淺談無棱鏡全站儀在工程測(cè)量中的應(yīng)用

1、<p>　　淺談無棱鏡全站儀在工程測(cè)量中的應(yīng)用</p><p>　　【摘要】：本文結(jié)合全站儀技術(shù)的發(fā)展，介紹了無棱鏡全站儀測(cè)量的原理和結(jié)構(gòu)；結(jié)合無棱鏡全站儀的特點(diǎn)，簡要介紹了在工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】：工程測(cè)量；無棱鏡測(cè)距技術(shù)；測(cè)距原理；精度分析 </p><p>　　中圖分類號(hào)：K826.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： &

2、lt;/p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)在測(cè)量儀器中得到了廣泛應(yīng)用,先進(jìn)的電子測(cè)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(xué)機(jī)械儀器；進(jìn)入21世紀(jì)后,電子全站型測(cè)量儀器更是日新月異,尤其是無反射棱鏡全站儀,達(dá)到了在儀器測(cè)程范圍內(nèi)無反射棱鏡即可快速測(cè)距的更先進(jìn)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(cè)距性能穩(wěn)定,且精度較高,可達(dá)毫米級(jí)；無反射棱鏡全站儀把無棱鏡測(cè)距技術(shù)與傳統(tǒng)的全站儀結(jié)合在一起,給外業(yè)測(cè)量工作帶來了極大的方便和快捷,既提高了外業(yè)測(cè)量工作的效率,又節(jié)約了人力和物力,同時(shí)也引發(fā)了全站儀領(lǐng)域新的技術(shù)競爭。 </p><p>　　2 全站儀無棱鏡測(cè)距的基本原理和結(jié)構(gòu) </p><p>　　無棱鏡全站儀即不需要棱鏡作為合作目標(biāo)

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

5、202全站儀為例作一些測(cè)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(chǎn)生一束與望遠(yuǎn)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(duì)于紅外光束的一種選擇。它還可以產(chǎn)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(yīng)有IR和R

6、L兩種測(cè)距方式，可通過全站儀鍵盤上的按鍵來完成兩種測(cè)距模式的轉(zhuǎn)換。常規(guī)的全站儀，大都用發(fā)光管(LED)作為信號(hào)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(cè)量的測(cè)距精度，相位法測(cè)距用的測(cè)量光束很細(xì)，因此能準(zhǔn)確地分辨出相鄰非常近的點(diǎn)，脈沖式無反射棱鏡測(cè)距，不需要很強(qiáng)的激光功率，但其精度較低。IR測(cè)距方式需要反射棱鏡或反射片，RL測(cè)距方式可以不用反射棱鏡，也可以用反射棱鏡測(cè)量。徠卡TCR1202全站儀結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

7、</p><p>　　圖1 徠卡TCR1202全站儀的測(cè)距結(jié)構(gòu) </p><p>　　3無反射棱鏡全站儀的特點(diǎn) </p><p>　　無反射棱鏡全站儀把無反射棱鏡測(cè)距融合進(jìn)了傳統(tǒng)的全站儀,具備雙重的功能,實(shí)現(xiàn)了所瞄即所測(cè)。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(diǎn): </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(shì)就在于不需要接觸被測(cè)點(diǎn)，就可獲得被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。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(qiáng)度和危險(xiǎn)性大大降低，另一方面也對(duì)一些重要的比如文物之類的建筑起到了一定的保護(hù)作用。 </p><p>　　3.2 測(cè)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(cè)距速度一般在1秒左右，測(cè)距精度為2mm+2p

9、pm,這樣就使作業(yè)時(shí)間大幅減少，即提高了工作效率，又保證了測(cè)量成果的精度。 </p><p><b>　　3.3 測(cè)程遠(yuǎn) </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(cè)程，如徠卡TCR系列全站儀在IR模式測(cè)量時(shí)單棱鏡測(cè)程3km,在RL模式下用單棱鏡測(cè)量測(cè)程5km,測(cè)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(duì)眼的安全性是一個(gè)很重要的問題。根據(jù)國際激光安全標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量員使用望遠(yuǎn)鏡直接觀察不符合等級(jí)的激光束，不管該激光束是可見光還是不可見光，都可能會(huì)受到傷害。但一般的全站儀都滿足2 級(jí)以上激光標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)等級(jí)對(duì)人眼是相對(duì)安全的。 </p><p>　　4&#1048578;在工程測(cè)量中的應(yīng)用 </

11、p><p>　　無反射棱鏡全站儀最大的優(yōu)勢(shì)就在于不需要接觸被測(cè)點(diǎn)就可獲得被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這一優(yōu)勢(shì)可以通過幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用例子進(jìn)行闡述。 </p><p><b>　　4.1 地形測(cè)量 </b></p><p>　　4.1.1 無棱鏡全站儀應(yīng)用于建筑區(qū), 實(shí)現(xiàn)了可見即可測(cè)的目的,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省跑尺員跑點(diǎn)的時(shí)間, 大大提高了作業(yè)效率。 </p&

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

13、;</p><p>　　4.2.1 常規(guī)全站儀測(cè)量界址點(diǎn)存在的誤差 </p><p>　　常規(guī)測(cè)距儀或全站儀測(cè)量界址點(diǎn)時(shí)往往存在棱鏡不能嚴(yán)格放置在界址點(diǎn)點(diǎn)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(cè)量方法進(jìn)行界址點(diǎn)測(cè)量時(shí),很難消除棱鏡厚度或?qū)挾仍驇淼睦忡R不能嚴(yán)格放置在界址點(diǎn)點(diǎn)位上產(chǎn)生的方向及距離誤差。 </p><p>

