高精度仪器高量取方法研究

王 涛，田林亚，魏玉明，吴 坤

(1. 河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100； 2. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050)

高精度仪器高量取方法研究

王 涛1，田林亚1，魏玉明2，吴 坤1

(1. 河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100； 2. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050)

各种工程对测量的精度要求越来越高，仪器高的量取是测绘中的首要程序，仪器高的精度决定了测量外业的整体精度。本文介绍了量取仪器高的一般方法，并在对现有三脚架作出局部改动的基础上，配对一种新设计的尺子，提出了一种新的仪器高量取方法。该方法操作简便，可行性强，可提高仪器高的测量精度，具有很强的普及性。本文的设想为测量工作中仪器高的量取提供了新的参考，也为仪器改良提供了新的思路。

仪器高量取；钢尺量距法；三脚架；活动旋钮；精度分析

目前，GPS技术以其全天候、实时性、高精度等优点广泛应用于各类工程建设和安全监测中，其静态定位精度可达到毫米级，随着科研人员的努力，其定位精度正逐渐提高。在高速铁路的建设中，CP0、CPI、和CPII控制网均采用了GPS测量，为了保持列车高速行驶条件下平顺性和舒适性的要求，测量精度要保持在毫米级的范围内[1]。在GPS观测中，仪器高的量取是其中的一个环节，仪器高的精度影响了全网测量精度。全站仪三角高程测量由于具有施测速度快、不受地形限制等优点成为水准测量必要的补充，但目前三角高程测量存在的问题是精度低，而影响其精度的主要因素是仪器高和棱镜高的量取误差[2]。

仪器高是指仪器度盘中心到测站点的铅垂距离。仪器高的量取是测绘外业中的重要工作，仪器高的精度直接影响着最终测量结果的精度。目前量取仪器高的通用方法是钢尺量距法，其理论精度约为2～3 mm[3-4]，实际操作中在各种因素的影响下其精度会更低，这在精密工程测量中是一个不能回避的因素，如何设法提高仪器高的量取精度是一个很重要的基础问题。本文本着便捷、简单、实用的原则，同时在不影响现有三脚架使用价值的基础上，通过在三脚架上增加水准气泡和改进三脚架上的活动旋钮，并配合一种新设计的尺子，提出一种高精度仪器高量取方法。

1 钢尺量距法概述

在全站仪导线测量、三角高程测量、地形图测绘、施工放样及GPS静态观测、GPS水准测量中，均需要量取仪器高，仪器设站简化示意图如图1所示。钢尺量距法是现行通用的仪器高量取方法，量取时采用2～5 m小钢尺，一般需要两个人完成测量，钢尺量距一般采用平距测量和斜距测量两种方法，其量取示意图如图2所示。图2中，O代表测站点，A代表仪器中心，B代表三脚架边线，平距测量法是测量与测站点O处于同一水平位置的O1到与A处于同一水平位置的A1的铅垂距离O1A1，平距法测量精度高但一般不易实行，因为与O及A处于同一水平位置的代替点不易确定。工程上一般使用的是斜距测量法，斜距测量法是沿OBA1所在直线量取仪器高，斜距测量误差较大，在斜距测量中产生的误差主要有：①尺起始端点未精确量至测站点，尺测量终点未精确量至仪器中心；②钢尺拉力不均匀引起的误差；③钢尺测量时倾斜引起的误差。由于以上过程均是人为操作，产生误差是不可避免的，并且误差会因观测者的改变而变化。有学者试验证明，使用全站仪量取的仪器高与理论值误差最少为3.5 mm，且仪器高越低，高程误差越大[5]。这些误差在精度较高的测量工作中有很大影响，基于此，本文提出一种直接在仪器高所在空间位置量取仪器高的新方法。

