全站仪在水文工作中应用探析

王 昕

（陕西省西安水文水资源勘测局，陕西 西安 710100）

0 引言

随着现代科技的发展和计算机的广泛应用，集测距、测角装置和微处理器为一体,能自动计算、存储和输出的测量仪器被称为“全站仪(EDM)”,广泛应用于线路、水利、电力和房建等工程。缘于水文事业的快速发展,全站仪等仪器也被引进水文行业并得到迅速应用。工作中熟悉仪器操作步骤、功能，合理设置参数，正确选择测量模式，才能发挥其优势，达到减轻劳动强度,提高工效之目的。

1 全站仪主要功能

角度测量:利用水平角置零测定两点之间夹角；

距离测量:先设置测距模式、反射棱镜类型、棱镜常数和气象改正数后，进行距离测量；

坐标测量:输入测站点坐标、仪器高、棱镜高和瞄准后视点并输入坐标方位角，用坐标测量功能测量待测点三维坐标；

放样测量:根据设计数据在实地测设出所要求的点位；

悬高测量:用于无法在其上安置棱镜的物体的测量。

2 测量案例

以西安水文局某站为例，采用SOKKIA SET230R全站仪，测角精度±2＂,测距精度棱镜±(2+2×10-6D）mm,免棱镜±(3+2×10-6D）mm。以电磁波测距高程导线校测水准点、EDM三角高程测量校测水尺零高和大断面。

2.1 水准点及水尺校测

水准点每年至少校测一次,水尺零高汛前汛后至少校核一次,汛期依情况随时校测。线路长高差大的测站水准点校测由市局人员下站使用水准仪施测,外业工作量大,作业周期长。使用EDM,速度快,且精度符合要求。

2.1.1 观测要求

依椐《国家三、四等水准测量规范》GB/T22898-2009[1]、《水利水电工程施工测量规范》SL52-2015[2]以及《水文测量规范》SL58-2014[3],观测过程中成像应稳定清晰且宜在中午附近进行,否则不宜观测;视线长度不宜超过700 m,最大不超过1 km;观测斜距、平距和高差时,每站需量取气温气压值输入仪器内,温度超过1℃时,重新输入温度后再观测;斜距观测两测回,互差和测回差分别为10 mm和15 mm；天顶距观测用中丝法读数,盘左、盘右分别照准同一目标为一测回,测回差及指标差均不得超过5＂。

2.1.2 计算原理

1)每点设站时,直返觇高差的按下式进行计算：

式中:α为竖直角观测值；h为仪器至观测点之间的高差；S为仪器至观测点之间的斜距离；R为为地球曲率半径，取值6369 km；i，v 为分别表示仪器高和觇标高；h1，h2为分别表示往测和返测高差；△h为往测和返测高差之差；h'为相邻测站间对向观测的误差中值。

2)隔点设站时,相邻照准点间高差按下式计算：

式中:脚标1,2为后视与前视标号。

2.1.3 水准点校测实例

某站，2018年4月对水准点进行校测。采用全站仪施测,用水准仪比测。计算过程见表1,结果见表2。限于篇幅,电磁波测距高程导线观测资料、水准观测资料及水尺零高资料略去。

表1 某站电磁波测距高程导线高差计算表 单位：m

表2 某站水准点测量成果表 单位：m

从表2可看出,计算结果与第五列用三等水准测量结果相符，满足规范要求。

2.2 大断面测量

每年汛前或汛后应施测一次大断面。在地形复杂、高差较大的测站，用水准仪施测大断面,作业艰苦,尤以岸边为悬崖陡壁的地形,水准仪只能止步。用全站仪（免棱镜功能），速度快、简便灵活，很好地解决了此难题。

2.2.1 独立坐标系建立

目前,测站由绝对基面、冻结基面和水准点等构成高程系统，但未建立坐标系统。为水文工作发展之需,应建立测站坐标系统。方法是以基线端点为原点O,起点距增加的方向为X轴,以基线指向下游的方向为Y轴,垂直于OX轴或OY轴天顶方向为Z轴(设定断面方向与基线方向垂直)。设O点坐标为(0,0,Z),高程Z通过水准测量得到。通常，仪器架设在便于观测的某一固定点O′上并修建观测平台。通过坐标轴的旋转平移和测量O′点高程,得到O′点坐标(a,b,Z′)，见图1。

