幾種精密工程測量技術(shù)方法及精度的分析

黎 曦 湯麗瓊

（江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 前言

精密工程測量，主要是指結(jié)合現(xiàn)代測繪科技的新進(jìn)展，研究和解決大型工程或特種工程對測量的高精度、可靠性、自動測控等各個方面要求的測量科學(xué)。它代表著工程測量的新進(jìn)展和先進(jìn)技術(shù)，雖然如此，但仍然是在測量學(xué)的基本理論和方法指導(dǎo)下的測量技術(shù)，以各種測繪儀器及設(shè)備，測角、測邊、測高程，進(jìn)而獲得各點(diǎn)的三維坐標(biāo)或進(jìn)行施工放樣和求取位移等一序列需要的測量信息。另外，在對精度的更高要求以及解決測值可靠性及安全監(jiān)控諸方面，傳統(tǒng)的工程測量是難以滿足和不能實現(xiàn)的。近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步和建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，各種前所未有的巨大工程及建筑群體紛紛涌現(xiàn)。對這些新型的大型建筑群體來說，為適應(yīng)現(xiàn)代工程建設(shè)的需要，緊跟現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，要求精密工程測量也應(yīng)同步發(fā)展。

1 精密工程測量的幾個研究方向

精密工程測量從它初期開始發(fā)展到現(xiàn)在，已基本形成一個體系，隨著各種工程的興建和科技不斷進(jìn)步，精密工程測量應(yīng)該進(jìn)一步對以下幾個方面的進(jìn)行研究:對經(jīng)典測量理論和方法的研究、減弱環(huán)境因素作用的研究、研究合理的數(shù)據(jù)處理方法、專用測量儀器的進(jìn)一步研究。進(jìn)一步提高測量精度，滿足各種工程的需要；努力發(fā)展精密測量的智能化、自動化，極大地減輕觀測人員的勞動強(qiáng)度；提高測量的可靠性和測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性；提高對異常值的鑒別能力；進(jìn)一步深化多科學(xué)相結(jié)合處理精密工程測量的問題等，這些將是精密工程測量目前發(fā)展的主要方向。

2 進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性及異常值檢驗的意義和方法

一個被測量的真值通常是不易獲得的，實際工作中是通過較精密尺度的多次比較，而求得真值的近似值。因此，誤差是永遠(yuǎn)存在的。在精密工程測量中，為獲得與真值比較接近的測量結(jié)果，可通過不斷提高儀器設(shè)備的精度，研究減弱或克服各種誤差的措施和測量技術(shù)、發(fā)展誤差處理的新理論和新方法而達(dá)到目的。在這種意義上講，測量的進(jìn)展就是反應(yīng)不斷減弱誤差、提高精度的一個過程。

精密工程測量中的誤差分為偶然性誤差和非偶然性的誤差兩大類。偶然誤差是指測量中隨機(jī)性的誤差部分，大量的偶然誤差服從于一定的分布規(guī)律。對于這部分誤差的處理，是測量誤差理論及處理技術(shù)研究的主要對象。偶然誤差通常服從或近似服從正態(tài)分布。但是，精密工程測量中的誤差分布，并不僅僅是正態(tài)的，還有其他的分布形式。因此，測量誤差處理時應(yīng)較詳細(xì)地分析實際的誤差分布特性，建立相應(yīng)的處理模型，實時分析才能獲得良好結(jié)果。

精密測量中的非偶然誤差，主要包括系統(tǒng)誤差、周期規(guī)律性的誤差、粗差、異常值等多種類型。

精密工程測量中的系統(tǒng)誤差必須得到有效控制，特別是在分段連續(xù)測量工作中，由于系統(tǒng)誤差的累積性，微小的系統(tǒng)誤差會達(dá)到一定數(shù)量的程度而影響測量結(jié)果。

周期規(guī)律性的誤差，在測量結(jié)果中也經(jīng)常得到體現(xiàn)。例如，在旁折光影響的多測回水平角觀測中、精密高程傳遞的垂直角觀測中等周期性的誤差會有不同程度的反映。

測量中的粗差，在性質(zhì)上是一種屬于明顯超出常規(guī)誤差變化規(guī)律的誤差。它們主要體現(xiàn)了觀測條件的突然變化或其他一些突發(fā)性因素的作用。盡管粗差的數(shù)量較少，但由于其量值較大，它的不良作用還是很顯著的。它不僅影響整體觀測值的精度，而且會使平差后的結(jié)果失真和歪曲。精密工程測量中必須嚴(yán)格地將其剔除。

