關(guān)于拓普康MS05智能型全站儀用于變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)測(cè)精度探討

摘 要：本文通過(guò)模擬拓普康MS05智能型全站儀在監(jiān)測(cè)工程中實(shí)際觀測(cè)精度和可靠性的試驗(yàn)，成功獲取了該儀器在復(fù)雜惡劣的外界觀測(cè)條件下“獨(dú)立于”儀器標(biāo)稱精度之外的實(shí)際觀測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：智能型全站儀;變形監(jiān)測(cè)精度;可靠性

0 引言

在變形監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展日益精進(jìn)的今天，隨著各種儀器制造技術(shù)的日臻完善，現(xiàn)在許多儀器的標(biāo)稱精度都很高，但是在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，各種儀器的實(shí)際觀測(cè)精度和可靠性受外界觀測(cè)環(huán)境影響而無(wú)法達(dá)到預(yù)想的精度。因此如何去挑選一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、又能滿足觀測(cè)精度要求的儀器，是困擾生產(chǎn)管理者們的一大難題。本文通過(guò)實(shí)景模擬試驗(yàn)，對(duì)拓普康推出的MS05型智能全站儀的實(shí)測(cè)精度進(jìn)行了探討。

1 探討試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為了能夠貼近工程應(yīng)用實(shí)際，本試驗(yàn)選取比鄰市政道路的廣場(chǎng)作為試驗(yàn)場(chǎng)地。采用極坐標(biāo)的方法測(cè)定空間兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)，反算其空間距離與真值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)論。試驗(yàn)分四個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別為距離測(cè)站10米、30米、50米、100米位置，以對(duì)儀器在不同觀測(cè)距離時(shí)的實(shí)際觀測(cè)精度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1.2 基本原理

1.2.1 智能全站儀工作原理。智能型全站儀是一種能自動(dòng)識(shí)辨、照準(zhǔn)和跟蹤目標(biāo)的一種全站儀，稱測(cè)量機(jī)器人[1]。原理是：儀器向目標(biāo)發(fā)射激光束，經(jīng)反射棱鏡返回，并被儀器中的CCD相機(jī)接收，從而計(jì)算出反射光點(diǎn)中心位置，得到改正數(shù)，最后啟動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)全站儀轉(zhuǎn)向棱鏡，自動(dòng)精確找準(zhǔn)目標(biāo)。

1.2.2 極坐標(biāo)法原理。極坐標(biāo)法的觀測(cè)原理如下圖1。

以全站儀的設(shè)站點(diǎn)0點(diǎn)為原點(diǎn)，測(cè)站的鉛垂線為Z軸，以定向方向?yàn)閄軸，建立左手直角坐標(biāo)系o-xyz。設(shè)全站儀測(cè)量P點(diǎn)的觀測(cè)值分別為：水平角α，垂直角β，斜距S，則P點(diǎn)的測(cè)站坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

x=Scosβcosα ? y=Scosβsinα?z=Ssinβ

式中表示測(cè)量點(diǎn)在測(cè)站獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)計(jì)算公式，當(dāng)利用全站儀聯(lián)測(cè)兩個(gè)以上已知點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法便可以得到測(cè)站獨(dú)立坐標(biāo)系與已知點(diǎn)所在坐標(biāo)系的關(guān)系[2]。

空間距離的計(jì)算公式為：SAB=

SAB即為空間點(diǎn)A到點(diǎn)B的距離。

1.2.3 空間距離“真值”獲取。本試驗(yàn)獲取空間真值的方法是利用微動(dòng)平臺(tái)精密獲得空間距離的“真值”。雖然微動(dòng)平臺(tái)獲得的距離并不是真值，但是由于微動(dòng)平臺(tái)的精度非常高，能達(dá)到0.01mm級(jí)，故將此當(dāng)做真值。

1.3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理 采用儀器自動(dòng)觀測(cè)的方式進(jìn)行野外觀測(cè)，獲取原始的角度距離觀測(cè)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集完畢后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，采用極坐標(biāo)法計(jì)算出各點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，反算出各段空間距離的測(cè)量值。

2 探討試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 試驗(yàn)共選取了四個(gè)區(qū)域進(jìn)行，分別為距離測(cè)站10米、30米、50米、100米左右的位置。通過(guò)上述方式，最終獲取了所有觀測(cè)值的真誤差，并對(duì)真誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分別求出了觀測(cè)值中誤差，如下表1。

表1 ?觀測(cè)值真誤差統(tǒng)計(jì)表

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 ①由“觀測(cè)值真誤差統(tǒng)計(jì)表”可以看出，所有觀測(cè)值真誤差最大為1.44mm、最小值為-0.01mm，平均值為0.46mm，中誤差為0.38mm。數(shù)據(jù)表明該儀器100米觀測(cè)范圍內(nèi)，可以達(dá)到1mm以內(nèi)的實(shí)際觀測(cè)精度。觀測(cè)值中誤差較小（<0.5mm），說(shuō)明儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性好、可靠性高。因此可以判定，該儀器可滿足絕大部分變形監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目的精度要求，且穩(wěn)定性、可靠性較高。②四個(gè)數(shù)據(jù)采集區(qū)域內(nèi)的觀測(cè)真誤差平均值由近及遠(yuǎn)分別為0.18mm、0.40mm、0.38mm、0.88mm，其中誤差分別為0.26mm、0.19mm、0.38mm、0.28mm。這組數(shù)據(jù)表明，該儀器的實(shí)際觀測(cè)誤差隨著觀測(cè)距離的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。因此說(shuō)明該儀器在變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的應(yīng)用，具有一定的有效觀測(cè)距離。③統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，觀測(cè)值真誤差絕大部分為正值，僅包含個(gè)別負(fù)值情況，說(shuō)明該試驗(yàn)方法所獲取的觀測(cè)結(jié)果存在一個(gè)系統(tǒng)誤差，該系統(tǒng)誤差可能是由儀器的的某個(gè)固定誤差或系統(tǒng)誤差造成。

3 試驗(yàn)結(jié)論

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以得出的結(jié)論是：拓普康MS05型智能全站儀在工程實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，在有效的觀測(cè)范圍內(nèi)，能夠達(dá)到很高的觀測(cè)精度而且能夠獲得穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此在變形監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目中，該儀器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

4 展望與不足

受到試驗(yàn)場(chǎng)地的限制，僅對(duì)該儀器短距離的實(shí)際觀測(cè)精度和可靠性進(jìn)行了探討試驗(yàn)，獲得了科學(xué)的數(shù)據(jù)資料，取得了試驗(yàn)成功。但是目前的工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目大多規(guī)模體量較大，要想完整的獲取該儀器在不同場(chǎng)合下、不同觀測(cè)距離中的實(shí)際觀測(cè)精度和可靠性，還需要日后在實(shí)際工程實(shí)踐中進(jìn)行探索與研究。

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作者簡(jiǎn)介：顏亮，1987年生，男，漢族，湖北秭歸人，本科，主要從事工程測(cè)量方面工作。