徠卡TM50三角高程測(cè)量替代二等水準(zhǔn)測(cè)量的可行性研究

□ 浙江省第一測(cè)繪院 陳咪霞

水準(zhǔn)測(cè)量是一種傳統(tǒng)的高程測(cè)量方法，精度較高，在理論研究、數(shù)據(jù)處理等方面也都趨于完善，在實(shí)際操作等方面已經(jīng)形成了完善的操作規(guī)范。但是在地形復(fù)雜及坡度較大區(qū)域進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，因測(cè)站增多，則精度降低、外業(yè)工作量和測(cè)量成本增大、施測(cè)速度較慢。

三角高程測(cè)量是高程測(cè)量的基本方法之一，簡(jiǎn)單、靈活、受地形限制較小，但是由于受到儀器精度、地球曲率、大氣折光等因素的限制，一直沒(méi)有得到突破性的提高，在很多時(shí)候只能應(yīng)用于低等級(jí)的水準(zhǔn)測(cè)量中。

近年來(lái)，隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量?jī)x器精度的提高，尤其是高精度測(cè)量機(jī)器人的出現(xiàn)，給三角高程測(cè)量精度的提高帶來(lái)了新的突破。

本單位在對(duì)某市CORS基準(zhǔn)站進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于CORS基準(zhǔn)站布設(shè)位置都是在較高的屋頂上，使用傳統(tǒng)的的精密水準(zhǔn)連測(cè)方法傳遞高程時(shí)設(shè)站較困難，且需要工作人員爬到屋頂上進(jìn)行設(shè)站、立尺，比較危險(xiǎn)，所以開(kāi)展了高精度測(cè)量機(jī)器人TM50進(jìn)行三角高程中間觀測(cè)法代替二等水準(zhǔn)測(cè)量的研究和實(shí)踐。

一、測(cè)量機(jī)器人三角高程測(cè)量方法和原理

三角高程測(cè)量是利用測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)照準(zhǔn)點(diǎn)，得到垂直角和斜距，計(jì)算照準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)之間的高差。目前在工程建設(shè)施工中常見(jiàn)的方法有單向觀測(cè)法、中間觀測(cè)法、對(duì)向觀測(cè)法。其中單向觀測(cè)法不能有效地減弱或者消除大氣折光和地球曲率的影響，精度較低，僅適用于距離較短、精度要求不高的情況；對(duì)向觀測(cè)法是在兩測(cè)站分別設(shè)置儀器各進(jìn)行一次單向觀測(cè)，由于本文中需觀測(cè)的點(diǎn)在屋頂上，設(shè)置儀器不方便，所以本文使用三角高程測(cè)量的中間觀測(cè)法進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。

測(cè)量機(jī)器人（Measurement Robot；Georobot）能夠進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)，同時(shí)獲取目標(biāo)的角度、距離、三維坐標(biāo)及影像信息，是一種智能型測(cè)量?jī)x器。它具有一般全站儀的所有功能，同時(shí)集成了光電測(cè)距系統(tǒng)、電子測(cè)角系統(tǒng)、步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、CCD影像傳感器、ART自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別機(jī)構(gòu)等裝置，具有很強(qiáng)的自動(dòng)目標(biāo)搜尋、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別以及精確照準(zhǔn)功能，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)進(jìn)行周期性測(cè)量，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。TM50是徠卡公司開(kāi)發(fā)的新一代無(wú)棱鏡監(jiān)測(cè)精密機(jī)器人，它以高精度、高速度、全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可保證全天候無(wú)間斷工作，并確保所采集數(shù)據(jù)的高質(zhì)量和高可靠性，同時(shí)TM50具有堅(jiān)實(shí)、可靠、低維護(hù)成本和低能耗的特點(diǎn)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

測(cè)量機(jī)器人三角高程測(cè)量采用中間法三角高程測(cè)量原理：為了測(cè)定A、B 兩點(diǎn)之間的高差，在A、B之間的中間位置（或任意到兩點(diǎn)之間水平距離大致相等的位置，即S1≈S2） P點(diǎn)處安置測(cè)量機(jī)器人徠卡TM50。

在后視A點(diǎn)上采用強(qiáng)制對(duì)中法設(shè)置專用棱鏡，測(cè)出高差 h1；在前視B點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中法設(shè)置的專用棱鏡，測(cè)出高差h2，則A、B兩點(diǎn)的高差為：

