電磁波測距高程導(dǎo)線測量覘板改進(jìn)技術(shù)研究

陳軍建 單建華 王志林

摘 要

為了有效的降低電磁波測距高程導(dǎo)線測量（EDM）野外觀測中受到的天候影響，提高全天候條件下EDM測量的測量精度和作業(yè)效率，在長期的作業(yè)實踐中，通過對誤差源的分析、收集大量的試驗數(shù)據(jù)，對覘板進(jìn)行了大膽的改進(jìn)，并成功的運(yùn)用到實際作業(yè)中。檢驗結(jié)果表明，新型覘板有效的提升了垂直角觀測精度，且具有使用輕便、利于觀測、可夜晚使用的物理特性。

關(guān)鍵詞

EDM;覘板;改進(jìn)技術(shù)

中圖分類號： TG661 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 46

Abstract

In order to effectively reduce electromagnetic distance measuring height traverse survey （EDM） field observation in the affected by the weather， improve the measurement precision of measurement under the condition of all-weather EDM and efficiency， in the long-term working practice， through the analysis of error sources， collecting a large number of test data， has carried on the bold improvements to sighting board， and successfully applied to the actual operation. The test results show that the new type of sighting plate can effectively improve the accuracy of vertical Angle observation， and has the physical characteristics of light use， favorable for observation， and can be used at night.

Key words

EDM; Sighting board; Improved technology

1 研究背景

電磁波測距高程導(dǎo)線測量（EDM）是替代三四等水準(zhǔn)測量所采用的主要測量方式，野外作業(yè)組在高原山地、戈壁沙漠、草原河谷地帶等環(huán)境中進(jìn)行測量作業(yè)時，常常受到沙塵、大風(fēng)、高溫、嚴(yán)寒等天氣的影響，理論上的最佳觀測時間正午前后又恰是地表空氣擾動劇烈的時候，天候條件不適宜光學(xué)儀器測量，適合觀測時間不多。研究改進(jìn)測量裝備，提高全天候條件下EDM測量的測量精度和作業(yè)效率具有迫切需求和實踐意義。

2 EDM測量中的誤差來源分析

根據(jù)EDM測量隔點(diǎn)設(shè)站法的原理，EDM測量的誤差來源主要有6類：垂直角觀測誤差;測距誤差;大氣折光差;地球曲率改正;水準(zhǔn)面不平行改正。通過多年作業(yè)經(jīng)驗和成果數(shù)據(jù)分析，在通常600米左右間隔的測段長度中，垂直角觀測誤差對EDM測量成果整體精度的影響較大，測距誤差影響微弱，大氣折光差和地球曲率改正通過調(diào)整前后視距可以抵消，水準(zhǔn)面不平行改正一般不在野外測量階段考慮。因此，垂直角觀測誤差是影響EDM測量成果整體精度的主要因素，有效提高垂直角的觀測精度可以降低惡劣環(huán)境對作業(yè)員的影響，提高EDM測量的整體精度。

3 改進(jìn)測量覘板的研究思路

影響EDM測量作業(yè)垂直角觀測精度的因素主要有3類來源：儀器誤差、觀測誤差以及外界環(huán)境引起的誤差。其中，觀測誤差中的照準(zhǔn)誤差對測量成果精度具有直接和較大影響。如果能夠有效減小EDM觀測的照準(zhǔn)誤差，就可以減小外界環(huán)境對作業(yè)人員的影響，提高EDM測量垂直角的觀測精度。

通過大量測量作業(yè)發(fā)現(xiàn)，提高觀測視線離地間距、改進(jìn)照準(zhǔn)標(biāo)志的配色、加強(qiáng)覘板及測量標(biāo)尺的穩(wěn)定性，能夠有效的減小近地大氣擾動及大氣折光差對測量照準(zhǔn)作業(yè)的影響，從而減小照準(zhǔn)誤差。在全站儀不更新?lián)Q代的情況下，可以通過對照準(zhǔn)覘板進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)實現(xiàn)上述目標(biāo)。

一是提升照準(zhǔn)覘板在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的安置高度。目前，照準(zhǔn)覘板使用輕質(zhì)鋁合金材料制作，提升在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的安置高度后，照準(zhǔn)系統(tǒng)重心過高，風(fēng)的作用力影響明顯，容易發(fā)生晃動或傾覆，影響照準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在保證幾何精度和機(jī)械強(qiáng)度的條件下，需要選用比鋁合金性能更為優(yōu)異的輕質(zhì)材料來制作覘板。通過查閱資料，初步選擇航空航天普遍采用的玻璃纖維樹脂聚合物板、碳纖維樹脂聚合物板作為覘板基材。通過對材料小樣和鋁合金板的對比實驗，備選材料的性能均優(yōu)于鋁合金板，相同厚度下玻纖板、碳纖板性能接近，但碳纖板韌性更強(qiáng)，比重更小，造價適中，3毫米厚的碳纖維樹脂聚合物板是制作覘板基材的理想材料。

二是改進(jìn)照準(zhǔn)標(biāo)志的配色方案。查閱光度及色度測量學(xué)研究成果發(fā)現(xiàn)，人眼對綠色的敏感度最高，黃色次之，如圖1所示，為此，將照準(zhǔn)覘板的對準(zhǔn)標(biāo)志配色方案由原來的白底黑標(biāo)改進(jìn)為黑底黃綠色標(biāo)志，實驗發(fā)現(xiàn)可以顯著提高惡劣環(huán)境下照準(zhǔn)作業(yè)的精度。

