全站仪在变形观测中使用若干问题

全站仪在变形观测中使用若干问题濮久武（乌溪江水力发电厂 浙江衢州 324000 ）摘 要：随着全站仪使用的日益普及，一些传统测量方法望尘莫及的问题迎刃而解。但如何使全站仪更有效 地发挥作用，必须了解其相关的技术特性。本文叙述全站仪在变形观测使用中的若干问题。关键词：全站仪；若干问题0引言全站仪又称全站型速测仪，是一种兼有电子测距、电子测角、计算和数据自动记录及传 输功能的自动化、数字化的三维坐标测量与定位系统，广泛应用于控制测量、地形测量、工 程测量等方面，在九十年代开始已得到了实际应用。目前全站仪中一般采用红外光按相位法 进行测距，其精度高、稳定性好。如Leica TCA2003全站仪其标称测距精度为lmm+lppm, 在150米范围内，测距精度为0.5mm； 200米范围内，测距精度为1.0mm。按电子经纬仪测 角原理进行测角，TCA2003的标称测角精度为0.5。全站仪的诞生，开辟了大地测量法应用 的新途径，边角交会、三维坐标法等进行变型测量已越来越被人们接受，其实际效果亦得到 了可靠的验证。1 全站仪的特性及使用效果1.1 全站仪的特性在全站仪中均使用了观测数据自动显示、计算及记录等功能，消除了观测中的读数误差；自动跟踪型全站仪可自动进行目标跟踪，不需人工照准，减小了照准误差大大提高了观测速 度和精度，采用多测回测角（测边）程序仪器能按设定要求完成所有测回的边角全自动观测 其一测站水平方向自动观测速度约为 0.5分钟/测回方向；在一些全站仪（如 Leica TCA2003/1800）中使用静态编码度盘，使仪器在转动中仍能显示角度值；采用了在度盘上分 布多个读数探测器加上专用的装配方法和读数方法，尽大地消除了度盘的刻划误差和偏心误 差，即使一测回测量也可获得小于秒级的测角精度；采用了“三轴自动补偿”，解决了以往常 规经纬仪等仪器无法消除的系统误差，提高了观测精度，尤其在水坝变形观测中，可使因仪 器垂直轴倾斜对倾角较大的测点导致的测角系统差基本消除；仪器各种轴系检测、校正快速 方便，读数稳定、几乎无跳动现象；气泡采用了电子气泡，突破了传统的水准气泡原理，其 气泡偏移量为仪器垂直轴倾斜液体补偿器实时感应量的直接反映，气泡工作稳定、仪器易整 平；采用了激光对点器，提高了仪器安置的效率，当仪器高为 1.5 米时它的对中精度约为 0.8mm。1.1.1 全站仪的三轴补偿 全站仪采用了三轴补偿，包括因垂直轴倾斜引起的视准轴方向和水平轴方向的读数误差补偿（即包括垂直轴倾斜引起的垂直、水平度盘读数误差补偿的双轴补偿），仪器水平轴误差 和视准轴误差引起的水平度盘读数误差以及竖盘指标差补偿。如图1,仪器补偿器存在着纵向指标差为（1）,仪器垂直轴纵向（视准轴向）向前倾斜为（V）,望远镜视准轴与水平轴的夹角在竖直面上的投影为T ,设垂直度盘指标差为0。仪器垂直轴/I - V 补偿器轴2- .1,补偿器轴1,水平轴X水平轴Y铅垂 轴Z图 1 全站仪垂直角公式推导分析示意图盘左时仪器补偿器处于“补偿器轴1”位置仪器水平气泡（纵向）显示为：L 左= l + v ；左垂直角为：T左=90 -（垂直度盘本身的测读值+ L左）=T + v - L左=T - l左左左盘右时仪器补偿器处于“补偿器轴2”位置仪器水平气泡（纵向）显示为：L右=l -v ；右垂直角为：T =（垂直度盘本身的测读值+ L ）- 270 =T + v + L =T + l右右右实际上，仪器补偿器存在着指标差相当于水平气泡也有等量的误差，水平气泡（纵向）在盘左位置的正确值应为： L =（L - L ） /2 = v左右垂直角的正确值应为：T =（T左+ T 右） /2左右补偿器横向指标差（t）对仪器的影响基本类同。