智能全站仪精密三角高程测量替代二等水准测量

1、水电自动化与人坝阵测IIyclropovrer Autixnarion and Dani Monitoring第31卷第4期2007年8月20日43Vol. 31 No. 4Aug.20, 2007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 T CA2003全站仪的自动目标识别（AT R）功能和使用方法，研究了 AT R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

2、T CA2003全站仪AT R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水电自动化与人坝阵测IIyclropovrer Autixnarion and Dani Monitoring第31卷第4期2007年8月20日#水电自动化与人坝阵测IIyclropovrer Autixnarion and Dani Monitoring第31卷第4期2007年8月20日450引言一直以来，大坝垂

3、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 autom atic target recognitio n）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AT R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A TR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T CA2003全站仪ATR功能在某大坝的 实践,本文对T CA2003全站仪AT R精密三角高程 测量替代二

4、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E。运用AT R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

5、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PCM CIA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：2）+ （K2- Q）D + 4R <U- 5 2,+ D( tan 12 - tan 21 2i 1 - i 2 + v1 - v22 +（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 （6 370 km） ; （U-

6、3）/2- Um 为垂线偏差非线性变化量；=206 265。令心-K1 = K , ( U1 - U)/ 2- Um = U,mi = mv= m”，m 仁 m2= m。对式（1）微分，则由误 差传播定律可得高差中误差：2（tan 12 - tanmh对=2mD2221) mD+4 secD K.2R.412+ sec 212+2mD2D_14R由式（2）知，除仪离D无关外，其他误差 对高差的影响 均与距离有2+ miv +器冋、(2)目标高的量取误差与距水电自动化与人坝阵测IIyclropovrer Autixnarion and Dani Monitoring第31卷第4期2007年8月2

7、0日#收稿日期:2007 03 21;修回日期：2007 05 15。关。因12与21大小基本相等，符号相反，故可以认4为 tan 12 - tan 21 = 2tan 12 = 2tan , sec 12 + nins aiI riiKnlKniip'/j Jitf%大坝监测仪 器及自动化% 晏红波，等 智能全站仪精密三角高 程测量替代二等水准测量49se 21 = 2se 12 = 2sec。在精密 工程中,通常三 角高程测量的距离不大于 1 km,而在1 km范围内2由于 K很小，当 K最大为！ 0. 04时,mD (D K/22R) ? 0。由于全球垂线偏差平均数约为！ 4 s

8、,按最不利的情况，即300 km范围内 U最大为60 s2 o考虑,mD( U/ ) ?0,故其对三角高程测量的精度 影响可以忽略不计。令m1 =2Dm sec.2(3)m2 =mDta n(4)m3 =2m K Dm 4R(5)m4=miv(6)m5 =D血(7)则式(2)简化后可改写成2 22 2 2 2mh 对=m1 + m2 + m3 + m4 + m5(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A TR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,AT R测量5测回测角精度可

9、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#, 1 km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. 041 0002. 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。-6TCA2003全站仪测距精度达(1+ 10D) mm,根据式(4)可计算出1 km内测距误差对高差精度的

10、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. 701 0000. 93© 1994201China AcademicoumLi1 KlcclTanic Ptib2.3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34,取m k= ! 0. 03,由式(5)可得折光差 对高差的影 响,见表3。表3折光差对咼差的影

11、响距离/ m影响量/ mm距离/ m影响量/mm1000. 016000. 422000. 057000. 583000. 118000. 754000. 199000. 955000. 301 0001. 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. 2 mm,并在测前、测后进行2次量测，miv达 ! 0. 2 mm,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

12、网控制范围小，边长在1 km以内进行对向观测，垂线偏差对高差的影响很 小。根据文献34,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。 1 km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1 km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600 m 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(

13、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4、F ( F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/ (#)4_F510152025301000. 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.

14、 836002. 362. 462. 612. 833. 123. 493. 10由表4可知,在距离不超出600 m、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1 087. 5 m,最短边约129. 9 m,平均边 长约612. 4 m;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

15、 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。7 4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 / ） J? sS （ s为 三角形第i条边边长，=206 265 ）。为分析 AT R 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

16、。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/m m第1期LE1 LS3 LE31 762.3-10. 9413. 55第2期LE1 LE3 LS11 922.9-9. 3213. 56第 3 期 LE1 LS1 LE5 2 194. 5-8. 9215. 92为研究AT R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 4 , L计算,L为测段的长 度,三角形三边高差闭合差按4 . F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

17、闭合差 /m m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750 m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：|r wWwNL LM w = !(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. 34 mm, 2. 26 mm和2. 32 mm,接近二等水准 测量规定的2 mm（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

18、的闭合环 （其中均 含有超过750 m的长边），按式（9）求得的3期每千 米高差全中误差分别为2. 0 mm, 1. 6 mm和 1. 9 mm（并未把所有含边长超过 750 m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！ 3 .R mm、二等！ 6 . R mm（ 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。© 994201 I China AcademicFlcciranic hiblishirg (ouse. All righLs reserved, hdpjwxnki.11表7三角与一等水准

19、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. 736 9-20. 733 52. 7第2期LS3 LS4-20. 736 5-20. 733 72. 8第3期LS3 LS4-20. 736 2-20. 733 62. 6LS3 LS4间的距离为 0. 42 km,三角高程测量 以二等为准，则两者之 间的校 差限差 为3. 9 mm。 由表7可知，3期三角高程测定的高差与一等水准 测定的高差校差最大为 2.8 mm,小于限差规定。以上各项精 度指标分析表明，应用TCA2003 全站仪进行三角高程测量达到了较高的精度，在一定的条件下可以代替二等水准测量。以

