无棱镜反射测量稳定性和精度探讨

艾泽天，于 洋，谷双喜

（滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000）

无棱镜反射测量稳定性和精度探讨

艾泽天，于 洋，谷双喜

（滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000）

本文分别测试了徕卡TCR1202、拓普康ESG602、苏一光OTS612B和科力达KTS582R等四种全站仪，在不同的反射材质、不同反射距离、不同反射角度下的无棱镜反射测量稳定性和精度.通过实验数据，探讨了四种全站仪的无棱镜反射测量稳定性和精度以及无棱镜反射测量的注意事项.

全站仪；无棱镜反射测量；精度探讨

1 引言

无棱镜全站仪，即不需要棱镜作为合作目标就可以进行测距的全站仪，它是一种兼有自动测距、测角、计算和数据自动记录的自动化、数字化的三维坐标测量仪器[1].无棱镜反射测量具有效率高、适应性强、测距速度快等优点，广泛应用于地形测量、地籍测量、悬高测量、林业树冠测量等领域，不仅使作业强度和危险性大大降低，而且对被测量目标起到了一定的保护作用[2].

近十年来，随着国产测绘仪器的不断进步，国产全站仪以价格低、性能全、操作方便等优势逐步占据了国内测绘仪器市场，并在常规测量中得到了广泛的应用.而现有的无棱镜测量稳定性及精度研究，均集中在国外品牌的全站仪，尚无研究国产全站仪的无棱镜测量精度的文献发表[1-6].因此，研究在同等精度观测条件下，进口全站仪、合资全站仪、国产全站仪的无棱镜测量稳定性和精度指标，具有一定的实际意义.

2 无棱镜反射测量实验

2.1 实验材料及方案

本次实验采用滁州学院测绘工程实验室中四种全站仪，分别是苏一光OTS612B、科力达KTS582R、拓普康ES602和徕卡TCR1202（后面就简称为苏一光、科力达、拓普康和徕卡），包含了国产、合资和进口三种仪器类型，仪器均鉴定合格，其标称性能见表1.本实验选取的反射对象材料是地形测量、地籍测量、悬高测量、林业测量中经常会测量到的几种材料，主要有红砖、水泥砖块、木材、塑料、金属等.

表1 四种全站仪标称性能

为了分别检验上述四种全站仪的测距精度和稳定性，本文设计了三个实验：①不同反射材质对测距精度的影响；②不同距离对测距精度的影响；③不同入射角度对测距精度的影响.实验过程为，选择一处平整场地，固定A、B、C、D、E、F五个点，大约间距为50m、100m、150m、200m、250m.测试时将仪器固定在A点，目标固定在其他点上，每台仪器在每次测量实验均测量6次，并记录6次的测量值.

2.2 精度评价指标

在相同测量条件下进行的测量称为等精度测量，等精度观测最好的评价指标就是标准差[1].观测值标准差并不反映观测值精度，但是却能很好地反映观测值的离散程度，即观测值的内部精度，标准差能够很好的体现全站仪测距的稳定性，简单来说，标准差越大，表示全站仪测距稳定性越差；标准差越小，表示全站仪测距稳定性越好.标准差的计算公式如下：

式中：σ—标准差；μ—平均值；X—观测数字；n—观测次数.

为了更准确的评价每种全站仪的无棱镜测量精度，还选择测距平均值和测值最大差做为精度评价指标.本文中的每项平均值为6次测量的平均值，每项的测值最大差是6次测量的最大误差.

2.3 实验结果及分析

2.3.1 不同反射材质

在A点架设仪器，将反射对象放在C点，两点之间约90米.依次架设上述四种全站仪，测量红砖、水泥砖块、木材、塑料、金属的无棱镜反射数据.每种仪器得到30个数据，四台仪器共得到120个数据.经过计算，四种全站仪在不同反射材质下的数据如表2所示.由于测试时需要更换仪器和反射材料，因此每次测量的平均值有微小差别.

表2 四种全站仪在不同反射材质下的统计结果

图1 四种仪器在不同反射材质下的比较结果

从表2可以看出，对于不同的反射材质，在90米距离下四种全站仪的观测值最大差均不超过3mm，符合各全站仪的标称精度，其中徕卡全站仪稳定性最好，苏一光和科力达稳定性稍差.从图1中可以看到，不同反射材质对测量数据的离散程度有明显的影响，其中红砖和金属相对比较稳定，木材和水泥砖块由于表面粗糙，漫反射比较强，致使激光束发散，较好的体现了四种全站仪的差异.从测距平均值和测值最大差来看，四种全站仪的稳定性和精度均能满足不同材质下的无棱镜测量需求.

