四川拓圖偉業(yè)測(cè)繪科技有限公司
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閱讀：3427發(fā)布時(shí)間：2021-9-23
全站儀的測(cè)距精度，有全站儀測(cè)距標(biāo)稱精度、實(shí)際測(cè)距精度的概念。
標(biāo)稱精度
全站儀測(cè)距標(biāo)稱精度實(shí)際是全站儀的名義測(cè)距精度，是廠商對(duì)儀器精度的一種標(biāo)稱。適于系列儀器標(biāo)識(shí)。
實(shí)際精度
全站儀測(cè)距實(shí)際精度，是通過(guò)檢定檢測(cè)方法得到。對(duì)于具體某型號(hào)的某一臺(tái)儀器檢測(cè)其測(cè)距綜合精度、加常數(shù)和乘常數(shù)。不同儀器各數(shù)據(jù)可能是不同的。
對(duì)于一般光波全站儀的測(cè)距綜合精度，以及儀器的加常數(shù)和乘常數(shù)。一般按照J(rèn)JG100-2003和JJG703-2003進(jìn)行檢定。
但對(duì)于免棱鏡激光全站儀的檢定，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)我國(guó)相關(guān)法律規(guī)程是沒有的。也只能借助于JJG100-2003和JJG703-2003進(jìn)行檢定。
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影響全站儀測(cè)距精度的幾個(gè)問題的探討
全站儀已廣泛應(yīng)用于工程施工測(cè)量由于各種原因技術(shù)人員在工作中常常存在一些認(rèn)識(shí)或操作上的誤區(qū)忽視對(duì)全站儀測(cè)距精度有很大影響的一些因素。本文對(duì)這些問題進(jìn)行總結(jié)、探討。
工程施工中全站儀的使用改變了傳統(tǒng)測(cè)量方式減小甚至克服了使用光學(xué)測(cè)量?jī)x器所無(wú)法避免的一些誤差大大提高了測(cè)量精度同時(shí)隨著高精度全站儀的日趨“平民化”用于施工測(cè)量的全站儀普遍為Ⅰ級(jí)儀器測(cè)距中誤差5mm這些使得技術(shù)人員常常忽視《工程測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定的、看似無(wú)足輕重實(shí)際上對(duì)測(cè)距精度影響很大的因素如氣象改正、三角高程往返測(cè)、棱鏡常數(shù)設(shè)置等。
對(duì)于一般工程的測(cè)量忽視這些影響因素也能滿足工程施工的精度要求但是在高山地區(qū)或進(jìn)行長(zhǎng)大橋、隧控制測(cè)量時(shí)如果不考慮這些因素的影響測(cè)量成果的精度將會(huì)大大降低甚至帶入粗差給構(gòu)建筑物的定位帶來(lái)較大的影響難以滿足規(guī)范的精度要求。
本文將對(duì)工程測(cè)量中常見的影響全站儀測(cè)距精度的問題進(jìn)行總結(jié)、探討。
一、 氣象改正
全站儀是利用光波在大氣中的傳播速度C為已知這一特性通過(guò)測(cè)定光波在被測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來(lái)求得距離值的。
如圖1所示。假設(shè)載波往返傳播的時(shí)間為t則AB的距離
。由此可見全站儀測(cè)距準(zhǔn)確與否除了傳播時(shí)間t還與載波在大氣中的傳播速度C密切相關(guān)。
第10屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義光波在真空中的傳播速度C0=299792458 m/s它可以認(rèn)為是一個(gè)無(wú)誤常數(shù)。但是我們所需要的是光波在大氣中的傳播速度。由于大氣折射的影響光波在大氣中的傳播速度并不等于其在真空中的傳播速度也不是一個(gè)恒定值而是隨大氣折射率的不同而變化。大氣折射率又隨大氣壓、溫度、濕度及氣體成分的不同而變化其中主要的影響因素是大氣壓和溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式
