全站儀在高程控制測量中的精度分析

謝春濤 / 中國葛洲壩集團(tuán)勘測設(shè)計(jì)有限公司

全站儀在高程控制測量中的精度分析

謝春濤 / 中國葛洲壩集團(tuán)勘測設(shè)計(jì)有限公司

水準(zhǔn)測量的操作相對簡單，數(shù)據(jù)量也比較小，很容易計(jì)算和處理，并且精確度非常高。但是，因?yàn)榇嬖谝欢ǖ奈恢貌町?，在特殊地理位置，采用全站儀進(jìn)行高程測量，能夠更進(jìn)一步提高精度和測量效率。據(jù)此，本文主要對全站儀在高程控制測量中的精度進(jìn)行了詳細(xì)分析。

全站儀；高程控制測量；精度

一、全站儀高程測量概述

（一）全站儀含義

全站儀，即全站型電子測距儀，是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。和光學(xué)經(jīng)緯儀相比較分析，電子經(jīng)緯儀把光學(xué)度盤換成光電掃描度盤，把人工光學(xué)測微讀數(shù)代之，以此自動記錄，并顯示讀數(shù)，促使測角操作更加簡單化，從而進(jìn)一步防止產(chǎn)生讀數(shù)誤差。由于一次性就可以安置儀器，便能夠完成測站上的全部測量工作，因此稱為全站儀。其主要應(yīng)用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域。而且，全站儀和光學(xué)經(jīng)緯儀的主要區(qū)別就是度盤讀數(shù)和顯示系統(tǒng)，光學(xué)經(jīng)緯儀的水平度盤和豎直度盤，及讀數(shù)裝置，分別采用兩個(gè)相同光柵度盤和讀數(shù)傳感器進(jìn)行角度測量。切實(shí)根據(jù)測角精度可以劃分為0.5″，1″，2″，3″，5″，7″等幾個(gè)等級。

（二）全站儀高程測量原理

把全站儀當(dāng)作水準(zhǔn)儀來使用，使棱鏡高相同，達(dá)到抵消儀器高和棱鏡高的目的，從而不必量取棱鏡高和儀器高，這樣既能在地形復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行快速的高程傳遞，又能確保足夠的高程測量精度。如果在較短的距離內(nèi)不考慮兩差對高差測量的影響，那么觀測計(jì)算得到的A，B兩點(diǎn)高差只受垂直角測量和距離測量精度的影響。如果兩點(diǎn)間高差較大或距離較遠(yuǎn)，僅安置一次儀器不能測出其高差時(shí)，就可以在兩點(diǎn)間安置多次儀器，加設(shè)多個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，然后再分段設(shè)站觀測。具體如圖1所示。

圖1 全站儀測量高程原理圖

SCA為后視斜距，SCB為前視斜距，DCA為后視平距，DCB為前視平距，iA為后視點(diǎn)棱鏡的高度，iB為前視點(diǎn)棱鏡的高度，VC為全站儀的高度，hAC為后點(diǎn)A至測站點(diǎn)C的高差，hCB為測站點(diǎn)C至前點(diǎn)B的高差，h1為后視棱鏡中心至全站儀橫軸的高差，h2為全站儀橫軸至前視棱鏡中心的高差，hAB為后視點(diǎn)A至前視點(diǎn)B的地面高差，A1為全站儀觀測后視棱鏡中心點(diǎn)的豎直角，A2為全站儀對前視棱鏡中心點(diǎn)的豎直角。

（三）全站儀高程測量方法

如果可以把全站儀像水準(zhǔn)儀一樣隨意安置點(diǎn)，而不是置在已知的高程點(diǎn)上，同時(shí)又在不量取儀器高和棱鏡高的前提下，合理利用三角高程測量原理，進(jìn)行待測點(diǎn)高程測量，施測的速度會進(jìn)一步提高。如果A點(diǎn)高程已知，而B點(diǎn)高程未知，通過全站儀測定其他待測點(diǎn)的高程。

首先由式（1）可得式（2），

除了Dtanα即V的值可以用儀器直接測出外，i、t都是未知。但是，可以確定即儀器一旦設(shè)置好，i值也將隨之不變，同時(shí)選取跟蹤桿作為反射棱鏡，架設(shè)t值也固定不變。

從式（2）可得式（3），

由式（3）可知，基于假設(shè)，HB+i-t在任一測站上是固定不變的，還可以計(jì)算出值W。

此方法的操作流程為：首先，儀器任意置點(diǎn)，但是所選點(diǎn)位要求能和已知高程點(diǎn)通視。其次，使用儀器照準(zhǔn)已知高程點(diǎn)，測出V值，并算出W值。此時(shí)與儀器高程測定有關(guān)的常數(shù)如測站點(diǎn)高程，儀器高，棱鏡高均為任一值，施測前不必設(shè)定。再次，將儀器測站點(diǎn)高程重新設(shè)定為W，儀器高和棱鏡高設(shè)為0即可。最后，照準(zhǔn)待測點(diǎn)測出其高程。

