淺談無棱鏡全站儀在工程測量中的應用

1、<p>　　淺談無棱鏡全站儀在工程測量中的應用</p><p>　　【摘要】：本文結合全站儀技術的發(fā)展，介紹了無棱鏡全站儀測量的原理和結構；結合無棱鏡全站儀的特點，簡要介紹了在工程測量領域的應用。 </p><p>　　【關鍵詞】：工程測量；無棱鏡測距技術；測距原理；精度分析 </p><p>　　中圖分類號：K826.16 文獻標識碼：A 文章編號： &

2、lt;/p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　隨著科學技術的不斷發(fā)展，微電子技術在測量儀器中得到了廣泛應用,先進的電子測繪儀器以其高效率和高精度等優(yōu)越的性能替代了常規(guī)的光學機械儀器；進入21世紀后,電子全站型測量儀器更是日新月異,尤其是無反射棱鏡全站儀,達到了在儀器測程范圍內無反射棱鏡即可快速測距的更先進效果,如徠卡TCR系列,天寶5600系列,

3、拓普康3000系列等多種系列的無反射棱鏡全站儀,都具有測距性能穩(wěn)定,且精度較高,可達毫米級；無反射棱鏡全站儀把無棱鏡測距技術與傳統(tǒng)的全站儀結合在一起,給外業(yè)測量工作帶來了極大的方便和快捷,既提高了外業(yè)測量工作的效率,又節(jié)約了人力和物力,同時也引發(fā)了全站儀領域新的技術競爭。 </p><p>　　2 全站儀無棱鏡測距的基本原理和結構 </p><p>　　無棱鏡全站儀即不需要棱鏡作為合作目標

4、就可以進行測距的全站儀。無棱鏡測量(Reflectorless)又叫無合作目標測量是不需要反射棱鏡而依靠被測物的自然表面反射光線來進行測距。無棱鏡測距的方法有兩種，一是脈沖法，另外是相位法，脈沖法用測量時發(fā)射和接收信號之間的時間間隔來計算距離，多次測量得出平均距離。相位法測量使用連續(xù)信號，以不同的頗率來調制載波信號，測出發(fā)射和接收信號之間的相位差，從而求出被測距離。一般來講，在相同的條件下，脈沖發(fā)的測程遠，相位法的精度高。以徠卡TCR1

5、202全站儀為例作一些測距原理的簡單介紹。 </p><p>　　Leica TCR1202全站儀EDM(Electronic DistanceMeasuring instrument)模塊被集成在全站儀中，可以產生一束與望遠鏡同軸的紅外激光IR(Infra-Red），由紅外激光發(fā)射管發(fā)射，作為相對于紅外光束的一種選擇。它還可以產生可見波段紅色激光束RL(Red Laser)，由紅色激光發(fā)射管發(fā)出，相應有IR和R

6、L兩種測距方式，可通過全站儀鍵盤上的按鍵來完成兩種測距模式的轉換。常規(guī)的全站儀，大都用發(fā)光管(LED)作為信號源，而現(xiàn)代儀器采用激光管的新型全站儀，提高了發(fā)射功率，保證無棱鏡測量的測距精度，相位法測距用的測量光束很細，因此能準確地分辨出相鄰非常近的點，脈沖式無反射棱鏡測距，不需要很強的激光功率，但其精度較低。IR測距方式需要反射棱鏡或反射片，RL測距方式可以不用反射棱鏡，也可以用反射棱鏡測量。徠卡TCR1202全站儀結構如圖1 所示：

7、</p><p>　　圖1 徠卡TCR1202全站儀的測距結構 </p><p>　　3無反射棱鏡全站儀的特點 </p><p>　　無反射棱鏡全站儀把無反射棱鏡測距融合進了傳統(tǒng)的全站儀,具備雙重的功能,實現(xiàn)了所瞄即所測。同以往的全站儀相比,無反射棱鏡全站儀具有以下一些特點: </p><p>　　3.1 效率高，使用范圍廣 </p&g