式中與進(jìn)口全站儀、氣壓計(jì)的默認(rèn)單位一致大氣壓P的單位以hPa計(jì)，1hPa=0.75mmHg溫度t的單位以℃計(jì)，α為空氣膨脹系數(shù)取1/273.15n0為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下（t=0℃，P=1013.25hPa）的大氣折射率根據(jù)科希公式：
（λ為光波波長(zhǎng)單位以μm計(jì)）。
全站儀設(shè)計(jì)時(shí)是以固定的真空光速和測(cè)尺長(zhǎng)度在某一氣象條件（儀器的氣象參考點(diǎn)）的折射率為基準(zhǔn)來(lái)確定調(diào)制頻率，使此條件下測(cè)得的距離為標(biāo)準(zhǔn)距離。實(shí)際作業(yè)時(shí)應(yīng)將實(shí)際氣象條件下的大氣折射率n與儀器氣象參考點(diǎn)的折射率n基相比較，計(jì)算出折射率改正值，從而得出距離改正值△S，即通常所說(shuō)的氣象改正值。
例如拓普康 GTS-601全站儀采用的載波波長(zhǎng)λ=0.82μm氣象參考點(diǎn)為t基=15℃、P基=1013.25hPa，由科希公式得n0=1.000295022，則：
通過(guò)對(duì)上式求微分，可以計(jì)算出該儀器在氣象參考點(diǎn)1km的距離上，溫度變化1℃所產(chǎn)生的測(cè)距誤差為0.97mm，大氣壓變化1hPa所產(chǎn)生的測(cè)距誤差為0.28mm。為了直觀地加以說(shuō)明現(xiàn)以采用拓普康GTS-601全站儀施測(cè)的贛龍鐵路山尾旗隧道控制導(dǎo)線的測(cè)量成果為例，計(jì)算測(cè)距的氣象改正值表1。
由此可見，對(duì)于工程控制測(cè)量來(lái)說(shuō)氣象改正是不可忽略的因素，尤其是長(zhǎng)基線或在高溫天氣、高海拔地區(qū)要嚴(yán)格執(zhí)行《工程測(cè)量規(guī)范》的規(guī)定“當(dāng)測(cè)四等及以上的邊時(shí)應(yīng)量取兩端點(diǎn)的測(cè)邊始末的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)應(yīng)取平均值”，在測(cè)距前量取實(shí)際的大氣壓和溫度，并輸入到全站儀中直接進(jìn)行改正。
二、 棱鏡常數(shù)設(shè)置
由于不同介質(zhì)的折射率不同，全站儀載波信號(hào)在棱鏡中傳播的速度與在大氣中的傳播速度也不同，為了準(zhǔn)確計(jì)算距離，就必須知道載波信號(hào)在棱鏡中傳播的時(shí)間差。如圖2說(shuō)明，棱鏡在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)全站儀所采用的載波波長(zhǎng)，計(jì)算了一個(gè)等效的棱鏡“零位”，據(jù)此推算出棱鏡的常數(shù)。
式中GN、RN分別為載波在棱鏡和大氣中的折射率；a、b分別為棱鏡前平面到棱鏡錐頂和支架豎軸的距離。
此外有的棱鏡支架設(shè)計(jì)了兩種不同的裝配方式如拓普康，有一型號(hào)的支架正、反面均可以安裝棱鏡，棱鏡常數(shù)分別是0和-30相差30mm。
因此測(cè)距前一定要詳細(xì)了解相配套的棱鏡型號(hào)、棱鏡常數(shù)及支架的裝配方式，以免給測(cè)量成果帶入粗差。如需使用不同的棱鏡，測(cè)距前應(yīng)參照有關(guān)規(guī)范、說(shuō)明書仔細(xì)測(cè)量棱鏡的常數(shù)。
三、 全站儀三角高程往返測(cè)問題
地球表面近似于一個(gè)圓球面，由于球差的影響，當(dāng)?shù)孛嫔蟽牲c(diǎn)間達(dá)到一定距離后就互不通視了。此外地球表面的大氣密度分布的總規(guī)律是下密上稀，由于氣差的影響，全站儀發(fā)射的載波信號(hào)在大氣中傳播時(shí)必然產(chǎn)生連續(xù)折射形成彎向地面的曲線。球差和氣差對(duì)高程測(cè)量的影響值
