基于自动化全站仪的跨河测量技术研究

摘 要：本文基于笔者多年从事工程测量的相关工作经验，以基于自动化全站仪的跨河测量为研究对象，论文从三角高程测量单向观测的高差计算公式人手，分析了三角高程测量的误差来源。推导了跨河水准网中测距三角高程的精度估算公式，在此基础上，得出了减弱各项误差从而提高精度的一些结论。结合目前的自动化全站仪，探讨了精密三角高程测量实现精密跨河水准的可行性和便利性，最后指出了在实施跨河水准测量时应注意的一些事项。

关键词：精密三角高程测量 跨河水准 全站仪 测量机器人 精度分析

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（a）-0039-02

当水准路线必须跨越江河或峡谷时，视线将超出常规水准的长度或前后视距相差很大，一方面水准尺读数的精度将会降低；另一方面水准仪i角误差及大气折光的影响也会急剧增大。

当水准路线跨越江河，视线长度超过100 m时，应根据视线长度和仪器设备情况，选择适当的跨河水准测量方法。

三角高程测量是测量高程的传统方法，以其快速、简便且能保证一定精度而深受测绘工作者喜爱。特别是近年来全站仪的发展提高了测角和测距的精度，目前全站仪测角精度达到±0.5″，测距精度达到MD=±（0.5 mm+10-6×D），同时自动化程度越来越高。自动全站仪能自动识别、跟踪和精确照准目标，大大提高了工作效率。因此，以全站仪代替水准仪进行高程测量，无疑具有明显的经济效益和社会效益。目前，三角高程测量已可以代替三四等跨河水准测量，但用于代替精密跨河水准测量仍处在研究阶段，已有不少文献就此进行研究，并得出了一些结论。

1 正高高差计算及误差分析

三角高程测量单向观测的高差计算为：

（1）

其中，为平距；为垂直角；为仪高；为标高；为大气垂直折光系数；为地球半径。误差关系式为：

由此可以看出，三角高程测量的精度除了受测距中误差、垂直角观测中误差、仪器标量高误差外，还受大气折光和地球曲率的影响。

由（2）式可dtBiDfLTX4Mkzs3uIBZDw+ZhDIrLvmjE/OMo8GxbSvo=知，对的影响为：

跨河距离D<

经过计算可以得出以下结论：

（1）对的影响远远大于对的影响。可见，测角误差是三角高程测量的主要误差来源，因此要尽可能采用高精度的测角仪器，观测时要保证成像清晰稳定，并适当增加测回数。（2）对的影响随角度增加的变化量较大，而随距离增加的变化量较小，因此观测角度不能超过一定范围。（3）对的影响随角度增加的变化量较小，而随距离增加的变化量较大。因此跨河长度需控制在一定范围内，这就要求跨河点位尽量选择在河道狭窄处。

对于仪器和规标量高中误差，按常规的方法量测仪器高和规标高，精度很难满足要求，可以采用水准标尺读数法确定仪器高和规标高，在测站通过全站仪观测水平视线在近标尺点上的标尺读数，根据两点间的已测水准高差计算仪器高。这种方法测定的仪器高比直接量取准确，精度可以达到±0.1mm。

大气折光影响也是三角高程测量的一项主要误差来源。在跨河三角高程测量时，大气折光对高差的影响具有一定的特殊性。跨河视线不仅通过地面，而且通过水面，由于地面和水面上空空气密度分布不均，形成了视线两端向上弯曲，中间向下弯曲的“U”型曲线。故通过对向观测取平均值，可以消除一部分大气折光影响。如果观测是在同样情况下进行的，特别是同一时间内进行对向观测，则可以近似地假定对向观测的折光系数是相同的。

因此，为了削弱大气折光对三角高程测量的影响，凡是三等以上（含三等）三角高程测量的垂直角都应做到对向观测，最好是同时对向观测。

2 跨河测距三角高程的精度估算

要测跨河的A，B点之间的高差，由于交通工具的限制，不便迅速搬站，必须采用2台同样精度的全站仪和2个同样的照准装置，进行对向观测，即先将仪器置于A点，B点安置反射棱镜，直接测定高差，再将仪器置于B点，A点安置反射棱镜，直接测定高差。然后取两高差的中数作为观测结果。仪器高通过水准标尺读数法获得，观测之前将2个照准装置的棱镜高设置成相同的，边长垂直角均对向观测，垂直角观测6测回，边长观测4测回。观测使用TC2002全站仪。