图1 坐标系统示意图

2.2.2 计算原理

1)测站O′高程计算

分两种情况,即将仪器置于水准点上和便于观测的任意位置。可使用编程计算器分别按式（5）、（6）计算：

式中：Z0为测站某已知水准点高程；h为已知点与待测点高差；i为仪器高；v为目标高。

2)坐标测量及起点距计算

启动仪器“测量”按钮，坐标（N,E,Z）显示在操作屏幕上,可手工记录或按键储存于仪器中。三维坐标采用下式计算：

EDM三角高程测量原理见图2。

图2 EDM三角高程测量原理图

式中，α、β分别为测站至棱镜中心的竖直角和坐标方位角。

起点距从断面桩O点开始,利用式(8)计算或校核。可用Excel编辑公式或编程计算器予以累加计算。

2.2.3 断面测量实例

某站2018年汛前大断面测量外业观测记录及计算结果,见表3。操作过程如下：

1)架设并整平仪器,按【测量】菜单键（F1）;

2)按【测距】键,测量测站与后视点之高差h并记录;

3)按【FUNC】键，在【坐标】菜单下按“坐标测量”，按“测站定向”,按“测站坐标”,输测站坐标（0,0,H）;输“仪器高”;输“目标高”,“后视定向”,瞄准断面方向或基线方向并输假定方位角0°00′00〃。按“ESC”键退出测站设置;

4)按“测量”,按“仪器高”F2,重新输入测站坐标（0,0,H）;

5)在【坐标测量】下按“测量”,得后视点坐标（N,E,Z）,检查高程符合性,进行坐标测量。

表3 某站大断面测量记录及计算表

3 误差分析及结论

3.1 误差分析

EDM三角高程测量,误差来源主要是竖直角α的误差mα和斜距S的误差mS,仪器高i及棱镜高v的量测误差mi,mv,顾及折光系数k及垂线偏差系数u的误差mk,mu。由误差传播定律，对式(1)微分并线性化后，对向观测时高差中数方差为,mh2={(Sinαms)2+(Scosαmα/ρ)2+(S2cos2αmk2/2R)2+mi2+mv2)}+mu2。mS、mα可分别取标称精度估算，即2+2×10-6D和±2＂;据有关文献介绍，mk宜取±0.04mm;mi、mv,均不超过2 mm。因测区范围不大，mu可忽略。因此,误差构成主要是mα,ms,mi,mv。故mh不超过3 mm。采取增加测回数减少竖直角和距离观测误差影响;对向观测,减少大气折光影响;采用后前前后观测顺序,削弱大气折光影响;精确量取仪器高、棱镜高,减小人为误差影响。

3.2 结论

依椐《水利水电工程施工测量规范》SL52-2015表4.4.2光电测距三角高程测量技术要求,采用对向观测,视线长度小于500 m,可达到三等水准精度;在800 m以内,可达到四等水准精度。

1)在满足必要的观测条件下用EDM三角高程测量方法完全可以替代三、四等水准测量；

2)采用对向观测,组成附合路线或闭合环可进行水准点校测；

3)采用单向观测,往返路线可对水尺零高校测及大断面测量。

4 结语

通过EDM三角高程测量代替水准仪完成水文三、四等水准测量,对于高差大的地形的水准点以及岸边接陡崖的大断面测量发挥了很大作用,具有速度快、作业灵活的特点，水准观测困难地区可作为新方法。全站仪应在水文领域不限于下列应用。

1)水文应急监测时作为高洪测验手段抢测河道浮标；

2)水文缆道起点距、雷达水位计探头高度率定；

3)中小河流洪水位预警预报之河道控制纵、横断面测量；

4)洪水调查；

5)测站地形图测绘。