淺談礦山測量中全站儀的常見問題及解決方案

秦 利

(潞安化工集團 黑龍關煤業有限公司，山西 臨汾 041200)

礦山測量是礦山建設和礦山安全生產中不可或缺的工作，為礦產資源的合理開發、礦山的規劃設計和建設、礦井安全生產和決策部署、礦山地質環境監測和治理等提供測繪地理信息數據，是礦山生產建設的“眼睛”[1]。隨著現代化安全高效礦井建設的不斷深入，國家對綠色開采、礦山地質環境監測和治理提出了更高要求，必須加強礦山測量工作的準確性、實效性和全面性。全站儀是測量自動化衍生的產物，是集光、機、電為一體，集經緯儀測角、鋼卷尺測距、高差測量等測繪基礎功能于一身的高技術測量儀器，測量方法便捷、測量精度較高，能夠實現遠距離、多種環境下、多方面的測量任務，為礦山建設提供可靠的測量信息數據，成為現代礦山測量最主要的測量設備[2-3]。

由于礦山測量技術要求較高，在全站儀實際應用中常會出現參數設置、儀器軸線調整、測量方式選擇等問題，嚴重影響全站儀測量的結果和質量。

1 全站儀的基本測量原理

眾所周知，測量的基本任務包括水平距離測量、水平角測量、豎直角測量、高差測量。與傳統測量方法相比，全站儀可以實現一次安置儀器完成測站上全部的測量工作，使距離測量、角度測量操作簡單化和便捷化，且能夠在一定程度上避免讀數誤差的產生。這是全站儀獨樹一幟的強大特點，而這一特點的支撐在于儀器本身特殊的部件結構。為了做到一次瞄準實現全部基本測量要素的測定功能，且保證測定結果的準確性，全站儀望遠鏡實現了視準軸、測距光波發射和接收光軸的同軸化，以及全站儀雙軸自動傾斜補償，即全站儀的基本測量原理[2]。

1) 全站儀同軸化。同軸化實際是針對望遠鏡來說的，在全站儀望遠鏡與調焦透鏡之間設置了分光棱鏡系統，當觀測者通過望遠鏡瞄準目標，望遠鏡十字絲中心與棱鏡或其他目標中心重合時，我們不僅可以通過全站儀提供的可視化屏幕進行水平角度、垂直角度讀數，也可以根據測距光波發射和接收光軸的同軸化原理，測定光波發射和接收時間差，間接計算全站儀望遠鏡中心與目標中心之間的距離，實現水平角、垂直角、距離等全部基本測量要素的測定功能。而根據全站儀自身附帶的強大、便捷的數據處理功能，使全站儀應用更為便捷。

2) 雙軸自動補償。全站儀主要軸線包括視準軸、橫軸、水準管軸、儀器豎軸等，而當儀器豎軸傾斜，會引起角度觀測誤差，且不能通過一測回盤左、盤右角度觀測取中進行消除。為了提高測角精度，降低豎軸傾斜對角度測量引起的誤差，全站儀安置了特有的傾斜自動補償系統，對豎軸傾斜進行自動監測，并對因傾斜造成的角度誤差進行自動補償和改正，進而保證觀測精度。

2 全站儀在礦山測量中的應用優勢

礦山測量涉及范圍較廣，且受到外界環境影響較大，傳統測量設備一次性完成某項礦山測量任務較為困難。而全站儀能夠有效地借助電子信息技術、數據性技術及光學技術滿足礦山測量需求，且儀器操作過程自動化、獲取數據手段明確且便捷、精度較高，避免了在惡劣礦山環境下出現較大誤差，保證了測量數據的可靠性[2-4]。全站儀能夠成為礦山測量必不可少的儀器設備，除了上述同軸化和雙軸自動補償的優勢外，還包括光電編碼度盤、免棱鏡和反射板距離測量、自動化測量程序設計等。

1) 光電編碼度盤。相對于光學經緯儀，全站儀選擇光電編碼度盤代替光學柵格度盤，利用自動編碼傳感器設別角度代替人工光學測微讀數，提高了測角穩定性，實現了角度的高精度自動記錄和顯示讀數，簡化了角度測量的操作步驟，降低了人工讀數誤差，且保留了傳統測角精度等級選擇。除此之外，全站儀開機后無需進行角度初設，關機后所獲取的角度信息能夠自動保存，極大地提升了全站儀的自動化水平。

2) 免棱鏡和反射板測距。現代全站儀設置的激光相位測距方法，不僅極大地提升了距離測量精度和目標測量距離，還增強了儀器發射的測距信號，全站儀可以直接通過接收和識別經過目標后漫發射激光信號，無需在目標點設置全反射棱鏡，實現距離測量。以徠卡TS06全站儀來講：全反射棱鏡距離測程為3 500 m，標準測量精度1.5 mm + 2×10-6D;反射片距離測程250 m，標準測量精度1.5 mm+2×10-6D；免棱鏡距離測程>1 000 m，2 mm+2×10-6D；激光反射率可達到90%.免棱鏡距離測量在礦山測量中得到了廣泛應用，例如在井下中腰線標定過程中，測量導線點距離巷道窩頭距離，由于導線點與窩頭之間常出現采掘設備影響、窩頭淤煤或積水、窩頭頂板不穩定等情況，全反射棱鏡測距存在的安全隱患較大，直接采用免棱鏡測距，極大地提升了測距效率和作業安全性。

