免棱鏡全站儀在地形測量中的精度分析

■楊曉峰 ■湖北省荊州市測繪院，湖北 荊州 434000

當(dāng)前地形測量中，一般野外測量通常采用有棱鏡全站儀或GPSRIK聯(lián)合全站儀的方式進(jìn)行，這些測量手段可以保障測量人員迅速完成區(qū)域內(nèi)的地形測量任務(wù)。但是，在地形測量中，不少危險地區(qū)是測量人員無法到達(dá)的，例如:深谷、懸崖、沼澤等地區(qū)，但是為了確保地形測量的精確，這些地區(qū)在地形圖上要有明顯的標(biāo)記。隨著科技的發(fā)展，常規(guī)測量方法無法完成的測量任務(wù)，免棱鏡全站儀可以順利完成。利用免棱鏡全站儀，測量人員在測量時無需將棱鏡立在測量點(diǎn)位。這不但方便了測量人員的測量工作，而且不少實(shí)踐證明，免棱鏡全站儀在測量精度上面完全可以滿足地形測量的要求。所以，免棱鏡全站儀在地形測量中有著廣闊的應(yīng)用空間［1］。

1 免棱鏡全站儀簡介

1.1 免棱鏡全站儀

免棱鏡全站儀的測量原理是將激光束打到測定目標(biāo)身上，而后接受目標(biāo)的慢反射回的激光信號，而后通過對打回激光信號的分析，準(zhǔn)確的確定目標(biāo)的三維坐標(biāo)，通常免棱鏡全站儀的測量距離為150米左右。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前免棱鏡全站儀的測量距離已經(jīng)達(dá)到了1 200多米，并且免棱鏡全站儀本身具有全站儀的全部功能，測程比一般的全站儀更長。由于無需反射棱鏡，因此它在人員不易達(dá)到地區(qū)，以及常規(guī)的地形測量、地籍測量、工程測量、房產(chǎn)測量、施工測量等領(lǐng)域所發(fā)揮的作用越來越大，在不久的將來也許會全面取代目前的常規(guī)全站儀。

1.2 免棱鏡全站儀地形測量中的技術(shù)優(yōu)勢

(1)微信號不失真放大技術(shù)，當(dāng)不使用反射棱鏡時，返回的信號除了信號強(qiáng)度極其微弱外(傳統(tǒng)的紅外全站儀的回光信號強(qiáng)度為10 mV左右，而不用棱鏡通過物體漫反射回來的信號僅為0.1 mV)信號的信噪比也非常小(由于各種物體都會產(chǎn)生回波、雜散波非常多)。因此微信號不失真放大技術(shù)和信號處理技術(shù)使得免棱鏡全站儀在地形測量中有著明顯的優(yōu)勢。

(2)大動態(tài)范圍信號處理技術(shù)，傳統(tǒng)的紅外全站儀用的是反射棱鏡，其回光信號變化從10 mV變到100 mV，變化范圍也就是10倍，而激光全站儀的回光信號要么是物體漫反射的回光信號(強(qiáng)度0.1 mV左右)，要么是用棱鏡反射的很強(qiáng)的激光信號(強(qiáng)度1 V左右)，相差1萬倍，要想不失真地把回光信號放大，是免棱鏡全站儀解決的地形測量中的另一個技術(shù)問題。

(3)高頻信號處理技術(shù)，傳統(tǒng)的紅外全站儀，調(diào)制在砷化鎵紅外發(fā)光管的信號大都是15MHz，而激光全站儀就需要用60 MHz 100 MHz才行，測量精度高了，周期誤差小了，相位均勻性好了，但接收板的要求高了，需要處理的信號頻率比原來高4～8倍，這也是免棱鏡全站儀解決的一個技術(shù)問題［2］。

