2011，37(14):193-195.