3 常見的全站儀應用問題及解決方法

礦山測量受測量環境、安全因素、工作強度、涉及范圍等的影響，測量難度、測量的復雜程度等與傳統測量相比較大。由于全站儀集成度和自動化水平高，在實際礦山測量中，常常出現一些問題，在一定程度上限制了全站儀在礦山測量中的應用效果，降低了測量效率，測量結果精度不能保證，甚至出現測量錯誤，影響了礦山的安全生產運行。

3.1 測量距離不準確

測量距離不準確主要表現在棱鏡常數設置、棱鏡位置、測量信號遮擋等方面。

1) 棱鏡常數設置。全站儀利用全反射棱鏡進行距離測量，望遠鏡照準棱鏡中心，全站儀通過發射激光信號，并接收通過棱鏡反射的信號，基于信號發射和反射時間差進行距離計算。棱鏡為玻璃材質，與空氣相比，兩者對信號的折射率不同，激光信號通過棱鏡的傳播速度比在空氣中傳播速度慢，全站儀測量到反射棱鏡的距離比實際距離要長，這一差值稱為棱鏡常數。不同類型的棱鏡，棱鏡常數也不同(一般棱鏡廠家會在說明書上注明棱鏡常數)，常用的有-30 mm、-40 mm、0等幾種。如果在全站儀利用全反射棱鏡測距前，未在儀器中進行棱鏡常數設置，測量距離與實際測量距離就會存在一個常數差，屬于距離測量系統誤差，嚴重影響測量精度。尤其在大型巷道中腰線標定和貫通測量過程中，往往有多個設站，多個設站常數差累計會產生技術誤差，對測距結果造成嚴重的影響。

2) 棱鏡位置。在井下巷道中腰線標定過程中，導線點一般固定于穩定巷道頂板，設站測量采用瞄線繩的方法，距離測量與地面測量不同，一般不采用三腳架架設棱鏡對中整平的方法，而是采用人工手持棱鏡測距方法。而為了測距方便，棱鏡緊貼垂線繩前進方向或者反方向放置。而全站儀發射的激光信號是到達棱鏡中心后發生反射，所以測量的是望遠鏡中心與棱鏡中心之間的距離，棱鏡中心是指鏡頭內部十字中心，所以棱鏡中心與棱鏡表面存在一定的距離。棱鏡放置垂線繩前后都會造成距離測量誤差，且人工放置棱鏡抖動性較大，同樣影響測距精度。所以，正確放置棱鏡位置，應當將棱鏡上部中心對準線繩錘球底部，且利用現場物體進行輔助支撐。

3) 測量信號遮擋。激光信號往返時間差是計算距離的關鍵，在井下惡劣環境中，全站儀信號本身較弱，且空氣中遮擋信號和反射之物較多，造成測距信號弱，無法正常測距或者距離測量結果明顯錯誤。此外，全站儀激光接收信號在完全正確瞄準棱鏡中心的情況下達到最大，測距信號弱有可能是因為望遠鏡中心沒有正確瞄準棱鏡中心，在此情況下，即使能夠測量距離，測出的距離也與實際距離存在較大的誤差。

3.2 全站儀軸線結構問題

全站儀的主要軸線包括水準管軸、視準軸、橫軸、豎軸等，當儀器對中整平后，理論上全站儀應當滿足水準管軸垂直于豎軸、視準軸垂直于橫軸、橫軸垂直于豎軸、豎盤指標處于正確位置等基本幾何關系。而由于全站儀出廠穩定性較差，氣溫變化引起儀器部件脹縮，工作環境對儀器干擾影響，長期遭受震動、搬運等影響，造成全站儀各軸線關系發生變化，使測量結果產生誤差，主要包括視準軸誤差(2C互差)、水平軸傾斜誤差和豎軸傾斜誤差(指標差)。在誤差較小的情況下，可以通過全站儀具備的雙軸傾斜補償對軸線關系變化產生的誤差進行補償，消除誤差影響。而當軸線誤差較大，就會影響測量結果，主要體現在對角度測量的影響。所以，井下經緯儀導線測量，必須滿足一定的觀測限差規定，例如選用DJ2級別儀器，同一測回半測回互差小于±20″、兩測回互差小于±12″、豎盤指標差小于±15″，如果重復測量，儀器的歸零差、2C差、測回互差等不能滿足精度要求，則應當停止作業，對全站儀自身軸線進行檢驗和校正。

4 結 語

全站儀因其具備同軸化、雙軸傾斜補償、光電編碼度盤、高精度測距方式、以及涵蓋的多樣化自動測量系統等獨特優勢，在礦山測量中得到廣泛應用。然而，由于礦山測量工作條件限制以及全站儀集成自動化的特點，為了避免在測量作業過程中出現問題，應當嚴格按照相關規程規定，加強對全站儀的日常檢測和校正，持續提升儀器操作水平和解決問題的能力。