一種地下導(dǎo)線測量的改進(jìn)方法

湯伏全，李　陽

(西安科技大學(xué)測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

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一種地下導(dǎo)線測量的改進(jìn)方法

湯伏全，李陽

(西安科技大學(xué)測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

An Improved Method of Underground Traverse Survey

TANG Fuquan,LI Yang

摘要：地下導(dǎo)線測量中全站儀一般采用點(diǎn)下對中的方式，其精度和效率容易受到影響。本文提出了一種改進(jìn)方法，在測量時(shí)儀器不用精確對中測量標(biāo)志，通過記錄測點(diǎn)標(biāo)志(垂球)在偏心測量盤上的讀數(shù)，利用專門軟件對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行歸化改正，以獲得精確的導(dǎo)線測量結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果及誤差分析表明，該方法測量精度高、操作簡便，提高了地下導(dǎo)線測量的效率。

關(guān)鍵詞：全站儀；井下導(dǎo)線測量；偏心測量盤

在地下工程平面測量中，目前主要采用全站儀導(dǎo)線測量[1-3]。地下導(dǎo)線測量點(diǎn)一般都在隧道(巷道)頂板位置，采取掛垂球點(diǎn)下對中的方式進(jìn)行儀器對中整平，由于隧道內(nèi)測量環(huán)境較復(fù)雜，對中過程往往耗費(fèi)不少時(shí)間，對中精度也無法保證，導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)線測量的效率不高[4]。因此，提高導(dǎo)線測量效率的關(guān)鍵點(diǎn)就是提高儀器對中整平的效率，之前已經(jīng)有通過三架法[5-6]、自制激光上對點(diǎn)器[7]、激光垂球[8]等辦法來減少地下導(dǎo)線對中時(shí)間,但都需要將全站儀對中測量標(biāo)志才能開始進(jìn)行測量工作。針對這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，筆者制作了這套地下導(dǎo)線測量系統(tǒng)。本文中說明了這種測量裝置的制作和其原理及使用方法，具體是通過在全站儀手柄上附加一個(gè)偏心測量盤，使得在進(jìn)行地下導(dǎo)線測量時(shí)不需要對測量標(biāo)志精確對中就可以進(jìn)行測量，以此來快速準(zhǔn)確地對地下導(dǎo)線進(jìn)行測量，從而提高地下導(dǎo)線測量的效率和精度。

一、偏心測量裝置的制作

偏心測量盤采用不易變形的合金工具鋼加工制作，如圖1—圖3所示。偏心測量盤裝置的主要部件是一塊標(biāo)有刻度的圓形刻度盤，刻度盤半徑為57 mm，厚度為2 mm，刻度盤上的刻度標(biāo)注如圖1所示，度盤刻畫面向上，中心位置為空心的中心旋鈕，通過中心旋鈕固定角度指標(biāo)尺于刻度盤上。角度指標(biāo)尺長70 mm，厚度為0.5 mm，可以繞中心旋鈕在度盤表面360°旋轉(zhuǎn)，指標(biāo)尺的轉(zhuǎn)軸中心與圓形刻度盤的中心是重合的。指標(biāo)尺的另一端伸出圓盤外沿，便于使用者用手指撥動指標(biāo)尺轉(zhuǎn)動指標(biāo)尺的外端鏤空處，用于讀出所指角度的讀數(shù)。度盤底面是用于將裝置固定于全站儀手柄的方形固定栓，如圖2所示，方形固定栓尺寸為10 mm×5 mm×10 mm，固定栓距離中心旋鈕中心20 mm，兩個(gè)方形栓對稱與中心旋鈕排布，連線垂直于刻度盤的0°方向。

圖1　偏心測量盤正面

圖2　偏心測量盤底面

圖3　偏心測量盤側(cè)面

二、偏心測量裝置使用方法

1. 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備

偏心測量盤安裝方法如下：將兩個(gè)固定栓分別插裝到兩個(gè)連接孔中，使偏心測量盤安裝在全站儀的手柄上，并調(diào)整兩個(gè)固定栓在圓形刻度盤上的位置，使圓形刻度盤的幾何中心位于全站儀的中心軸線上，并且角度刻度的零刻度對準(zhǔn)全站儀上望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸，如圖4所示。

圖4　偏心測量盤安裝在全站儀

2. 數(shù)據(jù)采集

1) 在前視測站點(diǎn)位、后視測站點(diǎn)位和中間測站點(diǎn)位上均用魚線懸掛垂球，并使垂球自然下垂。

2) 在前視測站點(diǎn)位上架設(shè)前視棱鏡，在后視測站點(diǎn)位上架設(shè)后視棱鏡，在中間測站點(diǎn)位上架設(shè)全站儀。

3) 將全站儀在中間測站點(diǎn)位的下方進(jìn)行粗對中和精平，使垂球不超出偏心測量盤的圓形刻度盤范圍。

4) 使用全站儀進(jìn)行地下導(dǎo)線測量，得到導(dǎo)線實(shí)測夾角β、導(dǎo)線實(shí)測后視邊長L1和實(shí)測前視邊長L2。

