無(wú)棱鏡全站儀在應(yīng)用中的問(wèn)題探討

魯勇奇+馮振貴+李法鑫

摘 要：無(wú)棱鏡全站儀是采用激光束發(fā)射與反射接收原理而工作的測(cè)距儀與經(jīng)緯儀相結(jié)合的儀器，有不用架設(shè)棱鏡可直接測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)地測(cè)量過(guò)程中，使用此全站儀可以極大地減少測(cè)量作業(yè)強(qiáng)度，提高工作效率。但其使用是有條件的，本文針對(duì)無(wú)棱鏡全站儀在應(yīng)用中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了正確使用該全站儀需要注意的重點(diǎn)事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：無(wú)棱鏡全站儀；測(cè)距里程；測(cè)距精度

0 前言

無(wú)棱鏡全站儀是采用激光束發(fā)射與反射接收原理而工作的測(cè)距儀與經(jīng)緯儀相結(jié)合的儀器，，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于實(shí)現(xiàn)了“所瞄即所測(cè)”，不需要接觸被測(cè)點(diǎn) ，就可獲得被測(cè)點(diǎn)的水平角、垂直角和距離3個(gè)維度的信息。角度測(cè)量與普通全站儀相同，本文主要探討其在無(wú)棱鏡測(cè)距方面的相關(guān)問(wèn)題。無(wú)棱鏡測(cè)距在測(cè)量應(yīng)用中要有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）不用架設(shè)棱鏡等合作目標(biāo)，省去了作業(yè)員爬高上低的奔波之苦，減輕了作業(yè)強(qiáng)度；在斷崖、斷面、較寬河流、人口流動(dòng)頻繁區(qū)域、有輻射、危險(xiǎn)等區(qū)域不易或不能架設(shè)棱鏡的區(qū)域，優(yōu)勢(shì)更為明顯，能大大降低危險(xiǎn)性和作業(yè)強(qiáng)度。

（2）對(duì)被測(cè)點(diǎn)只需能被測(cè)量光束照準(zhǔn)，不需要架設(shè)平臺(tái)、粘貼介質(zhì)等與被測(cè)點(diǎn)有實(shí)體接觸的工序，能避免被測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生形變，提高測(cè)量結(jié)果的精度，對(duì)一些重要的比如文物之類的建筑起到了一定的保護(hù)作用。

雖然無(wú)棱鏡全站儀有以上優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用中仍然要受到儀器本身性能和測(cè)量環(huán)境等影響因素的制約，同等條件下，其制約程度比普通全站儀更為苛刻，只有考慮了這些影響因素，才能保證測(cè)量精度，得到合格的測(cè)量結(jié)果。

1 無(wú)棱鏡全站儀使用的影響因素

1.1 觀測(cè)距離

觀測(cè)距離是無(wú)棱鏡全站儀使用中需要考慮的首要因素，關(guān)注點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：

（1）儀器標(biāo)稱的觀測(cè)距離。無(wú)棱鏡全站儀往往有其標(biāo)稱的觀測(cè)距離，如早期的徠卡TCR系列，標(biāo)稱無(wú)棱鏡測(cè)程為80m，精度為3mm；近期的徠卡TS50系列，標(biāo)稱無(wú)棱鏡測(cè)程為1000m，精度為2mm+2ppm.在測(cè)量作業(yè)中，觀測(cè)距離往往達(dá)不到標(biāo)稱值，因?yàn)闃?biāo)稱值是有條件約束的，而實(shí)際測(cè)量的條件，特別是野外作業(yè)條件往往會(huì)差一些，因此在使用中，一定要根據(jù)具體條件留有裕度，不能滿打滿算。

（2）觀測(cè)距離與精度的關(guān)系。我們用徠卡TCRA所做實(shí)驗(yàn)，當(dāng)其它條件相同時(shí)，在無(wú)棱鏡全站儀的實(shí)際測(cè)程內(nèi)改變觀測(cè)距離進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度就是觀測(cè)值的離散程度大小，但是觀測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差反映不了觀測(cè)值的精度高低。從試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該精度隨著距離的增加而降低。

1.2 反射面粗糙程度

物體反射面粗糙程度在此主要指其表面的，分別對(duì)幾種常見(jiàn)的不同材質(zhì)的物體進(jìn)行多次觀測(cè)，

我們分別通過(guò)對(duì)紅磚墻面、水泥墻面、白紙面、不銹鋼平面進(jìn)行測(cè)試，同等條件下精度相當(dāng)。說(shuō)明當(dāng)外界條件良好的情況下，只要物體表面有足夠的反射能力并且反射的信號(hào)穩(wěn)定，材質(zhì)表面粗糙程對(duì)測(cè)距精度的影響并不大。

在實(shí)際測(cè)量作業(yè)中，對(duì)同一距離的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)存在粗糙表面測(cè)不出結(jié)果，而較光滑的表面能得到觀測(cè)值的情況。這是因?yàn)榇植诒砻媛瓷浯螅祷氐男盘?hào)弱，會(huì)使測(cè)程變短。

1.3 反射面顏色

反射面顏色是對(duì)無(wú)棱鏡測(cè)量影響較大的一個(gè)因素，選用黑色、深紅色、黃色、藍(lán)色、深綠色、白色、橙色、紫色等8種材質(zhì)相同而顏色不同的硬紙板進(jìn)行測(cè)距精度測(cè)試。我們通過(guò)有棱鏡10次測(cè)距平均值作為距離測(cè)試的基準(zhǔn)（外符合基準(zhǔn)），然后在同一位置分別對(duì)不同顏色的紙進(jìn)行10次測(cè)距取平均值。結(jié)果顯示除黑色紙板的內(nèi)、外符合精度比較低，其余顏色紙板測(cè)距測(cè)試的內(nèi)、外符合精度基本相當(dāng)。從而得出：除黑色外，反射面的顏色對(duì)測(cè)距精度的影響不大；但是顏色越淺反射面的反射信號(hào)的能力越強(qiáng)測(cè)距精度越高。

