全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量的方法

黎軍平

摘 要：隨著全站儀的廣泛使用，使用跟蹤桿配合全站儀測(cè)量高的方法越來(lái)越普及，使用傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量方法已經(jīng)顯示出了他的局限性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期摸索，總結(jié)出一種新的方法進(jìn)行三角高程測(cè)量。這種方法既結(jié)合了水準(zhǔn)測(cè)量的任一置站的特點(diǎn)，又減少了三角高程的誤差來(lái)源，同時(shí)每次測(cè)量時(shí)還不必量取儀器高、棱鏡高。使三角高程測(cè)量精度進(jìn)一步提高，施測(cè)速度更快。

關(guān)鍵詞：全站儀；三角高程測(cè)量；方法

引 言

三角高程測(cè)量是采用經(jīng)緯儀和測(cè)距儀測(cè)定兩點(diǎn)間的豎直角和距離，按三角學(xué)原理，計(jì)算兩點(diǎn)間的高差，該方法是一種間接測(cè)高法，它不受地形起伏的限制，且施測(cè)速度較快，尤其是隨著全站儀的出現(xiàn)，及其測(cè)角、測(cè)距精度的不斷提高，該法更是被廣泛應(yīng)用于地形圖測(cè)繪、管網(wǎng)工程等工程測(cè)量中，但它也有其缺點(diǎn)，就是精度較低，尤其每次測(cè)量時(shí)都需量取儀器高和棱鏡高，比較麻煩，且增加了誤差來(lái)源。

1 全站儀的結(jié)構(gòu)及功能

全站儀上半部分包含有測(cè)量的四大光電系統(tǒng)，即水平角測(cè)量系統(tǒng)、豎直角測(cè)量系統(tǒng)、水平補(bǔ)償系統(tǒng)和測(cè)距系統(tǒng)。通過(guò)鍵盤可以輸入操作指令、數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)。以上各系統(tǒng)通過(guò)I/O接口接入總線與微處理機(jī)聯(lián)系起來(lái)。

微處理機(jī)（CPU）是全站儀的核心部件，主要有寄存器系列（緩沖寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器）、運(yùn)算器和控制器組成。微處理機(jī)的主要功能是根據(jù)鍵盤指令啟動(dòng)儀器進(jìn)行測(cè)量工作，執(zhí)行測(cè)量過(guò)程中的檢核和數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、儲(chǔ)存等工作，保證整個(gè)光電測(cè)量工作有條不紊地進(jìn)行。輸入輸出設(shè)備是與外部設(shè)備連接的裝置（接口），輸入輸出設(shè)備使全站儀能與磁卡和微機(jī)等設(shè)備交互通訊、傳輸數(shù)據(jù)。

電磁波測(cè)距按載波來(lái)分，采用微波段的電磁波作為載波的稱為微波測(cè)距儀；采用光波作為載波的稱為光電測(cè)距儀。光電測(cè)距儀所使用的光源有激光光源和紅外光源（普通光源已淘汰），采用紅外線波段作為載波的稱為紅外測(cè)距儀。

欲測(cè)定A、B兩點(diǎn)間的距離D，安置儀器于A點(diǎn)，安置反射鏡于B點(diǎn)。儀器發(fā)射的光束由A至B，經(jīng)反射鏡反射后又返回到儀器。設(shè)光速c為已知，如果光束在待測(cè)距離D上往返傳播的時(shí)間t已知，則距離D可由下式求出：

傳播速度會(huì)隨大氣的溫度和氣壓而變化，15℃和760mmHg是儀器設(shè)置的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)的大氣改正為0ppm。實(shí)測(cè)時(shí)，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會(huì)自動(dòng)計(jì)算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行改正。

2 三角高程測(cè)量的傳統(tǒng)方法

首先我們假設(shè)A，B兩點(diǎn)相距不太遠(yuǎn)，可以將水準(zhǔn)面看成水準(zhǔn)面，也不考慮大氣折光的影響。為了確定高差hAB，可在A點(diǎn)架設(shè)全站儀，在B點(diǎn)架設(shè)棱鏡，觀測(cè)垂直角αAB，并直接量取儀器高i和棱鏡高t，若A，B兩點(diǎn)間的水平距離為D，則hAB=V+i-t故：

