全站儀測(cè)距歸算誤差的分析及對(duì)策

王健

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

在精密工程測(cè)量工作中，利用全站儀進(jìn)行精密距離測(cè)量是一項(xiàng)重要且基本的工作。該項(xiàng)工作對(duì)測(cè)距精度要求很高[1]，一般要求誤差不能超過(guò)2～3 mm。雖然精密全站儀能夠高精度地測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的斜距，但是在將斜距歸算為水平距離、水平距離歸算為橢球面弧長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形誤差[2]。在精密放樣工作中，有時(shí)甚至忽略投影變形的存在，直接使用全站儀放樣水平距離。這些因素都可能會(huì)影響測(cè)量成果的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量成果不合格。所以，對(duì)各種情況下斜距歸算的變形誤差進(jìn)行定量分析，并提出合理的處理方法是十分必要的。

1 斜距歸算為水平距離以及橢球面弧長(zhǎng)的變形分析

1.1 斜距歸算為水平距離的變形

如圖1、圖2所示，A、B為地面上兩點(diǎn)，弧AC為過(guò)A點(diǎn)的橢球面弧長(zhǎng)，弧BD為過(guò)B點(diǎn)的橢球面弧長(zhǎng)，α3為弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的圓心角。AE為弧AC的切線，α1為相應(yīng)豎直角；BF為弧BD的切線，α2為相應(yīng)豎直角。利用全站儀直接測(cè)得斜距SAB，其水平距離按下式得到：

DAE=SABcosα1

(1)

DBF=SABcosα2

(2)

當(dāng)A、B兩點(diǎn)間高差較小時(shí)，如圖1所示，可得α2+α1=α3(此時(shí)，AB的豎直角為負(fù)數(shù)，BA的豎直角也為負(fù)數(shù))。

當(dāng)A、B兩點(diǎn)間高差較大時(shí)，如圖2所示，可得α2-α1=α3(此時(shí)，AB的豎直角為正數(shù)，BA的豎直角為負(fù)數(shù))。

圖1 小豎直角時(shí)斜距歸算示意圖 圖2 大豎直角時(shí)斜距歸算示意圖

無(wú)論A、B兩點(diǎn)間的高差如何變化，都不會(huì)出現(xiàn)AB、BA的豎直角同時(shí)為正數(shù)的情況。

于是，利用全站儀在A、B兩點(diǎn)分別測(cè)水平距離，2個(gè)水平距離從理論上來(lái)說(shuō)是不一致的，其差值為：

ω1=DAE-DBF

(3)

在實(shí)際工程測(cè)量工作中，常常在一個(gè)控制點(diǎn)上設(shè)站來(lái)測(cè)定或放樣某一個(gè)水平距離。按照上面的分析，這一過(guò)程肯定是有誤差的。誤差的具體大小，將以具體數(shù)值來(lái)進(jìn)行分析。

1.2 水平距離歸算為橢球面弧長(zhǎng)的變形

在建立精密工程控制網(wǎng)工作中，往往需要將觀測(cè)的距離歸算為參考橢球面上的弧長(zhǎng)。由圖1、圖2可得弧長(zhǎng)的計(jì)算公式為[3]：

LAC=ROA×α3

(4)

LBD=ROB×α3

(5)

其中，半徑ROA的值可以選取地球的半徑或過(guò)A點(diǎn)的橢球面法截弧半徑，半徑ROB通過(guò)余弦定理計(jì)算：

(6)

圓心角α3通過(guò)正弦定理計(jì)算獲得：

(7)

圖1中，角BAO=90-α1；圖2中，角BAO=90+α1。

斜距SAB2個(gè)端點(diǎn)A、B上對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)之差為：

ω2=LBD-LAC

(8)

在精密控制測(cè)量中，取A、B兩端點(diǎn)的平均弧長(zhǎng)值做最終結(jié)果：

(9)

利用全站儀可以很方便地測(cè)量斜距和豎直角，從而獲取水平距離DAE、DBF，A、B兩端點(diǎn)水平距離的平均值為：

(10)

水平距離平均值與弧長(zhǎng)平均值的差為：

ω3=LZZ-DZZ

(11)

在精密的工程測(cè)量工作中，要求控制網(wǎng)的距離尺度與放樣時(shí)的尺度高度一致。從以上分析可以看出，DAE、DBF、DZZ、LZZ的值理論上是不一致的，而且投影變形值隨A、B兩點(diǎn)間的斜距大小、豎直角的大小變化而變化。為了更直觀地分析這種變形值的變化規(guī)律，現(xiàn)在利用具體數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

