全站仪及其在水利工程中的应用
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摘 要：阐述了利用全站仪技术应用的范畴已经发展到各个工程领域，本文系统地阐述并针对其相关的无棱镜测量技术在工程测量中的应用情况进行探讨分析。
关键词：无棱镜测量技术，断面测量，精度分析
中图分类号：TM83文献标识码： A
1.全站仪的概念
全站型电子速测仪简称全站仪（Electronic Total Station）。为了能准确地定义全站仪，我们首先介绍一下有关概念，人们已经提到了“速测法”，它是指一种从仪器站同时测定某一点的平面位置和高程的方法。有时，这种方法也称作“速测术”（Tachymetry），而速测仪（Tachymeter）就是根据速测法原理而设计的测量仪器。最初速测仪的距离测量是通过光学方法来实现的，我们称这种速测仪为“光学速测仪”。实际上，“光学速测仪”就是指带有视距丝的经纬仪，被测点的平面位置由方向测量及光学视距来确定，而高程则是用三角测量方法来确定的。根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪。半站型电子速测仪是指用光学方法测角的电子速测仪，也有称之为“测距经纬仪”。这种速测仪出现较早，并且进行了不断的改进，可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪，对斜距进行化算，最后得出平距、高差、方向角和坐标差，这些结果都可自动地传输到外部存储器中。全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与设备交换信息的多功能测量仪器。由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，所以人们也通常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪。
2.无棱镜测量技术简介
无棱镜测量技术基于相位法原理，发出的激光束极为窄小，可以非常精确地打到目标上，保证高精度的距离测量。与有棱镜测量相比较，其优点是只要测点的反射介质符合无棱镜测量的条件，就不需要在测点上放置棱镜，即可测量出该点的三维坐标。此项技术在全世界范围内得到了广泛的应用，它具有良好的技术规范：高精度(3mm ± 2ppm)，大范围（使用柯达灰度标准卡，其范围可达180米[1]），具有可见的红色激光斑，以及很小的光束直径。根据国际激光安全标准，3R类激光器操作人员应该注意不要使人眼直视激光束。当测量人员在触发测量键时，激光器才能被激活，测量完成就被关闭。当打开激光指示器时，3R类激光器也能够被激活。人眼暴露于这样的激光线中时，自然的一些反应（例如：瞳孔的缩小、斜视、视线的转移）将或多或少的减少伤害，这样，人眼由于在无意中处于激光束中较长时间而导致受伤的可能性可以忽略不计了。
2.1无棱镜测量技术的适用条件
每种测量设备都有自身的特点和适用范围，通过实践发现无棱镜测量技术适用条件如下：
(1)适用于通视条件好，反射介质好的地方，在反射介质较暗，吸光性太强，反射条件不好等地方不宜使用无棱镜测量。(2)无棱镜测量技术适宜测量反射面的测点高程，如岩石，房屋、公路等视线可及的地形、地物点高程。
(3)无棱镜测量适用于视线没有任何障碍的地形地物测量，若中间有障碍物则测量到的是障碍物的坐标、高程。如要测400米外的地形点，若在200米的地方有树叶挡住视线，将测到的是树叶的坐标、高程。
(4)无棱镜测量适用于人员难以到达，反射介质好的地形地物测量，如悬崖、溪谷、客流大的公路、有剧毒的地物等。
2.2 TPS1200的特点
莱卡TPS1200是一款超长测程、超高精度具备多种功能且简单易用的全站仪。基于菜单的操作系统直观明了，能够引导用户自主完成所需要的工作，用户可以根据需要自行设定操作、显示和输出。测量原理是同轴可见红色激光相位测量 ,无棱镜测程为500m ，测边精度为2mm+2ppm/typ,测角精度为2″.
