浅谈无棱镜全站仪在工程测量中的应用.doc

1、1浅谈无棱镜全站仪在工程测量中的应用【摘要】：本文结合全站仪技术的发展，介绍了无棱镜全站仪测量的原理和结构；结合无棱镜全站仪的特点，简要介绍了在工程测量领域的应用。 【关键词】：工程测量；无棱镜测距技术；测距原理；精度分析 中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 随着科学技术的不断发展，微电子技术在测量仪器中得到了广泛应用,先进的电子测绘仪器以其高效率和高精度等优越的性能替代了常规的光学机械仪器；进入 21 世纪后,电子全站型测量仪器更是日新月异,尤其是无反射棱镜全站仪,达到了在仪器测程范围内无反射棱镜即可快速测距的更先进效果,如徕卡 TCR 系列,天宝 5600 系

2、列,拓普康 3000 系列等多种系列的无反射棱镜全站仪,都具有测距性能稳定,且精度较高,可达毫米级；无反射棱镜全站仪把无棱镜测距技术与传统的全站仪结合在一起,给外业测量工作带来了极大的方便和快捷,既提高了外业测量工作的效率,又节约了人力和物力,同时也引发了全站仪领域新的技术竞争。 2 全站仪无棱镜测距的基本原理和结构 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。无棱镜测量(Reflectorless)又叫无合作目标测量是不需要反射棱镜而依2靠被测物的自然表面反射光线来进行测距。无棱镜测距的方法有两种，一是脉冲法，另外是相位法，脉冲法用测量时发射和接收信号之间的时间间隔来计算距离

3、，多次测量得出平均距离。相位法测量使用连续信号，以不同的颇率来调制载波信号，测出发射和接收信号之间的相位差，从而求出被测距离。一般来讲，在相同的条件下，脉冲发的测程远，相位法的精度高。以徕卡 TCR1202 全站仪为例作一些测距原理的简单介绍。 Leica TCR1202 全站仪 EDM(Electronic DistanceMeasuring instrument)模块被集成在全站仪中，可以产生一束与望远镜同轴的红外激光 IR(Infra-Red） ，由红外激光发射管发射，作为相对于红外光束的一种选择。它还可以产生可见波段红色激光束 RL(Red Laser)，由红色激光发射管发出，相应有

4、IR 和 RL 两种测距方式，可通过全站仪键盘上的按键来完成两种测距模式的转换。常规的全站仪，大都用发光管(LED)作为信号源，而现代仪器采用激光管的新型全站仪，提高了发射功率，保证无棱镜测量的测距精度，相位法测距用的测量光束很细，因此能准确地分辨出相邻非常近的点，脉冲式无反射棱镜测距，不需要很强的激光功率，但其精度较低。IR 测距方式需要反射棱镜或反射片，RL 测距方式可以不用反射棱镜，也可以用反射棱镜测量。徕卡 TCR1202 全站仪结构如图 1 所示： 图 1 徕卡 TCR1202 全站仪的测距结构 3 无反射棱镜全站仪的特点 3无反射棱镜全站仪把无反射棱镜测距融合进了传统的全站仪,具备

5、双重的功能,实现了所瞄即所测。同以往的全站仪相比,无反射棱镜全站仪具有以下一些特点: 3.1 效率高，使用范围广 无反射棱镜全站仪最大的优势就在于不需要接触被测点，就可获得被测点的三维坐标。这一来，一方面省去了作业员爬高上坡的奔波之苦，作业强度和危险性大大降低，另一方面也对一些重要的比如文物之类的建筑起到了一定的保护作用。 3.2 测距速度快、精度高 目前，市面上大多数无棱镜全站仪的测距速度一般在 1 秒左右，测距精度为 2mm+2ppm,这样就使作业时间大幅减少，即提高了工作效率，又保证了测量成果的精度。 3.3 测程远 无反射棱镜全站仪可以在 RL 状态使用棱镜，这样就大大提高了它的测程，

6、如徕卡 TCR 系列全站仪在 IR 模式测量时单棱镜测程 3km,在 RL 模式下用单棱镜测量测程 5km,测程几乎提高了一倍。 3.4 安全性好 激光对眼的安全性是一个很重要的问题。根据国际激光安全标准，测量员使用望远镜直接观察不符合等级的激光束，不管该激光束是可见光还是不可见光，都可能会受到伤害。但一般的全站仪都满足 2 级以上激光标准，这个等级对人眼是相对安全的。 4在工程测量中的应用 4无反射棱镜全站仪最大的优势就在于不需要接触被测点就可获得被测点的三维坐标。这一优势可以通过几个实际应用例子进行阐述。 4.1 地形测量 4.1.1 无棱镜全站仪应用于建筑区, 实现了可见即可测的目的,减

