全站儀在水文測(cè)站的應(yīng)用

陳泉志+陳艷+王崇智

摘 要：根據(jù)全站儀測(cè)量三角高程測(cè)量的原理和方法，應(yīng)用誤差傳播定律，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的精度分析，得出應(yīng)用全站儀三角高程測(cè)量完全可以替代水文三、四水準(zhǔn)測(cè)量和進(jìn)行大斷面測(cè)量。根據(jù)誤差分析結(jié)果及《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》、《水文普通測(cè)量規(guī)范》結(jié)合中游測(cè)區(qū)實(shí)際情況，制訂出用全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)、大斷面、水尺零點(diǎn)高程測(cè)量的方法，以及相關(guān)測(cè)量誤差控制指標(biāo)和誤差的修正方法。

關(guān)鍵詞：全站儀；水文站；應(yīng)用

1 全站儀三角高程測(cè)量原理

用全站儀進(jìn)行高程測(cè)量的方法有單向觀測(cè)和對(duì)向觀測(cè)法，下面分別給出其觀測(cè)原理和高差的計(jì)算公式。

1.1 全站儀單向觀測(cè)測(cè)定高差的計(jì)算公式

A為已知高程點(diǎn)，B為待測(cè)高程點(diǎn)。將全站儀安置于A點(diǎn)，量?jī)x器高i；將棱鏡置于B點(diǎn)，量棱鏡高為l。則A、B兩點(diǎn)的高差為：

式中：s為斜距，？琢為觀測(cè)豎直角，k為大氣折光系數(shù)，R為地球曲率半徑，i為儀器高，l為棱鏡高。

2 全站儀三角高程測(cè)量的誤差分析

2.1 誤差

全站儀測(cè)距中誤差ms對(duì)高差的影響與豎直角？琢的大小有關(guān)。目前我局引進(jìn)的全站儀為徠卡TC 1800，其測(cè)距精度一般在±（1mm+1ppm·D）～±（2mm+2ppm·D）之間。由于測(cè)距精度很高，因此對(duì)高程的影響很小。

誤差指標(biāo)采用《水文普通測(cè)量規(guī)范》、《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》、《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定。

根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》，豎直角不宜大于25°，根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》、《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》綜合考慮視線長(zhǎng)度應(yīng)不超1200m。

由表1可知，2種測(cè)量方法中對(duì)向觀測(cè)的誤差較低，精度較高；三角高程測(cè)量的誤差隨著邊長(zhǎng)的增大而增加；對(duì)于中游區(qū)來說，因視線長(zhǎng)度較短，三角高程測(cè)量誤差又隨著豎直角的增大而增加。

從表中可以看出，三等水準(zhǔn)測(cè)量用對(duì)向觀測(cè)在視線長(zhǎng)度大于200m，小于600m，豎直角小于25°時(shí)，觀測(cè)精度可滿足其要求；四等水準(zhǔn)測(cè)量用對(duì)向觀測(cè)在視線長(zhǎng)度小于1200m，豎直角小于25°時(shí)，或用單向觀測(cè)距離大于200m，小于800m，豎直角小于25°時(shí)，觀測(cè)精度可滿足其要求；五等水準(zhǔn)測(cè)量用單向觀測(cè)在視線長(zhǎng)度小于1200m，豎直角小于25°時(shí)，測(cè)量精度可滿足其要求。

4.4 分析結(jié)論

（1）用全站儀三角高程測(cè)量方法完全可以替代水準(zhǔn)測(cè)量，且方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)量速度較傳統(tǒng)方法快的多，為今后快速、準(zhǔn)確進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量提供了又一新的途徑。

（2）從表1可以看出，全站儀用對(duì)向觀測(cè)視線長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)，豎直角小于25°時(shí)，測(cè)量精度高于水準(zhǔn)儀，否則測(cè)量精度低于水準(zhǔn)儀。

（3）單向觀測(cè)距離小于1200m，豎直角小于25°時(shí)，其測(cè)量精度可滿足五等水準(zhǔn)測(cè)量，就中游區(qū)來講可進(jìn)行大斷面測(cè)量。

（4）對(duì)向觀測(cè)距離小于1200m，豎直角小于25°時(shí)，或單向觀測(cè)距離大于200m，小于800m，豎直角小于25°時(shí)，其觀測(cè)精度可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求，就中游測(cè)區(qū)來講可進(jìn)行水尺校核。

（5）對(duì)向觀測(cè)距離大于200m，小于600m，豎直角小于25°時(shí)，其觀測(cè)精度可滿足三等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求，就中游測(cè)區(qū)來講可進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)校測(cè)。

4.5 實(shí)際操作中注意事項(xiàng)

（1）三角高程測(cè)量豎直角觀測(cè)精度對(duì)其高程精度影響較大，因此，為提高測(cè)量精度，可適當(dāng)增加測(cè)回?cái)?shù)。能見度不好，中午光線太強(qiáng)時(shí)不要觀測(cè)。

（2）在精度分析中，儀器高和棱鏡高的量取誤差假設(shè)為定值，但在實(shí)際量取中為非固定值，并直接影響著高差值，因此應(yīng)認(rèn)真量取至0.5毫米，使其控制在最小范圍內(nèi)。若前后棱鏡用的是強(qiáng)制對(duì)中桿的應(yīng)盡量取相同值，以便減少棱鏡量取誤差，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

