胡順波
【摘要】筆者通過對全站儀中間法高程測量方法的研究,將中間法測高程與水準測量相比較,對其進行精度分析,認為在一定范圍內(nèi)全站儀代替水準儀進行建筑物的沉降觀測可達到三、四等水準測量的要求,可提高工作效率。
【關鍵詞】全站儀中間法;水準測量;沉降觀測;精度分析
1、緒論
傳統(tǒng)的建筑物沉降觀測采用水準測量的方法,精度雖然很高,但建筑物施工時搭設腳手架和安全網(wǎng)會阻擋觀測視線,觀測點埋設太高又不宜進行觀測且會帶來較大的誤差。用水準測量的方法測定建筑物沉降,使得外業(yè)工作量大, 施測速度較慢,具有一定的難度。
本文采用全站儀中間法測量高程,相鄰兩測點可以不通視,可靈活選擇測站位置,測站不需對中,不量儀器高,節(jié)約大量測量時間并降低勞動強度,在一定范圍內(nèi),其精度又可達到四等水準測量的要求。采用適當?shù)姆椒ㄊ骨昂笠暷繕烁呦嗟?,還可滿足三等水準測量的精度要求,尤其適用于工程復雜測點不便安置水準尺的地方,為建筑物沉降觀測提供了一種快速高效的施測方法。
2、全站儀中間法高程測量
2.1全站儀中間法測高程的原理及方法
如圖1,在已知高程點A和待測點上分別安置反光棱鏡,在A、B的大致中間位置選擇與兩點均通視的D點安置全站儀,根據(jù)三角高程測量原理,當A、B 兩點采用同一鏡高,即v1=v2 時,可得:
式中:S1、α1、K1分別為O至A點的斜距、豎直角、大氣折光系數(shù);S2、α2、K2分別為O至B點的斜距、豎直角、大氣折光系數(shù);R為地球的平均半徑(R=6371km); v1、 v2分別為A點、B點的目標高。因此,全站儀中間法高程測量與儀器高、覘標高完全無關,只與距離、豎直角及大氣折光系數(shù)有關。
2.1.1 全站儀中間法高程測量有以下幾個特點:
(1)測量施工時不需搬站,可觀測無法架設儀器、立尺處的高程。
(2)測站不需對中、不需量取儀器高,采用適當?shù)姆椒?,可不量取棱鏡高。
(3)可以采用正倒鏡觀測,已知點與待觀測點不需通視。
(4)測站選在中部時,可減弱大氣折光的影響。
(5)減小勞動強度、提高作業(yè)速度。
2.2 全站儀中間法與水準測量方法的比較
2.2.1速度快
用全站儀測量一測站能同時觀測幾個觀測點,因此用全站儀測比水準儀能節(jié)省很多時間。
2.2.2 受儀器、人為因素誤差影響小
由于用全站儀測量時前后視采用對中桿三角架及棱鏡,不存在扶水準尺過程中人為因素影響;在測量過程中,讀數(shù)的數(shù)據(jù)由儀器顯示,減少了水準儀的人為估讀誤差。
2.2.3 外業(yè)、內(nèi)業(yè)計算工作量小
用全站儀測量,只需記錄前后視距邊長及高差,記數(shù)少,記錄簡單清晰;而用水準儀得記錄復雜,且記錄及計算復核過程很繁瑣。用全站儀測量的內(nèi)業(yè)整理、平差計算簡單,不容易出錯。
由此可看出,全站儀中間法既結(jié)合了水準測量任一置站、免量儀器高的特點,又減少了水準測量的誤差來源。因此,在不便水準測量的工程或者精度要求不是很高的情況下,可優(yōu)先采用全站儀中間法來測定高程。
2.3 誤差分析
2.3.1 覘標高的影響
測站儀器高的量取精度對高差值沒有影響,但覘標高的量取精度對所測高差具有一定影響。為有效消除或削弱其影響,可采取如下措施:
(1)進行高差觀測時,可保持每個測站前、后視覘標高相等,以抵消其影響。
(2)當連續(xù)設站觀測時,可保持本測站前視覘標高與下一測站后視覘標高相等,則覘標高量取精度對高差影響就會消除,由于儀器高和覘標高引起的高差誤差可以不予考慮。
2.3.2 地球曲率和大氣折光的影響