2 免棱鏡全站儀測量精度分析

在實(shí)際測圖過程中，作為比較，在部分人能到達(dá)的測量點(diǎn)，分別采用有棱鏡全站儀和免棱鏡全站儀兩種方式進(jìn)行測量，測量點(diǎn)數(shù)有數(shù)千個之多。為了做精度分析在這數(shù)千點(diǎn)中隨機(jī)的抽取出18組用于統(tǒng)計(jì)比較，這樣具有統(tǒng)計(jì)意義，最后的結(jié)果具有很高的可信度。兩種方式測量結(jié)果的精度比較在18組數(shù)據(jù)中免棱鏡全站儀與有棱鏡全站儀測量的點(diǎn)位精度其平面點(diǎn)位差在9mm到29mm，高程差在5mm到25mm。。算得Ms=19mm，平面精度小于規(guī)范50mm的要求。由以上的數(shù)據(jù)分析可得，免棱鏡全站儀測量的精度是可以滿足大比例尺地形圖測圖精度要求的，在實(shí)際測圖中可以采用免棱鏡全站儀進(jìn)行地形測量。

2.1 無凌鏡測距的精度分析

免凌鏡測距都以±(Amm+Bppm.D)或者±(A+B×D×10－6)的形式表示儀器的綜合精度，A為固定誤差，B為比例誤差。應(yīng)注意的是，這里的A、B都是隨機(jī)誤差，和前邊所討論的加、乘常數(shù)系統(tǒng)誤差不是一個概念。它們的聯(lián)系僅在于，標(biāo)稱精度是對測量成果在進(jìn)行了正確的加、乘常數(shù)誤差改正之后的殘差的隨機(jī)分布特征的描述。

我們可以看出，標(biāo)稱精度反映了儀器外部符合的不確定度，它是剔除了主要系統(tǒng)誤差后的結(jié)果，有時人們也把它稱為綜合精度。但是，這里需特別指出的是，切不可把這個“綜合精度”片面相反理解為涵蓋了所有系統(tǒng)誤差。后面章節(jié)介紹測角誤差時也有類似情況，全站儀都以隨機(jī)誤差性能作為標(biāo)稱精度反映儀器的性能，我們無法從標(biāo)稱精度中看出儀器的系統(tǒng)誤差，但決不意味著儀器沒有系統(tǒng)誤差.而從生產(chǎn)的角度看，關(guān)注系統(tǒng)誤差的意義往往比關(guān)注隨機(jī)誤差的意義更大。因?yàn)閿?shù)量上系統(tǒng)誤差多半比隨楓誤差對成果的影響更大，而且系統(tǒng)誤差性質(zhì)上的積累效應(yīng)以及多次重復(fù)測量的不可消減性也決定了它對測量成果的影響比隨機(jī)誤差的影響可能更大。

2.2 免棱鏡全站儀提高精度的方法

根據(jù)免棱鏡全站儀固有系統(tǒng)誤差具有系統(tǒng)誤差是斗個非隨機(jī)變量。即系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)不服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律而服從確定的規(guī)律;重復(fù)測量時誤差的重現(xiàn)性;可修正性，負(fù)于系統(tǒng)誤差的重現(xiàn)性確定了它具有可修正的特點(diǎn)。為了應(yīng)對這些誤差，可以采用以下措施來提高測量精度:

(1)正確的設(shè)計(jì)思想和精密的制造工藝技術(shù)。

(2)在儀器設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)引入正確的修正值通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，來減小系統(tǒng)誤差——電子補(bǔ)償。

(3)施測前進(jìn)行準(zhǔn)確的儀器校正。

(4)施測中通過改進(jìn)測量方法，有效利用某些誤差的抵償特性。

(5)在后續(xù)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)誤差的規(guī)律將其作為未知量參與乎差。

2.3 免棱鏡全站儀在地形測量中的精度控制

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要建設(shè)的大型交通公路工程結(jié)構(gòu)物越來越多。特別在一些地形復(fù)雜(如城市建筑群、不良地質(zhì)構(gòu)造區(qū)等)的位置，由于缺少大比例的地形圖，往往給合理定位帶來很多麻煩。而利用SETl010全站儀及PC－E500計(jì)算機(jī)，就可以快捷方便的完成這種大比例尺地形圖的外業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