1.4 反射面透明度

無(wú)棱鏡測(cè)距的實(shí)現(xiàn)借助的是激光，而光在不同的介質(zhì)中會(huì)發(fā)生變化，對(duì)測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生影響。為了解物體透明度對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響，首先我們把將一塊不銹鋼平面放置在固定位置，進(jìn)行10次測(cè)距求出平均值作為參考基準(zhǔn)。再將5個(gè)透明度不同的物體逐次放置在不銹鋼平面前10cm處，也同樣進(jìn)行10次測(cè)距取平均值，結(jié)果顯示：不完全透明的物體所測(cè)得的距離小，這是因?yàn)榧す馐鴽](méi)有完全穿透，激光束分別從不完全透明物體和不銹鋼平面兩個(gè)反射面反射，所得距離是它們分別與儀器之間距離的一個(gè)加權(quán)平均值。

而測(cè)得玻璃穿透性好，光束在穿透玻璃時(shí)其速度也發(fā)生變化（V=2×108m/s），這就造成光束在玻璃當(dāng)中的傳播時(shí)間延長(zhǎng)，所以得到測(cè)量的距離比實(shí)際距離長(zhǎng)的現(xiàn)象。

1.5 入射角

當(dāng)激光束與目標(biāo)反射面成一定夾角時(shí)，返回的信號(hào)會(huì)有損失，我們把入射光線垂直于目標(biāo)平板定為0°保持一定距離圍著平板中心順時(shí)針轉(zhuǎn)每5°進(jìn)行一次測(cè)試。將棱鏡10次測(cè)量值的平均值作為比較測(cè)量距離的基準(zhǔn)，結(jié)果表明，無(wú)棱鏡全站儀的內(nèi)符合精度相對(duì)穩(wěn)定，而外符合精度隨著入射角度的增加而降低。當(dāng)入射角為0°時(shí)，測(cè)得精度最高。當(dāng)入射角增大時(shí)，返回的信號(hào)強(qiáng)度有損失，測(cè)量精度受到一定的影響。在入射角大于35°以后，測(cè)距精度明顯下降；當(dāng)入射角在65°左右時(shí)，反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度非常微弱，儀器的測(cè)量時(shí)間也很長(zhǎng)，測(cè)距精度很差；入射角大于75°以后，儀器就不能正常測(cè)距。由上可得，激光入射角度是影響測(cè)量結(jié)果的一種因素，所以在測(cè)量中我們一定要選定好測(cè)量的最佳位置。

1.6 邊緣點(diǎn)

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中經(jīng)常需要對(duì)一些地貌物的頂點(diǎn)或拐角進(jìn)行測(cè)量，因此無(wú)反射棱鏡測(cè)距的精度也與激光束在所測(cè)物體表面形成的光斑大小有一定的關(guān)系， 實(shí)際的測(cè)量部位距離與照準(zhǔn)點(diǎn)的距離并不一樣，如當(dāng)十字絲照準(zhǔn)外墻角時(shí)，由于光斑有大小，造成至少一半激光束落在旁邊的其他反射物體上，會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的情況，需要測(cè)量的是距離D，實(shí)際測(cè)量的是等效距離L，使測(cè)量值變大。因此，在測(cè)量中我們應(yīng)選擇好測(cè)量位置把激光束全部落在邊緣點(diǎn)所在的平面上避免激光束被分散而造成測(cè)量誤差從而精度降低。

2 總結(jié)

由上文的分析可知，要在測(cè)量應(yīng)用中正確使用無(wú)棱鏡全站儀，保障測(cè)量精度，提高測(cè)量效率，需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

（1）要根據(jù)具體的測(cè)量條件和精度需求來(lái)決定是否使用無(wú)棱鏡全站儀，儀器標(biāo)稱值只能當(dāng)做參考，不可作為最終判定依據(jù)。

（2）反射物體表面光滑程度對(duì)無(wú)棱鏡測(cè)量精度的影響不明顯，但是反射面粗糙會(huì)產(chǎn)生漫反射，信號(hào)會(huì)減弱會(huì)使測(cè)程變短。 最佳的類似于刷過(guò)的水泥面 （粗糙度1～2mm）。

（3）反射物體的表面顏色的深淺也是影響無(wú)棱鏡測(cè)距的因素，顏色越淺測(cè)量精度越高。測(cè)量目標(biāo)表面的理想狀態(tài)是顏色為白色。

（4）在測(cè)量中遇到透明物體時(shí)，是不能得到真實(shí)有效的距離值，其測(cè)量誤差的大小隨著被測(cè)物體的透明程度和背后物體的距離大小而變化的。在測(cè)量過(guò)程中，要繞過(guò)透明之類的物體如玻璃。

（5）入射角度的大小會(huì)直接影響測(cè)量的結(jié)果，在測(cè)量過(guò)程中使入射光線垂直目標(biāo)面有困難時(shí)，應(yīng)盡量保證激光入射角不大于35°。當(dāng)入射光線與目標(biāo)面呈直角時(shí)觀測(cè)精度最高。

（6）在測(cè)邊緣點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該選擇好的入射角度要讓激光束全部在邊緣點(diǎn)所在的平面上，進(jìn)而避免因物體產(chǎn)生反射而降低了測(cè)量的精度。

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