二、全站儀在高程控制測量中應(yīng)用的必要性

在施工測量中，常常涉及到高程測量，傳統(tǒng)的測量方法是水準(zhǔn)測量與三角高程測量。兩種測量方法各具特色，但都存在不足。水準(zhǔn)測量是一種直接性的測高法，其測定高差的精確度比較高，但是，受地形起伏限制，外業(yè)工作量比較大，施測的速度比較慢。而三角高程測量是一種間接的測高法，其不會受地形起伏限制，施測的速度比較快，在大比例地形圖測繪、線性工程和管網(wǎng)工程等測量中備受青睞。但傳統(tǒng)的三角高程測量也有其不足之處，即在每一站都需要量取儀器高和讀取棱鏡高，不僅麻煩，還直接增加了誤差來源，降低了高差測定的精度。隨著全站儀的廣泛使用，使用棱鏡跟蹤桿配合全站儀測量高程的方法越來越受到廣大測量人員青睞，全站儀三角高程測量法既結(jié)合了水準(zhǔn)測量的任一置站的特點(diǎn)，又減少了傳統(tǒng)三角高程的誤差來源，同時(shí)每次測量時(shí)還不必量取儀器高、棱鏡高。使三角高程測量精度進(jìn)一步提高，施測速度更快。

三、全站儀在高程控制測量中的精度分析

（一）精度分析方法

選取測角精度為2″的全站儀，進(jìn)行高程測量精度分析。測距精度為ms=（2+210-6D）mm，ms=4mm。按照全站儀1km的測距進(jìn)行計(jì)算，大氣的折光系數(shù)為mk=0.04mm，儀器高和棱鏡高的量取誤差為3mm。

采用中點(diǎn)法測量高差主要與測量斜距S、豎直角A、棱鏡高v，及大氣折光系數(shù)K相關(guān)，這就直接避免了儀器對高程量取精度的影響。A、B兩點(diǎn)采用同一對中桿，并且不變換高度，當(dāng)V1=V2時(shí)：

（二）精度的影響因素

受地形不同與已知高程點(diǎn)距離的影響；受大氣折光、大風(fēng)等外界環(huán)境的影響；受儀器自身影響；受測量人員和其它原因的影響。

（三）精度提高途徑

1.根據(jù)高程測量的路線和地形變化，選擇最佳測量位置，在待測工程點(diǎn)距離已知高程點(diǎn)比較遠(yuǎn)的時(shí)候，可以劃分高程測量路線。

2.選擇天氣晴朗，風(fēng)力比較小，濕度和溫度適宜的氣候狀態(tài)進(jìn)行測量。

3.在測量前，必須詳細(xì)檢查儀器的部件，一旦發(fā)現(xiàn)有損壞，及時(shí)修復(fù)，根據(jù)測量需要，合理設(shè)置儀器參數(shù)，確保儀器具備充足的電量。

4.一定要保證測量是全站儀與棱鏡的對中整平要求，計(jì)算時(shí)一定要保留到毫米位。

四、全站儀高程控制測量的注意事項(xiàng)

1.使用全站儀三角高程測量法替代水準(zhǔn)測量，方式方法比較簡單，測量速度相對較快，為后續(xù)快速、準(zhǔn)確構(gòu)建高程控制網(wǎng)提供了新途徑。

2.采用全站儀中點(diǎn)法進(jìn)行高程測量，相鄰兩點(diǎn)之間不能通視，可以靈活選取測站點(diǎn)的位置，不需要對中，能夠在很大程度上節(jié)約時(shí)間，降低勞動量和勞動強(qiáng)度，具有非常明顯的優(yōu)勢。如果想要進(jìn)一步提高精度，盡量保證前后視的距離相同。

3.全站儀單向高程測量的時(shí)候，盡量近距離觀測，豎直角不宜過大，并盤左盤右觀測，可以消除系統(tǒng)誤差影響，并在一定范圍內(nèi)，能夠替代四等水準(zhǔn)測量。

4.全站儀三種高程測量的誤差，都會隨觀測距離和豎直角的增大，而有所增加，并和測邊、測角的精度密切相關(guān)，所以，為了有效提高測量精度，可以適當(dāng)增加測回?cái)?shù)，以此提高距離與豎直角的觀測精度。

五、結(jié)語

綜上所述，全站儀以其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，在高程控制測量中得以廣泛應(yīng)用。充分合理利用全站儀進(jìn)行高程控制測量，不僅可以不受地形限制，加密控制點(diǎn)，并高程放樣，而且測量的精度相對較高，施工十分便利，具有一般水準(zhǔn)測量無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，能夠直接替代水準(zhǔn)儀。雖然全站儀對于地形復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行高程控制測量精度能夠滿足要求，但是也需要適當(dāng)注意誤差對測量的影響。

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