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全站儀代替水準儀進行四等水準測量的探討

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-03-08 15:11

  

     眾所周知,全站儀三角高程測量可以達到四等水準測量的精度要求,然而,現行各類測量規范均規定全站儀三角高程測量代替四等水準測量時,每站必須觀測 2 個以上測回,必須往返測,而且全站儀、棱鏡均應安置于控制點,這些規定對確保三角高程測量達到水準高程的精度標準起到很好的控制作用,但如此作業,工作強度大,繁瑣復雜,在地形復雜的地區,更是難以實行,甚至還不如直接用水準儀方便。本人在公路勘測作業實踐中,摸索出了一個用全站儀代替水準儀施測四等水準導線的簡單可行的方法,特以此文探討。
1 問題提出的現實原因
       2008 年本人在四川省樂山市從事一條四級公路的勘測工作,該設計公路是一條全新的公路,線路高差起伏極大,且時而穿插成片的水田,時而需跨躍深溝,山上樹木茂盛,溝邊灌木叢生,采用常規水準測量,難度極大,儀器轉站特別多,難以達到精度要求,且作業效率低下。面臨如此復雜的測區條件,本人經過認真分析和推算,摸索了一種全站儀代替水準儀施測四等水準導線的全新方法,該方法簡單,方便簡捷,且精度高。下面具體從理論和實踐方面對該方法進行全面的探討。 
2 三角高程誤差來源分析
        三角高程誤差來源主要有: 儀高、棱鏡高量測誤差,豎直角、斜距測量誤差,照準誤差和大氣折光,地球曲率引起的誤差。
2. 1 儀器高、棱鏡高的量測誤差
        儀器高、棱鏡高通常用小鋼卷尺量測,一般要求丈量兩次,兩次互差小于 2 至 3 毫米時,取中數即可,然而,鋼卷尺量測的距離只是傾斜距離,不是真正的垂直高差,用傾斜距離值代替儀器高、棱鏡高肯定是有誤差的。
2. 2 豎直角、斜距的測量誤差
       全站儀測角,測距是存在一定誤差的,由此測得的高差必然存在誤差,所以,在測區開始測量作業時,應當對全站儀進行檢校。使全站儀的測角、測距誤差不超過測量規范所規定的誤差范圍。
靜力水準儀
2.33 照準誤差
       全站儀俯測或仰測時,照準棱鏡的位置可能不一致,也會造成實際的棱鏡高與鋼卷尺量測的棱鏡高存在差異,正確的做法是: 無論俯測還是仰測,全站儀的中線均應卡在棱鏡戰板左、右三角形的兩個夾角連線處( 此連線也是量測棱鏡高時的量測線) 。
2. 4 大氣折光和地球曲率引起的誤差
       在高程控制測量中,由于距離較長,必須考慮地球曲率和大氣折光的影響并進行改正:
( 1) 地球曲率改正。地球曲率引起的高差誤差 P按下式計算: P = D2 /2R;
( 2) 大氣折光改正。大氣折光引起的高差誤差r 按下式計算: r = D2 /14R;
( 3) 球氣差改正公式。地球曲率誤差和大氣折光誤差合稱為球氣差,用 f 表示,公式為: f = P - r≈0. 43D2 /R,式中: D - 兩點間水平距離( 即全站儀至棱鏡的水平距離) ,單位為米; R - 地球半徑,取 6371000 米。由該公式可以看出,球氣差引起的誤差與水平距離的平方值成正比,也就是誤差隨著水平距離的增大而快速的增大經計算可知: D = 200 米時,f = 3mm; D = 300 米時,f = 6mm; D = 400 米時,f = 11m; D = 500 米時,f = 17m。由上面計算結果可知,距離達到 300米時,球氣差引起的誤差就比較大了,最好將距離控制在 200 米以內。 
3 全站儀代替水準儀測量消除或降低高差誤差的方法和效果
       分析具體有: ( 1) 可以完全消除儀器高和棱鏡高量測誤差。由三角高程高差計算公式: hAB = Dtg + iA - VB + f,式中: D - 兩點間水平距離; - 豎直角; iA - 儀器高; VB - 棱鏡高; f - 球氣差改正值。前、后視測量時儀器高沒變,所以儀器高誤差可以抵消,前、后視用同一個棱鏡桿,如果桿高不變,置鏡時用棱鏡桿支架固定,水準氣泡居中,桿子立于堅硬的地面或石頭上,這樣可以保證前、后視的棱鏡高相等,從而抵消棱鏡高的量測誤差; ( 2) 可以極大地減少球氣差的誤差影響。如果前、后視的水平距離控制在 200 米以內,且前、后視的距離盡量相等,那么前、后視的球氣差改正值本身很小,且基本相等,所以基本可以忽略前、后視的球氣差改正值的差異,也就是極大地減少了球氣差的影響; ( 3) 采取適當措施,可以基本消除照準誤差的影響。對有戰標板的棱鏡,前、后視中絲均應卡在戰標板左、右三角形尖端的水平連線上,對無戰標板的棱鏡,則可以在棱鏡鏡框兩側刻劃上水平線,采取措施,可以基本消除照準誤差的影響; ( 4) 經常檢測和調校全站儀,保證測角、測距能達到規范要求,從而降低測角、測距的誤差。
4 全站儀代替水準儀測水準導線的方法和實際效果
       2008 年在四川省樂山市的公路勘測項目中,本人采用一臺經過最新調校的 2 秒級徠卡全站儀,一根帶有支架的棱鏡桿( 水準氣泡靈敏準確) ,一枚帶有戰標板的棱鏡。施測時,棱鏡均置于石頭或堅硬地面上,用支架固定,使氣泡嚴格居中,全站儀在保證前、后視距離盡量不超過 200 米且基本相等的情況下,靈活選擇全站儀的架設位置,采用這種方式施測四等水準,不到兩天就完成了十公里的水準導線、中間最長達3Km 的兩個已知點間,高差閉合差竟不到 10mm,可見,這種方法的精度是完全能夠達到四等要求的。其后的 2009 年、2010 年,在湖南其它山區采用這種方法,均能達到四等要求,且效率遠高于水準儀作業。 
5 推廣該方法的困惑和建議
       盡管這種方法本人認為作業方便,效率、精度高,但推廣和使用存在以下種種困惑: ( 1) 雖然經過多次實踐檢驗這種方法切實可行,但尚不能從理論上嚴密論證; ( 2) 現行測量規范沒有這種作業方法,因此難以獲得廣泛認可; 但基于創新的理念和該方法在地形復雜、困難的測區獨特優勢,建議測繪工作者關注、改進這種作業方法,并在國家測量規范上提出這種作業方法。


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