智能全站仪精密三角高程测量替代二等水准测量_精品文档.pdf
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智能全站仪精密三角高程测量替代二等水准测量晏红波,黄?
腾,邓?
标(河海大学土木工程学院,江苏省南京市210098)摘要:
鉴于用传统几何水准的方法进行垂直位移监测存在效率低、受环境和地形因素影响大等问题,探讨了用智能全站仪进行精密三角高程测量来监测垂直位移。
简述了TCA2003全站仪的自动目标识别(ATR)功能和使用方法,研究了ATR精密三角高程测量的误差来源及精度;结合在某大坝的实践,分析了TCA2003全站仪ATR三角高程测量的实测精度及其替代二等水准测量的可行性和可靠性,给出了智能全站仪精密三角高程测量替代二等几何水准测量的条件、减弱误差的方法及提高精度的措施等。
关键词:
TCA2003全站仪;自动目标识别;三角高程测量;精度;可靠性中图分类号:
TV698.1收稿日期:
2007?
03?
21;修回日期:
2007?
05?
15。
0?
引言一直以来,大坝垂直位移监测均采用几何水准的方法,该方法不仅作业效率低下,而且受地形和环境条件的制约较大。
但随着具有自动目标识别(ATR?
automatictargetrecognition)功能全站仪的问世,测量手段及方法发生了革命性变化。
目前,运用TCA2003全站仪的ATR功能进行测量,在平面上完全能够满足一等精度要求,这在很多工程中得到验证。
然而,运用ATR功能进行三角高程测量能否达到二等或二等以上的几何水准精度?
成果的可靠性如何?
一直是测绘界广泛关注的问题。
基于TCA2003全站仪ATR功能在某大坝的实践,本文对TCA2003全站仪ATR精密三角高程测量替代二等水准测量进行了探讨。
1?
ATR功能与使用方法TCA2003全站仪具有目标自动识别与照准功能,其主要部件ATR装置像测距仪一样被安装在全站仪的望远镜上。
红外光束通过光学部件被同轴投影在望远镜轴上,从物镜口发射出去。
反射回来的光束形成光点,由内置电荷耦合器件(CCD)传感器接收判别后,电动机驱动全站仪自动转向棱镜,实现目标的自动识别、精确照准1。
运用ATR功能,配备二次开发的机载测量软件在各测站预先设置观测方向、测回数和测量限差,无须人工测量,TCA2003全站仪在计算机软件的控制下,自动识别目标、定位、观测、记录、自动检查限差并采取相应的措施,完成多目标边角数据采集。
作业过程中自动生成数据库,并将观测成果存储于仪器的PCMCIA卡中。
2?
ATR三角高程测量误差来源及精度分析常见的三角高程测量有单向观测法、中间法和对向观测法,对向观测法可以消除部分误差,故在精密工程测量及大坝安全监测中被广泛采用。
众所周知,对向观测法三角高程测量的高差公式为:
h对=D(tan?
12-tan?
21)2+(K2-K1)D24R+i1-i2+v1-v22+U1-U22-UmD?
(1)式中:
D为两点间的距离;?
为垂直角;K2-K1为往返测大气垂直折光系数差;i为仪器高;v为目标高;R为地球曲率半径(6370km);(U1-U2)/2-Um为垂线偏差非线性变化量;?
=206265。
令K2-K1=K,(U1-U2)/2-Um=U,mi=mv=miv,m?
1=m?
2=m?
。
对式
(1)微分,则由误差传播定律可得高差中误差:
?
m2h对=(tan?
12-tan?
21)2m2D4+m2DDK2R2+m2DU?
2+m2?
D2sec4?
12+sec4?
214?
2+m2KD24R2+m2iv+D2mU?
2
(2)?
由式
(2)知,除仪器高、目标高的量取误差与距离D无关外,其他误差对高差的影响均与距离有关。
因?
12与?
21大小基本相等,符号相反,故可以认为tan?
12-tan?
21=2tan?
12=2tan?
sec4?
12+43第31卷?
第4期2007年8月20日?
Vol.31?
No.4Aug.20,2007sec4?
21=2sec4?
12=2sec4?
。
在精密工程中,通常三角高程测量的距离不大于1km,而在1km范围内由于K很小,当K最大为!
0.04时,m2D(DK/2R)20。
由于全球垂线偏差平均数约为!
4s,按最不利的情况,即300km范围内U最大为60s考虑,m2D(U/?
)20,故其对三角高程测量的精度影响可以忽略不计。
令m1=Dm?
sec2?
2?
(3)m2=mDtan?
(4)m3=mKD24R(5)m4=miv(6)m5=DmU?
(7)则式
(2)简化后可改写成:
m2h对=m21+m22+m23+m24+m25(8)?
由式(8)可知,式(3)式(7)即为影响三角高程测量精度的主要因素,其来源及大小如下。
2.1?
垂直角观测误差垂直角观测误差主要由仪器和ATR照准误差引起。
文献2指出,在配有强制对中装置观测墩的情况下,ATR测量5测回,测角精度可达!
0.5,则12测回精度必优于!
0.5,测角误差对高差精度的影响按式(3)计算。
根据研究结果,取?
=25#,1km范围内测角误差对高差精度的影响见表1。
表1?
角度对高差的影响距离/m影响量/mm距离/m影响量/mm1000.216001.252000.427001.463000.638001.674000.849001.885001.041000?
2.092.2?
测距误差除与仪器本身的制造精度有关外,测距误差受外界环境影响较大,如温度、湿度、大气折光等。
TCA2003全站仪测距精度达(1+10-6D)mm,根据式(4)可计算出1km内测距误差对高差精度的影响,结果如表2所示。
表2?
距离对高差的影响距离/m影响量/mm距离/m影响量/mm1000.516000.752000.567000.793000.618000.844000.659000.895000.701000?