粗差的兩種檢驗方法的對比:一是，數(shù)據(jù)探測法（LS法）；該粗差定位方法，是以一定的顯著水平α和檢驗功效β，去判斷觀測值中是否存在均值發(fā)生顯著位移的誤差，而實現(xiàn)對粗差的判別。二是，抗差最小二乘改進(jìn)法（LH法）:在含有粗差的數(shù)據(jù)處理中，成功地探測粗差，關(guān)鍵在于平差后能使粗差在本身對應(yīng)的改正數(shù)中得到充分反映。由Huber分布模型出發(fā)，進(jìn)行抗差最小二乘改進(jìn)估計時，確定的權(quán)是殘差的函數(shù)式，可較好地表征觀測值的有效性。

異常值的檢測是數(shù)據(jù)處理的一個重要內(nèi)容。對單個異常值檢方法有:ESD統(tǒng)計檢驗、狄克松檢驗，這兩種檢驗方法效果比較好，多個異常值的檢驗方法有多種，其中的樣本分位值檢驗，計算方法簡便抵抗污染的能力較強(qiáng)，通常均能取得較好效果。

3 幾種精密工程測量方法及精度歸納總結(jié)分析

測量工作可分為三個基本要素:角度測量、距離測量、高程測量等。

3.1 角度測量

角度測量中誤差分析是對測量結(jié)果最為關(guān)鍵的補(bǔ)充，在測角過程中應(yīng)予以注意的有以下方面:儀器的對中誤差、目標(biāo)的偏心誤差、照準(zhǔn)誤差、豎軸傾斜誤差。

由于在考慮了對偏心距和偏心角的分布規(guī)律后，對中誤差產(chǎn)生對測角的影響，與測角的兩邊長有關(guān)，同時與兩邊上測點(diǎn)距離有關(guān)。因此利用通常的光學(xué)對中器是難于滿足的，必須采用強(qiáng)制對中裝置。在精密工程測量中，通常邊長較短，對中誤差對測角的影響比較顯著，必須預(yù)估這種誤差對測角的影響，并選擇合宜的對中方法。

目標(biāo)的偏心誤差是由于目標(biāo)的標(biāo)志偏離正確位置而對測角的產(chǎn)生的影響。對中誤差進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)在較短邊的角度測定時，同樣必須注意進(jìn)一步減弱目標(biāo)的偏心誤差。

在精密工程測量中，距離較短，測量人員在心里上也會比較重視，，因此通常能獲得較好的結(jié)果。常用的照準(zhǔn)誤差估算式:

式中υ為望遠(yuǎn)鏡放大率。經(jīng)過大量試驗驗證結(jié)果表明，以T3經(jīng)緯儀觀測，一次照準(zhǔn)的中誤差約為±0.6′′～0.8′′。 陰天由于大氣穩(wěn)定，照準(zhǔn)誤差比晴天時更小些。為提高照準(zhǔn)精度，應(yīng)十分重視照準(zhǔn)標(biāo)志的形式和圖案等。

精密工程測量時宜采用照準(zhǔn)標(biāo)牌，不應(yīng)采用桿狀標(biāo)志，以避免由于日光的照射而對觀測人員產(chǎn)生的視覺誤差。照準(zhǔn)標(biāo)牌制作中，應(yīng)考慮有足夠的顏色反應(yīng)（如采用白底黑標(biāo)志），圖案簡單且成中心對稱。

角度測量中，豎軸傾斜將使由度盤讀數(shù)位置讀得的方向與實際水平方向之間產(chǎn)生方向誤差，而且這種誤差難以有效地用觀測方法進(jìn)行消除。因此，它是角度觀測最主要的儀器誤差。特別是角度所夾的兩個方向豎直角相差顯著時，豎軸傾斜將產(chǎn)生較大量值的水平角誤差。為減弱豎軸對測角的影響，在觀測時，必須保持水準(zhǔn)管軸嚴(yán)格居中，以減小豎直傾斜值的量值。對于高精度測角，每測回之間可轉(zhuǎn)動儀器基座并重新嚴(yán)格整平儀器，轉(zhuǎn)動的角度為180°/n（n為測回數(shù)）。