式中：R為地球平均曲率半徑，取6371km；K為大氣垂直折光系數(shù)，取0.11S為兩點(diǎn)間的距離，單位為km，工程測(cè)量的控制點(diǎn)間距離一般較短，相對(duì)于地球平均曲率半徑是個(gè)微小量，故可用平距代替斜距。
此外在高山地區(qū)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)平均高程較大，且測(cè)點(diǎn)間高差也較大時(shí)，還應(yīng)考慮投影到參考橢球面或測(cè)區(qū)平均高程面對(duì)高差的影響值：
式中h'為兩測(cè)點(diǎn)間高差；Hm為兩測(cè)點(diǎn)平均高程；ym為兩測(cè)點(diǎn)在高斯平面上投影象的橫坐標(biāo)平均值。
假設(shè)S=500m，Hm=500m，h‘=100m，ym=300km。由上兩式得V=0.017m，△h=0.103m。這對(duì)工程控制測(cè)量來(lái)說(shuō)是不可忽略的影響值。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)K值隨大氣壓和溫度的不同而變化，在中午前后最小，也較穩(wěn)定，而且K值是小于1的數(shù)值，即V恒為正值。如果選擇觀測(cè)條件大致相同，特別是同一時(shí)間作往返觀測(cè)，可以近似地認(rèn)為K值是相同的，即V值是相同的。對(duì)于同一測(cè)距邊。往返測(cè)量時(shí)△h大小相等符號(hào)相同。由往返觀測(cè)三角高程計(jì)算公式h=（h往-h返）/2可知，V和△h對(duì)三角高程的影響值可以通過(guò)往返測(cè)量相互抵消。由此可見往返測(cè)量對(duì)全站儀三角高程測(cè)量的重要性，在實(shí)際測(cè)量中要認(rèn)真執(zhí)行《工程測(cè)量規(guī)范》的規(guī)定，“四、五等光電測(cè)距三角高程測(cè)量每條邊進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)”，以保證控制點(diǎn)高程的精度。
四、加常數(shù)和乘常數(shù)與固定誤差和比例誤差的區(qū)別
1、加常數(shù)和乘常數(shù)
工程上使用的全站儀大多采用相位法測(cè)距，即通過(guò)測(cè)量?jī)x器發(fā)出的連續(xù)正弦電磁波信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，推算出載波傳播時(shí)間，從而求得距離S。測(cè)距的主要誤差來(lái)源有：大氣折射率的誤差、測(cè)尺頻率的誤差、相位的誤差以及加常數(shù)的誤差等按其性質(zhì)可劃 分為三類：①與被測(cè)距離無(wú)關(guān)的誤差通稱為加常數(shù)C；②與被測(cè)距離成正比的誤差通稱為乘常數(shù)R；③周期誤差△SA。這些誤差都屬于系統(tǒng)誤差，需要在觀測(cè)值中加以改正，計(jì)算公式：
式中：S為經(jīng)氣象改正后的距離；A為周期誤差振幅；φ0為周期誤差初相角，μ為測(cè)尺長(zhǎng)度。除了測(cè)尺長(zhǎng)度需查閱儀器說(shuō)明書外，各項(xiàng)參數(shù)都可以在計(jì)量部門出具的“檢定證書”中查到，如表2。
由于電子元件老化等因素的影響，儀器使用一段時(shí)間后上述各項(xiàng)誤差指標(biāo)都會(huì)發(fā)生較大變化，這將給測(cè)距結(jié)果帶來(lái)不小的影響，因此，要嚴(yán)格執(zhí)行《工程測(cè)量規(guī)范》的規(guī)定：“用于控制測(cè)量的光電測(cè)距儀每年應(yīng)送計(jì)量檢定單位檢定一次”。當(dāng)測(cè)距精度要求較高時(shí)，如隧道控制測(cè)量，應(yīng)根據(jù)計(jì)量檢定結(jié)果對(duì)實(shí)測(cè)距離加以改正，特別是加、乘常數(shù)改正。