14、;　　使用無反射棱鏡全站儀進(jìn)行城鎮(zhèn)地籍調(diào)查界址點(diǎn)測(cè)量時(shí)，完美解決了常規(guī)全站儀反射棱鏡不能嚴(yán)格放置在界址點(diǎn)位置上的問題，減小了儀器照準(zhǔn)誤差和距離誤差,對(duì)地籍要素,建筑物、構(gòu)筑物的測(cè)量大大提高了測(cè)量效率,減少了設(shè)站次數(shù),既節(jié)省了人力和時(shí)間,又提高了界址點(diǎn)測(cè)量精度。使用無棱鏡全站儀在地籍調(diào)查碎部測(cè)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(yán)格地放置在界址點(diǎn)點(diǎn)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(cè)區(qū)地籍碎部測(cè)量中相鄰界址點(diǎn)中誤差的比較。 </p><p>　　表2：常規(guī)全站儀和無棱鏡全站儀測(cè)量界址點(diǎn)中誤差比較 </p><p>　　由表2可見, 無反射棱鏡全站儀測(cè)量界址點(diǎn)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(zhǔn)了界址點(diǎn)點(diǎn)位, 從而減小了儀器的照準(zhǔn)誤差和測(cè)距誤差, 由此說明無反射棱鏡全站儀是地籍調(diào)查碎部測(cè)量的最佳測(cè)量儀器。 </p><

16、;p><b>　　4.3 斷面測(cè)量 </b></p><p>　　4.3.1 隧道斷面測(cè)量 </p><p>　　隨著鐵路電氣化的普及, 傳統(tǒng)隧道斷面測(cè)繪方法已經(jīng)不適應(yīng)鐵路的發(fā)展(要在接觸網(wǎng)停電時(shí)才能進(jìn)行隧道斷面測(cè)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(shè)在隧道內(nèi)任意一根鋼軌上, 利用該儀器的激光對(duì)中和電子整平功能精確安置好儀器, 轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡直接

17、用可見激光束照射所測(cè)點(diǎn)位, 即可測(cè)出點(diǎn)的平距和高差, 望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)一周即可測(cè)出既有隧道斷面的點(diǎn)位數(shù)據(jù), 通過現(xiàn)場(chǎng)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(hào)線隧道整治工程隧道斷面測(cè)量, 在供電接觸網(wǎng)不停電、不影響正常行車的情況下實(shí)施了測(cè)量作業(yè), 全部隧道斷面測(cè)量作業(yè)過程共測(cè)斷面20個(gè), 累計(jì)用時(shí)1小時(shí), 測(cè)量人員為3人。所測(cè)隧道斷面數(shù)據(jù)真實(shí)、細(xì)膩和準(zhǔn)確, 保障了設(shè)計(jì)工期。 </p><p>　　4.3.2

18、 工程斷面測(cè)量 </p><p>　　在視野開闊、山勢(shì)陡峭、無茂盛植被地區(qū),尤其是地形陡峭險(xiǎn)峻地段,作業(yè)人員攀爬會(huì)造成極大的安全隱患,這種情況下無棱鏡全站儀的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的更為明顯。在某道路工程線路橫斷面測(cè)繪過程中,經(jīng)常將無棱鏡全站儀架設(shè)在溝谷的對(duì)岸來對(duì)陡峭的地貌進(jìn)行斷面測(cè)量。測(cè)量方法是將儀器架設(shè)在視線開闊處,將棱鏡對(duì)中桿安置于線路中心對(duì)應(yīng)斷面里程處,設(shè)置好儀器,利用全站儀無棱鏡測(cè)距功能結(jié)合全站儀內(nèi)置對(duì)邊測(cè)量應(yīng)用程序

19、,直接瞄準(zhǔn)所測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的位置,測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)離線路中心的距離和高程,在現(xiàn)場(chǎng)用筆記本電腦進(jìn)行斷面圖繪制。斷面測(cè)量過程中充分發(fā)揮了全站儀無棱鏡測(cè)距功能,減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)危險(xiǎn)性,提高了測(cè)繪速度,縮短了外業(yè)作業(yè)時(shí)間,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p><b>　　4.4 其它領(lǐng)域 </b></p><p>　　無反射棱鏡全站儀在其他測(cè)繪領(lǐng)域方面還有許多應(yīng)用, 如

20、應(yīng)用在建筑物、橋梁、滑坡等變形監(jiān)測(cè)，古文物及重要建筑的保護(hù)、隧道橋梁施工測(cè)量等。 </p><p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　　無棱鏡全站儀在特殊點(diǎn)、危險(xiǎn)點(diǎn)測(cè)量中顯示出極大優(yōu)越性，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法解決不了的問題。不僅使作業(yè)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性大大降低，而且極大提高生產(chǎn)效率，測(cè)點(diǎn)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(xiǎn)高

21、空作業(yè)。還對(duì)被測(cè)目標(biāo)也起到一定保護(hù)作用。即使在一般測(cè)量條件下，全站儀無棱鏡測(cè)量技術(shù)也比傳統(tǒng)測(cè)量方法優(yōu)越。目前，無棱鏡全站儀已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用在測(cè)繪生產(chǎn)當(dāng)中，實(shí)踐證明無論從精度還是其實(shí)用性來說在工程測(cè)量各個(gè)領(lǐng)域中無棱鏡全站儀均有廣闊的應(yīng)用前景。 </p><p>　　然而無棱鏡全站儀測(cè)量也存在著不足之處，對(duì)物體邊緣點(diǎn)的測(cè)量容易測(cè)量到目標(biāo)前后的其他反射物體，會(huì)得到不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，另外無棱鏡全站儀測(cè)量的是第一進(jìn)入反射面

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