综上所述，垂直轴倾斜中由于存在纵向补偿指标差l，其在垂直角观测时对盘左、盘右观 测值的补偿误差（即指标差l导致的误差）是等量异号的，其中盘左补偿误差为（-l）、盘右 补偿误差为（l）,只要在补偿范围内，与垂直轴倾斜量无关。其补偿值即为当时该位置的水 平气泡显示值L,符号与盘左、盘右位置有关。当全站仪按几何水准法进行一测站高差测量（一测站中从后视至前视仅转动照准部）时 仪器垂直轴不完全处于铅垂，其视准轴的倾角在变化，但由于存在纵向补偿指标差l导致其 所测垂直角的误差始终是一致的，故作水准测量时应按三角高程法计算一测站之高差。只有 当仪器在前后视垂直角测读数相等且接近90或 270时（也可转动望远镜设置成相等），才 能采用前后视标尺读数法计算高差。垂直轴倾斜中由于存在横向补偿指标差t，在水平方向观测时其对盘左、盘右观测值的补 偿误差也是等量异号的，只要在补偿范围内，与垂直轴倾斜量无关。其补偿值为当时该位置 的水平气泡显示值T的函数（Tcost，T为观测点之垂直角），符号与盘左、盘右位置有关。全站仪的补偿改正是通过补偿器自动测定垂直轴倾斜的瞬时值补偿垂直轴倾斜引起的垂 直、水平度盘读数误差，同时通过已被确定并存储在仪器里的最新水平轴误差、视准轴误差 以及竖盘指标差等用仪器内计算软件来改正仪器轴系误差引起的水平及垂直度盘读数误差 的。故仪器补偿器本身的误差、仪器轴系误差中的水平轴误差 a 、视准轴误差 c 及竖盘指标 差 i 等，应通过定期的检测进行修正以使仪器达到最佳工作状态。尽管上述误差不能调整到 零，但通过盘左及盘右观测取均值的方法均能消除上述补偿及各项轴系误差。应当注意到，全站仪中的“三轴自动补偿”功能只是在度盘读数中自动加入改正，并非 物理上的轴系改平，所以如果全站仪作视准线法观测要发挥其“补偿” 功能，则只能采用“小 角度法”，而不应采用“活动觇牌法”。再者，全站仪望远镜的放大倍率均不高，用人工照准 觇牌的照准误差较大，TCA全站仪无水平制动设施。采用“小角度法”观测，同时观测目标点（采用棱镜）的垂直角和距离，即可进行位移 测点的三维坐标观测。1.1.2 DIN18723进口全站仪均用 DIN18723 作为检定仪器测角精度的依据， DIN 即德国工业标准， 18723 为标准号，其内容为大地测量仪器精度的野外测试方法。它属于国外先进标准，可以在我国 各级标准中直接应用。尽管与我国国家计量检定标准 JJG 所采用的检定方法有区别，但理论 和试验表明，两者提供的参数基本相当，均指野外观测一测回水平方向或垂直角标准偏差。1.2 实测精度高于其标称精度目前的 TC（A）2003/1800 等全站仪使用初期其实测及检定精度与其标称精度相比一般 均在 0.7 倍以下，许多仪器仅 0.5 倍以下。随着使用期的延长，其精度会略微有所下降。一些工程野外多测回观测测站平差资料表明， TC（A）1800 全站仪（标称方向观测中误 差为1）与T3光学经纬仪均采用“双照准法”比较看出，当视距在二百米以内时，一测 回水平方向观测中误差都在土 0.8、1.0 以内，而当视距在二百米以上，后者的精度比前 者要稳定些。 TC（A） 2003 全站仪（标称方向观测中误差为0.5）采用“双照准法”一测 回水平方向观测中误差都在 0.7以内。采用程序自动观测时测角精度要低于同等级全站仪 的人工观测。工程的精密测距成果表明，TCA2003的实测精度一般能达到0.5mm+0.5ppm,而TC1800 的实测精度一般能达到0.8mm+1ppm。