2、固定誤差和比例誤差
全站儀測(cè)距除了上述系統(tǒng)誤差外，還存在著偶然誤差如氣象參數(shù)測(cè)定的誤差、發(fā)射光束不均勻的誤差以及儀器對(duì)中的誤差等等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，這些誤差中部分表現(xiàn)出與測(cè)量距離無(wú)關(guān)的特性，通稱為固定誤差，用a表示，單位為mm，部分表現(xiàn)出與測(cè)量距離有關(guān)的特性，通稱為比例誤差，用b表示，單位為ppm即10-6m。
固定誤差和比例誤差就是通常所說(shuō)的標(biāo)稱精度：±（a+b·D），是生產(chǎn)廠家根據(jù)對(duì)一種型號(hào)儀器批量產(chǎn)品的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而得到的作為儀器的合格精度指標(biāo)，它在一定程度上反映了全站儀所能達(dá)到的測(cè)距精度，但它并不代表現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)的邊長(zhǎng)實(shí)測(cè)精度。實(shí)際工作中，這兩項(xiàng)誤差通常用于計(jì)算測(cè)距限差或中誤差，或者控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)估算測(cè)距精度。
五、 測(cè)距邊的歸化改正
為了使控制測(cè)量與施工測(cè)量的長(zhǎng)度計(jì)算能在同一高程面上進(jìn)行，不致對(duì)貫通精度帶來(lái)不利影響，平面控制網(wǎng)的測(cè)距邊長(zhǎng)度一般都要?dú)w算到隧道或橋梁墩頂?shù)钠骄叱堂嫔?，?jì)算公式如下：
式中D為經(jīng)各項(xiàng)改正后的平距；H0為歸算平均高程面；H為測(cè)邊高程。
公路、鐵路工程等專業(yè)測(cè)量規(guī)范都對(duì)測(cè)距邊的歸化改正作了規(guī)定，但其中對(duì)于“測(cè)邊高程H”的解釋各不相同?！缎陆ㄨF路工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定“H為反射鏡高程”隧道部分、“H為儀器與棱鏡橫軸的平均高程橋梁部分”；《工程測(cè)量規(guī)范》、《公路勘測(cè)規(guī)范》規(guī)定“H為測(cè)距邊兩端的平均高程”。徠卡TPS700全站儀《用戶手冊(cè)》則指明“平距計(jì)算是相對(duì)測(cè)站高程而言的，并不是鏡站高程”如圖3。
結(jié)合測(cè)量規(guī)范、儀器手冊(cè)和工程實(shí)踐，筆者認(rèn)為對(duì)于工程測(cè)量可按如下方法操作：
每條測(cè)距邊往返測(cè)量應(yīng)盡量選擇在觀測(cè)條件大致相同的同一時(shí)段；測(cè)距時(shí)，量取測(cè)站的大氣壓和溫度，并進(jìn)行氣象改正；邊長(zhǎng)歸化改正計(jì)算時(shí)，“測(cè)邊高程H”選全站儀橫軸（儀器中心）的高程，往返測(cè)距的邊長(zhǎng)分別歸化改正后再取平均值。
六、 結(jié)束語(yǔ)
全站儀給工程測(cè)量帶來(lái)了諸多便利大大提高了測(cè)量精度，但是不同型號(hào)的儀器在性能、操作上存在很大差異，工作中應(yīng)仔細(xì)閱讀儀器的《用戶手冊(cè)》和相關(guān)規(guī)范、規(guī)定。全面了解所使用儀器的性能、原理、各項(xiàng)參數(shù)的意義和設(shè)置，做到知其然知其所以然，改正那些認(rèn)識(shí)上和操作上的錯(cuò)誤，這樣才能避免人為地降低測(cè)量成果的精度，真正發(fā)揮全站儀高效率、高精度的作用，使之更好地為工程服務(wù)。
信息標(biāo)題：全站儀測(cè)距精度
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