根据三角高程测量单向观测的高差计算公式，可得对向观测高差的计算公式如下：

令：，则（3）式可以化为：

对于（4）式，由误差传播定律可得高差中误差的计算公式为

为便于计算，令，仪器量高中误差取±0.1mm，参考有关资料取±0.01，a和D分别取不同的值时。

以2作为限差与国家二等水准测量限差比较。比较可以看出：

（1）高差中误差随边长的增大而增大的量较大，因此，要控制边长保证精度。（2）利用精密三角高程测量实现跨河水准，跨河距离不能超过1500 m。（3）当跨河距离不超过1000 m时，观测垂直角可以放宽到15°；距离小于1200 m时，垂直角控制在8°以内，满足二等水准测量的要求。（4）跨河水准用测距三角高程法时，其视线垂直角小于1°。

高差中误差随垂直角增大而增大的量甚小，在一定的边长范围内，即使垂直角超过规范要求仍能保证必要的精度，这对于跨河两岸高差较大的情况具有实际意义。

3 自动化全站仪在跨河测量中的应用

自动化全站仪，也称测量机器人，是集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标及自动记录于一体的测量系统。测量机器人用于跨河测量具有以下优点：（图1）。

（1）测角精度很高，大大减小了由测角引起的误差。（2）具有自动目标识辨（Automatic Target Recognition，简称ATR）功能，可以自动寻找并精确照准目标；允许在目标处使用普通的棱镜，而无需昂贵的特殊棱镜或添置电源等配件。（3）可以自动进行气象改正，克服气象代表性误差。（4）建立高精度的参考站，采用随时改正的测量方案，可以消除和减弱各种误差（外部的和仪器内部的）对测量结果的影响，大幅度地提高测量精度。

现以TCA2003自动化全站仪为例来说明。其测距精度mD= ±（1 mm+10-6×D），测角精度（测回方向标准偏差）为±0.5"，若角度观测6测回，取=±0.2"，其他参数取值不变。

同样。以2作为限差。不难看出，仅仅一项测角精度的提高，使得精密三角高程测量实现跨河水准更为容易。距离不超过2000 m的情况下，可以达到国家二等水准测量的精度；跨河距离小于1000 m时，垂直角控制在100以内，可以满足国家一等水准测量的要求。

4 结语

本文对精密三角高程测量实现跨河水准的精度从理论上进行了分析，分析结果表明，在观测合理、处理方法得当的情况下，精密三角高程测量可以很容易实现国家二等水准测量。使用目前的高精度自动化全站仪，除了使操作更加便利外，可以提高三角高程测量的精度和实现更长距离的跨河测量，甚至有望实现跨江水准测量。

另外，对于短距离跨河测量，可以达到国家一等水准测量的精度。此外，实施跨河水准测量需要注意以下几点。

（1）测角误差是高差误差的主要来源之一，因此要尽可能的采用高精度的测角仪器，观测时要保证成像清晰稳定，并增加测回数来提高测角精度。（2）垂直角在短距离测量高差中，影响高差值较大，在长距离测量高差中，影响高差值较小，所以在短距离测定高差中.应使仪器高与棱镜高的差距尽量缩小。（3）跨河水准测量受气象因素影响极大，因此观测应选在无风或微风天气进行，在气温变化较大时应停止观测。大气折光影响是个比较复杂的间题，本文参考了有关资料取为±0.01。（4）两岸同时对向观测，可以极大地提高精度，消除或减弱仪器高误差、大气折光差、地球曲率误差等多项误差。（5）随着河视线长度的增加，高差中误差急剧增大，因此在条件允许的情况下，要尽可能缩短跨河视线长度，将跨河水准点选在河道最窄处。（6）对向观测的2个镜站设置同样标高，消除了标高误差。但观测时，要经常注意仪器及棱镜杆的圆水准器气泡是否居中，精度要求高时，应建造强制对中装置。

参考文献

[1]朱文明，刘式明.跨河测量技术综述[J].科技资讯，2012，12.

[2]黄自龙，王闰成.全站仪测量技术研究[J].科技创新导报，2011.

[3]陈三超.跨河测量智能化处理技术研究[J].科技资讯，2010.