图1 设站仪器示意图

图2 3种钢尺量距法简化示意图

2 量取仪器高的设想

2.1 对三脚架的改进

对三脚架的改进包括两点：其一，现有三脚架没有水准气泡，不具有整平的功能，本文设想通过在三脚架的一侧增加水准气泡使其能通过脚架的调节达到水平，且提出的仪器高测量方法默认是在三脚架整平的基础上进行的；其二，现有活动旋钮是由上部金属螺旋和下部塑料圆柱组成，整体是中空的，作为仪器对中的观察孔。本文只对下部塑料圆柱进行研究，塑料圆柱简化图如图3(a)所示。本设想的改进方式是在塑料圆柱内增加一定厚度的半圆形铁块作为承重块，设定在圆柱内部两个相对平行的位置，在设计时要求铁块平面保持水平，并且不影响仪器对中观察，其位置如图3(b)所示。

图3

2.2 设想依据

在测量时先整平三脚架，此时三脚架上平面水平，再将测量仪器置于三脚架上并对中整平，可以发现，全站仪、棱镜、GPS等仪器中心到三脚架上平面的垂直距离可直接测出，三脚架上平面水平时活动旋钮下平面也处于水平位置，三脚架到活动旋钮下平面的长度在旋紧状态下为定值，此时只需测出活动旋钮至对中点的垂直距离即可。

2.3 仪器高的构成

在三脚架旋紧及对中整平合格的情况下，仪器高由5部分组成，其结构如图4所示。即：①仪器中心到三脚架平面的铅垂距离L1；②三脚架平面板自身高度L2；③活动杆的自身高度L3；④活动杆下平面至活动旋钮的高度L4；⑤活动旋钮至测站点的铅垂距离L。对于全站仪、棱镜、GPS等仪器，仪器中心到三脚架上平面板的铅垂距离L1可由高精度测尺测出；L2、L3、L4全部为定值，可由三脚架厂家直接给出，设C=L2+L3+L4；此时只需测出L，最后仪器高h=L1+C+L，因此本设想中只要测量出L的值即可得到仪器高，现通过设计一种尺子配合仪器高的测量任务。

2.4 尺子的设计

本设计中尺子的作用是测出活动旋钮与测站点的距离L，在本设想中要求尺子挂接在活动旋钮下并能长短伸缩的活动尺，根据仪器高的一般高度，要求尺子的测量范围为0.5～2 m，这可基本满足所有仪器高的测量[6-7]，并要求该尺子质量轻、可伸缩，能随身携带。设计图如图5所示。图5中，a为连接柄，起到与活动旋钮紧密结合的作用，是连接三脚架与尺子的纽带，用磁性材料制成，其具有的吸附作用能与活动旋钮结合得更紧密；b为伸缩尺，一般工厂就可以制作；c为平面板，其半径为5 cm(活动旋钮的活动范围)，作用是连接测点和尺子下端。要求：①整个尺子由密度小硬度高的轻质材料构成；②连接柄长度要略小于活动旋钮内径。

图4 仪器高的构成

图5

2.5 测量过程

先整平三脚架，后对中整平仪器。测量时，首先将尺子通过活动旋钮空隙处由下而上进入活动旋钮，经旋转90°后连接柄放在活动旋钮铁块上，此时尺子与活动旋钮结合，调节尺子长度，使尺子下端面板与测站对中点接触，此时读取尺子读数，这样就完成了对L的测量，测量后取出尺子。根据使用的仪器，查出已知值L1，根据使用的三脚架查出已知值C，最后可得仪器高h，这样就完成了对仪器高的测量。

2.6 测量误差分析

下面对本设想测量过程中可能存在的误差进行分析，此过程中误差可能存在以下3个方面：

(1)L1误差由最初测量时产生，选择精度高的测尺或游标卡尺测量，其误差可忽略。

(2)L2、L3、L4为固定值，误差由最初测量初值时产生，但存在三脚架因长期使用产生的磨损误差，可通过改变脚架材质减小磨损，也可使用新脚架来避免。

(3)L的误差包括以下3个方面：①尺子中心线与仪器高所在铅垂线不重合引起测尺倾斜，这在对中整平合格的情况下可以忽略；②尺长形变误差，选用合适材料可减缓；③尺与脚架结合不紧密，可通过磁力吸附作用、重力作用等使误差可以忽略。

