一种地下导线测量的改进方法

2016-05-06汤伏全

测绘通报 2016年3期

关键词：全站仪

汤伏全，李　阳

(西安科技大学测绘学院，陕西西安 710054)

一种地下导线测量的改进方法

汤伏全，李阳

(西安科技大学测绘学院，陕西西安 710054)

An Improved Method of Underground Traverse Survey

TANG Fuquan,LI Yang

摘要：地下导线测量中全站仪一般采用点下对中的方式，其精度和效率容易受到影响。本文提出了一种改进方法，在测量时仪器不用精确对中测量标志，通过记录测点标志(垂球)在偏心测量盘上的读数，利用专门软件对测得数据进行归化改正，以获得精确的导线测量结果。试验数据处理结果及误差分析表明，该方法测量精度高、操作简便，提高了地下导线测量的效率。

关键词：全站仪；井下导线测量；偏心测量盘

在地下工程平面测量中，目前主要采用全站仪导线测量[1-3]。地下导线测量点一般都在隧道(巷道)顶板位置，采取挂垂球点下对中的方式进行仪器对中整平，由于隧道内测量环境较复杂，对中过程往往耗费不少时间，对中精度也无法保证，导致整个导线测量的效率不高[4]。因此，提高导线测量效率的关键点就是提高仪器对中整平的效率，之前已经有通过三架法[5-6]、自制激光上对点器[7]、激光垂球[8]等办法来减少地下导线对中时间,但都需要将全站仪对中测量标志才能开始进行测量工作。针对这个关键点，笔者制作了这套地下导线测量系统。本文中说明了这种测量装置的制作和其原理及使用方法，具体是通过在全站仪手柄上附加一个偏心测量盘，使得在进行地下导线测量时不需要对测量标志精确对中就可以进行测量，以此来快速准确地对地下导线进行测量，从而提高地下导线测量的效率和精度。

一、偏心测量装置的制作

偏心测量盘采用不易变形的合金工具钢加工制作，如图1—图3所示。偏心测量盘装置的主要部件是一块标有刻度的圆形刻度盘，刻度盘半径为57 mm，厚度为2 mm，刻度盘上的刻度标注如图1所示，度盘刻画面向上，中心位置为空心的中心旋钮，通过中心旋钮固定角度指标尺于刻度盘上。角度指标尺长70 mm，厚度为0.5 mm，可以绕中心旋钮在度盘表面360°旋转，指标尺的转轴中心与圆形刻度盘的中心是重合的。指标尺的另一端伸出圆盘外沿，便于使用者用手指拨动指标尺转动指标尺的外端镂空处，用于读出所指角度的读数。度盘底面是用于将装置固定于全站仪手柄的方形固定栓，如图2所示，方形固定栓尺寸为10 mm×5 mm×10 mm，固定栓距离中心旋钮中心20 mm，两个方形栓对称与中心旋钮排布，连线垂直于刻度盘的0°方向。

图1　偏心测量盘正面

图2　偏心测量盘底面

图3　偏心测量盘侧面

二、偏心测量装置使用方法

1. 数据采集准备

偏心测量盘安装方法如下：将两个固定栓分别插装到两个连接孔中，使偏心测量盘安装在全站仪的手柄上，并调整两个固定栓在圆形刻度盘上的位置，使圆形刻度盘的几何中心位于全站仪的中心轴线上，并且角度刻度的零刻度对准全站仪上望远镜的视准轴，如图4所示。

图4　偏心测量盘安装在全站仪

2. 数据采集

1) 在前视测站点位、后视测站点位和中间测站点位上均用鱼线悬挂垂球，并使垂球自然下垂。

2) 在前视测站点位上架设前视棱镜，在后视测站点位上架设后视棱镜，在中间测站点位上架设全站仪。

3) 将全站仪在中间测站点位的下方进行粗对中和精平，使垂球不超出偏心测量盘的圆形刻度盘范围。

4) 使用全站仪进行地下导线测量，得到导线实测夹角β、导线实测后视边长L1和实测前视边长L2。

5) 将全站仪对准后视棱镜后制动，待悬挂在中间测站点位上的垂球稳定后，转动偏心测量盘的角度指标尺，使角度指标尺上的角度指示线与垂球的中心线重合，读出角度指标尺上的角度指示线所指示的角度值λ和垂球底部顶点距离圆形刻度盘圆心的距离e。