全站仪中标称的测距精度系指其斜距的测量精度，故 其平距的测量精度直接与其垂直角测角精度有关，尤其当所测边垂直角较大时垂直角测角误 差对平距测量精度的影响愈加明显。2 边长观测中的气象改正2.1 气象元素测定及气象改正高精度测距工作，必须同时进行精密的气象元素测定，以便进行气象改正。在激光（或 红外光）测距中，测线上的温度误差为1C,将引起1ppm的测距误差；气压误差为3.4mbar , 也将引起 1ppm 的测距误差；而湿度对测距影响是较小的，一般每变化 40%的相对湿度，会 引起0.11ppm的测距误差（温度在0C 40C范围内）。与测距配套的通风温度计最小刻度 必须为0.2C，空盒气压计最小刻度必须为0.5hPa （或0.5 mmHg），湿度数据可参考当地气象 资料。气象元素测定时，应保证气象仪表本身的正确性，同时在测线两端避免过大的高差，避 免视线擦过水域，并应选择空气充分调和的有风天气或温度较均匀的阴天。为削弱气象代表 性误差影响，精密测距应选择不同时段进行。精密测距时，气象元素测定必须在测站和镜站 同时进行，必要时可加设中间点同时测定温度。气象元素测定应在距离观测的始末分别进行 并取各数据之均值在观测成果化算中进行气象改正。各种类型的全站仪其气象改正公式并不 都相同，这与全站仪载波波长、标准气象条件等有关。如徕卡 TPS1000（ 2000）系列全站仪 其测距光波波长入=0.85p m，气象改正公式为：AD 二 281.80 -.2965 - 4126 %10-4 % h % 10x 1 + a% t1 + a% t上式中： D气象改正比例系数，10-6P大气压，mbt干温，。Ch相对湿度，%a 大气膨胀系数，a =1/273.16X= 7.5 % % + 0.7857237.3+t必须说明，部分全站仪（如Leica）中平距的计算是相对测站（不是镜站）高程而言的， 并非投影到参考椭球面上的长度（而是投影到该测站高程面上的弦长）。对于工程控制网，常 常将测线长度投影到该测区的平均高程面上。全站仪（如Leica ）所测斜距（是指经过波道弯 曲改正后测站与镜站两点间的倾斜距离）必须经过加常数、乘常数、周期误差、气象等改正所测斜距必须经过倾斜改正才能得到水平距离。在获得两端点（测站、镜站）高差h后 即可通过解算三角形直接求得平距D。因高差中误差m引起的改平中误差公式为：hmD二士 % % mh，如允许mDW0.4倍平距观测中误差（按不影响原则），则可求得 m 的允许值，从而确定获得高差的观测方案。h2. 2 采用基准线自校准测距法，提高变形观测中的测距精度精密测距中，气象代表性的误差（测站或者测站与镜站上测定的气象元素与测线平均气 象元素之值的差）其影响是较为复杂的，它受到测线周围的地形、地物和地表情况及气象条 件等因素的影响。这种误差对测距的影响有时是较大的；其次，测距仪的常数尽管通过定期 的检定，其检定结果也包含误差；再者，测距仪的加常数、乘常数在使用过程中也难以保证 绝对不变。尤其是乘常数的波动有时是较大的，从部分仪器的乘常数检定资料看，较为稳定 的仪器其变幅一般在土3ppm以下（加常数要稳定一些），这种波动也难以找出规律来削弱其 对测值的影响。实际上，在变形监测中，一般都建有检测基点稳定性的基准网，在一定的时期内，这些 基点间的基准边是已知的（或固定的），我们可以通过在变形观测的同时，测出基准边的长度， 此值与已知值之差即可认为是当时气象条件变化或上述诸因素以及其他各种未知误差源在基 准边上观测所产生的综合影响，同时也可简易地评定仪器的稳定性能。把此差值按比例配赋 给其他所测的边长进行综合改正，得到所要的观测值。此时不一定要测定气象元素，从而简 化了观测系统的设备和操作程序。