智能全站儀精密三角高程測量替代二等水準測量

1、智能全站儀精密三角高程測量替代二等水準測量晏紅波, 黃 騰, 鄧 標(河海大學土木工程學院, 江蘇省南京市210098摘要:鑒于用傳統(tǒng)幾何水準的方法進行垂直位移監(jiān)測存在效率低、受環(huán)境和地形因素影響大等問題, 探討了用智能全站儀進行精密三角高程測量來監(jiān)測垂直位移。簡述了T CA2003全站儀的自動目標識別(AT R 功能和使用方法, 研究了AT R 精密三角高程測量的誤差來源及精度; 結合在某大壩的實踐, 分析了T CA2003全站儀AT R 三角高程測量的實測精度及其替代二等水準測量的可行性和可靠性, 給出了智能全站儀精密三角高程測量替代二等幾何水準測量的條件、減弱誤差的方法及提高精度的措施等

2、。關鍵詞:TCA2003全站儀; 自動目標識別; 三角高程測量; 精度; 可靠性中圖分類號:TV698. 1: 03:2007 05 0 引言一直以來, 大壩垂直位移監(jiān)測均采用幾何水準的方法, 該方法不僅作業(yè)效率低下, 而且受地形和環(huán)境條件的制約較大。但隨著具有自動目標識別(ATR autom atic target r ecognitio n 功能全站儀的問世, 測量手段及方法發(fā)生了革命性變化。目前, 運用TCA2003全站儀的AT R 功能進行測量, 在平面上完全能夠滿足一等精度要求, 這在很多工程中得到驗證。然而, 運用A TR 功能進行三角高程測量能否達到二等或二等以上的幾何水準精度?

3、 成果的可靠性如何? 一直是測繪界廣泛關注的問題?；赥 CA2003全站儀A TR 功能在某大壩的實踐, 本文對T CA2003全站儀AT R 精密三角高程測量替代二等水準測量進行了探討。1 ATR 功能與使用方法TCA2003全站儀具有目標自動識別與照準功能, 其主要部件ATR 裝置像測距儀一樣被安裝在全站儀的望遠鏡上。紅外光束通過光學部件被同軸投影在望遠鏡軸上, 從物鏡口發(fā)射出去。反射回來的光束形成光點, 由內置電荷耦合器件(CCD 傳感器接收判別后, 電動機驅動全站儀自動轉向棱鏡, 實現(xiàn)目標的自動識別、精確照準1。運用AT R 功能, 配備二次開發(fā)的機載測量軟件在各測站預先設置觀測方向

4、、測回數(shù)和測量限差, 無須人工測量, TCA2003全站儀在計算機軟件的控制下, 自動識別目標、定位、觀測、記錄、自動檢查限差并采取相應的措施, 完成多目標邊角數(shù)據(jù)采集。作業(yè)過程中自動生成數(shù)據(jù)庫, 并將觀測成果存儲于儀器的PCM CIA 卡中。2 ATR 三角高程測量誤差來源及精度分析常見的三角高程測量有單向觀測法、中間法和對向觀測法, 對向觀測法可以消除部分誤差, 故在精密工程測量及大壩安全監(jiān)測中被廣泛采用。眾所周知, 對向觀測法三角高程測量的高差公式為:h 對=12212+2124R+12122+122-U m (1式中:D 為兩點間的距離; 為垂直角; K 2-K 1為往返測大氣垂直折光

5、系數(shù)差; i 為儀器高; v 為目標高; R 為地球曲率半徑(6370km ; (U 1-U 2 /2-U m 為垂線偏差非線性變化量; =206265 。令K 2-K 1= K , (U 1-U 2 /2-U m = U, m i =m v =m iv , m 1=m 2=m 。對式(1 微分, 則由誤差傳播定律可得高差中誤差:m 2h 對=(tan 12-tan 21 2m 2D 4+m 2D 2R 2+m 2D 2+m 2 D 24 12+421 +m 2 K 24R 2+m 2iv +D 2 U 2(2由式(2 知, 除儀器高、離D 無關外, 其他誤差對高差的影響均與距離有關。因 12