HB=HA+DtanαAB+i-t（2）

這就是三角高程測(cè)量的基本公式，但它是以水平面為基準(zhǔn)面和視線成直線為前提的。因此，只有當(dāng)A，B兩點(diǎn)間的距離很短時(shí)，才比較準(zhǔn)確。當(dāng)A，B兩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，就必須考慮地球彎曲和大氣折光的影響了。其改正的公式為D2/2R，D為觀測(cè)平距，R為地球曲率半徑。這里不論述公式的推理過(guò)程，只就三角高程測(cè)量新法的一般原理進(jìn)行闡述。

3 總 結(jié)

（1）采用測(cè)角2″級(jí)的全站儀進(jìn)行觀測(cè)，控制施測(cè)距離，盡量控制測(cè)距邊長(zhǎng)在300m以內(nèi)，最大也不要超過(guò)400m。

（2）地球曲率和大氣折光的影響

近地面大氣層的密度分布一般隨離開(kāi)地面的高度而變化，也就是說(shuō)，近地面大氣層的密度存在著梯度。因此，光線通過(guò)在不斷按梯度變化的大氣層時(shí)，會(huì)引起折射系數(shù)的不斷變化，導(dǎo)致視線成為一條各點(diǎn)具有不同曲率的曲線，在垂直方向產(chǎn)生彎曲，并且彎向密度較大的一方，這種現(xiàn)象叫做大氣垂直折光。

用全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量時(shí)，可以設(shè)置大氣折光系數(shù)K（一般取0.12），儀器自動(dòng)對(duì)地球曲率及大氣折光的影響進(jìn)行改正。如果把視距控制在500m左右，前后視距差在3m之內(nèi)，影響可以忽略不計(jì)。

（3）棱鏡沉降、儀器沉降、棱鏡傾斜的影響

與水準(zhǔn)測(cè)量類似，用全站儀代替水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量時(shí)同樣存在棱鏡沉降、儀器沉降的影響，觀測(cè)時(shí)必須采取一定的措施來(lái)減弱或消除。

棱鏡傾斜的影響與水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)水準(zhǔn)尺的傾斜相似，只要仔細(xì)檢驗(yàn)對(duì)中桿上的圓水準(zhǔn)氣泡，在立桿時(shí)保證氣泡居中就可以減弱此影響。

（4）豎直度盤指標(biāo)差的影響

水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)主要存在i角誤差的影響，為了消除i角誤差對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響一般要求前后視距相等。用全站儀觀測(cè)時(shí)，類似的誤差是豎直度盤指標(biāo)差，如果只用正鏡或倒鏡觀測(cè)，該項(xiàng)誤差的影響不容忽視。但是只要采用正倒鏡觀測(cè)，就可以抵消指標(biāo)差的影響。

（5）垂直軸傾斜誤差的影響

全站儀能夠進(jìn)行垂直軸傾斜的自動(dòng)補(bǔ)償，并且補(bǔ)償后的精度能達(dá)到0.1″，影響甚微。因此，垂直軸傾斜誤差的影響可以忽略不計(jì)。

（6）垂線偏差的影響

在山區(qū)和丘陵地區(qū)用全站儀代替水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量有顯著的優(yōu)點(diǎn)。但由于垂線偏差的變化較大，使得測(cè)點(diǎn)之間所觀測(cè)的高差不等于這兩點(diǎn)之間的正常高高差。因此，必須加垂線偏差改正。

（7）電磁場(chǎng)對(duì)三角高程測(cè)量的影響

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中敷設(shè)大功率、超高壓輸電線，目的是為了使電能通過(guò)空中電線或地下電纜向遠(yuǎn)距離輸送。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)輸電線經(jīng)過(guò)的地帶所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，對(duì)全站儀視線位置的正確性有系統(tǒng)性的影響，并與電流強(qiáng)度有關(guān)。輸電線所形成的電磁場(chǎng)對(duì)平行于電磁場(chǎng)和正交于電磁場(chǎng)的視線將有不同影響。在設(shè)計(jì)三角高程控制路線時(shí)，必須考慮到通過(guò)大功率、超高壓輸電線附近的視線直線性所發(fā)生的重大變形。

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