工程測(cè)量?jī)x器使用過程中精度的控制分析

彭 濤

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025）

在工程測(cè)量方面應(yīng)用最為廣泛的是GPS技術(shù)，GPS控制測(cè)量方式具有較大的優(yōu)勢(shì)，它不需要耗費(fèi)過高的運(yùn)營(yíng)成本便能測(cè)量出較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)測(cè)量的過程中，不需要耗費(fèi)太多的時(shí)間。因此相比較其他的測(cè)量手段而言，GPS控制測(cè)量方式在現(xiàn)階段的工程測(cè)量中，有較高的使用頻率。在工程測(cè)量的實(shí)際過程中，儀器的使用精度影響著測(cè)量的結(jié)果和準(zhǔn)確性，對(duì)于以測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的建筑工程而言，有著非常重要的基礎(chǔ)性，是為工程提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的第一步，也是對(duì)工程安全性保障的一項(xiàng)重要工程操作。

1 提高工程測(cè)量精度的意義及價(jià)值

在工程建設(shè)的過程中，要依托現(xiàn)代化的測(cè)量設(shè)備以及各種測(cè)繪軟件，進(jìn)行精密的測(cè)量測(cè)繪，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，為工程的進(jìn)一步實(shí)施做基礎(chǔ)。一般在厘米級(jí)的普通的土木工程的測(cè)量中，全站儀、經(jīng)緯儀等儀器的測(cè)量完全可以滿足普通工程的需要，建立工程所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)，但是在一些精度要求比較高的工程中，普通的測(cè)量?jī)x器難以達(dá)到工程所需要的精度指標(biāo)，不能滿足工程中對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求，比如安裝定位要求在毫米乃至毫米以下的特種工程，普通的全站儀與經(jīng)緯儀顯然達(dá)不到相關(guān)精度指標(biāo)，這就需要更高精尖的測(cè)量?jī)x器來勝任了。

1.1 工程測(cè)量的儀器使用精度影響了工程測(cè)量的工作效率

工程測(cè)量的精度在數(shù)據(jù)上為工程實(shí)施的準(zhǔn)確性和可行性提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)，也為工程實(shí)施的工作效率提供了必要的準(zhǔn)備。在工程測(cè)量?jī)x器使用的過程中，借助現(xiàn)代化的測(cè)量方式和測(cè)量方法，保障了在測(cè)繪和計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，尤其是在工程監(jiān)測(cè)的過程中，多周期、多測(cè)回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，對(duì)工程的安全性有著至關(guān)重要的影響。

1.2 工程測(cè)量的儀器使用精度提升了工程測(cè)量的準(zhǔn)確性

測(cè)量?jī)x器的照準(zhǔn)誤差以及讀數(shù)誤差會(huì)影響數(shù)據(jù)結(jié)果的真實(shí)性，因而在工程測(cè)量的使用過程中，需要對(duì)以上兩種誤差盡量消除，以此來提升測(cè)量的準(zhǔn)確度。有時(shí)在測(cè)量的時(shí)候會(huì)借助自動(dòng)化的測(cè)繪儀器，減少這種人為誤差帶來的影響，降低錄入數(shù)據(jù)信息時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤，對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行保障。

1.3 工程測(cè)量的儀器使用精度方便對(duì)工程測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果的處理

在工程測(cè)量的儀器使用過程中，需要依靠專業(yè)的方法進(jìn)行理論指導(dǎo)，將各種測(cè)量的儀器設(shè)備通過系統(tǒng)組合的方式，對(duì)所需要測(cè)量數(shù)據(jù)的工程進(jìn)行角度、邊距以及高程方面的測(cè)量，當(dāng)然最重要的是獲得所需要的工程的三維坐標(biāo)以及各種工程數(shù)據(jù)。例如在國(guó)家級(jí)別的比較重要的工程中，對(duì)于控制網(wǎng)點(diǎn)的控制誤差的要求一般會(huì)控制在±1.0 mm內(nèi)，同時(shí)對(duì)于各種構(gòu)件的安裝的誤差要求不大于0.2 mm，在這種高精度要求下，對(duì)于測(cè)量?jī)x器的使用和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。

2 工程中空間坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)及其精度控制

在大尺寸工程測(cè)量中，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限性以及工程測(cè)距比較大，使得測(cè)量的空間介于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和大地測(cè)量的范圍之間，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以達(dá)到測(cè)量的精度要求，儀器的使用也超出了其使用的范圍。大尺寸工程測(cè)量表現(xiàn)為精密的工程測(cè)量，測(cè)量要素也從角度、長(zhǎng)度測(cè)量擴(kuò)展到坐標(biāo)測(cè)量和形狀測(cè)量?？臻g坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，形成了許多不同的適用范圍下的測(cè)量方式和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于空間坐標(biāo)測(cè)量，主要從高密度電子經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量、數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量、高精度全站儀測(cè)量、激光雷達(dá)測(cè)量、激光跟蹤測(cè)量、GNSS測(cè)量等六種測(cè)量技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 高密度電子經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)