7、轻劳动强度、节省跑尺员跑点的时间, 大大提高了作业效率。 4.1.2 一个作业组两个人就可进行野外作业, 一个操作, 另一个跑杆进行转站点的测设。 4.1.3 在沟壑、悬崖等人员无法到达和到达困难的地方, 无棱镜全站仪可轻松地获取这些地物点的空间位置, 从而避免人员的安全问题、并节省时间, 提高了工作效率和作业精度。 4.2 地籍测量 4.2.1 常规全站仪测量界址点存在的误差 常规测距仪或全站仪测量界址点时往往存在棱镜不能严格放置在界址点点位上的问题, 常规圆棱镜从棱镜中心到棱镜厚壁厚 2.8cm,左右宽各 4.5cm。使用常规测量方法进行界址点测量时,很难消除棱镜厚度或宽度原因带来的棱镜不

8、能严格放置在界址点点位上产生的方向及距离误差。使用无反射棱镜全站仪进行城镇地籍调查界址点测量时，完美解决了常规全站仪反射棱镜不能严格放置在界址点位置上的问题，减小了仪器照准误差和距离误差,对地籍要素,建筑物、构筑物的测量大大提高了测量效率,减少了设站次数,既节省了人力和时间,又提高了界址点测量精度。使用无棱镜全站仪在地籍调查碎部测量中, 发挥了常规全站仪不可5替代的作用,解决了反射棱镜不能严格地放置在界址点点位上的问题。表2 是徕卡常规 TC305 全站仪和无反射棱镜徕卡 TCR1202 全站仪在某测区地籍碎部测量中相邻界址点中误差的比较。 表 2：常规全站仪和无棱镜全站仪测量界址点中误差比较

9、 由表 2 可见, 无反射棱镜全站仪测量界址点精度高于普通型全站仪, 这是无反射棱镜全站仪正确的照准了界址点点位, 从而减小了仪器的照准误差和测距误差, 由此说明无反射棱镜全站仪是地籍调查碎部测量的最佳测量仪器。 4.3 断面测量 4.3.1 隧道断面测量 随着铁路电气化的普及, 传统隧道断面测绘方法已经不适应铁路的发展(要在接触网停电时才能进行隧道断面测绘)。无反射棱镜全站仪可以较好地解决这些问题：将其直接架设在隧道内任意一根钢轨上, 利用该仪器的激光对中和电子整平功能精确安置好仪器, 转动望远镜直接用可见激光束照射所测点位, 即可测出点的平距和高差, 望远镜旋转一周即可测出既有隧道断面的点

10、位数据, 通过现场笔记本电脑绘图可以直接看出隧道变形情况。如广州地铁 1 号线隧道整治工程隧道断面测量, 在供电接触网不停电、不影响正常行车的情况下实施了测量作业, 全部隧道断面测量作业过程共测断面 20 个, 累计用时 1 小时, 测量人员为 3 人。所测隧道断面数据真实、细腻和准确, 保障了设计工期。 64.3.2 工程断面测量 在视野开阔、山势陡峭、无茂盛植被地区,尤其是地形陡峭险峻地段,作业人员攀爬会造成极大的安全隐患,这种情况下无棱镜全站仪的优势体现的更为明显。在某道路工程线路横断面测绘过程中,经常将无棱镜全站仪架设在沟谷的对岸来对陡峭的地貌进行断面测量。测量方法是将仪器架设在视线开

11、阔处,将棱镜对中杆安置于线路中心对应断面里程处,设置好仪器,利用全站仪无棱镜测距功能结合全站仪内置对边测量应用程序,直接瞄准所测目标点的位置,测出目标点离线路中心的距离和高程,在现场用笔记本电脑进行断面图绘制。断面测量过程中充分发挥了全站仪无棱镜测距功能,减轻了作业人员的劳动强度和作业危险性,提高了测绘速度,缩短了外业作业时间,取得了明显的经济效益。 4.4 其它领域 无反射棱镜全站仪在其他测绘领域方面还有许多应用, 如应用在建筑物、桥梁、滑坡等变形监测，古文物及重要建筑的保护、隧道桥梁施工测量等。 5 结论 无棱镜全站仪在特殊点、危险点测量中显示出极大优越性，解决了传统测量方法解决不了的问题

12、。不仅使作业强度和危险性大大降低，而且极大提高生产效率，测点精度高且均匀，既保证了作业精度，又节省了人力，使工作人员不再冒着生命危险高空作业。还对被测目标也起到一定保护作用。即使在一般测量条件下，全站仪无棱镜测量技术也比传统测量方法优越。目前，无棱镜全站仪已经越来越广泛地应用在测绘生7产当中，实践证明无论从精度还是其实用性来说在工程测量各个领域中无棱镜全站仪均有广阔的应用前景。 然而无棱镜全站仪测量也存在着不足之处，对物体边缘点的测量容易测量到目标前后的其他反射物体，会得到不准确的数据，另外无棱镜全站仪测量的是第一进入反射面的物体，所以要避免所测目标前后无移动物体经过。这一不足之处现在只有靠测量人员细心认真地瞄准目标，提高测量员自身的测量技术来弥补。 参考文献 1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,(1). 2朱顺平、薛英.无反射棱镜全站仪及其测试J.测绘通报,2001,(3):41-45.