三是提高照準(zhǔn)系統(tǒng)的安裝的便捷性。自行改進(jìn)設(shè)計鋁合金固定組件，將原覘板的照準(zhǔn)面部分和測距反射棱鏡兩部分合二為一，省去將反射棱鏡固定在標(biāo)尺上的緊固裝置，將棱鏡通過鋁合金固件直接固定在覘板照準(zhǔn)面上，通過改進(jìn)，既減輕了整個覘板系統(tǒng)的重量，又提高了穩(wěn)固性，同時使組裝覘板的工作更加便捷。

通過對測量覘板的技術(shù)改進(jìn)，能夠顯著提高人眼通過儀器對覘板標(biāo)志的有效分辨力，使精確照準(zhǔn)更為容易，垂直角觀測速度得到提升;覘板具備了在鏡頭內(nèi)清晰成像的條件，可以實現(xiàn)較長的觀測距離，從而減少了儀器的設(shè)站次數(shù)，降低總測段長度內(nèi)的儀器照準(zhǔn)觀測次數(shù)，實現(xiàn)提高觀測效率的目的。

4 測量覘板改進(jìn)的技術(shù)實踐

4.1 外形尺寸

原覘板尺寸為300毫米×400毫米，在全站儀鏡頭放大倍率不變的前提下（使用LEICA TC1201型全站儀），為提高照準(zhǔn)標(biāo)志的辨識度，改進(jìn)后的覘板面尺寸加大為360毫米×480毫米。

4.2 基礎(chǔ)材料

原覘板選用3毫米厚鋁合金板材，整體重量為2.3千克，改進(jìn)后的覘板選用3毫米厚的碳纖維樹脂聚合物板材，整體重量為1.3千克，在顯著提高強(qiáng)度的同時，大幅減輕了重量。

4.3 配色方案及漆面材料

原覘板采用銀白底色，黑色照準(zhǔn)標(biāo)志的配色方案，底色漆面為光面銀白色金屬漆，照準(zhǔn)標(biāo)志漆面為光面黑色金屬漆，容易出現(xiàn)鏡面反射現(xiàn)象，有微弱的漫反射光出現(xiàn)，降低了整個覘板面的顏色對比度，其在遠(yuǎn)距離和夜晚輔助照明下，照準(zhǔn)標(biāo)志辨識度弱。改進(jìn)的覘板采用純黑底色，黃綠色或橙黃色照準(zhǔn)標(biāo)志的配色方案，選用進(jìn)口純黑色磨砂漆，其吸光作用良好，在任意入射角光源下均無反射光，照準(zhǔn)標(biāo)志面選用美國3M公司最新出品的鉆晶微棱鏡反射貼制成，無論是在白天還是在夜間輔助照明下，在黑色底色板面的映襯下辨識度極高，在不同距離及不同光照度下，人眼對照準(zhǔn)標(biāo)志的識別率均優(yōu)于現(xiàn)有覘板。如圖2所示。

4.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

原覘板系統(tǒng)由覘板照準(zhǔn)面裝置和測距反射棱鏡固定裝置兩部分構(gòu)成，測量前兩個部分需要分別緊固，安置前需精確量取其在標(biāo)尺上的安置高度，并調(diào)節(jié)8個緊固螺旋使其在標(biāo)尺面上無松動及歪斜。改進(jìn)后的覘板將測距反射棱鏡固定裝置整合于覘板照準(zhǔn)面上，覘板在標(biāo)尺上的安裝只需調(diào)節(jié)4個緊固螺旋即可完成，提高了測前準(zhǔn)備效率，并進(jìn)一步減輕了覘板系統(tǒng)的整體重量。

4.5 夜間輔助照明裝置

為提高夜間測量測量照準(zhǔn)性能，設(shè)計了輔助照明裝置，在鋁合金三角架上安裝氙氣探照燈，照明燈頭由馬達(dá)驅(qū)動，用遙控器控制調(diào)整照射水平角和俯仰角，探照燈由汽車點(diǎn)煙器端口供電，或是用蓄電池獨(dú)立供電。輔助照明裝置可以在夜間提供充足的照度，滿足夜間視距1千米內(nèi)的EDM測量，如圖3所示，改進(jìn)后的覘板在全站儀鏡頭內(nèi)成像清晰穩(wěn)定，與原覘板相比，更容易實現(xiàn)精細(xì)、快速照準(zhǔn)。

5 改進(jìn)后測量覘板的性能分析

為驗證改進(jìn)后測量覘板的技術(shù)性能，依據(jù)《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》、《三、四等導(dǎo)線測量規(guī)范》，使用相同的徠卡1201全站儀，在相同時間和作業(yè)環(huán)境下采用隔點(diǎn)設(shè)站法同步進(jìn)行測量作業(yè)對比。對比實驗在新疆烏魯木齊市郊區(qū)戈壁灘進(jìn)行，分別在北京時間17點(diǎn)、23點(diǎn)前后兩個時間段對兩種覘板進(jìn)行EDM高程導(dǎo)線作業(yè)測量，視距為600米左右。通過對白天4.6公里的測段長度觀測數(shù)據(jù)計算分析，舊覘板測線測角中誤差為±0.80″，測線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0033m;改進(jìn)的覘板測線測角中誤差為±0.73″，測線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0011m。結(jié)果表明，使用改進(jìn)的覘板在白天垂直角觀測精度有效提升。通過對夜間1.9公里的測段長度觀測數(shù)據(jù)計算分析，原覘板測線測角中誤差為±1.29″，測線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0027m;改進(jìn)的覘板測線測角中誤差為±1.17″，測線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0007m，結(jié)果表明，使用改進(jìn)的覘板在夜間垂直角觀測精度也得到有效提升。