广西省防城港市长岐灌区位于广西最南部。灌区辖防城港市防城区和港口区共9个乡镇，总面积1433km2，占防城区、港口区总面积51.45%，灌区总耕地面积17.47km2 。目前灌区总干渠设计流量12m3/s,总长10.08km。左干渠设计流量8.4m3/s ，总长66.6km，右干渠设计流量3.6m3/s ，总长21.78km。渠系建筑物经过二十多年的运行，淤积、渗漏、崩塌较普遍，附属建筑及设备损坏严重，特别是渡槽、斗闸门损坏更为突出。防城港市政府决定对总长98km总干渠及左右干渠进行防渗加固扩能整治建设。本工程测量任务是对灌区干渠进行地形测绘，为设计提供带状平面地形图以及纵横断面。
3.1 控制测量
渠道引水工程高程精度要求相当高，由于渠道长，误差积累多，误差过大就会影响渠道引水流速，甚至引起渠道积水或是水倒流现象，影响供水效果。因此我们用宾得和索佳水准仪两个作业组同时作业，将高程从GPS首级控制点引测到各断面上，高程闭合差皆满足规范要求。在断面线上选定通视条件好，容易设站的地方用TPS1200和脚架棱镜做导线，加密图根点至各断面。
3.2 横断面测量
在通常情况下，把EDM类型设置在棱镜(IR)状态，用棱镜配合全站仪进行野外数据采集，如此能较精确地采集到断面特征点。在无棱镜测量能及、没有障碍物挡视线、反射介质较好而且人较难到达的地方，则把DEM类型设置到RL状态，即无棱镜测量状态，EDM模式设置为标准模式。瞄准待测特征点，按测量键，仪器开始测量，2秒钟后即可测量出该点坐标。
3.3 无棱镜测量的粗差探测
因为无棱镜测量技术作为测绘界的一项新技术应用于生产，其精度如何是人们最关心的问题，为此我们在视野开阔、反射介质较好的地方在(IR)状态用红外光配合棱镜测距和RL状态(无棱镜测量)采集两组数据。由于所测的距离不越过300米，斜距的气象改正、加乘常数改正、倾斜改正、投影改正都非常小[2]，其影响忽略不计。直接采集到的平距数据如数据对照表 :
表3-3数据对照表
由上表可以看出，TPS1200有棱镜测量的平距与无棱镜测量的平距基本一致， D最大为0.2mm,相对精度为3.2×10-6，其粗差很小，满足测量精度要求。
4.无棱镜全站仪测量技术的优点
通过长岐灌区地形测量、断面测量等工程实践，体会到无棱镜测量技术在测绘界中应用，解放了生产力，提高工作效率。同样条件下，平均一天测量1.8km的断面，工作效率提高近30%，节省了时间，加快外业进度，提高工作效率，降低测量人员的劳动强度，能快速、准确地为有关部门提供测量成果[3]，为后期各专业设计工作的提前展开创造了条件。
综上所述，无棱镜测量技术的主要优点：
(1)无棱镜测量适用于测会人员难以到达的特征点，如陡峭石崖、有剧毒的化工地区、高温高压地区等。
(2)快速、准确，节省人力物力，节约时间。
(3)适用于反射介质较好的城市测量、地籍测绘，甚至实现单人测量。
参 考 文 献
[1] IEC 60821-1. 激光产品的安全性：第一部分.设备分类、要求和用户向导. (IEC 60825-1修订本 A2),［S］
[2] SL 197-97.水利水电工程测量规范［S］
[3] 张培存，吕存宣，王志军.断面测量内外业一体化系统研究［J］.测绘通报，2004，(10) ：32页
[4] 莱徕TPS1200型全站仪操作说明书
[5] 广西防城港市长岐灌区渠道项目相关技术资料
[6] 武汉测绘科技大学《测量学》编写组.测量学（第三版）.北京：测绘出版社,1991
[7] 李青岳.工程测量学.北京：测绘出版社,1984
[8] 徐绍铨，吴祖仰.大地测量学.武汉：武汉测绘科技大学出版社,1996