这种方法称之为基准线自校准测距法，其观测精度会显著 地提高。为了保证基准线自校准测距法的可靠性和准确性，在实际工作中应做到：（1）基准线的边长必须保持稳定不变，或作定期检测。（2）基准线上与所测边测线上的气象条件（或其变化）基本相同。（3）基准线的边长与所测边的边长大致相等。否则必须考虑仪器加常数的影响，加常数 可在短基线（如几十米或更短）上定期自行测定。（4）可采用多条基准线进行校核，并取其比例改正数的中数，作为配赋值。3 全站仪实际应用中的几个问题3.1 自动跟踪型全站仪进行精密水平角观测时，可采用方向观测法自动跟踪型全站仪采用多测回测边测角程序其观测都是自动完成的，由于其观测速度较 快而大大降低了环境误差的影响，不需人工调焦照准观测目标而不存在成像清晰稳定等问题， 一测站上同组的观测方向数可适当增多些。在工程测量中，只要采用一定的测回数并分时段 按“方向观测法”进行水平角观测一般均能达到预期目标。再者仅靠提高测角精度来提高点 位的观测精度已极为困难（如大气折光的影响难以消除），尤其是距离较长时，可采用高精度 的边角观测来达到目的。3.2 自动跟踪型全站仪进行水平角方向法观测时，各测回零方向度盘读数不进行 配置对某些高精度全站仪来说，由于其度盘读数设备的特殊性，在每次读数中已经基本上消 除了度盘的刻划误差和偏心误差。实际上，即使采用不同的零方向度盘配置，对于其度盘来 说仍然处于原来位置而并不象光学经纬仪那样变更了度盘的实际位置，所以在这种情况下进 行各测回零方向度盘配置无实际意义。为此，与之相适应的有关国家规范宜尽快出台。自动跟踪型全站仪观测速度较快、环境误差影响小且很少参与人工操作而基本避免了人 为碰动仪器的可能，所以有的不进行归零，每个方向的观测值“等权”。但考虑到野外观测的 诸因素，如环境误差、观测误差、仪器轴系的传动误差等，为衡量并削弱这些误差对观测值 的影响，建议在多方向观测中进行半测回归零。3.3 自动跟踪型全站仪照准目标时，可不采用“双照准法”采用“双照准法”的应用软件进行自动跟踪测角，仪器采用ATR照准目标时将（不进行 重新照准）进行再次计算仪器十字丝与棱镜中心的相对位置而测量到方向值，提高了照准精 度（理论上提高到倍。ATR照准精度也取决于大气成像的稳定性，如TCA2003水平、垂 直方向单次照准偶然中误差可在土0.31.4之间）。实际上对于精密自动跟踪型全站仪采用 增加测回的方法来代替“双照准法”，在削弱照准误差的同时，也削弱了环境误差（如大气折 光、温度变化）等影响，提高了观测精度。3.4 全站仪观测中的目标照准从棱镜本身结构来讲，观测时仪器十字丝与棱镜中心存在偏移量不会对斜距观测带来影 响，但此时由于目标的垂直角有偏差，故为了得到精确的水平方向和平距等必须使仪器十字 丝照准棱镜中心。对于有自动目标识别（ATR）的全站仪（如Leica TCA系列），只要粗略照准棱镜后，仪 器会自动搜索，一般情况下十字丝位于棱镜中心附近，便能测定棱镜中心位置。虽然十字丝 与棱镜中心间存在着水平向和垂直向的偏移量，但这些偏移量能自动被用来改正仪器上所显 示的水平和垂直角，实质上已相当于精确定位。很重要的一点，ATR照准差即视准线（十字丝）和CCD相机中心之间的水平和垂直方向 上的偏差的检校是提高ATR精度的重要一环，在精密测量前或仪器作长途运输等情况下必须 进行检校，定期地检测ATR方式与人工方式较差也是十分必要的。为削弱仪器基座扭转及位移带来的误差，自动跟踪型全站仪在进行自动观测前的人工定 向时必须使照准部按规定方向先行转动到照准目标，自动观测过程中每半测回开始观测前， 照准部自动按规定的旋转方向先转动仪器半周。