浅谈全站仪及GPS技术测量地下管线方法

刘占秋

摘 要：地下管线测量是指在工程建设的勘察设计、施工、验收、运营管理期间所要进行的测量作业，主要包括测量和放样两部分。近年来随着科学技术的进步，测绘技术也正由传统的测绘技术向数字化测绘技术发展，我国的工程测量的发展趋势正在向内外业作业的一体化、数据获取和处理的自动化、测量过程的智能化、测量结果的数字化方向发展，尤其是利用GPS和全站仪技术在地下管线工测量中的应用，比传统的测量方法的测量速度快、效率高、精度高，且节省人力物力财力，这两种技术可以做到优势互补，具有较高的工程推广价值。

关键词：全站仪；GPS接收仪；地下管线；测量

1 引言

地下管线历来是城市的“血管”和“神经”，地下管线涉及给水、雨水、污水、燃气、电力、路灯、有线电视、工业等十多种地下管线，形成了一张错综复杂的地下管线网络，为了满足城市建设的需要，查清复杂的地下管线的情况，及时、准确地测定地下管线的位置和分布情况，我国已经生产或引进了许多不同类型的地下管线勘测仪器。一般管线探测的精度为平面5cm，高程3cm，但是有的大型及精密工程测量在精度上有更高的要求，目前管线探测仪获得数据的精度上不能满足其需要。

2 GPS系统的特点分析

2.1 GPS的概述

GPS即全球定位系统，是美国国防部研制的卫星导航系统，由空间卫星星座、地面监控系统和用户的接收机组成，借助于空中的多个GPS卫星确定地面点的三维坐标和速度等参数的定位系统，具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位的特点以及定时等功能。

2.2 GPS的原理

GPS的主要应用功能有单点导航定位和相对测地定位两种，对于常规的工程测量则应用的是其相对测地定位的功能。相对测地定位的原理是载波相位测量局域差分法，测量时需要在接收机之间求一次差，并且在接收机和卫星观测历元之间求二次差，对这两次差采用差分计算的方式计算出待测基线的长度。为了精确求解整周模糊度，按照特定的算法模型将其作业模式分为静态、快速静态和RTK作业模式三种，静态作业模式主要应用于变形观测和大地测量等高精度的测量，快速静态作业模式的主要特点是效率高，主要应用于精度要求相对较低的施工控制测量，而RTK作业模式能够对数据进行实时处理，主要应用于数据采集与工程放样中[1]。

3 全站仪的功能及用途分析

3.1 全站仪的概述

全站仪是全站型电子素测仪的简称，它集电子经纬仪、光电测距仪和微处理器于一体，由电子测角、电子测距、电子补偿和微机处理装置组成，可以同时进行水平角和垂直角的测量、距离及高差测量和数据处理，其可以在一个固定测点就能完成控制点内所有的测量工作。

3.2 全站仪的原理

全站仪的工作原理根据其功能分为测角原理和测距原理。这两种功能的原理都用到数学的平面几何、立体几何以及微积分等原理，结合测距数据测算其他边短距离和角度等参数，测角功能还用到“角度度盘和角度传感器”来获取角度的數字化数据的原理，而测距功能则与光电测距仪的原理基本相同，主要依靠的是电磁波测相技术[2]。

4 技术方案

4.1 观测误差分类

地下管线的数字采集测量误差主要是指测量仪器的误差和测量观测的误差。

全站仪观测中的误差主要包括全站仪水平角观测中的误差和垂直角观测中的误差。其中，全站仪水平角观测中的误差主要是由目标偏心误差、对中误差和照准误差构成的；垂直角观测中的误差主要由照准误差与仪器自动补偿误差构成[2]。

全站仪观测中的误差m主要是由水平角观测中的误差和垂直角觀测中的误差构成。全站仪的观测误差也包括外界环境影响引起的误差、仪器自身误差和仪器读数误差。仪器自身误差主要是指垂直轴误差。据相关部门统计，在通常情况下，m=±1.5″，外界环境的影响主要是指温度的变化，仪器讀数的误差大致为m±1.5″。

