免棱镜全站仪在地形测量中的精度分析

■杨晓峰 ■湖北省荆州市测绘院，湖北 荆州 434000

当前地形测量中，一般野外测量通常采用有棱镜全站仪或GPSRIK联合全站仪的方式进行，这些测量手段可以保障测量人员迅速完成区域内的地形测量任务。但是，在地形测量中，不少危险地区是测量人员无法到达的，例如:深谷、悬崖、沼泽等地区，但是为了确保地形测量的精确，这些地区在地形图上要有明显的标记。随着科技的发展，常规测量方法无法完成的测量任务，免棱镜全站仪可以顺利完成。利用免棱镜全站仪，测量人员在测量时无需将棱镜立在测量点位。这不但方便了测量人员的测量工作，而且不少实践证明，免棱镜全站仪在测量精度上面完全可以满足地形测量的要求。所以，免棱镜全站仪在地形测量中有着广阔的应用空间［1］。

1 免棱镜全站仪简介

1.1 免棱镜全站仪

免棱镜全站仪的测量原理是将激光束打到测定目标身上，而后接受目标的慢反射回的激光信号，而后通过对打回激光信号的分析，准确的确定目标的三维坐标，通常免棱镜全站仪的测量距离为150米左右。随着技术的不断发展，目前免棱镜全站仪的测量距离已经达到了1 200多米，并且免棱镜全站仪本身具有全站仪的全部功能，测程比一般的全站仪更长。由于无需反射棱镜，因此它在人员不易达到地区，以及常规的地形测量、地籍测量、工程测量、房产测量、施工测量等领域所发挥的作用越来越大，在不久的将来也许会全面取代目前的常规全站仪。

1.2 免棱镜全站仪地形测量中的技术优势

(1)微信号不失真放大技术，当不使用反射棱镜时，返回的信号除了信号强度极其微弱外(传统的红外全站仪的回光信号强度为10 mV左右，而不用棱镜通过物体漫反射回来的信号仅为0.1 mV)信号的信噪比也非常小(由于各种物体都会产生回波、杂散波非常多)。因此微信号不失真放大技术和信号处理技术使得免棱镜全站仪在地形测量中有着明显的优势。

(2)大动态范围信号处理技术，传统的红外全站仪用的是反射棱镜，其回光信号变化从10 mV变到100 mV，变化范围也就是10倍，而激光全站仪的回光信号要么是物体漫反射的回光信号(强度0.1 mV左右)，要么是用棱镜反射的很强的激光信号(强度1 V左右)，相差1万倍，要想不失真地把回光信号放大，是免棱镜全站仪解决的地形测量中的另一个技术问题。

(3)高频信号处理技术，传统的红外全站仪，调制在砷化镓红外发光管的信号大都是15MHz，而激光全站仪就需要用60 MHz 100 MHz才行，测量精度高了，周期误差小了，相位均匀性好了，但接收板的要求高了，需要处理的信号频率比原来高4～8倍，这也是免棱镜全站仪解决的一个技术问题［2］。

2 免棱镜全站仪测量精度分析

在实际测图过程中，作为比较，在部分人能到达的测量点，分别采用有棱镜全站仪和免棱镜全站仪两种方式进行测量，测量点数有数千个之多。为了做精度分析在这数千点中随机的抽取出18组用于统计比较，这样具有统计意义，最后的结果具有很高的可信度。两种方式测量结果的精度比较在18组数据中免棱镜全站仪与有棱镜全站仪测量的点位精度其平面点位差在9mm到29mm，高程差在5mm到25mm。。算得Ms=19mm，平面精度小于规范50mm的要求。由以上的数据分析可得，免棱镜全站仪测量的精度是可以满足大比例尺地形图测图精度要求的，在实际测图中可以采用免棱镜全站仪进行地形测量。

2.1 无凌镜测距的精度分析

免凌镜测距都以±(Amm+Bppm.D)或者±(A+B×D×10－6)的形式表示仪器的综合精度，A为固定误差，B为比例误差。应注意的是，这里的A、B都是随机误差，和前边所讨论的加、乘常数系统误差不是一个概念。它们的联系仅在于，标称精度是对测量成果在进行了正确的加、乘常数误差改正之后的残差的随机分布特征的描述。