全站儀在進(jìn)行極坐標(biāo)的測(cè)量過程中，其測(cè)距精度不足，造成了在大空間的測(cè)量中存在測(cè)量難度，因而采用高密度經(jīng)緯儀進(jìn)行交會(huì)測(cè)量，以此來彌補(bǔ)不足。測(cè)量主要采用兩臺(tái)高密度電子經(jīng)緯儀以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)組合而成，根據(jù)角度前方的交會(huì)測(cè)量原理如圖1所示，進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，以此來解算空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，獲得大尺寸測(cè)量中的空間坐標(biāo)系。

圖1 經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量原理

此種經(jīng)緯儀測(cè)繪的測(cè)角精度均優(yōu)于士0.5 "，由于測(cè)量?jī)x器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠形成穩(wěn)定的測(cè)角功能，而且具有自準(zhǔn)直，手柄記錄等優(yōu)點(diǎn)，在工程中具有一定的應(yīng)用，而且其對(duì)測(cè)量環(huán)境要求不苛刻，測(cè)量范圍比較大，是光學(xué)、非接觸式的測(cè)量系統(tǒng)，多使用的電子經(jīng)緯儀為徠卡公司生產(chǎn)的T3000A， TMS 100A，TM6100A等型號(hào)，需要人工進(jìn)行測(cè)量目標(biāo)的照準(zhǔn)，測(cè)量的效率不高，測(cè)量的自動(dòng)化程度相對(duì)于其他測(cè)量系統(tǒng)而言較低。但是由于高密度電子經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)在精密準(zhǔn)直測(cè)量等領(lǐng)域有著不可替代的作用，因而在一定的范圍內(nèi)仍然使用。

2.2 數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)也就是數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)，使用的設(shè)備包含多個(gè)攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等攝像、錄像設(shè)備，可以對(duì)圖像資料進(jìn)行處理，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)通過共線方程進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，最終得到三維坐標(biāo)系統(tǒng)。根據(jù)視覺系統(tǒng)攝像設(shè)備的數(shù)量可以分為單目視覺系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)以及多目視覺系統(tǒng)。如圖2所示為雙目視覺系統(tǒng)的原理圖。在惡劣條件以及動(dòng)態(tài)條件測(cè)量下，具有相對(duì)于其他系統(tǒng)而言非常顯著的穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖2 雙目視覺系統(tǒng)

此種測(cè)量系統(tǒng)的典型測(cè)量點(diǎn)位精度達(dá)到1∶10萬，是測(cè)量精度較高的一種測(cè)量系統(tǒng)，挪威MetroNor公司的MetroNor系統(tǒng)、德國(guó)AICON公司的DPA-Pro系統(tǒng)被數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)的許多公司也嘗試生產(chǎn)高精度的數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)，但是測(cè)量點(diǎn)位精度還不能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。這種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是適合進(jìn)行批量的點(diǎn)測(cè)量和面測(cè)量，測(cè)量的效率較高，但是對(duì)測(cè)量環(huán)境有一定的要求，不適宜在惡劣的環(huán)境下使用，測(cè)量的范圍也具有一定的局限性。

2.3 高精度全站儀測(cè)量系統(tǒng)

高精度全站儀測(cè)量系統(tǒng)是一種非接觸式的測(cè)量系統(tǒng)，需要借助一臺(tái)全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)測(cè)量而得到目標(biāo)測(cè)量對(duì)象的三維坐標(biāo)。圓形棱鏡、反射片以及球面棱鏡等元件是高精度全站儀測(cè)量系統(tǒng)的重要元件組成，由于其采用Reflectorless合作目標(biāo)模式，因而精度相比其他測(cè)量系統(tǒng)較低，但是由于有遙控設(shè)備的配合使用，因而一個(gè)人也能完成測(cè)量任務(wù)?，F(xiàn)在典型的工業(yè)測(cè)量全站儀主要采用的設(shè)備型號(hào)有Leica研發(fā)的TDA5005、TDRA6000以及Sokkia的NET05（測(cè)角精度為士0.5"，反射片測(cè)距精度為0.5 mm+1 x 106xD）等。高精度全站儀測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍限定在幾十米到幾百米的范圍內(nèi)，由于其測(cè)量精度高，因而應(yīng)用在測(cè)量范圍較大。

2.4 激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量速度非?？?，采用激光雷達(dá)掃描的方式，運(yùn)用極坐標(biāo)或者球坐標(biāo)進(jìn)行定位，采用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)地進(jìn)行工程測(cè)量。其測(cè)量速度達(dá)到十幾萬個(gè)測(cè)點(diǎn)每秒，為非接觸式的一種測(cè)量方式，并不需要測(cè)量目標(biāo)的配合便可以完成測(cè)量，如圖3所示。