3. 内业数据处理

原理分析如图5所示，O1点为理论上测站点，O点为实际测站点。OO1之间的距离为偏心距，记为e，AO与OO1之间的夹角可以通过刻度盘读出，记为λ。记实际测得的距离AO为L1，BO为L2；理论上的距离AO1为S1，BO1为S2。记∠AOB为β，∠AO1B为α。

图5　偏心测量原理

根据图中的几何关系分析，S1与S2可以由余弦定理得出

(1)

(2)

角度a和c可由正弦定理推算出

(3)

(4)

由图中角度的关系可知，所需要得出的理论上的测角α=β+a+c。

利用软件对数据进行规划改正，软件界面截图如图6所示。

图6　数据规划软件界面截图

最后，将其计算得到的导线后视边长S1、导线前视边长S2和导线夹角α存储到文本文件中。

三、精度分析

本测量装置的原理是对偏心测量所得到的数据进行改正，不存在对中误差，因此误差主要影响因素为在偏心测量盘上的读数误差。

导线边长S1和S2的误差方程分别如下

(5)

(6)

由于e很小，可忽略，因此L1≈S1,L2≈S2，故[9]

(7)

(8)

由α=β+a+c可得如下误差方程式

(9)

(10)

通过实例对上述一系列公式进行验算，所测得到λ=38°30′，e=0.025 m，β=122°30′45″，L1=121.522 m，L2=102.057 m；计算得到S1=121.502 m，S2=102.054 m，α=122°32′1″。

根据偏心测量盘上的刻度，测量人员在读数正确的情况下长度误差优于1 mm，角度误差优于1°。表1列出了当偏心盘上e读数误差为1 mm、λ读数误差为1°时，经过规划改正后得到的数据。

表1　误差分析列表

通过对比表中的数据可以看出，当偏心盘上e读数误差为1 mm、λ读数误差为1°之内时，规划改正后得到的数据在长度上相差不超过1 mm，角度上不超过1″。

本文实例中，采用本文方法所述的地下导线测量方法进行地下导线测量，耗时共5 min。为了进一步验证本方法的技术效果，在同样的测量环境下，对全站仪进行了精确对中和精确整平，测量得到导线后视边长S1=121.501 m，前视边长S2=102.053 m，导线夹角α=122°32′2″，耗时共15 min。对比测量结果可见，使用本文方法耗时短，测量结果能够满足精度要求[10]，大大提高了工作效率。

四、结束语

通过对比采用本文方法测量所得到的数据和采用常规方法测得的数据，验证了该测量方法的可行性。同时，本套测量装置的适用性广，偏心测量盘的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，在全站仪上的安装、使用非常方便。通过具体误差公式的推算及实例证明了其精度满足井下导线测量的要求，并且数据自动化程度高，数据处理结果能够直观显示并保存，将来可以进一步在配有偏心测量盘的全站仪上机载测量规划软件[11]，提高本系统的灵活性和便携性。本文方法大大提高了井下导线测量的效率，在地下工程测量中有着重要的现实意义。

参考文献：

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[2]王建华, 胡亚轩, 高勤生, 等. 全站仪水平距离的归算及在精密测量中的应用[J]. 测绘科学, 2011, 36(6): 222-223.

[3]王瑞峰. 全站仪及贯通误差预计在矿山测量中的应用[J]. 测绘通报, 2008(10): 36-38.

[4]YANG Y, XU T. Combined Method of Datum Transformation between Different Coordinate Systems[J]. Geo-spatial Information Science,2002,5(4):5-9.

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[6]许建军, 郑志刚. 采用四架法提高井下导线测量速度[J]. 矿山测量, 2001(3): 42-42.

[7]黄思远. 自制激光上对点器在井下导线测量中的应用[J]. 矿山测量, 2012(1): 48-49.

[8]杨红林. 激光垂球[J]. 激光与红外, 2001, 31(6): 336-337.

[9]张国良,顾和和.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008：192-193.

[10]能源部. 煤矿测量规程[M]. 北京：煤炭工业出版社，1989.

[11]许承权, 邹进贵, 倪涵, 等. 全站仪机载导线测量程序开发研究[J]. 测绘信息与工程, 2003, 28(6): 11-13.