首先，依照測量精度要求，建立相應(yīng)等級的導(dǎo)線控制網(wǎng)。布設(shè)導(dǎo)線時建立足夠數(shù)量的圖根點(diǎn)，由SETl010全站儀直接測得三維坐標(biāo)。利用PC－E500計(jì)算機(jī)上的“導(dǎo)線測量內(nèi)外業(yè)一體化”程序記錄測量結(jié)果;PC－E500會自動提示定義文件名形成獨(dú)立文件，之后進(jìn)行導(dǎo)線網(wǎng)的嚴(yán)密平差，且程序?qū)?dǎo)線網(wǎng)形狀不限(自由網(wǎng)除外)。平差后，輸出各點(diǎn)的坐標(biāo)及點(diǎn)位中誤差、測角中誤差、各邊的邊長及方位角。如果是符合導(dǎo)線，還可輸出方位角閉合差、橫坐標(biāo)閉合差、縱坐標(biāo)閉合差、導(dǎo)線全長、全長閉合差和全長相對閉合差。根據(jù)導(dǎo)線點(diǎn)提供的三維坐標(biāo)，利用PC－－E500上的程序可快捷有效的進(jìn)行碎部采集，其觀測記全部為漢字提示輸入，現(xiàn)場提示各種限差判別，提示超限、重測、補(bǔ)測等信息。對原始觀測值可顯示、存儲、打印。此外該程序與平差程序相連，能實(shí)現(xiàn)平面、三角高程平差計(jì)算。真正實(shí)現(xiàn)由外業(yè)觀測記錄到平差計(jì)算一體化，人工干預(yù)甚少。

外業(yè)測量結(jié)束后，通過編制的“數(shù)據(jù)通訊程序”將PC－E500計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)傳人計(jì)算機(jī)，再通過“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序”將其轉(zhuǎn)換為平面地形圖軟件所需格式。這樣即可方便快速由平面地形圖軟件繪出精確度較高的大比例(比例可根據(jù)需要設(shè)定)地形圖。從而為大型結(jié)構(gòu)物的合理定位提供了有力保障。

2.4 在路線導(dǎo)線測量中的精度控制

利用SETl010型全站儀進(jìn)行導(dǎo)線測量，既可進(jìn)行常規(guī)偏角、距離測量，又可直接利用其坐標(biāo)測量功能測出每一導(dǎo)線點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在導(dǎo)線測量過程中，對每一導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行排序編號，全站儀根據(jù)編號順序依次存儲每一點(diǎn)坐標(biāo)。導(dǎo)線測量進(jìn)行一階段后，將全站儀所測的數(shù)據(jù)傳輸至PC－E500計(jì)算機(jī)中，利用其中的導(dǎo)線數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行平差處理后自動計(jì)算出每一彎道的偏角值、導(dǎo)線點(diǎn)間距、交點(diǎn)間距等數(shù)據(jù)。通過全站儀和PC－E500計(jì)算機(jī)的綜合運(yùn)用，使導(dǎo)線測量基本上擺脫了人工記錄與數(shù)據(jù)計(jì)算，避免了復(fù)雜地形中導(dǎo)線計(jì)算難度大、錯誤率較高等現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)束語

監(jiān)測人員在一些人員無法到達(dá)的地區(qū)，采用免棱鏡全站儀進(jìn)行測量，不但能夠有效保障監(jiān)測人員的安全，而且還能保障作業(yè)的精度和工作效率。免棱鏡全站儀測量也有一定的局限性，測量時注意，測量的物體不能有東西遮擋，要有很好的反光性?？傊?，免棱鏡全站儀在地形測量中不但高效、安全，而且還能夠有效的保障測圖的精度［3］。

［1］馬維康.李建杰.劉久偉.免棱鏡全站儀在地形測量中的精度分析［J］.勘察科學(xué)技術(shù).2013(06).

［2］夏立福.李井春.胡友健等.免棱鏡全站儀測距性能的測試及精度分析［J］.地理空間信息.2008(02).

［3］彭玉兵.GPS—RTK與免棱鏡全站儀在地形測量中的應(yīng)用［J］.山西建筑.2009(5).