6、與 21大小基本相等, 符號相反, 故可以認12-12=, 443第31卷 第4期2007年8月20日V ol. 31 N o. 4A ug. 20, 2007sec 4 21=2sec 4 12=2sec 4。在精密工程中, 通常三角高程測量的距離不大于1km, 而在1km 范圍內由于 K 很小, 當 K 最大為! 0. 04時, m 2D (D K /2R 20。由于全球垂線偏差平均數(shù)約為! 4s, 按最不利的情況, 即300km 范圍內 U 最大為60s考慮, m 2D ( U/ 20, 故其對三角高程測量的精度影響可以忽略不計。令m 1=Dm sec 2 2(3m 2=m D tan

7、(4m 3=m K 24R(5m 4=m iv (6m 5=D U(7則式(2 簡化后可改寫成:m 2h 對=m 21+m 22+m 23+m 24+m 25(8由式(8 可知, 式(3 式(7 即為影響三角高程測量精度的主要因素, 其來源及大小如下。2. 1 垂直角觀測誤差垂直角觀測誤差主要由儀器和A TR 照準誤差引起。文獻2指出, 在配有強制對中裝置觀測墩的情況下, AT R 測量5測回, 測角精度可達! 0. 5 , 則12測回精度必優(yōu)于! 0. 5 , 測角誤差對高差精度的影響按式(3 計算。根據(jù)研究結果, 取 =25#, 1km 范圍內測角誤差對高差精度的影響見表1。表1 角度對高

8、差的影響距離/m 影響量/mm距離/m 影響量/mm1000. 216001. 252000. 427001. 463000. 638001. 674000. 849001. 885001. 0410002. 092. 2 測距誤差除與儀器本身的制造精度有關外, 測距誤差受外界環(huán)境影響較大, 如溫度、濕度、大氣折光等。TCA2003全站儀測距精度達(1+10-6D mm, 根據(jù)式(4 可計算出1km 內測距誤差對高差精度的影響, 結果如表2所示。表2 距離對高差的影響距離/m 影響量/mm距離/m 影響量/mm1000. 516000. 752000. 567000. 793000. 6180

9、00. 844000. 659000. 895000. 7010000. 932. 3 大氣垂直折光差大氣垂直折光差 K 較為復雜, 目前仍處于研究階段。由式(5 可知, 在非嚴格對向觀測時, 不可能完全消除大氣垂直折光的影響, 根據(jù)文獻3 4, 取m K =! 0. 03, 由式(5 可得折光差對高差的影響, 見表3。表3 折光差對高差的影響距離/m 影響量/mm距離/m 影響量/mm1000. 016000. 422000. 057000. 583000. 118000. 754000. 199000. 955000. 3010001. 182. 4 儀器高、目標高的量取誤差儀器高、目標高

10、的量取誤差主要由量高儀器的精度決定。在精密工程或變形監(jiān)測控制網(wǎng)中, 一般要求建立穩(wěn)定的觀測墩和強制對中裝置, 采用游標卡尺在基座3個方向量取, 使3個方向量取的校差小于0. 2mm, 并在測前、測后進行2次量測, m iv 達! 0. 2mm, 可見此項誤差影響較小。2. 5 垂線偏差垂線偏差由測站與鏡站的垂線和法線方向不一 致引起。在工程測量中控制網(wǎng)控制范圍小, 邊長在1km 以內進行對向觀測, 垂線偏差對高差的影響很小。根據(jù)文獻3 4, 取垂線偏差中誤差m U =! 0. 1 , 在短距離情況下, 此項誤差的影響基本可以忽略。以上分析表明, 測距誤差、垂直角觀測誤差和大氣垂直折光差是影響三