8、t;<p>　　無反射棱鏡全站儀最大的優(yōu)勢就在于不需要接觸被測點，就可獲得被測點的三維坐標。這一來，一方面省去了作業(yè)員爬高上坡的奔波之苦，作業(yè)強度和危險性大大降低，另一方面也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。 </p><p>　　3.2 測距速度快、精度高 </p><p>　　目前，市面上大多數(shù)無棱鏡全站儀的測距速度一般在1秒左右，測距精度為2mm+2p

9、pm,這樣就使作業(yè)時間大幅減少，即提高了工作效率，又保證了測量成果的精度。 </p><p><b>　　3.3 測程遠 </b></p><p>　　無反射棱鏡全站儀可以在RL狀態(tài)使用棱鏡，這樣就大大提高了它的測程，如徠卡TCR系列全站儀在IR模式測量時單棱鏡測程3km,在RL模式下用單棱鏡測量測程5km,測程幾乎提高了一倍。 </p><p&g

10、t;<b>　　3.4 安全性好 </b></p><p>　　激光對眼的安全性是一個很重要的問題。根據國際激光安全標準，測量員使用望遠鏡直接觀察不符合等級的激光束，不管該激光束是可見光還是不可見光，都可能會受到傷害。但一般的全站儀都滿足2 級以上激光標準，這個等級對人眼是相對安全的。 </p><p>　　4&#1048578;在工程測量中的應用 </

11、p><p>　　無反射棱鏡全站儀最大的優(yōu)勢就在于不需要接觸被測點就可獲得被測點的三維坐標。這一優(yōu)勢可以通過幾個實際應用例子進行闡述。 </p><p><b>　　4.1 地形測量 </b></p><p>　　4.1.1 無棱鏡全站儀應用于建筑區(qū), 實現(xiàn)了可見即可測的目的,減輕勞動強度、節(jié)省跑尺員跑點的時間, 大大提高了作業(yè)效率。 </p&

12、gt;<p>　　4.1.2 一個作業(yè)組兩個人就可進行野外作業(yè), 一個操作, 另一個跑桿進行轉站點的測設。 </p><p>　　4.1.3 在溝壑、懸崖等人員無法到達和到達困難的地方, 無棱鏡全站儀可輕松地獲取這些地物點的空間位置, 從而避免人員的安全問題、并節(jié)省時間, 提高了工作效率和作業(yè)精度。 </p><p><b>　　4.2 地籍測量 </b>

13、;</p><p>　　4.2.1 常規(guī)全站儀測量界址點存在的誤差 </p><p>　　常規(guī)測距儀或全站儀測量界址點時往往存在棱鏡不能嚴格放置在界址點點位上的問題, 常規(guī)圓棱鏡從棱鏡中心到棱鏡厚壁厚2.8cm,左右寬各4.5cm。使用常規(guī)測量方法進行界址點測量時,很難消除棱鏡厚度或寬度原因帶來的棱鏡不能嚴格放置在界址點點位上產生的方向及距離誤差。 </p><p>

14、;　　使用無反射棱鏡全站儀進行城鎮(zhèn)地籍調查界址點測量時，完美解決了常規(guī)全站儀反射棱鏡不能嚴格放置在界址點位置上的問題，減小了儀器照準誤差和距離誤差,對地籍要素,建筑物、構筑物的測量大大提高了測量效率,減少了設站次數(shù),既節(jié)省了人力和時間,又提高了界址點測量精度。使用無棱鏡全站儀在地籍調查碎部測量中, 發(fā)揮了常規(guī)全站儀不可替代的作用,解決了反射棱鏡不能嚴格地放置在界址點點位上的問題。表2是徠卡常規(guī)TC305全站儀和無反射棱鏡徠卡TCR120

15、2 全站儀在某測區(qū)地籍碎部測量中相鄰界址點中誤差的比較。 </p><p>　　表2：常規(guī)全站儀和無棱鏡全站儀測量界址點中誤差比較 </p><p>　　由表2可見, 無反射棱鏡全站儀測量界址點精度高于普通型全站儀, 這是無反射棱鏡全站儀正確的照準了界址點點位, 從而減小了儀器的照準誤差和測距誤差, 由此說明無反射棱鏡全站儀是地籍調查碎部測量的最佳測量儀器。 </p><

