鈄春紅,李子坡

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310002)

0 引 言

杭州市三堡排澇工程作為城市防洪工程,以防洪治澇為主,結(jié)合改善水環(huán)境、二線船閘下游引航道段排水箱涵建設(shè),進行三堡二線船閘下游引航道西側(cè)防洪堤達標(biāo)建設(shè).防洪堤與引航道南端的錢塘江標(biāo)準(zhǔn)海塘連接,該工程有利于完善太湖流域防洪布局、構(gòu)建南排杭州灣防洪工程體系、提高杭州市區(qū)排澇能力,有利于推動京杭運河杭州段綜合治理、加快江河交匯區(qū)開發(fā)建設(shè),意義十分重大.應(yīng)杭州市三堡排澇工程(錢塘江排水口至鳳起東路)三個標(biāo)段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)施工需要,根據(jù)杭州市南排工程建設(shè)管理處要求,對三堡排澇工程施工范圍內(nèi)進行二等GPS平面控制測量.測區(qū)附近有杭州市規(guī)劃局施測的兩個E級GPS點(A55882、A31570)作為平面起算點,在三個標(biāo)段附近按業(yè)主的要求選埋六點GPS點新點位(B1-B6),組成一個八點GPS點組成的二等GPS控制網(wǎng),采用八臺中海達V8雙頻接收機進行觀測.全網(wǎng)采用索佳NET05X全站儀測定兩條基線(B2-B3、B3-B4),基線邊呈均勻分布,由于測區(qū)地勢較低,基線邊長投影至零米高程面.解算過程中采用投影到零米高程面上的兩條改正后的基線邊長分別除以其自由網(wǎng)平差后的邊長,取平均值,得到比例因子δ,以離控制網(wǎng)最近的E級GPS點(A55882)作為已知起算點,用兩個E級GPS點的方位角和自由網(wǎng)平差后的返算基線邊長乘以比例因子δ,算得兩個E級GPS點邊長,計算出另一E級GPS點(A31570)的坐標(biāo);利用新的兩點坐標(biāo)作為平面起算數(shù)據(jù)進行全約束平差,得到其余GPS點的坐標(biāo).由于基線邊長的精度直接影響整個二等控制網(wǎng)內(nèi)GPS點的坐標(biāo)的準(zhǔn)確度,作業(yè)中非常有必要掌握兩條基線的測定有關(guān)的測距精度影響因素,對索佳NET05X全站儀測距精度影響進行分析,并在作業(yè)過程中正確進行必要的檢查、檢測與操作處理.

1 索佳NET05X全站儀高精度測距誤差分析

1.1 索佳NET05X全站儀基本特性

索佳NET05X達到了業(yè)界最高的0.5(測角精度,以索佳反射片為合作目標(biāo),在200 m的范圍內(nèi)提供亞毫米級(0.5 mm+1×10-6)的測量精度,標(biāo)準(zhǔn)單棱鏡的測距精度為(0.8 mm+1×10-6),測程可達3500 m.在1000 m以上的邊長測量中提供業(yè)界最高的測量精度,精測模式中的單次測量時間小于2.4 s,無棱鏡的測距精度(1 mm+1×10-6),測程已擴充到100 m,業(yè)界獨一無二的高亮度LED燈,便于在昏暗的測量環(huán)境中清晰照亮棱鏡、反射片等目標(biāo),IP65的防塵防水等級,在WinCE操作系統(tǒng)的全站儀中,達到了世界最高水平.

1.2 索佳NET05X全站儀測距的基本原理

索佳NET05X全站儀的光電測距部分的分類屬于短程相位式型號,基本原理公式為D=ct,采用砷化鎵(GaAs)二極管氣體激光器產(chǎn)生的相位式測距儀的光源,發(fā)射光強直接由注入電流調(diào)制,發(fā)射一種紅外調(diào)制光;在測線的另一端安置一個反射器(棱鏡或反射片等),使發(fā)射的調(diào)制光經(jīng)它反射后,被儀器接收器接收;采用光電轉(zhuǎn)換器件把光信號變?yōu)殡娦盘?測距原理公式為D=(N+ΔΦ/2π)=L(N+Δ N)(式中 ΔN=ΔΦ/2π代表測尺長度、N代表整周數(shù)、L=c/2f=λ/2代表不足一周的尾數(shù)),相位式光電測距儀的工作原理及測距原理形態(tài)見圖1、圖2.