4.2 技术方案

为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数字地下管线测量系统及采用该测量系统的测量方法。一种数字地下管线测量系统，用于对地下管线的多个管线点进行测量，包括计算机、全站仪、静态GPS接收机以及分别与各管线点匹配设置的多个地面标志物，全站仪和静态GPS接收机通过电缆与计算机通讯连接，全站仪的顶部连接有竖向的伸缩杆，静态GPS接收机设置在伸缩杆的顶端。

（1）全站仪为高精度自动跟测全站仪，包括支架和设置在支架上的全站仪本体，全站仪本体的顶部设有提手，提手顶部中央设有螺孔，伸缩杆通过螺孔与提手可拆卸连接。（2）该系统还包括用于测量静态GPS接收机和全站仪本体之间距离的激光测距仪，激光测距仪设置在GPS接收机上，并与计算机通过电缆通讯连接。（3）测量时，地面标志物距离全站仪的距离为50～100m。（4）全站仪的精度如下：测角精度为0.5″，测距精度为0.8mm+1ppm·D，观测照准精度为2″，对中误差为5mm，目标偏心误差为5mm。

4.3 使用方法

采用数字地下管线测量系统的测量方法，包括以下步骤：（1）确定与管线点匹配设置的地面标志物，架设全站仪，安装静态GPS接收机；（2）输入全站仪的假定位置信息，使用全站仪对各地面标志物进行测量，得到地面标志物的假定位置信息，同时通过静态GPS接收机获取位置信息，地面标志物的假定测量信息及静态GPS接收机获取的位置信息通过电缆传输至计算机；（3）以全站仪对多个管线点的地面标志物测量完毕后，静态GPS接收机获取的位置信息作为静态GPS接收机的位置信息，计算机根据静态GPS接收机的位置信息结合全站仪本体与静态GPS接收机的相对位置计算得到全站仪的位置信息，并用其替换假定位置信息，根据地面标志物的假定测量信息计算得到地面标志物的测量信息，根据全站仪的位置信息与地面标志物的测量信息计算出地面标志物的位置信息，从而得到管线点的位置信息。

5 小结

（1）测量效率和测量精度高。利用静态GPS接收机获取位置信息精度高的优点，来对全站仪的位置信息进行精确测量，而由于静态GPS接收机得到高精度的坐标需要的时间较长，因此，先输入全站仪的假定位置信息（也就是输入一个假定的位置信息），然后再进行各管线点的测量，一段时间后，待多个管线点测量完毕，静态GPS接收机获得的位置信息精度已达到较高水平，此时用静态GPS接收机获取的位置信息作为静态GPS接收机的位置信息。

（2）方法简单，操作方便。全站仪的位置信息通过静态GPS接收机获取，不必设置后视点，全站仪的选位更加自由，能够通过合适的选位，一次测量更多的管线点，而一次测量的管线点越多，需要的时间也越多，静态GPS接收机获取的位置信息也越精确，测量结果也越高，由于静态GPS接收机获取位置信息和全站仪测量是同步进行的，不会因此而降低测量效率。

（3）在高精度数字地下管线的测量过程中，测点的距离最好控制在50～100m。鉴于此，全站仪的测角精度为0.5″，测距精度为0.8mm+1ppm·D，观测照准精度为2″，对中误差为5mm，目标偏心误差为5mm。同时，在测量过程中，应严格标定管线测点中心的位置，确保测点平面点位的精度，则可达到毫米级的精度。

（4）对于多个特殊管线点的高精度实时动态监测，高精度自动跟测全站仪可以节省人力与成本，提高工作效率。

参考文献：

[1] 陈杰华，陈敏.城市地下管线测量方法研究[J].江西测绘，2015（2）：38～41.

[2] 石志伟.地下管线测量方法和技术分析[J].智能城市，2017（5）：112.