圖3 激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)需要借助計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和篩選，以達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的三維建模，測(cè)距精度優(yōu)于±（10 mm+2.5 μm/m），空間坐標(biāo)測(cè)量精度優(yōu)于±0.24 mm，空間坐標(biāo)測(cè)量速度最大為1 000點(diǎn)/s，適用于對(duì)于數(shù)據(jù)采集有時(shí)間要求的工程測(cè)量中，但是這種測(cè)量系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是很難對(duì)單個(gè)目標(biāo)測(cè)量物進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)工程中需要進(jìn)行多測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)，需要借助高精度的工具球作為其公共測(cè)點(diǎn)以此來保證坐標(biāo)的準(zhǔn)確。

2.5 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是一種接觸性測(cè)量系統(tǒng)，需要借助球棱鏡等元件進(jìn)行配合測(cè)量，使用單獨(dú)一臺(tái)激光跟蹤儀，對(duì)目標(biāo)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行極坐標(biāo)的測(cè)量，借助位置檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量對(duì)象的快速追蹤，依托位置檢測(cè)器（Phase-Sensitive Detector， PSD）對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行追蹤，追蹤速度快，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)的三維掃描數(shù)字化坐標(biāo)繪制。激光跟蹤儀原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 激光跟蹤儀原理結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)具有測(cè)量速度快，且測(cè)量精度高的特點(diǎn)，當(dāng)配合安裝相機(jī)之后可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速掃描拍攝，能夠直接成像，還可以拓展配置激光傳感器、智能掃描儀、激光測(cè)頭等元件，提升其使用性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光跟蹤儀當(dāng)采用了特殊的相位法測(cè)距技術(shù)之后，比如徠卡推出的AT401激光跟蹤儀，通過戶外160 m測(cè)距的測(cè)試，測(cè)量的精度可以提高到10μm，使激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的使用領(lǐng)域更多更廣。

2.6 GNSS測(cè)量系統(tǒng)

隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，在工程測(cè)量領(lǐng)域還有一個(gè)日趨成熟的技術(shù)就是GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GNSS技術(shù)需要兩個(gè)以上的發(fā)射器，通過運(yùn)用角度空間在前方交會(huì)的技術(shù)才能繪制出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，屬于小范圍的實(shí)時(shí)的高精度的三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)。

這種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是效率高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)量的精度可以達(dá)到亞毫米，采集的頻率也很高，達(dá)到了20次/s的頻率。可以滿足多個(gè)測(cè)量目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)的測(cè)量，在幾十米的測(cè)量范圍內(nèi)，發(fā)射器的數(shù)量越多，測(cè)量的精度越高，越能夠滿足測(cè)量的需求。

3 工程中空間坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)分析

通過上個(gè)部分對(duì)不同的工程測(cè)量?jī)x器所組成的空間測(cè)量系統(tǒng)的介紹，可以看出不同的測(cè)量?jī)x器有各自不同的適用范圍和適用的要求，而且精度也各有不同。

通過測(cè)量技術(shù)的對(duì)比分析，可以得出，非接觸測(cè)量時(shí)，可以選擇高密度電子經(jīng)緯儀交會(huì)測(cè)量以及數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)，當(dāng)考慮采用無交會(huì)角影響的技術(shù)時(shí)，可以優(yōu)先選擇激光雷達(dá)測(cè)量以及高精度全站儀測(cè)量系統(tǒng)，當(dāng)選擇測(cè)量效率高的測(cè)量系統(tǒng)時(shí)候，可以優(yōu)先選用激光跟蹤測(cè)量以及GNSS測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，激光跟蹤測(cè)量具有明顯的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，激光跟蹤儀的角度測(cè)量誤差是影響點(diǎn)位誤差的主要因素，以AT901-B型激光跟蹤儀為例，其標(biāo)稱測(cè)角精度為，±（15μm+6μm/m），IFM測(cè)距誤差對(duì)點(diǎn)位誤差的影響在較短距離范圍內(nèi)可以忽略不計(jì)，點(diǎn)位誤差主要由測(cè)角誤差引起。在對(duì)于不同的測(cè)量系統(tǒng)的選擇中，首先應(yīng)當(dāng)考慮典型測(cè)量范圍以及典型點(diǎn)位精度的影響，結(jié)合測(cè)量地域所具有的場(chǎng)地特點(diǎn)以及空間所提供的具體條件，選擇適合的測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x器。

4 結(jié)語

在工程測(cè)量的過程中，需要對(duì)控制網(wǎng)的精度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，而控制網(wǎng)精度的影響因素一般有測(cè)量?jī)x器自身的精度、控制網(wǎng)網(wǎng)型的選擇、施測(cè)人員的技術(shù)水平等內(nèi)容。在不同精度的要求下，測(cè)量?jī)x器的選擇成為影響測(cè)量精度的首要因素，也是對(duì)測(cè)量的目標(biāo)工程進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)重要的因素，在實(shí)際計(jì)算中，要重視對(duì)于高精度觀測(cè)值對(duì)于數(shù)值影響的重要性權(quán)重，這樣有利于對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的優(yōu)化以及對(duì)動(dòng)態(tài)化獲得測(cè)量信息具有深遠(yuǎn)的影響。