11、角高程測量的主要因素。1km 內它們對高差精度的影響如圖1所示。圖1 角度、距離、折光差對高差精度的影響由圖1可知, 在1km 范圍內, 測角精度是影響高差精度的主要因素, 距離次之, 在距離超過600m 后往返測折光差的影響迅速增大, 表明在精密三角高程測量中應控制邊長的長度。為分析精密三角高程測量替代二等幾何水準測 量的可行性, 將上述各項誤差分別代入式(8 , 求得它們對高差精度的聯(lián)合影響m h 對, 并取2m h 對與文獻5 442007, 31(4為閉合環(huán)長度 進行比較, 結果見表4。表4 不同條件下2m h 對與二等水準測量限差比較2. 362. 462. 612. 833. 12

12、3. 493. 10由表4可知, 在距離不超出600m 、垂直角不超出25#時, T CA2003全站儀三角高程測量替代二等幾何水準測量在理論上是可行的。3 實測資料分析某大壩變形監(jiān)測網(wǎng)由9個點組成, 網(wǎng)形如圖2所示, 各點均埋設有強制對中裝置的觀測墩, 網(wǎng)中最長邊約1087. 5m, 最短邊約129. 9m, 平均邊長約612. 4m; 最大高度角約5. 7#, 最小高度角約-1. 5#, 平均高度角約2. 4#。網(wǎng)點高程中僅有LS3和LS4能用一等水準引測, 其他點采取三角高程測量獲得。全網(wǎng)共50條邊(單向 , 50個天頂距, 可組成29個獨立三角形。共進行了3期觀測, 在網(wǎng)點建成穩(wěn)定3個

13、月后的10月11月間首先進行了2期等精度連續(xù)觀測, 次年11月又進行了第3期觀測。根據(jù)有關規(guī)范和設計要求, 平面網(wǎng)按一等邊角網(wǎng)施測, 高程采用對向精密三角高程法12測回觀測, 三維觀測量由TCA2003 全站儀同步完成。圖2 某大壩變形監(jiān)測網(wǎng)相關規(guī)范和設計要求, 由三角高程測定的三角高程高差閉合差W 應小于(2. 5 / 1s2i(s i 為三角形第i 條邊邊長, =206265 。為分析AT R 實測三角高程測量的精度, 對外業(yè)觀測成果進行閉合差統(tǒng)計, 3期最接近限差的高差閉合差統(tǒng)計結果見表5, 表明3期測量的高差閉合差均小于限差。表5 高差閉合差統(tǒng)計測期閉合環(huán)構成環(huán)線長度/m 閉合差/mm

14、 限差/mm 第1期LE1 LS3 LE31762. 3-10. 9413. 55第2期LE1 LE3 LS11922. 9-9. 3213. 56第3期LE1 LS1 LE52194. 5-8. 9215. 92為研究AT R 實測三角高程精度能否達到二等幾何水準精度, 將3期外業(yè)測量成果的主要精度指標(往返測高差不符值和三角形三邊高差閉合差, 其中測段往返高差不符值按4L 計算, L 為測段的長度, 三角形三邊高差閉合差按4F 計算 與二等水準限差比較, 結果見表6。表6 外業(yè)測量精度統(tǒng)計測期往返測高差校差/mm三角形高差閉合差/mm第1期98第2期53第3期82總邊數(shù)/個2529經(jīng)統(tǒng)計發(fā)

15、現(xiàn), 無論往、返測高差不符值, 還是三角形高差閉合差超限的, 均是邊長或閉合環(huán)中含邊長超過750m 的長邊, 這不能排除長邊受大氣折光的影響。由文獻5知, 幾何水準測量每千米高差全中誤差為:M w =!L(9 式中:N 為高差閉合環(huán)個數(shù); W 為閉合差; L 為閉合環(huán)路線長度。按式(9 計算的3期每千米高差全中誤差分別為2. 34mm, 2. 26m m 和2. 32mm, 接近二等水準測量規(guī)定的2mm (上述二等水準測量各項限差是以點間的直線距離計算的, 而實際測量水準路線長度將長得多 。若除去閉合差超限的閉合環(huán)(其中均含有超過750m 的長邊 , 按式(9 求得的3期每千米高差全中誤差分別

