無(wú)反射棱鏡全站儀實(shí)測(cè)精度檢測(cè)方法探討

馮永長(zhǎng)

(江蘇省高郵市測(cè)繪院，江蘇高郵 225600)

1 概述

全站儀在多種測(cè)繪領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，已成為一種不可替代的測(cè)量設(shè)備。無(wú)反射棱鏡全站儀是不需要棱鏡作為前方目標(biāo)就可以進(jìn)行測(cè)距的全站儀。在使用無(wú)反射棱鏡全站儀時(shí)，人們會(huì)很自然地關(guān)心其精度問(wèn)題:即測(cè)角與測(cè)距的精度。實(shí)際上測(cè)角精度與使用棱鏡時(shí)是一樣的精度;測(cè)距精度比使用棱鏡時(shí)要復(fù)雜一些，它與照準(zhǔn)目標(biāo)密切相關(guān)，包括不同顏色的反射目標(biāo)對(duì)測(cè)程和測(cè)距精度的影響。本文將介紹簡(jiǎn)便的測(cè)角和測(cè)坐標(biāo)的精度檢測(cè)方法。本實(shí)驗(yàn)以拓普康MS05全站儀為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。拓普康MS系列全站儀，是以超精密三維自動(dòng)化測(cè)量而著稱(chēng)的新型測(cè)量機(jī)器人。它提供了0.5″測(cè)角精度和亞毫米級(jí)測(cè)距精度，以及測(cè)量機(jī)器人智能一體化功能，采用了三大最新的拓普康專(zhuān)利技術(shù):IACS測(cè)角技術(shù)、RED-tech EX測(cè)距技術(shù)、多棱鏡目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，并且具備三大特點(diǎn):高精度、高性價(jià)比和自動(dòng)化測(cè)量。可以實(shí)現(xiàn)包含自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)照準(zhǔn)、智能識(shí)別、遙測(cè)控制等功能在內(nèi)的自動(dòng)化測(cè)量，極大的提高了測(cè)量效率。此外，MS系列全站儀還具備隧道測(cè)量激光指示，完美的LED照明，Windows CE操作系統(tǒng)，特殊的萬(wàn)能反射片功能，并包含無(wú)棱鏡測(cè)量功能。MS系列全站儀可應(yīng)用于所有測(cè)量、建筑、土木、精密測(cè)量領(lǐng)域，可以為各種測(cè)量任務(wù)提供完美解決方案。它的主要精度指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 拓普康MS05全站儀主要技術(shù)精度指標(biāo)

2 角度檢測(cè)方法

為了檢測(cè)角度測(cè)量的精度，可以采用如圖1所示的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體方法是在距儀器100 m左右處水平設(shè)置因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺，使尺子與全站儀構(gòu)成等腰三角形。然后以等間隔分別觀測(cè)各分劃方向值，并與理論值比較，求出差值，即可評(píng)定精度。

如圖1所示，若S=100 m，以因瓦尺上10 cm，20 cm，30 cm等間隔來(lái)與儀器中心構(gòu)成的小角度βi來(lái)進(jìn)行檢測(cè)即可達(dá)到目的。對(duì)S的測(cè)量精度要求并不是很高，它的影響可以從以下計(jì)算來(lái)說(shuō)明:

對(duì)式(1)中誤差傳播，則有:

在式(2)中若取 S=100 m，d=0.1 m，mβ=0.1″，則對(duì) S 的測(cè)量精度要求為:

很顯然，這樣的測(cè)距要求是很容易達(dá)到的。本實(shí)驗(yàn)用該方法對(duì)該類(lèi)儀器的實(shí)際測(cè)角精度(100 m距離)檢測(cè)后，其角度測(cè)量的中誤差為m方=±0.58″。實(shí)際上，若邊長(zhǎng)增加，測(cè)角精度會(huì)更好。

3 坐標(biāo)檢測(cè)方法

在日常測(cè)量工作中，坐標(biāo)測(cè)量經(jīng)常會(huì)碰到的。如放樣點(diǎn)位、測(cè)量空間點(diǎn)位坐標(biāo)等，特別是在結(jié)構(gòu)件安裝與拼接時(shí)，經(jīng)常要測(cè)量三維坐標(biāo)，這時(shí)最有效的方法就是無(wú)反射棱鏡測(cè)量模式。所以，探討無(wú)反射棱鏡測(cè)量模式測(cè)量三維坐標(biāo)的精度是很有實(shí)際意義的。