我们可以看出，标称精度反映了仪器外部符合的不确定度，它是剔除了主要系统误差后的结果，有时人们也把它称为综合精度。但是，这里需特别指出的是，切不可把这个“综合精度”片面相反理解为涵盖了所有系统误差。后面章节介绍测角误差时也有类似情况，全站仪都以随机误差性能作为标称精度反映仪器的性能，我们无法从标称精度中看出仪器的系统误差，但决不意味着仪器没有系统误差.而从生产的角度看，关注系统误差的意义往往比关注随机误差的意义更大。因为数量上系统误差多半比随枫误差对成果的影响更大，而且系统误差性质上的积累效应以及多次重复测量的不可消减性也决定了它对测量成果的影响比随机误差的影响可能更大。

2.2 免棱镜全站仪提高精度的方法

根据免棱镜全站仪固有系统误差具有系统误差是斗个非随机变量。即系统误差的出现不服从统计规律而服从确定的规律;重复测量时误差的重现性;可修正性，负于系统误差的重现性确定了它具有可修正的特点。为了应对这些误差，可以采用以下措施来提高测量精度:

(1)正确的设计思想和精密的制造工艺技术。

(2)在仪器设计制造环节引入正确的修正值通过适当的数据处理，来减小系统误差——电子补偿。

(3)施测前进行准确的仪器校正。

(4)施测中通过改进测量方法，有效利用某些误差的抵偿特性。

(5)在后续数据处理环节，根据系统误差的规律将其作为未知量参与乎差。

2.3 免棱镜全站仪在地形测量中的精度控制

随着我国经济的快速发展，需要建设的大型交通公路工程结构物越来越多。特别在一些地形复杂(如城市建筑群、不良地质构造区等)的位置，由于缺少大比例的地形图，往往给合理定位带来很多麻烦。而利用SETl010全站仪及PC－E500计算机，就可以快捷方便的完成这种大比例尺地形图的外业数据采集任务。

首先，依照测量精度要求，建立相应等级的导线控制网。布设导线时建立足够数量的图根点，由SETl010全站仪直接测得三维坐标。利用PC－E500计算机上的“导线测量内外业一体化”程序记录测量结果;PC－E500会自动提示定义文件名形成独立文件，之后进行导线网的严密平差，且程序对导线网形状不限(自由网除外)。平差后，输出各点的坐标及点位中误差、测角中误差、各边的边长及方位角。如果是符合导线，还可输出方位角闭合差、横坐标闭合差、纵坐标闭合差、导线全长、全长闭合差和全长相对闭合差。根据导线点提供的三维坐标，利用PC－－E500上的程序可快捷有效的进行碎部采集，其观测记全部为汉字提示输入，现场提示各种限差判别，提示超限、重测、补测等信息。对原始观测值可显示、存储、打印。此外该程序与平差程序相连，能实现平面、三角高程平差计算。真正实现由外业观测记录到平差计算一体化，人工干预甚少。

外业测量结束后，通过编制的“数据通讯程序”将PC－E500计算机中的数据传人计算机，再通过“数据转换程序”将其转换为平面地形图软件所需格式。这样即可方便快速由平面地形图软件绘出精确度较高的大比例(比例可根据需要设定)地形图。从而为大型结构物的合理定位提供了有力保障。

2.4 在路线导线测量中的精度控制

利用SETl010型全站仪进行导线测量，既可进行常规偏角、距离测量，又可直接利用其坐标测量功能测出每一导线点的三维坐标。在导线测量过程中，对每一导线点进行排序编号，全站仪根据编号顺序依次存储每一点坐标。导线测量进行一阶段后，将全站仪所测的数据传输至PC－E500计算机中，利用其中的导线数据处理程序进行平差处理后自动计算出每一弯道的偏角值、导线点间距、交点间距等数据。通过全站仪和PC－E500计算机的综合运用，使导线测量基本上摆脱了人工记录与数据计算，避免了复杂地形中导线计算难度大、错误率较高等现象的发生。

3 结束语

监测人员在一些人员无法到达的地区，采用免棱镜全站仪进行测量，不但能够有效保障监测人员的安全，而且还能保障作业的精度和工作效率。免棱镜全站仪测量也有一定的局限性，测量时注意，测量的物体不能有东西遮挡，要有很好的反光性。总之，免棱镜全站仪在地形测量中不但高效、安全，而且还能够有效的保障测图的精度［3］。

［1］马维康.李建杰.刘久伟.免棱镜全站仪在地形测量中的精度分析［J］.勘察科学技术.2013(06).

［2］夏立福.李井春.胡友健等.免棱镜全站仪测距性能的测试及精度分析［J］.地理空间信息.2008(02).

［3］彭玉兵.GPS—RTK与免棱镜全站仪在地形测量中的应用［J］.山西建筑.2009(5).