5) 將全站儀對準(zhǔn)后視棱鏡后制動，待懸掛在中間測站點(diǎn)位上的垂球穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)動偏心測量盤的角度指標(biāo)尺，使角度指標(biāo)尺上的角度指示線與垂球的中心線重合，讀出角度指標(biāo)尺上的角度指示線所指示的角度值λ和垂球底部頂點(diǎn)距離圓形刻度盤圓心的距離e。

3. 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

原理分析如圖5所示，O1點(diǎn)為理論上測站點(diǎn)，O點(diǎn)為實(shí)際測站點(diǎn)。OO1之間的距離為偏心距，記為e，AO與OO1之間的夾角可以通過刻度盤讀出，記為λ。記實(shí)際測得的距離AO為L1，BO為L2；理論上的距離AO1為S1，BO1為S2。記∠AOB為β，∠AO1B為α。

圖5　偏心測量原理

根據(jù)圖中的幾何關(guān)系分析，S1與S2可以由余弦定理得出

(1)

(2)

角度a和c可由正弦定理推算出

(3)

(4)

由圖中角度的關(guān)系可知，所需要得出的理論上的測角α=β+a+c。

利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃改正，軟件界面截圖如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)規(guī)劃軟件界面截圖

最后，將其計(jì)算得到的導(dǎo)線后視邊長S1、導(dǎo)線前視邊長S2和導(dǎo)線夾角α存儲到文本文件中。

三、精度分析

本測量裝置的原理是對偏心測量所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，不存在對中誤差，因此誤差主要影響因素為在偏心測量盤上的讀數(shù)誤差。

導(dǎo)線邊長S1和S2的誤差方程分別如下

(5)

(6)

由于e很小，可忽略，因此L1≈S1,L2≈S2，故[9]

(7)

(8)

由α=β+a+c可得如下誤差方程式

(9)

(10)

通過實(shí)例對上述一系列公式進(jìn)行驗(yàn)算，所測得到λ=38°30′，e=0.025 m，β=122°30′45″，L1=121.522 m，L2=102.057 m；計(jì)算得到S1=121.502 m，S2=102.054 m，α=122°32′1″。

根據(jù)偏心測量盤上的刻度，測量人員在讀數(shù)正確的情況下長度誤差優(yōu)于1 mm，角度誤差優(yōu)于1°。表1列出了當(dāng)偏心盤上e讀數(shù)誤差為1 mm、λ讀數(shù)誤差為1°時(shí)，經(jīng)過規(guī)劃改正后得到的數(shù)據(jù)。

表1　誤差分析列表

通過對比表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)偏心盤上e讀數(shù)誤差為1 mm、λ讀數(shù)誤差為1°之內(nèi)時(shí)，規(guī)劃改正后得到的數(shù)據(jù)在長度上相差不超過1 mm，角度上不超過1″。

本文實(shí)例中，采用本文方法所述的地下導(dǎo)線測量方法進(jìn)行地下導(dǎo)線測量，耗時(shí)共5 min。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的技術(shù)效果，在同樣的測量環(huán)境下，對全站儀進(jìn)行了精確對中和精確整平，測量得到導(dǎo)線后視邊長S1=121.501 m，前視邊長S2=102.053 m，導(dǎo)線夾角α=122°32′2″，耗時(shí)共15 min。對比測量結(jié)果可見，使用本文方法耗時(shí)短，測量結(jié)果能夠滿足精度要求[10]，大大提高了工作效率。

四、結(jié)束語

通過對比采用本文方法測量所得到的數(shù)據(jù)和采用常規(guī)方法測得的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該測量方法的可行性。同時(shí)，本套測量裝置的適用性廣，偏心測量盤的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)新穎合理，實(shí)現(xiàn)方便且成本低，在全站儀上的安裝、使用非常方便。通過具體誤差公式的推算及實(shí)例證明了其精度滿足井下導(dǎo)線測量的要求，并且數(shù)據(jù)自動化程度高，數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠直觀顯示并保存，將來可以進(jìn)一步在配有偏心測量盤的全站儀上機(jī)載測量規(guī)劃軟件[11]，提高本系統(tǒng)的靈活性和便攜性。本文方法大大提高了井下導(dǎo)線測量的效率，在地下工程測量中有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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中圖分類號：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0077-03

作者簡介：湯伏全(1966—)，男，博士，教授，主要從事礦山測繪方面的教學(xué)和研究。E-mail：fuquantang@163.com

基金項(xiàng)目：科技部第六批中國—南非聯(lián)合研究計(jì)劃(2012DFG71060)；國家自然科學(xué)基金(41272388)

收稿日期：2015-03-09

引文格式： 湯伏全，李陽. 一種地下導(dǎo)線測量的改進(jìn)方法[J].測繪通報(bào)，2016(3)：77-79.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0091.