為了檢測(cè)三維測(cè)量的精度，可以采用如圖2所示的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體思路是在距儀器一定距離處設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)方格網(wǎng)，使其中心與全站儀照準(zhǔn)軸正交。然后分別觀測(cè)各方格網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)，并與理論值比較，求出差值，即可評(píng)定精度。

實(shí)驗(yàn)時(shí)方格網(wǎng)采用常用的聚酯薄膜圖紙，其對(duì)角線精度小于0.3 mm，對(duì)于檢測(cè)有1 mm的固定誤差的無(wú)反射棱鏡測(cè)量模式，精度是合適的。方格網(wǎng)距儀器30 m處，照準(zhǔn)軸照準(zhǔn)方格網(wǎng)中心是垂直角為0°左右。通過(guò)對(duì)25個(gè)方格網(wǎng)點(diǎn)的重復(fù)測(cè)量，并與理論值比較，得到該觀測(cè)條件下的坐標(biāo)測(cè)量誤差分量分別為:

圖1 角度檢測(cè)示意圖

圖2 三維坐標(biāo)檢測(cè)示意圖

4 工程實(shí)例應(yīng)用比較

應(yīng)用的實(shí)例是一鋼結(jié)構(gòu)建筑，屋頂為橢圓形鋼構(gòu)件拼接施工。為了檢測(cè)結(jié)構(gòu)拼裝過(guò)程中的變形，我們用拓普康MS05全站儀對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)30個(gè)，分布在主要軸線和穹頂及斜立柱的不同高度位置。

根據(jù)施工平面圖建立局部的三維坐標(biāo)系，每個(gè)點(diǎn)位采用正倒鏡觀測(cè)，以坐標(biāo)分量差值來(lái)衡量觀測(cè)精度，其部分觀測(cè)結(jié)果如表2所示，剔除誤差較大的西穹頂4點(diǎn)后，求得相應(yīng)的坐標(biāo)測(cè)量中誤差(摘自該項(xiàng)目5月27日檢測(cè)報(bào)告)。

用相應(yīng)的較差計(jì)算出坐標(biāo)分量的中誤差分別為:

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)MS05全站儀在無(wú)反射棱鏡模式下的實(shí)際測(cè)量精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果與工程實(shí)例的測(cè)量結(jié)果相符，具有一定的實(shí)用價(jià)值。Z坐標(biāo)方向的中誤差較大，主要是1軸、28軸、29軸及31軸4.5A這些點(diǎn)的誤差較大所致。

在坐標(biāo)精度實(shí)驗(yàn)時(shí)，其結(jié)果是綜合精度，沒(méi)有將測(cè)角、測(cè)距精度、目標(biāo)材質(zhì)、顏色不同等情況分開(kāi)討論，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工程應(yīng)用時(shí)，都需要綜合精度，所以，這樣討論更有實(shí)際意義。本實(shí)驗(yàn)還有一些問(wèn)題沒(méi)有展開(kāi)討論，例如，不同測(cè)程情況下的精度問(wèn)題，不同高度角的情況下，精度是否有變等問(wèn)題，還有待進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析研究。

表2 坐標(biāo)差值分量表

目前全站儀無(wú)棱鏡測(cè)量模式雖然還存在一些不足，但是隨著科技的發(fā)展，無(wú)棱鏡全站儀的不斷完善，它將逐漸取代傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，成為測(cè)繪行業(yè)中的一顆明珠。無(wú)反射棱鏡測(cè)量方式在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)愈來(lái)愈廣，應(yīng)值得大家去分析和研究。

［1］張正祿.工程測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005.

［2］拓普康公司.拓普康MS05全站儀操作手冊(cè)［Z］.2009.

［3］邊小偉，梁孝忠，李道發(fā).RTK及全站儀在公路測(cè)量中的應(yīng)用及比較［J］.山西建筑，2011，37(14):193-195.