本文测量方法的误差主要来源于仪器、脚架的磨损，为了尽量减小误差，可由抗磨损性高的材料构成。综上所述，本文设计中误差产生很小，在理论上其精度非常高。

2.7 本文设计的创新点

在本文设计中，不改变现有三脚架的使用价值，只对三脚架上的零件活动旋钮作出改进，增加了水准气泡，在实际使用中只需要更换新的活动旋钮和增加水准气泡即可，未对设备进行更新和浪费，具有较高的可行性和普及性。提出了在仪器高所在空间位置直接测量的思路，减小了其他间接测量方法引起的不必要的误差。尺子设计简单，费用低，易于普及；测量仪器高可由一人单独完成，节省人员。在对仪器高量取精度要求高的工程中应用，也可代替钢尺量距法普及下来。

3 结论与展望

随着科学的发展和人类生活水平的提高，各种大型工程的建设都对工程测量的精度有了更高的要求，在测绘领域几十年的发展中，各种测绘仪器性能和精度日益提高，各种测量方法不断更新完善，但仪器高的量取精度却一直未能提高，这已经成为禁锢工程建设的一大障碍。钢尺量距法作为传统的量取仪器高的方法，其精度已不能满足众多精密工程测量的要求。本文对仪器高的组成部分进行了分析，发现测量仪器高主要是测量活动旋钮以下的部分，设计了一种配合测量的尺子，并根据仪器整平对中后三点一线的事实，确定了在活动旋钮和测站点测量的思路， 并基于设计在不改变现有三脚架实用性的基础上，对脚架一小部件(活动旋钮)作出小的改动，即可完成测量。该方法具有测量精度高、操作简便的特点，具有较高的可行性及普及型。

本文所论述量取仪器高的方法对改善仪器高量取的精度有很好的作用， 在对精度要求高的工程测量领域有很高的适用性。本文提出的设想是对现有仪器高量取方法的有益补充，也可作为今后仪器改良的一种思路。

[1] 席浩,武斌忠,乔世雄,等.高速铁路工程施工测量技术研究与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2016.

[2] 郭宗河.用全站仪测量与测设高程的几个问题[J].测绘通报，2001(12):39-40.

[3] 张智韬,黄兆铭,杨江涛.全站仪三角高程测量方法及精度分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版):2008,36(9):229-234.

[4] 王鸣霄,张开坤.利用三角高程替代高精度水准测量的研究[C]∥江苏省测绘学会2011年学术年会论文集.[S.l.]：江苏省测绘学会，2011.

[5] 杨黎明,张玲,孙伟平.全站仪测量过程中仪器高改正问题分析[J].北京测绘，2012(4):97-99.

[6] 潘正风,杨正尧,程效军,等.数字测图原理与方法[M].武汉:武汉大学出版社,2009.

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ResearchontheMethodofMeasuringInstrumentalHeightinHighPrecision

WANG Tao1,TIAN Linya1,WEI Yuming2,WU kun1

(1. School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Demands of various engineering on measuring accuracy are higher and higher, The first program in surveying and mapping is measuring instrumental height, the precision of measuring instrumental height will determine the overall precision of the measurement field. This paper introduces the common methods of measuring instrumental height, and makes local changes to tripod and matches a new design of a ruler. In the end, it puts forward a new method of measuring instrumental height, which is simple in operation and have good feasibility. In addition, it can improve the accuracy of measuring instrumental height and gain high popularity. In this paper, the idea provides a new reference for measuring instrumental height in measurement field and provides a new idea for improve instrument.

measuring instrumental height; the method of steel rule measure distance; corner bracket; active knob; precision analysis

P207

A

0494-0911(2017)01-0144-03

王涛，田林亚，魏玉明，等.高精度仪器高量取方法研究[J].测绘通报，2017(1)：144-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0032.

2016-03-23

王 涛(1992—)，男，硕士，研究方向为测量数据处理理论与方法。E-mail：hkingt121@163.com