16、;p><b>　　4.3 斷面測量 </b></p><p>　　4.3.1 隧道斷面測量 </p><p>　　隨著鐵路電氣化的普及, 傳統(tǒng)隧道斷面測繪方法已經不適應鐵路的發(fā)展(要在接觸網停電時才能進行隧道斷面測繪)。無反射棱鏡全站儀可以較好地解決這些問題：將其直接架設在隧道內任意一根鋼軌上, 利用該儀器的激光對中和電子整平功能精確安置好儀器, 轉動望遠鏡直接

17、用可見激光束照射所測點位, 即可測出點的平距和高差, 望遠鏡旋轉一周即可測出既有隧道斷面的點位數(shù)據, 通過現(xiàn)場筆記本電腦繪圖可以直接看出隧道變形情況。如廣州地鐵1號線隧道整治工程隧道斷面測量, 在供電接觸網不停電、不影響正常行車的情況下實施了測量作業(yè), 全部隧道斷面測量作業(yè)過程共測斷面20個, 累計用時1小時, 測量人員為3人。所測隧道斷面數(shù)據真實、細膩和準確, 保障了設計工期。 </p><p>　　4.3.2

18、 工程斷面測量 </p><p>　　在視野開闊、山勢陡峭、無茂盛植被地區(qū),尤其是地形陡峭險峻地段,作業(yè)人員攀爬會造成極大的安全隱患,這種情況下無棱鏡全站儀的優(yōu)勢體現(xiàn)的更為明顯。在某道路工程線路橫斷面測繪過程中,經常將無棱鏡全站儀架設在溝谷的對岸來對陡峭的地貌進行斷面測量。測量方法是將儀器架設在視線開闊處,將棱鏡對中桿安置于線路中心對應斷面里程處,設置好儀器,利用全站儀無棱鏡測距功能結合全站儀內置對邊測量應用程序

19、,直接瞄準所測目標點的位置,測出目標點離線路中心的距離和高程,在現(xiàn)場用筆記本電腦進行斷面圖繪制。斷面測量過程中充分發(fā)揮了全站儀無棱鏡測距功能,減輕了作業(yè)人員的勞動強度和作業(yè)危險性,提高了測繪速度,縮短了外業(yè)作業(yè)時間,取得了明顯的經濟效益。 </p><p><b>　　4.4 其它領域 </b></p><p>　　無反射棱鏡全站儀在其他測繪領域方面還有許多應用, 如

20、應用在建筑物、橋梁、滑坡等變形監(jiān)測，古文物及重要建筑的保護、隧道橋梁施工測量等。 </p><p><b>　　5 結論 </b></p><p>　　無棱鏡全站儀在特殊點、危險點測量中顯示出極大優(yōu)越性，解決了傳統(tǒng)測量方法解決不了的問題。不僅使作業(yè)強度和危險性大大降低，而且極大提高生產效率，測點精度高且均勻，既保證了作業(yè)精度，又節(jié)省了人力，使工作人員不再冒著生命危險高

21、空作業(yè)。還對被測目標也起到一定保護作用。即使在一般測量條件下，全站儀無棱鏡測量技術也比傳統(tǒng)測量方法優(yōu)越。目前，無棱鏡全站儀已經越來越廣泛地應用在測繪生產當中，實踐證明無論從精度還是其實用性來說在工程測量各個領域中無棱鏡全站儀均有廣闊的應用前景。 </p><p>　　然而無棱鏡全站儀測量也存在著不足之處，對物體邊緣點的測量容易測量到目標前后的其他反射物體，會得到不準確的數(shù)據，另外無棱鏡全站儀測量的是第一進入反射面

22、的物體，所以要避免所測目標前后無移動物體經過。這一不足之處現(xiàn)在只有靠測量人員細心認真地瞄準目標，提高測量員自身的測量技術來彌補。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]范百興、夏治國.全站儀無棱鏡測距及精度分析[J].北京測繪，2004,(1). </p><p>　　[2]朱順平、薛英.無反射棱鏡全站儀及