無棱鏡全站儀在應(yīng)用中的問題探討

魯勇奇+馮振貴+李法鑫

摘 要：無棱鏡全站儀是采用激光束發(fā)射與反射接收原理而工作的測距儀與經(jīng)緯儀相結(jié)合的儀器，有不用架設(shè)棱鏡可直接測距的優(yōu)點。在實地測量過程中，使用此全站儀可以極大地減少測量作業(yè)強度，提高工作效率。但其使用是有條件的，本文針對無棱鏡全站儀在應(yīng)用中的相關(guān)問題進行了探討，提出了正確使用該全站儀需要注意的重點事項。

關(guān)鍵詞：無棱鏡全站儀；測距里程；測距精度

0 前言

無棱鏡全站儀是采用激光束發(fā)射與反射接收原理而工作的測距儀與經(jīng)緯儀相結(jié)合的儀器，，其最大的優(yōu)勢就在于實現(xiàn)了“所瞄即所測”，不需要接觸被測點 ，就可獲得被測點的水平角、垂直角和距離3個維度的信息。角度測量與普通全站儀相同，本文主要探討其在無棱鏡測距方面的相關(guān)問題。無棱鏡測距在測量應(yīng)用中要有以下兩個優(yōu)點：

（1）不用架設(shè)棱鏡等合作目標(biāo)，省去了作業(yè)員爬高上低的奔波之苦，減輕了作業(yè)強度；在斷崖、斷面、較寬河流、人口流動頻繁區(qū)域、有輻射、危險等區(qū)域不易或不能架設(shè)棱鏡的區(qū)域，優(yōu)勢更為明顯，能大大降低危險性和作業(yè)強度。

（2）對被測點只需能被測量光束照準(zhǔn)，不需要架設(shè)平臺、粘貼介質(zhì)等與被測點有實體接觸的工序，能避免被測點產(chǎn)生形變，提高測量結(jié)果的精度，對一些重要的比如文物之類的建筑起到了一定的保護作用。

雖然無棱鏡全站儀有以上優(yōu)點，但在應(yīng)用中仍然要受到儀器本身性能和測量環(huán)境等影響因素的制約，同等條件下，其制約程度比普通全站儀更為苛刻，只有考慮了這些影響因素，才能保證測量精度，得到合格的測量結(jié)果。

1 無棱鏡全站儀使用的影響因素

1.1 觀測距離

觀測距離是無棱鏡全站儀使用中需要考慮的首要因素，關(guān)注點有以下兩個方面：

（1）儀器標(biāo)稱的觀測距離。無棱鏡全站儀往往有其標(biāo)稱的觀測距離，如早期的徠卡TCR系列，標(biāo)稱無棱鏡測程為80m，精度為3mm；近期的徠卡TS50系列，標(biāo)稱無棱鏡測程為1000m，精度為2mm+2ppm.在測量作業(yè)中，觀測距離往往達不到標(biāo)稱值，因為標(biāo)稱值是有條件約束的，而實際測量的條件，特別是野外作業(yè)條件往往會差一些，因此在使用中，一定要根據(jù)具體條件留有裕度，不能滿打滿算。

（2）觀測距離與精度的關(guān)系。我們用徠卡TCRA所做實驗，當(dāng)其它條件相同時，在無棱鏡全站儀的實際測程內(nèi)改變觀測距離進行多次測量，測量數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度就是觀測值的離散程度大小，但是觀測數(shù)據(jù)的均方誤差反映不了觀測值的精度高低。從試驗發(fā)現(xiàn)，該精度隨著距離的增加而降低。

1.2 反射面粗糙程度

物體反射面粗糙程度在此主要指其表面的，分別對幾種常見的不同材質(zhì)的物體進行多次觀測，

我們分別通過對紅磚墻面、水泥墻面、白紙面、不銹鋼平面進行測試，同等條件下精度相當(dāng)。說明當(dāng)外界條件良好的情況下，只要物體表面有足夠的反射能力并且反射的信號穩(wěn)定，材質(zhì)表面粗糙程對測距精度的影響并不大。

在實際測量作業(yè)中，對同一距離的目標(biāo)進行測量時，會存在粗糙表面測不出結(jié)果，而較光滑的表面能得到觀測值的情況。這是因為粗糙表面漫反射大，返回的信號弱，會使測程變短。