ATR照准时亦需目标在仪器中的成像有一定 的轮廓，故仪器在零方向定向后要将焦距调在适中的位置，TCA全站仪采用程序自动观测时 各方向的视距不要较差太大。3.5 全站仪用于视准线观测使用传统的光学经纬仪，因其没有垂直轴倾斜自动补偿功能，一旦工作基点与位移测点 有较大高差，则因经纬仪垂直轴倾斜引起的系统误差将无法消除。如 T3 经纬仪气泡偏离一 格时，对于相对其高差为30米的位移测点可产生1mm的系统误差。而Leica全站仪由于其具 有“三轴自动补偿”功能，可完全消除这种系统误差。应当注意到，全站仪中的“三轴自动 补偿”功能只是在度盘读数中自动加入改正，并非物理上的轴系改平，所以如果全站仪作视 准线法观测要发挥其“补偿” 功能，则只能采用“小角度法”，而不应采用“活动觇牌法”。 再者，全站仪望远镜的放大倍率均不高，用人工照准觇牌的照准误差较大，况且TCA全站仪 无水平制动设施。采用“小角度法”观测，同时观测目标点（采用棱镜）的垂直角和距离，即可进行位移 测点的三维坐标观测。3.6 应该定期进行仪器的检定采用“三轴自动补偿”的全站仪，在精密测量前、仪器作长途运输等情况下应进行仪器 的检测和校正，以便将各种误差补偿到最小，尤其是在仪器采用单面（仅作盘左或盘右）观 测及衡量观测精度时必须进行上述各项检校。全站仪的测距误差与仪器本身的质量直接相关，其各项测距参数亦会时常发生变化，故 必须定期进行仪器加常数、乘常数、周期误差等参数的测定以便进行距离观测成果改正，尤 其在控制网等精密工程观测前。3.7 在高精度测量中，全站仪仪器高量取应制作专用工具高精度全站仪的仪器高量取时因仪器两侧支架结构（外弧形且支架超出观测墩基座直径）的影响，需采用专用的可直读到 0.1mm 的卡尺（类似于深度卡尺），以保证方便可靠地测读 到仪器高。3.8 变型监测中更需要固定误差较小的测距仪器变型监测工程中，一般观测的边长较短而精度要求高。如一、二千米以内甚至更小，却 要求达到毫米级甚至亚毫米级的精度，这就需要一些有极小固定误差的测距仪器来满足观测 要求。3.9 希望有更多适合于我国规范的工程应用软件随着各项工作的标准化、规范化和制度化，每个工程都需要有更多、更合适的专业软件 应用于光电测量仪器，希望仪器的软件编辑功能给用户提供更加开放的空间，同时也呼吁主 管部门对该类产品的软件开发制订相应的规定，指导或安排软件开发部门有针对性地进行软 件开发，尽量减少浪费，做到资源共享，也有利于该项工作的规范化管理。濮久武，男，（1964），浙江人。工程测量专业，高级工程师。长期从事大坝安全监测工作。 Some problem about using the Total station on observing deformation Pu Jiuwu（Wuxijiang Hydroelectric Power Plant.324000.Quzhou.Zhejiang）Abstract:Along with increasingly gain ground of using Total station, solved some problem that Traditional method cant solve. But how to effectively exert the efficacy of the Total station ,must know it concerned technic characteristic. This text depictes some problem about using the Total stationKeyword:Total station:some problem