2 距離歸算誤差的定量分析

2.1 小豎直角情況下距離歸算誤差數(shù)值分析

如圖1所示。常見(jiàn)的工程測(cè)量控制網(wǎng)，邊長(zhǎng)都比較短，此時(shí)該邊長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的圓心角非常小。依據(jù)α1+α2=α3，該種情況只能出現(xiàn)在A、B 2個(gè)端點(diǎn)的豎直角都非常小的條件下。對(duì)于圖1，最不利的情況(即A、B兩端豎直角相差最大的情況)為一端豎直角為0，另一端豎直角與3值相等?，F(xiàn)在對(duì)斜距分別為500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m、3 500 m、4 000 m、4 500 m、5 000 m，計(jì)算其在A、B兩端豎直角相差最大的情況下，水平距離、弧長(zhǎng)、平均水平距離、平均弧長(zhǎng)的值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 小豎直角時(shí)各種距離歸算誤差的數(shù)值分析

由表1可知，測(cè)距邊為小豎直角的情況下，邊長(zhǎng)歸算誤差隨著邊長(zhǎng)和豎直角的增大而增大，但總體而言歸算誤差數(shù)值都很小，例如：斜距為5 000 m時(shí)，僅從一個(gè)端點(diǎn)測(cè)量的水平距離與平均弧長(zhǎng)之差不會(huì)超過(guò)1.2 mm。所以在小豎直角的情況下，歸算誤差可忽略，完全可以利用一個(gè)端點(diǎn)測(cè)得的精密水平距離代替平均弧長(zhǎng)。

2.2 大豎直角情況下距離歸算誤差數(shù)值分析

如圖2所示。取斜距為200 ～1 000 m，步長(zhǎng)間隔為200 m，豎直角為1 ～10。，步長(zhǎng)間隔為1。，分別計(jì)算各水平距離、弧長(zhǎng)、平均水平距離、平均弧長(zhǎng)的值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～表6。

表2 斜距200 m時(shí)各種豎直角下歸算誤差的數(shù)值分析

表3 斜距400 m時(shí)各種豎直角下歸算誤差的數(shù)值分析

表4 斜距600 m時(shí)各種豎直角下歸算誤差的數(shù)值分析

表5 斜距800 m時(shí)各種豎直角下歸算誤差的數(shù)值分析

表6 斜距1 000 m時(shí)各種豎直角下歸算誤差的數(shù)值分析

由表2～表6可見(jiàn)，在測(cè)距邊的傾斜角較大時(shí)，歸算誤差比較大，誤差值受斜距值和豎直角值2個(gè)因素的影響。為了更直觀地體現(xiàn)誤差值的變化，以斜距作為橫軸(單位m)，以豎直角作為豎軸(單位。)，計(jì)算單端測(cè)量的水平距離的誤差值(DAE減LZZ，單位mm)，繪制等值線圖，如圖3。

分析表2～表6和圖3可得：當(dāng)豎直角較大時(shí)，即使比較短的距離，單端測(cè)量的水平距離也有較大的歸算誤差，這是精密測(cè)距工作中必須引起注意的；斜距相同時(shí)，歸算誤差基本與豎直角的大小成正比；豎直角相同時(shí)，隨著斜距的增加，歸算誤差迅速增加；利用2個(gè)端點(diǎn)測(cè)得的水平距離取平均值，與弧長(zhǎng)平均值之差幾乎為零。所以在精密測(cè)距工作中，取兩端點(diǎn)測(cè)得的水平距離的平均值作為結(jié)果，是消除歸算誤差的簡(jiǎn)單有效的方法，避免了計(jì)算弧長(zhǎng)的繁瑣過(guò)程。

圖3 斜距歸算水平距離誤差的等值線圖

3 結(jié)論

(1)豎直角很小時(shí)，單端測(cè)量的水平距離與平均弧長(zhǎng)相差非常小，歸算誤差可以忽略。

(2)豎直角較大時(shí)，即使比較短的距離，單端測(cè)量的水平距離也有較大的歸算誤差，這是精密測(cè)距不允許的，必須加入改正數(shù)。

(3)對(duì)2個(gè)端點(diǎn)測(cè)得的水平距離取平均值，與弧長(zhǎng)平均值之差幾乎為零，所以在精密測(cè)距工作中可以采用該措施來(lái)消除歸算誤差。