當(dāng)前，全站儀已普遍得到應(yīng)用，不少儀器均具有豎軸或豎軸、橫軸、視準(zhǔn)軸等三軸自動調(diào)整功能，可以實現(xiàn)豎軸傾斜誤差不大于1.0''，從而為進(jìn)一步減弱豎軸傾斜對測角產(chǎn)生的誤差。此外，使用全站儀測角，對減弱測微器行差、讀數(shù)誤差、度盤刻劃誤差、隙動差等光學(xué)經(jīng)緯儀固有的誤差有很好的效果，是精密工程測量應(yīng)該采用的儀器。

角度測量中，前述幾種誤差可以通過多種途徑和處理技術(shù)，人為地加以控制。但是觀測條件的影響，由各種因素作用，十分復(fù)雜，不易控制。有時候這種影響在實際作業(yè)時，還難以被人們發(fā)現(xiàn)或感知。因此，在精密工程測量中，必須對此影響引起足夠的重視。

測量的環(huán)境條件，主要包括大氣的狀況、地面覆蓋物、建筑物、地形條件等，它們均對精密測量有直接影響。在角度測量時，主要體現(xiàn)在大氣折光產(chǎn)生的測角誤差中。

影響垂直角觀測誤差的是光路沿線垂直方向分布的溫度梯度，而影響水平角誤差的是光路沿水平方向分布的溫度梯度。在精密工程測量的水平角觀測中，由于視準(zhǔn)線一側(cè)緊靠太陽照曬的建筑物而穿過，或者視準(zhǔn)線所經(jīng)處一側(cè)為山體而另一側(cè)為凌空面，很容易在光線兩側(cè)形成較大的水平溫度梯度場，使光線發(fā)生彎曲，產(chǎn)生了旁折光影響。為減弱旁折光的影響，高精度測角時應(yīng)嚴(yán)格避開明顯的折光區(qū)，或者選擇良好的觀測條件。

3.2 距離測量

在精密工程測量的實際工作中，距離的測量是最大量和最經(jīng)常的工作。精密的距離測量涵蓋了較大范圍從幾個微米到十公里，測定的精度也有較高的要求。目前，用于實際工作的距離測量方法主要有三種:（a）丈量法；（b）電磁波測距法；（c）自動化距離測量法。

丈量法:最先使用的是瑞典人耶德林建議的因瓦基線尺懸空丈量法，這種方法在建立國家等級的控制網(wǎng)或特殊精度要求的獨(dú)立網(wǎng)中，發(fā)揮了積極作用。但這種精密測距法也存在很大的局限性。因為它受到了因瓦尺本身長度的影響。還有可用鋼尺懸空丈量，但精度比因瓦尺要低，原因是鋼尺的線膨脹系數(shù)比因瓦尺要高一個數(shù)量級。丈量法丈量地面距離時，應(yīng)進(jìn)行溫度、傾斜、讀書及拉力等的改正。

對在經(jīng)典的懸空丈量法基礎(chǔ)上進(jìn)行重大改進(jìn)后得到的精密量距設(shè)備。如:Distinvar測距裝置、測距傳感裝置、Distometer測距裝置。經(jīng)過實測試驗，該類儀器的精度，在小于20m測距時，測量中誤差約為0.02mm，大于20m時，誤差約為10-6相對精度。

3.3 高程測量

精密高程測量中目前主要還是水準(zhǔn)測量。高程測量的方法還有:三角高程測量、GPS水準(zhǔn)等。三角高程測量的精度:

式中K為大氣折光系數(shù)。影響大氣折光系數(shù)的因素很多，如:溫度、濕度、氣壓、大氣密度和視線穿過區(qū)域這些因素的變化情況。大氣折光系數(shù)的計算方法:

保證三角高程測量精度的方法:

①單向高差必須盤左盤右觀測，以消除豎盤指標(biāo)差的影響；

②必須對向觀測，以消除球氣差的影響。

GPS水準(zhǔn)精密高程傳遞:目前實施的水準(zhǔn)高程傳遞是在GPS控制網(wǎng)中，選擇一定數(shù)量的控制點(diǎn)，加測精密水準(zhǔn)，使這部分控制點(diǎn)既有精密GPS高程又有水準(zhǔn)高程；再以一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，求定該區(qū)域的高程異常模型并推求其他各點(diǎn)的正常高。

［1］張正祿，鄧勇，羅長林，等.論精密工程測量及其應(yīng)用[J].測繪通報，2006（5）.

［2］黃文彬.GPS 測量技術(shù)[M].北京,測繪出版社，2011，1

［3］黎曦，林長進(jìn).園林測量[M].鄭州,黃河水利出版社，2012，4.

［4］周建鄭.GNSS 定位測量[M].北京,測繪出版社，2013，3.