由于大氣折光系數(shù)不同,若能保持前后是視距相等,則可基本消除球氣差對高差測量的影響值。實際測量中,要保持前后視距相等是比較困難的。視距越短,前后視距差可以放寬,特別當小于200m時,前后視距差可以達到30m,很容易做到的;而在建筑物沉降觀測中一般視距只有幾十米,所以可以忽略球氣差對高差的影響。
2.3.3 垂直角和水平距離觀測誤差對觀測高差的影響
按照水準測量規(guī)范的規(guī)定,四等、三等、二等、一等水準測量往返測高差中數(shù)的偶然中誤差分別為±5. 0mm、±3. 0mm、±1. 0mm和±0. 5mm,那么,單程觀測高差的偶然中誤差分別為±7. 1mm、±4. 2mm、±1. 4 mm和±0. 7mm。視距小于300 m 時可以達到三等水準測量的精度,當視距為500m時便能夠達到四等水準測量的精度。
距離的觀測誤差在觀測高差的誤差中所占的比重隨垂直角的增大而增大,而垂直角的觀測誤差在觀測高差的誤差中所占的比重隨垂直角的增大而減少,但是,在坡度小于20°時,垂直角的誤差是主要的。因此,要想提高觀測精度,必須設法提高垂直角的精度。
2.4 全站儀中間法的精度分析
2.4.1 全站儀中間法高程測量中誤差
在不考慮已知點高程誤差的情況下,
式中:為全站儀中間法高程測量中誤差,D1 D2分別為O至A、B的水平距離,,ms 、mα分別為全站儀測距、測角中誤差, mk為大氣折光系數(shù)測定中誤差。
3.4.2 全站儀中間法高程測量的極限誤差
全站儀的測距精度為±(2 + 2 ×10-6 ) mm (D為測距長度,以km計),測距范圍在3km 以內(nèi)。以10km為例即測距中誤差ms = ±( 2 + 2 ×10-6×2)=±6m,測角精度一般為±2″,測角中誤差mα= ±2″,曾有試驗證明折光系數(shù)中誤差在0.03~0.05之間,在此取最不利的 ?mk= 0.04入公式中計算中誤差,距離和豎直角分別取不同值,并以2倍的中誤差作為限差與三、四等水準測量的限差進行比較,計算結(jié)果填入表1??芍?/p>
(1)全站儀中間法高程測量的誤差,隨著觀測距離、豎直角的增大而增大。
(2)采用前后視目標高相等進行高程測量,可以消除目標高量取誤差的影響,提高高程測量精度,尤其是在觀測距離較短的時候。
(3)前后視采用同一目標高,以mα =±2″全站儀的高程測量誤差,當儀器至前后視距離差即| D1 - D2 | ≤100 m 時,前后視距離總和在118 km范圍內(nèi)可以達到四等水準測量的限差要求;當儀器至前后視等距離相等,即D1 - D2 = 0,豎直角α≤±20°時,前后視距離總和在600 m 以內(nèi),可滿足三等水準測量的限差要求。
結(jié)語:
經(jīng)過精度分析和一些試驗驗證,在提高豎直角觀測精度的基礎上,采取一定的觀測方法減少大氣折光和豎盤指標差對高差的影響,并控制豎角和距離的測量范圍,全站儀中間法高程測量可以達到三、四等水準的精度,在一般情況下,可以代替三、四等水準測量。
在一些工程中,按現(xiàn)有的儀器精度和測量方法,普通的水準測量已經(jīng)能夠達到各項工程的具體要求。然而,在一些特定條件下,如礦井、高層建筑等,難以利用水準測量方法直接測出高差,如果使用傳統(tǒng)的三角測量方法由于其精度低、操作程序復雜等原因也不合適,因此就需要尋找更好的方法來代替精密水準測量,而中間法恰恰結(jié)合了三角高程測量和水準測量的特點,可以用此方法來解決,為建筑物沉降觀測提供了一種快速高效的施測方法。
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