16、為2. 0mm, 1. 6m m 和1. 9m m(并未把所有含邊長超過750m 的閉合環(huán)除去 。文獻5規(guī)定, 檢測已測測段高差之差的限值為:一等! 3R mm 、二等! 6R m m(R 為測段間的長度 。由三角高程測定的高差與一等水準引測的LS3 LS4之間的高差和比較結果見表7。表7 三角與一等水準高差的比較測期點名已知高差/m 三角高程/m 校差/mm 第1期LS3 LS4-20. 7369-20. 73352. 7第2期LS3 LS4-20. 7365-20. 73372. 8第3期LS3 LS4-20. 7362-20. 73362. 645%大壩監(jiān)測儀器及自動化% 晏紅波, 等

17、智能全站儀精密三角高程測量替代二等水準測量LS3 LS4間的距離為0. 42km, 三角高程測量以二等為準, 則兩者之間的校差限差為3. 9m m 。由表7可知, 3期三角高程測定的高差與一等水準測定的高差校差最大為2. 8m m, 小于限差規(guī)定。以上各項精度指標分析表明, 應用TCA2003全站儀進行三角高程測量達到了較高的精度, 在一定的條件下可以代替二等水準測量。以一等水準引測的LS3和LS4點為已知高程, 對三角高程網(wǎng)嚴密平差, 得到的3期最弱點(LS1 高程中誤差分別是! 1. 5mm, ! 1. 3m m 和! 1. 5m m, 也表明TCA2003全站儀三角高程測量達到了較高的精

18、度。4 可靠性檢驗評價測量儀器的優(yōu)劣, 除判別其測量精度外, 可靠性也是一個重要的指標。為評定T CA2003全站儀ATR 三角高程測量成果的可靠性, 對3期成果進行了檢驗。對三角形高差閉合差進行系統(tǒng)誤差檢驗通常均采用t 檢驗法6, 其統(tǒng)計量為:t =s-(10 由于各三角形閉合差所占的權重不同, 為了使統(tǒng)計量適用于本問題, 將式(10 改寫為:t =nn1(wii ns-(11式中:w i 為第i 個三角形高差閉合差; p i 為相應的權; n 為三角形個數(shù); s -=假設等精度的三角形高差閉合差數(shù)學期望為0, 反之其數(shù)學期望不為0。由觀測結果及式(11 求得t 值, 取顯著水平a =0.

19、05, 對3期觀測結果進行檢驗可得(i 為期數(shù) :|t 1|=0. 493, |t 2|=0. 845, |t 3|=0. 554, 均小于t 0. 025(28 =2. 048。檢驗結果表明, 3期TCA2003全站儀測定成果的系統(tǒng)誤差均不顯著, 說明T CA2003全站儀三角高程測量成果的可靠性較高。5 替代二等水準的條件與措施結合AT R 精密三角高程測量誤差來源、精度分析及在某大壩的實踐, 參考有關研究結果, 得出精密三角高程測量替代二等水準測量的條件與措施主要有:1 變形監(jiān)測控制網(wǎng)各網(wǎng)點均應為帶有強制對中裝置的觀測墩, 觀測使用精度及自動化程度較高的TCA2003全站儀。 600,

20、垂直角小于25#。由分布均勻且易于用一等幾何水準方法測量其高程的一部分網(wǎng)點作為三角高程網(wǎng)嚴密平差的已知點7。3 觀測應選擇成像清晰、大氣相對穩(wěn)定的時刻進行, 觀測時應在測站和鏡站處同時嚴格讀記溫度、濕度、氣壓等數(shù)據(jù)。相關研究表明, 測距在日出后1h 和日落前1h 為最佳時間, 垂直角觀測最佳時間段在太陽中天前后, 即地方時10:0016:00。4 儀器高和覘標高采用游標卡尺量取, 在基座的3個方向量高, 取中數(shù)使用, 并在測前、測后進行2次量取。5 在測角測距中, 既用AT R 又用人工方式檢查和測定ATR 有無照準差。6 結語1 在一定的條件下, T CA2003全站儀精密三角高程測量替代二

