論免棱鏡全站儀在地形測繪中的精度控制

鄒俊華， 魏益友

(江西省煤田地質局測繪大隊，江西 南昌 330008)

有棱鏡全站儀和GPS-RTK聯合全站儀是當前測繪領域中常用的測繪方法，可以保障測繪任務的快速完成，但是，在地形地測繪過程中，常遇到測量工作人員無法到達的地方，如沼澤、湖泊、深谷、懸崖等地區，但通常這些區域又是地形圖需重點表達的內容，顯然上述兩種測繪方法無法滿足地形測量的實際需求。免棱鏡全站儀在地形測量過程中可以實現不接觸被測點而獲得被測點的三維坐標，有效的避免了因地形地勢陡峭等原因導致測量人員無法到達被測點的缺陷，顯著地提高了地形測量的精度。

1 免棱鏡全站儀概況

1.1 免棱鏡全站儀

免棱鏡全站儀是利用光學原理將激光束打到需要測定的目標物的某一特定點上，被測物在受到激光束的照射過程中會通過漫反射的方式返回激光信號，免棱鏡全站儀接收后對激光信號的分析就可獲得被測點的三維坐標。免棱鏡全站儀不僅具備了有棱鏡全站儀的功能，且測量距離也較后者更遠。此外，免棱鏡全站儀與常規的測量手段相比，減少了測量工作人員爬山等工作，實現了遠距離測量，在今后地形、地籍、工程、房產、施工等測繪領域中具有廣闊應用的前景。

1.2 免棱鏡全站儀優點

與普通的有棱鏡全站儀相比，免棱鏡全站儀具有明顯的優勢，主要表現在以下幾個方面：(1)微信號不失真放大技術，在測量過程中若不使用反射棱鏡時，反射回來的信號僅表現在信號較弱，而反射回來的信號噪音極小，使得免棱鏡全站儀因具有微信號不失真放大技術而具有顯著優勢；(2)大動態范圍信號處理技術，普通的有棱鏡全站儀采用紅外技術，即反射回光信號變化范圍約為10倍，也就是信號可以從10 mV變為100 mV；免棱鏡全站儀使用激光技術，反射回來的信號相差可達10 000倍，使得免棱鏡全站儀在大動態范圍信號處理技術方面有明顯的優勢；(3)高頻信號處理技術，與普通的紅外有棱鏡全站儀相比，免棱鏡全站儀采用激光技術，不僅提高了測量精度，減小了周期誤差，相位均勻性也明顯提高，但是免棱鏡全站儀對信號接收板的要求也有所提高，需要處理的信號頻率與普通相比提高了4～8倍。

2 免棱鏡全站儀測量中誤差主要來源分析

查明測量儀器的誤差來源是消除誤差的主要途徑，免棱鏡全站儀在測量過程中產生的誤差來源與普通的有棱鏡全站儀的誤差來源一致，包含了三軸誤差、儀器的照準誤差、儀器的對中誤差、測角測距誤差、三角高程誤差等幾個方面。雖然誤差來源基本一致，但是在免棱鏡測量過程中，還受到測量目標的形狀、顏色、反射角等因素的影響。根據前人的研究成果顯示，不同的因素對免棱鏡測量精度的影響主要表現在以下幾個方面：(1)溫度對免棱鏡測量精度的影響不大；(2)材質的差異對免棱鏡測距精度的影響不大；(3)測反射面的顏色越淺，越有利于免棱鏡的測量；(4)入射角是影響免棱鏡全站儀測量精度的主要因素，盡可能減小入射角有利于提高免棱鏡全站儀的測量精度。

表1 不同入射角的測距結果統計表

3 免棱鏡全站儀在地形測繪中的精度控制分析

3.1 提高免棱鏡全站儀精度的措施

免棱鏡全站的誤差來源與普通有棱鏡全站儀的誤差來源一樣，包含了三軸誤差、儀器的照準誤差、儀器的對中誤差、測角測距誤差、三角高程誤差等幾個方面，造成免棱鏡全站儀系統誤差。儀器的系統誤差不是隨機變量，有一定的規律，因此可以通過校正等措施將其消除。按照免棱鏡全站儀系統誤差的特點，可以通過下述幾個方面的措施消除系統誤差，進而減少免棱鏡全站儀的測量精度：(1)在開展測量工作之前，需要對免棱鏡全站儀進行校正，包括校正免棱鏡全站儀中的管水準器、圓水準器、光學對中器、望遠鏡分劃板、豎盤指標差、視準軸與橫軸的垂直度等；此外，免棱鏡全站儀需要先校正后使用，盡可能減少系統誤差；(2)在測量時要隨環境調整測量方法，充分利用某些誤差的抵償特征，盡可能的減小或消除積累誤差，提高測量精度；(3)測量目標物體的形狀、顏色等對測量精度的影響較大，在測量過程中盡可能的選取顏色較淺的目標物，盡可能以低角度的入射角測量來提高免棱鏡全站儀的測量精度。

3.2 使用免棱鏡全站儀需注意的問題

免棱鏡全站儀誤差類型包括系統誤差和人為誤差兩個方面。因此，在使用該儀器進行地形測繪過程中需要注意以下幾點問題。(1)在使用免棱鏡全站儀前，需要將免棱鏡全站儀送至專門的測繪儀器計量校準部門進行檢驗與校正，只有檢驗或校正合格的產品才能投入使用，并要做好檢驗或校正記錄，消除或降低系統誤差；(2)在測量過程要充分考慮免棱鏡全站儀站點的位置，應選擇視野開闊、無阻擋物的區域設置站點，防治因樹木、電線桿等的阻擋對測量工作的干擾；(3)在測量過程中常會遇到反射條件差的區域，導致免棱鏡全站儀的測量精度明顯較低，因此，在實際測量過程中，全站儀站點與被測點之間的距離應保持在免棱鏡全站儀說明書中的最大測量距離之內，避免因反射條件差而降低測量精度；(4)選擇被測目標體時，盡可能地避開雜草、樹木等植被，因為選取上述植被作為被測目標時，在風吹草動的狀態下會使得免棱鏡全站儀的測量精度降低；(5)免棱鏡全站儀與普通的有棱鏡全站儀相比更為耗電，因此，為了保證測量效率，在外業操作過程中備好電池。

4 結語

在地形測繪中，尤其是我國青藏高原等高海拔地區，常存在大量測量人員無法到達的區域，此時，普通的測量儀器誤差較難準確獲得相應的測量數據。免棱鏡全站儀不需測量人員到達被測點，就可以獲得精確的三維坐標，不僅減少了測量工作人員的工作量，提高了測量人員的工作效率，提高了測量數據的精度，還保證了野外測量工作人員的安全問題，縮短了工作周期。同時，免棱鏡全站儀測量也有較大的局限性，在測量過程中要確保被測點無遮擋物，且被測點具有較好的反光性能，宜選用顏色淺的物體作為被測目標物。基于此，本文以免棱鏡全站儀為研究對象，簡要的講述了該儀器在地形測繪中精度的控制，以推動免棱鏡全站儀在地形測繪中廣泛應用。