随着我国公路建设的迅猛发展, 各种相关专业技术也在向数字化、电子化方向突飞猛进, 尤其是公路测量手段, 随着电子全站仪的普及, 测距、测角精度大大提高, 使全站仪在高程控制测量精度上很容易满足公路规范的要求, 同时还具备操作简便、速度快、工作效率高等特点, 因此全站仪逐渐取代了以经纬仪为代表的光学仪器。
1 全站仪中点法高程测量的优点
1.1 不需要量取仪器高
传统三角高程测量中, 仪器及棱镜设置于点位上, 测量前必须量取相应的仪器高, 量取时始终存在的偏角不可能完全消除, 就不能取得真正意义上的垂直高度, 由此引起的误差有时会很大。而文中介绍的中点法可以完全消除此影响。
1.2 测量精度高
中点法高程测量采用“后-前-前-后”的对向观测顺序, 尽量保证前后视距相等, 从而有效地消除球气差对高程精度的影响, 不需要进行两差改正, 只要将两待测点之间的距离控制在1200m以内, 就可以满足公路工程四等水准测量的精度要求。国内有学者通过计算表明:如果上述距离控制在350m以内, 能满足三等水准测量精度要求;同时全站仪的测距比传统的光学水准仪要远的多, 因此工作速度也较快。
1.3 受仪器、人为等因素影响小
全站仪测量前后视采用光学棱镜, 其垂直度的调整是通过圆水准泡, 一般圆水准泡的精度为8', 即垂直方向倾斜8'以内均认为满足垂直要求。以棱镜高度2.5m为例, 根据几何公式可得出:
可见只要满足圆水准泡的居中要求, 则棱镜倾斜因素可以忽略不计, 不存在传统水准仪测量由于手扶水准尺导致的误差。同时测量过程中的读数为仪器显示, 减少了水准仪的人为估读误差。
1.4 仪器不用设置在特定的点位上
传统水准仪进行高程测量时, 必须要求两个立尺点与测站相互通视, 而且高差不宜过大 (一般在5m以内) , 在一些自然地物密集的地区只能通过砍树、除草等清除障碍的手段实现;而使用全站仪进行中间法高程测量时, 仪器不必设置在固定点位上, 其摆放位置较传统的水准仪更加机动灵活, 容易找到视野开阔的地方, 避免视线受周围障碍物的影响, 有利于提高观测精度。
2 基于实践的全站仪中点法高程控制测量思路
一般测量中使用的中间法, 是将水准测量与三角高程测量方法结合起来, 将全站仪置于两个待观测点的中间某点, 此点可以是水准点, 也可以是某个转点。在实际测量中应该注意的是:仪器架设点的选择首先应尽量保持前后视距基本相等, 其次视距不宜过长, 一般两个待测点之间的距离不超过1200m。如图1。
将全站仪放置到待测点A、B之间的C点, 则点A与点B之间的高差为
其中s前、s后为经气象改正后的斜距;
α为竖直角;
L前、L后为待测点的棱镜高度。
可见, (2) 式中的所有数据均可以通过全站仪读数以及直接测量得到。但理论上还需要考虑地球曲率和大气折光的影响进行公式修正, 《公路勘测细则》 (JTG/TC10-2007) 中给出了使用光电测距仪进行三角高程测量时的改正数, 即:
其中K为折光系数, 规范《公路勘测细则》 (JTG/TC10-2007) 中给出了折光系数表, 实际测量时一般采用其中值0.14。折光系数并不是常数, 它的大小取决于空气的密度, 而空气密度随时间变化, 曾有实验证明:折光系数的误差为±0.03~0.05, 对于四等水准测量的精度影响可以忽略不计。
S为边长;
R为测区地球平均曲率半径, 一般实际测量取用6371km。
考虑球气差改正后全站仪中点法高程测量原理如图2所示。
考虑球气差改正后的高差计算公式:
由 (4) 式可知:改正数与测量前后视的水平距离的平方差有关, 当前后视水平距离相等时, 公式中可以消除球气差的影响。
但在实际公路测量工作中, 我们知道由于受到现场树木、房屋、池塘、沟渠等地物的影响, 前后视水平距离不可能严格相等或者说一般都不相等, 为了解前后视水平距离不相等对球气差的改正数的影响, 笔者假定前后视所用棱镜高度相等, 即L前=L后, 则公式 (4) 简化为:
其中
∆H即为球气差改正数, 笔者以100m~600m的单侧视距, 中点偏差2m~25m代入公式 (6) 计算出一系列∆H值 (如表1) 。
如表1可知:单侧视距在600米范围内, 中点偏差在5米范围内, 则球气差对待测点高差的改正在1mm内, 影响可以忽略不计, 这也是前文要求“尽量保持前后视距基本相等, 其次视距不宜过大, 一般两个待测点之间距离不超过1200m”的原因。如果中点偏差在10m左右, 则单侧视距应控制在300m左右, 也可以忽略球气差的影响。结合公路导线控制点布设间距不超过500m的实际情况, 上述要求是可以满足的。
3 全站仪中点法高程测量应注意的问题
(1) 严格控制安置仪器的地方, 例如地表为非原生石板、石块、雨后的耕作土等地点应尽量避开, 实际测量中发现:仪器安置在上述地方, 人员走动、吹风、垂球的摆动, 都会造成竖角约10"左右的抖动。使用中一旦发现仪器竖角有微小跳动, 一般原因是仪器三角架未能充分固定, 测量中一定要选择稳固的地面架设仪器, 保证仪器始终处于精平状态。当仪器架设在光滑的表面时, 建议用细绳 (或细铅丝) 将三脚架三个脚联起来, 以防滑倒。
(2) 照准棱镜的参照物要清晰, 每次照准棱镜时应横丝为准, 同时测量过程中照准的参照物要统一, 实际测量过程中一般习惯以棱镜的三角形端部为准而不是棱镜的中丝点, 主要由于测距一般在400m~500m时, 棱镜的中丝很难看清。
(3) 注意天气影响。首先在山区的冬天季节, 雨后天晴后雾气浓、空气扰动大, 不宜进行测量操作。例如:当阳光对着镜头照射时, 造成镜内成像的视差较大, 这时可以给仪器打伞, 并戴上遮阳罩, 同时尽量通过调节物镜和目镜的焦距减小视差。另外这种天气下观测时应尽量避免视线跨越池塘、前后视距地形严重失衡等不利地带。
(4) 当架设仪器在三脚架上时, 尽可能用木制三脚架, 因为使用金属三脚架可能会产生振动, 从而影响测量精度。
4 结语
全站仪采用中点法进行高程控制测量, 能够较好的克服地形条件对测量工作的影响和限制, 达到规范规定的精度要求同时降低测量人员的工作强度, 提高工作效率。
摘要：本文基于笔者从事高程控制测量的实践经验, 以全站仪中点法高程控制测量为研究对象, 对比传统测量手段分析了实践中全站仪中点法的优势, 给出了结合实际测量工作中的经验, 提出了全站仪高程测量过程中的一些应注意的问题, 相信对同行能有所裨益。
关键词：全站仪,中点,高程测量,应用
参考文献
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[2] 王有贤, 程新春.中点全站仪法高程控制测量[J].公路与汽运, 2003 (6) .
[3] JTG/T C10—2007.公路勘测细则[S].