公式（1）中，S1、S2分別為設(shè)站點(diǎn)P到后視點(diǎn)A和前視點(diǎn)B之間的水平距離，和分別是儀器瞄準(zhǔn)后視點(diǎn)A和前視點(diǎn)B上專用棱鏡中心的豎直角。

表1 同垂直角和邊長(zhǎng)的高差精度表

表1 同垂直角和邊長(zhǎng)的高差精度表

垂直角邊長(zhǎng)（m） 10° 15° 25° 35° 45°50 0.065 0.097 0.159 0.215 0.265 100 0.70 0.105 0.171 0.231 0.286 200 0.080 0.120 0.195 0.265 0.327 500 0.110 0.164 0.268 0.364 0.449 1000 0.160 0.239 0.390 0.530 0.653

表2 作為限差與二等水準(zhǔn)測(cè)量限差

表2 作為限差與二等水準(zhǔn)測(cè)量限差

垂直角邊長(zhǎng)（m） 10° 15° 25° 35° 45°images/BZ_49_1453_1184_1540_1253.png50 0.130 0.194 0.318 0.430 0.530 1.265 100 0.140 0.210 0.342 0.462 0.572 1.265 200 0.160 0.240 0.390 0.530 0.654 1.788 500 0.220 0.328 0.536 0.728 0.898 2.828 1000 0.320 0.478 0.780 1.060 1.306 4

中間法三角高程測(cè)量時(shí)設(shè)站要求前后視距基本相等，所以大氣折光差及地球曲率差的影響可以不考慮。由公式（1）可以看出影響高差精度的主要因素是豎直角觀測(cè)誤差和測(cè)距誤差。

二、測(cè)量機(jī)器人中間法三角高程測(cè)量精度分析

在測(cè)量機(jī)器人豎直角觀測(cè)精度和測(cè)距精度已知的情況下，由公式（1），根據(jù)中誤差傳播定律可計(jì)算高差中誤差：

根據(jù)《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB/12897-2006）的有關(guān)規(guī)定，二等水準(zhǔn)測(cè)量每公里往返中誤差為1mm。二等水測(cè)量往返測(cè)高差不符值不得超過(guò)。

三、實(shí)例驗(yàn)證

在對(duì)某市CORS基準(zhǔn)站進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)，本單位在使用中間法三角高程測(cè)量的同時(shí)，為了檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的精度，也使用了傳統(tǒng)的二等水準(zhǔn)測(cè)量方法，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行了測(cè)量。

中間法三角高程測(cè)量使用的儀器時(shí)測(cè)量機(jī)器人TM50，并使用機(jī)載軟件多測(cè)回測(cè)角程序自動(dòng)瞄準(zhǔn)進(jìn)行多測(cè)回測(cè)角。傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量使用的是Ni005A自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀進(jìn)行往返測(cè)。通過(guò)兩種方法測(cè)得的高差的差值小于1mm。兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)間的距離為200米，則二等水準(zhǔn)測(cè)量限差為=1.8mm。所以測(cè)量結(jié)果符合二等水準(zhǔn)的精度要求。

四、結(jié)論

利用徠卡TM50測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行三角高程測(cè)量中間觀測(cè)法代替二等水準(zhǔn)測(cè)量，并通過(guò)理論分析和實(shí)例比較驗(yàn)證了其在小范圍內(nèi)、兩點(diǎn)間高差較大的高程測(cè)量時(shí)可行性和可靠性。使用TM50測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行三角高程測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是儀器任意設(shè)站，不受地形條件的限制，ATR自動(dòng)照準(zhǔn)功能，克服了人眼照準(zhǔn)目標(biāo)的誤差和測(cè)程的限制，減少了誤差的來(lái)源，使用多測(cè)回測(cè)角程序提高了工作效率。為保證監(jiān)測(cè)精度，除了要注意遵守二等水準(zhǔn)觀測(cè)的相關(guān)要求外，還要采取以下措施：設(shè)站點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在已知點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的中間位置或者到兩點(diǎn)之間的距離大致相等；監(jiān)測(cè)點(diǎn)和已知點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置為強(qiáng)制對(duì)中結(jié)構(gòu)，以減少對(duì)中等誤差的影響。