2.3.2 不同反射距离

考虑到金属表面光滑，漫反射少，能很好的反映四种全站仪的无棱镜反射情况，因此选择表面光滑的金属作为不同反射距离的测试对象.在A点架设仪器，依次测试金属在B、C、D、E、F点的反射数据，每个点得到24个数据，共得到114个数据.经过计算，四种全站仪在不同反射距离下的数据如表3所示.

表3 四种全站仪在不同反射距离下的统计结果

从表3可以看出，随着反射距离的增大，四种全站仪的测量结果离散程度虽有起伏，但仍然是在逐渐增大，所以无棱镜测距的稳定性和精度随着距离的增加而降低，其中，徕卡全站仪以其可靠的稳定性稳居第一，科力达稍差，苏一光超过了标称的150米无棱镜测距距离.在150米之内，四种全站仪的稳定性和精度都很好；150米以上，徕卡和拓普康稳定性强于苏一光和科力达；200米以内，四种仪器的测距平均值接近；在250米处，科力达仪器的测距平均值明显小于徕卡和拓普康.

图2 四种仪器在不同反射距离下对木材的比较结果

2.3.3 不同入射角度

选择水泥砖块作为入射角度测试对象，同样在A点架设仪器，在B点放置水泥砖块，依次测试四种全站仪90°、60°、45°、30°的入射角度下的无棱镜反射数据，每种仪器得到24个数据，四台仪器共得到96个数据.这里的入射角度指仪器激光和目标之间的夹角，90°即入射光和目标垂直.

从表1看，对于不同的入射角度，四种全站仪的标准差都接近，说明每种仪器在各种入射角度下的无棱镜测距都很稳定.但是，从图2可以明显看出，对于相同的距离，随着入射角度的减小，各种全站仪的误差在逐步增大.可见，四种全站仪无棱镜测距的稳定性好，并不等于精度就高，精度和入射角度有很大的关系.相对而言，徕卡全站仪比较稳定，其他三种全站仪误差比较明显.其中苏一光全站仪在90°和30°的入射角，测距误差达到了20mm，可见其激光束散射比较严重.在45°的入射角，苏一光和科力达全站仪的测距误差也达到了10mm左右.因此，在实际测量中，入射角应大于60°，最小也不要小于45°.

表4 四种全站仪在不同角度下的统计结果

图3 水泥砖块在50米距离下不同反射角度的比较结果

3 结论

通过以上实验和数据分析，得出以下结论：1）参加测试的四种全站仪无棱镜测距性能可靠，其测距精度与仪器的标称精度基本一致，四种仪器的无棱镜测距功能均能满足地形、地籍、悬高、林业树冠等常规测量；2）不同的反射材质对四种全站仪的无棱镜测距精度有一定的影响，目标物表面光滑则无棱镜测距比较稳定，表面粗糙则更考验仪器的无棱镜测距性能；3）在150米以内，四种全站仪的无棱镜测距稳定性和精度均比较好；超过150米，徕卡和拓普康的明显好于苏一光和科力达；4）稳定性好并不等于精度高，无棱镜测距精度和入射角度密切相关，在实际测量中，入射角应大于60°，最小不要小于45°.由于条件限制、测试数据有限和多种因素的影响，所得实验结果可能会与实际结果有些偏差.

〔1〕张凤瑞.对无棱镜反射测量精度的探讨[J].测绘通报,2011 (11):47-49.

〔2〕范百兴,夏治国.全站仪无棱镜测距及精度分析[J].北京测绘,2004(01):28-31.

〔3〕王胜强.无反射棱镜全站仪测距精度分析[J].测绘与空间地理信息,2012,35(06):190-195.

〔4〕岳建平,高永刚,谢波.无反射棱镜全站仪测距性能测试[J].测绘工程,2005,14(02):35-37.

〔5〕马春燕,马玉宽,张红星.无棱镜全站仪测距稳定性及精度分析[J].测绘工程,2014,23（09）:9-11.

〔6〕夏立福,李井春,胡友健，等.免棱镜全站仪测距性能的测试及精度分析[J].地理空间信息，2008,06（02）:133-135.

P204

A

1673-260X（2016）12-0035-03

2016-09-11

滁州学院校级科研项目（2012kj008Z）