0.932.3?
大气垂直折光差大气垂直折光差K较为复杂,目前仍处于研究阶段。
由式(5)可知,在非严格对向观测时,不可能完全消除大气垂直折光的影响,根据文献3?
4,取mK=!
0.03,由式(5)可得折光差对高差的影响,见表3。
表3?
折光差对高差的影响距离/m影响量/mm距离/m影响量/mm1000.016000.422000.057000.583000.118000.754000.199000.955000.301000?
1.182.4?
仪器高、目标高的量取误差仪器高、目标高的量取误差主要由量高仪器的精度决定。
在精密工程或变形监测控制网中,一般要求建立稳定的观测墩和强制对中装置,采用游标卡尺在基座3个方向量取,使3个方向量取的校差小于0.2mm,并在测前、测后进行2次量测,miv达!
0.2mm,可见此项误差影响较小。
2.5?
垂线偏差垂线偏差由测站与镜站的垂线和法线方向不一致引起。
在工程测量中控制网控制范围小,边长在1km以内进行对向观测,垂线偏差对高差的影响很小。
根据文献3?
4,取垂线偏差中误差mU=!
0.1,在短距离情况下,此项误差的影响基本可以忽略。
以上分析表明,测距误差、垂直角观测误差和大气垂直折光差是影响三角高程测量的主要因素。
1km内它们对高差精度的影响如图1所示。
图1?
角度、距离、折光差对高差精度的影响?
由图1可知,在1km范围内,测角精度是影响高差精度的主要因素,距离次之,在距离超过600m后往返测折光差的影响迅速增大,表明在精密三角高程测量中应控制边长的长度。
为分析精密三角高程测量替代二等几何水准测量的可行性,将上述各项误差分别代入式(8),求得它们对高差精度的联合影响mh对,并取2mh对与文献5中规定的二等几何水准测量限差4F(F44?
2007,31(4)为闭合环长度)进行比较,结果见表4。
表4?
不同条件下2mh对与二等水准测量限差比较D/m?
/(#)510152025304F1000.570.670.810.981.171.411.262000.850.941.081.251.471.721.793001.191.271.411.591.822.102.194001.561.641.781.982.222.532.535001.952.042.182.392.662.992.836002.362.462.612.833.123.493.10由表4可知,在距离不超出600m、垂直角不超出25#时,TCA2003全站仪三角高程测量替代二等几何水准测量在理论上是可行的。
3?
实测资料分析某大坝变形监测网由9个点组成,网形如图2所示,各点均埋设有强制对中装置的观测墩,网中最长边约1087.5m,最短边约129.9m,平均边长约612.4m;最大高度角约5.7#,最小高度角约-1.5#,平均高度角约2.4#。
网点高程中仅有LS3和LS4能用一等水准引测,其他点采取三角高程测量获得。
全网共50条边(单向),50个天顶距,可组成29个独立三角形。
共进行了3期观测,在网点建成稳定3个月后的10月11月间首先进行了2期等精度连续观测,次年11月又进行了第3期观测。
根据有关规范和设计要求,平面网按一等边角网施测,高程采用对向精密三角高程法12测回观测,三维观测量由TCA2003全站仪同步完成。
图2?
某大坝变形监测网?
相关规范和设计要求,由三角高程测定的三角高程高差闭合差W应小于(2.5/?
)31s2i(si为三角形第i条边边长,?
=206265)。
为分析ATR实测三角高程测量的精度,对外业观测成果进行闭合差统计,3期最接近限差的高差闭合差统计结果见表5,表明3期测量的高差闭合差均小于限差。
表5?
高差闭合差统计测期闭合环构成环线长度/m闭合差/mm限差/mm第1期LE1?
LS3?
LE31762.3-10.9413.55第2期LE1?
LE3?
LS11922.9-9.3213.56第3期LE1?
LS1?
LE52194.5-8.9215.92为研究ATR实测三角高程精度能否达到二等几何水准精度,将3期外业测量成果的主要精度指标(往返测高差不符值和三角形三边高差闭合差,其中测段往返高差不符值按4L计算,L为测段的长度,三角形三边高差闭合差按4F计算)与二等水准限差比较,结果见表6。
表6?
外业测量精度统计测期往返测高差校差/mm三角形高差闭合差/mm第1期98第2期53第3期82总边数/个2529经统计发现,无论往、返测高差不符值,还是三角形高差闭合差超限的,均是边长或闭合环中含边长超过750m的长边,这不能排除长边受大气折光的影响。
由文献5知,几何水准测量每千米高差全中误差为:
Mw=!
1NWWL(9)式中:
N为高差闭合环个数;W为闭合差;L为闭合环路线长度。
按式(9)计算的3期每千米高差全中误差分别为2.34mm,2.26mm和2.32mm,接近二等水准测量规定的2mm(上述二等水准测量各项限差是以点间的直线距离计算的,而实际测量水准路线长度将长得多)。
若除去闭合差超限的闭合环(其中均含有超过750m的长边),按式(9)求得的3期每千米高差全中误差分别为2.0mm,1.6mm和1.9mm(并未把所有含边长超过750m的闭合环除去)。
文献5规定,检测已测测段高差之差的限值为:
一等!
3Rmm、二等!
6Rmm(R为测段间的长度)。
由三角高程测定的高差与一等水准引测的LS3?
LS4之间的高差和比较结果见表7。
表7?
三角与一等水准高差的比较测期点名已知高差/m三角高程/m校差/mm第1期LS3?
LS4-20.7369-20.73352.7第2期LS3?
LS4-20.7365-20.73372.8第3期LS3?
LS4-20.7362-20.73362.645%大坝监测仪器及自动化%?
晏红波,等?
智能全站仪精密三角高
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