1.3 反射面顏色

反射面顏色是對無棱鏡測量影響較大的一個因素，選用黑色、深紅色、黃色、藍色、深綠色、白色、橙色、紫色等8種材質(zhì)相同而顏色不同的硬紙板進行測距精度測試。我們通過有棱鏡10次測距平均值作為距離測試的基準(zhǔn)（外符合基準(zhǔn)），然后在同一位置分別對不同顏色的紙進行10次測距取平均值。結(jié)果顯示除黑色紙板的內(nèi)、外符合精度比較低，其余顏色紙板測距測試的內(nèi)、外符合精度基本相當(dāng)。從而得出：除黑色外，反射面的顏色對測距精度的影響不大；但是顏色越淺反射面的反射信號的能力越強測距精度越高。

1.4 反射面透明度

無棱鏡測距的實現(xiàn)借助的是激光，而光在不同的介質(zhì)中會發(fā)生變化，對測距結(jié)果產(chǎn)生影響。為了解物體透明度對測距結(jié)果的影響，首先我們把將一塊不銹鋼平面放置在固定位置，進行10次測距求出平均值作為參考基準(zhǔn)。再將5個透明度不同的物體逐次放置在不銹鋼平面前10cm處，也同樣進行10次測距取平均值，結(jié)果顯示：不完全透明的物體所測得的距離小，這是因為激光束沒有完全穿透，激光束分別從不完全透明物體和不銹鋼平面兩個反射面反射，所得距離是它們分別與儀器之間距離的一個加權(quán)平均值。

而測得玻璃穿透性好，光束在穿透玻璃時其速度也發(fā)生變化（V=2×108m/s），這就造成光束在玻璃當(dāng)中的傳播時間延長，所以得到測量的距離比實際距離長的現(xiàn)象。

1.5 入射角

當(dāng)激光束與目標(biāo)反射面成一定夾角時，返回的信號會有損失，我們把入射光線垂直于目標(biāo)平板定為0°保持一定距離圍著平板中心順時針轉(zhuǎn)每5°進行一次測試。將棱鏡10次測量值的平均值作為比較測量距離的基準(zhǔn)，結(jié)果表明，無棱鏡全站儀的內(nèi)符合精度相對穩(wěn)定，而外符合精度隨著入射角度的增加而降低。當(dāng)入射角為0°時，測得精度最高。當(dāng)入射角增大時，返回的信號強度有損失，測量精度受到一定的影響。在入射角大于35°以后，測距精度明顯下降；當(dāng)入射角在65°左右時，反射回來的信號強度非常微弱，儀器的測量時間也很長，測距精度很差；入射角大于75°以后，儀器就不能正常測距。由上可得，激光入射角度是影響測量結(jié)果的一種因素，所以在測量中我們一定要選定好測量的最佳位置。

1.6 邊緣點

在實際測量過程中經(jīng)常需要對一些地貌物的頂點或拐角進行測量，因此無反射棱鏡測距的精度也與激光束在所測物體表面形成的光斑大小有一定的關(guān)系， 實際的測量部位距離與照準(zhǔn)點的距離并不一樣，如當(dāng)十字絲照準(zhǔn)外墻角時，由于光斑有大小，造成至少一半激光束落在旁邊的其他反射物體上，會出現(xiàn)如圖1所示的情況，需要測量的是距離D，實際測量的是等效距離L，使測量值變大。因此，在測量中我們應(yīng)選擇好測量位置把激光束全部落在邊緣點所在的平面上避免激光束被分散而造成測量誤差從而精度降低。

2 總結(jié)

由上文的分析可知，要在測量應(yīng)用中正確使用無棱鏡全站儀，保障測量精度，提高測量效率，需重點關(guān)注以下幾個方面：

（1）要根據(jù)具體的測量條件和精度需求來決定是否使用無棱鏡全站儀，儀器標(biāo)稱值只能當(dāng)做參考，不可作為最終判定依據(jù)。

（2）反射物體表面光滑程度對無棱鏡測量精度的影響不明顯，但是反射面粗糙會產(chǎn)生漫反射，信號會減弱會使測程變短。 最佳的類似于刷過的水泥面 （粗糙度1～2mm）。

（3）反射物體的表面顏色的深淺也是影響無棱鏡測距的因素，顏色越淺測量精度越高。測量目標(biāo)表面的理想狀態(tài)是顏色為白色。

（4）在測量中遇到透明物體時，是不能得到真實有效的距離值，其測量誤差的大小隨著被測物體的透明程度和背后物體的距離大小而變化的。在測量過程中，要繞過透明之類的物體如玻璃。

（5）入射角度的大小會直接影響測量的結(jié)果，在測量過程中使入射光線垂直目標(biāo)面有困難時，應(yīng)盡量保證激光入射角不大于35°。當(dāng)入射光線與目標(biāo)面呈直角時觀測精度最高。

（6）在測邊緣點時，應(yīng)該選擇好的入射角度要讓激光束全部在邊緣點所在的平面上，進而避免因物體產(chǎn)生反射而降低了測量的精度。

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