21、等幾何水準測量是切實可行的。2 TCA2003全站儀測量速度快、精度高、受外界因素影響較小, 在多種氣象條件下均可進行觀測。3 成果具有較高的可靠性, 也表明了ATR 功能具有較高的目標識別精度。應用ATR 功能可實現(xiàn)全自動觀測和記錄, 降低了勞動強度, 節(jié)省了人力, 提高了作業(yè)效率。4 我國類似的大壩較多, 且多數(shù)在地形復雜的山區(qū)或丘陵地帶, 本工程的實踐對大壩垂直監(jiān)測及此類地區(qū)精密高程傳遞均具有一定的借鑒意義。參考文獻1喻興旺, 程鳴堅, 徐忠陽, 等. T CA 2003全站儀在港口灣水庫大壩變形監(jiān)測中的應用. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2003, 27(5 :48 50.2黃騰, 陳光保

22、, 張書豐, 等. 自動識別系統(tǒng)A T R 測角精度研究. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2004, 28(3 :38 40.3周水渠. 精密三角高程測量代替二等水準測量的嘗試.測繪信息與工程, 1999(3 :26 27.4周國樹, 章書壽. 精密三角高程測量在大壩沉降監(jiān)測中應用的試驗研究. 大壩觀測與土工測試, 1996, 20(5 :23 27.5GB 50026 93 工程測量規(guī)范. 北京:中國計劃出版社,1994.6武漢測繪科技大學測量平差教研室. 測量平差基礎.3版. 北京:測繪出版社, 1996:166 169. 7張正祿, 鄧勇, 羅長林, 等. 精密三角高程代替一等水準測量的研究.

23、 武漢大學學報, 2006, 30(1 :5 8. 晏紅波(1983 , 女, 碩士研究生, 主要從事建筑物安全監(jiān)測及精密工程測量研究。E mail:yanzi0773163. com462007, 31(4Substitution of Intelligent Total Station Trigonometric Leveling for Second order LevelingY A N H ong bo , H UA N G T eng , D EN G B iao (H ohai U niv ersity , N anjing 210098, ChinaAbstract:T he

24、tr aditio nal geo metry standard method used in the v ertical displacement o bserv atio n is pr ov ed inefficient and toosensitiv e to the environment and ter rains. So this paper discusses the use o f intelligent tota l station in pr ecise tr ig onometr ic leveling fo r the ver tical displacement o

25、bservation. T he aut omatic tar get recog nitio n (A T R function and its uses ar e br iefly intro duced; the er ro r sources and pr ecision of tr igo no metric lev eling w ith A T R of to tal statio n T CA 2003ar e r esear ched. Based on the applicat ion of A T R to a dam, the actual precision of t

26、r igo no metric leveling wit h A T R and its feasibility and reliability o f subst itution fo r second o rder lev eling ar e analyzed. F inally, t he conditions for such substitution and metho ds for decreasing erro rs and impr ov ing the precision ar e pr oposed.Key words:t otal stat ion T CA 2003;

27、 A T R; tr igo no metric leveling ; pr ecision; r eliabilit y(上接第33頁張高群(1964 , 男, 碩士研究生, 工程師, 研究方向為電力系統(tǒng)微機應用。E mail:zhang _gaoquncypc. com. cnFunction and Structure Design for Hydropower Enterprise ERP SystemZH A N G Gaoqun(Chongqing U niv ersity , Chongqing 400044, ChinaAbstract:T he status quo and feasibility o f the develo pment and utilizat ion o f hydro pow er enter prise r eso ur ce prog ram (ER P are analy zed. T he technical char ac