5 用全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)、水尺零點(diǎn)、大斷面測(cè)量的方法

5.1 一般規(guī)定

觀測(cè)時(shí)距離和豎直角按分析結(jié)論掌握，視線高度和離開障礙物的距離不得小于1.5m；斜距和豎直角的觀測(cè)應(yīng)在成像清晰、信號(hào)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行；測(cè)距的準(zhǔn)備工作，觀測(cè)方法和作業(yè)要求、氣象元素測(cè)定及重測(cè)取舍，氣象、加常數(shù)、乘常數(shù)修正值及邊長(zhǎng)修正等，均按GB/T 16818的相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行；儀器高、棱鏡高各獨(dú)立量取2次，當(dāng)較差小于2mm時(shí)取其平均值作為最終結(jié)果。各項(xiàng)觀測(cè)讀數(shù)和計(jì)算數(shù)值取位按表2（見《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》）規(guī)定執(zhí)行。

5.2 全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)、校核水尺零點(diǎn)高程測(cè)量方法

根據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》，用全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)、水尺零點(diǎn)高程測(cè)量時(shí)，特作如下規(guī)定。

（1）全站儀精度為±（2+2×106s）mm以上；最小讀數(shù)為0.2℃的溫度計(jì)；最小讀數(shù)為1mb的氣壓表。

（2）天頂距觀測(cè)用中絲法進(jìn)行，盤左位置和盤右位置分別照準(zhǔn)同一目標(biāo)讀數(shù)為一測(cè)回，每次照準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)均精確照準(zhǔn)兩次，讀數(shù)兩次，且兩次讀數(shù)差不大于3″。

（3）全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)、水尺零點(diǎn)校核具體要求見表3（見《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》）。

（4）用全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)、水尺零點(diǎn)校核時(shí)也可以直接測(cè)量斜距、平距、高差，其測(cè)量技術(shù)要求見表3和表4（見《水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范》），但表3中斜距和天頂距測(cè)量要求應(yīng)按表4中斜距和高差測(cè)量要求進(jìn)行。打開儀器主菜單，在F6（測(cè)量模式）下輸入氣壓、氣溫。全站儀在水文站具體應(yīng)用時(shí)即可這樣操作。

（5）對(duì)向觀測(cè)應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成。

（6）用全站儀校測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，視線長(zhǎng)度在200m至600m之間，豎直角不得大于25°，應(yīng)采用三等三角高程測(cè)量方法觀測(cè)，組成附合路線或閉合環(huán)，并進(jìn)行往返測(cè)（類似水準(zhǔn)測(cè)量的往返觀測(cè)）；若進(jìn)行水尺零點(diǎn)校測(cè)時(shí)，視線長(zhǎng)度在100m至1200m之間，豎直角不得大于25°，測(cè)站（轉(zhuǎn)點(diǎn)）間應(yīng)采用四等三角高程測(cè)量方法觀測(cè)，組成附合路線或閉合環(huán)，并進(jìn)行往返觀測(cè)（類似水準(zhǔn)測(cè)量的往返觀測(cè)）；水尺高程的測(cè)定可采用四等單向三角高程方法觀測(cè)，并進(jìn)行往返觀測(cè)（類似水準(zhǔn)儀測(cè)水尺點(diǎn)高程用的間視法），視線長(zhǎng)度在200m至800m之間；對(duì)于水尺零點(diǎn)高程校測(cè)，如果不需要轉(zhuǎn)點(diǎn)即可完成測(cè)量時(shí)，可采用一鏡雙高法進(jìn)行觀測(cè)。

6 用全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)、水尺零點(diǎn)、大斷面測(cè)量計(jì)算的軟件開發(fā)

計(jì)算系統(tǒng)采用VB6.0語(yǔ)言編程，采用了表格控件fexlcell和界面控件Xpsuite以及Api函數(shù)編程等技術(shù)手段。各測(cè)量項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理的算法嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法。

軟件利用了已開發(fā)的“水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)“作為統(tǒng)一平臺(tái)，增加了支持全站儀測(cè)量方法的三種相應(yīng)表格和計(jì)算程序模塊。采取即時(shí)填表，自動(dòng)計(jì)算。具有記錄、計(jì)算、打印等功能，操作簡(jiǎn)便直觀，界面友好，使用簡(jiǎn)單。

7 適用性

我局地處山區(qū)，水準(zhǔn)、大斷面測(cè)量比較困難，看似距離很短的兩個(gè)待測(cè)點(diǎn)，測(cè)量路線變的較長(zhǎng)，工作量也較大。本課題的成果可很好的適用我區(qū)實(shí)際地形情況，如水尺零點(diǎn)高程校測(cè)，將全站儀安置于某個(gè)合適控制點(diǎn)，可同時(shí)將上、下比降斷面及基本斷面水尺全部施測(cè)完畢，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工了作效率，特別是在兩岸之間的水準(zhǔn)測(cè)量，大斷面測(cè)量發(fā)揮了較大的作用，成為水文現(xiàn)代化的重要組成部分。同時(shí)使用本課題配套軟件，可免去過去繁瑣的內(nèi)業(yè)計(jì)算、校核工作，減少了不少中間環(huán)節(jié)，避免了內(nèi)業(yè)整理錯(cuò)誤的出現(xiàn)。