20、一等水准引 测的LS3和LS4点为已知高程，对三角高程网严密 平差，得到的3期最弱点(LS1)高程中误差 分别是! 1. 5 mm， ! 1. 3 mm 和！ 1. 5 mm，也表明 TCA2003全站仪三角高程测量达到了较高的精度。4可靠性检验评价测量仪器的优劣，除判别其测量精度外，可 靠性也是一个重要的指标。为评定 T CA2003全站 仪ATR三角高程测量 成果的可靠性，对3期成果 进行了检验。对三角形高差闭合差进行系统误差检 验通常均采用t检验法' 1,其统计量为：t=丄?Un(10)s由于各三角形闭合差所占的权重不同 统计量适用于本问题，将式(10)改写为:n? (w i ,

21、 pi) n t=丄?n,为了使(11)为相应的s式中：Wi为第i个三角形高差闭合差；pi权;n为三角形个数 ;s= J pww / n。假设等精度的三角形高差闭合差数学期望为0,反之其数学期望不为0。由观测结果及式(11)求得t值,取显著水平a= 0. 05,对3期观测结果进行 检验可得(i 为期数):| t1 | = 0. 493, | t21 = 0. 845, |t3| = 0. 554,均小于 2 025( 28) = 2. 048。检 验结果 表明,3期TCA2003全站仪测定成果的系统误差均 不显著,说明T CA2003全站仪 三角高程测量 成果 的可靠性较高。5替代二等水准的条

22、件与措施结合AT R精密三角高程测量 误差来源、精度 分析及在某大坝的实践，参考有关研究结果，得出精 密三角高程测量替代二等水准测量的条件与措施主 要有：1) 变形监测控制网各网点均应为带有强制对中 装置的观测墩，观测使用精度及自动化程度较高的 TCA2003全站仪。2) 相邻网点间的水平距离在600 m以内，垂直 角小于25#。由分布均匀且易于用一等几何水准方 法测量其高程的一部分网点作为三角高程网严密平 差的已知点7。3) 观测应选择成像清晰、大气相对稳定的时刻进行,观测时应在测站和镜站处同时严格读记温度、 湿度、气压等数据。相关研究表明，测距在日出后1 h和日落前1 h为最佳时间，垂直角

23、观测最佳时间 段在太阳中天前后，即地方时10: 00 16:00。4) 仪器高和觇标高采用游标卡尺量取 ，在基座 的3个方向量高，取中数使用，并在测前、测后进行 2次量取。5) 在测角测距中，既用AT R又用人工方式检 查和测定ATR有无照准差。6结语1) 在一定的条件下，T CA2003全站仪精密三角 高程测量替代二等几何水准测量是切实可行的。2) TCA2003全站仪测量速度快、精度高、受外界因素影响较小，在多种气象条件下均可进行观测。3) 成果具有较高的可靠性 ，也表明了 ATR功 能具有较高的目标识别精度。应用 ATR功能可实 现全自动观测和记 录，降低了劳动强度，节省了人 力，提高了

24、作业效率。4) 我国类似的大坝较多，且多数在地形复杂的 山区或丘陵地带，本工程的实践对大坝垂直监测及 此类地区精密高程传递均具有一定的借鉴意义。参考文献1 喻兴旺，程鸣坚，徐忠阳，等.TCA 2003全站仪在 港口湾 水库大坝变形监测 中的应用.水电自动化与大坝监测, 2003, 27(5) : 48 50.2 黄腾,陈光保，张书丰，等.自动识别系统ATR测角精度 研究.水电自动化与大坝监测 ，2004, 28( 3): 38 40.3 周水渠.精密三角 高程测量代替二等水准测量的尝试. 测绘信息与工程，1999( 3) : 26 27.4 周国树,章书寿.精密三角高程测量在大坝沉降监测中 应

25、用的试 验研究.大坝观测与土工测试,1996, 20( 5):23 27.5 GB 5002693工程测量规范.北京：中国计划出版社,1994.6 武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础. 3 版.北京:测绘出版社,1996:166 169.7 张正禄,邓勇，罗长林,等.精密三角高程代替一等水准 测量的研究.武汉大学学报，2006,30(1) : 5 8.晏红波(1983),女,硕士研究生，主要从事建筑物安 全监测及精密工程测量研究 。E mail: yanzi0773hiriH IfMiSii. A I riihts reserved.litfl%大坝监测仪 器及自动化% 晏红波，等

26、智能全站仪精密三角高 程测量替代二等水准测量51Substitution of Intelligent Total Station Trigonometric Leveling for Second order LevelingYAN Hongbo, H UAN G Teng, DENGBiao(H ohai University, Nanjing 210098, China)Abstract: The traditio nal geometry standard method used in the vertical displacement observation is proved in

27、efficient and too sensitive to the environment and ter rains. So this paper discusses the use of intelligent tota l station in precise tr igonometr ic leveling for the vertical displacement observation. The automatic target recognitio n (A TR) function and its uses are br iefly intro duced; the erro

28、r sources and precision of tr igonometric leveling with ATR of total station TCA2003 are researched. Based on the applicat ion of ATR to a dam, the actual precision of tr igonometric leveling wit h A TR and its feasibility and reliability of substitution for second order leveling are analyzed. F ina

29、lly, t he conditions for such substitution and methods for decreasing errors and impr oving the precision are proposed.Key words: t otal station TCA2003; ATR; tr igonometric leveling ; precision; reliabilit y(上接第33页) 电力系统微机应用 。E mail: zhang_gaoquncypc. com. cn 张高群(1964),男,硕士研究生，工程师,研究方向为Function and Structure Design for Hydropower Enterprise ERP SystemZH ANG Gaoqun(Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstract: The status quo and feasibility of the development and utilizat ion of hydro power enterprise resource prog ram ( ERP