1.3 索佳NET05X全站儀測距精度影響因素

1.3.1 測距精度影響因素

圖1 電測距儀工作原理

圖2 測距原理形態(tài)圖

全站儀測距精度影響因素就其產(chǎn)生“誤差”方式來講分兩大類,一些與測量距離長短無關(guān),稱其為“固定誤差”;有些是與測量距離成比例的,稱為“比例誤差”.固定誤差來源主要包括測相、加常數(shù)和對中誤差,其中測相誤差包括測相設(shè)備本身的誤差、幅相誤差、照準(zhǔn)誤差、信噪比引起的誤差、周期誤差;加常數(shù)誤差包括全站儀加常數(shù)、反射鏡加常數(shù);對中誤差又分全站儀、反射鏡兩種情形.比例誤差來源主要包括測量時氣象因素和全站儀測距頻率偏移(乘常數(shù)),氣象因素主要包括溫度、氣壓、濕度;引起頻率偏移原因有全站儀電源電壓、溫度變化等.浙江省水利水電勘測設(shè)計院購置的索佳NET05X全站儀(編號103274)于2010年2月檢定,加常數(shù)K=-2.3 mm、乘常數(shù) R=0 mm/km、周期誤差振幅 A=0.1 mm、初相 B=291°9′37.3″,可見固定誤差中測相誤差很小,對中誤差可以人為減弱,比例誤差中測距頻率偏移(乘常數(shù))忽略不計,反射鏡加常數(shù)由于根據(jù)不同品牌型號儀器對應(yīng)專用的配套反射鏡,出廠時經(jīng)過嚴(yán)格測定,可以忽略反射鏡加常數(shù)的影響.因此在杭州市三堡排澇工程實踐中,最關(guān)注的是固定誤差中的加常數(shù)和比例誤差中的氣象因素改正,本文主要針對索佳NET05X全站儀討論固定誤差中儀器加常數(shù)和比例誤差中氣象改正因素形成原理或變化特性.

1.3.2 加常數(shù)

索佳NET05X全站儀外光路測得的距離是由發(fā)光面和接收面的實際中心到反射面的距離,內(nèi)光路測量的距離是由發(fā)射面經(jīng)內(nèi)光路到接收面的等效反射面的距離,待測的距離為儀器中心(豎軸)到反射中心(豎軸)的距離.由于發(fā)光面和接收面與儀器實際中心不重合;等效反射面與反射中心不重合;內(nèi)光路距離值以及內(nèi)部線路自身的時間延遲等的影響,使儀器測得的距離與實際距離之間有一個常數(shù)差,此常數(shù)稱為儀器的加常數(shù).儀器出廠前,該常數(shù)都要進行嚴(yán)格的檢測,并將其檢測出的常數(shù)預(yù)置到儀器內(nèi),這樣測距時儀器顯示是地面兩點間的實際距離值.該常數(shù)不是一個永久不變的值,使用中儀器光電路參數(shù)產(chǎn)生漂移而使儀器加常數(shù)發(fā)生變化,為了保證測距的精度,必須對加常數(shù)進行定期的檢測,變化大的要重新設(shè)置或在測距成果中進行加常數(shù)改正.索佳NET05X全站儀(編號103274)出廠日期是2009年7月,常數(shù)嚴(yán)格檢測后常數(shù)預(yù)置到儀器內(nèi),2010年2月2日由上海市測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站重新檢測,常數(shù)值K變化為-2.3 mm(測量標(biāo)準(zhǔn)差為0.3 mm).索佳NET05X全站儀的標(biāo)準(zhǔn)單棱鏡的測距精度為0.8 mm+1×10-6,測程＜3.5 km,顯然常數(shù)值K=-2.3 mm對測定短基線影響比較顯著.

1.3.3 氣象因素改正

氣象改正實質(zhì)是大氣折射率對距離的改正,大氣折射率與氣壓、氣溫、濕度有關(guān).標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下距離公式D0=(n0代表標(biāo)準(zhǔn)參考大氣折射率),實際作業(yè)中距離公式D==D0×(n代表實際大氣折射率),因此呈比例改正.根據(jù)索佳NET 05X全站儀使用說明書介紹,氣象改正值可采用如下公式Δ=282.324-(公式中T為溫度值、P為氣壓值、E為水蒸汽氣壓值),儀器按照溫度15℃、氣壓1013 hPa、相對濕度50%時的氣象改正數(shù)為0設(shè)計,水蒸汽氣壓值E由相對濕度與飽和水蒸汽氣壓值換算.從該公式可以推算出,在通常的大氣情況下,當(dāng)氣壓保持不變,溫度值每變化1℃,或者溫度值保持不變,氣壓值每變化3.6 hPa時,都將引起所測距離值 1×10-6的變化,即每公里1 mm的變化;當(dāng)其他條件不變,相對濕度值每變化1%,會引起所測距離值0.04×10-6的變化,因此溫度值是最關(guān)鍵的因素,相對濕度值影響最小.

2 保證索佳NET05X全站儀測距精度的措施

2.1 提高索佳NET05X全站儀測距時大氣參數(shù)測定的精度

氣象儀表檢定和校核至關(guān)重要,選購質(zhì)量穩(wěn)定可靠的氣象儀表,能夠精確判讀0.2格值以上,使用前對溫度計、氣壓表和濕度表進行校核,濕度表、氣壓表上有溫度計的情況,進行交叉比對,符合要求后用于距離測量.正確讀取數(shù)據(jù),視線應(yīng)垂直于儀表讀數(shù)面,手溫不要影響溫度,氣象儀表應(yīng)放置在通風(fēng)良好的位置,并盡量高于地面,以免產(chǎn)生地面植被、河道水汽對測量基線氣象的偏差.由于B03選在船閘的建筑屋頂,地勢較高,B02、B04地勢較低,因此測定了兩條基線兩端的氣象參數(shù),讓氣象參數(shù)真正符合現(xiàn)場情形.

2.2 檢核索佳NET05X全站儀的加常數(shù)等儀器檢定參數(shù)

盡管索佳NET05X全站儀由上海市測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢定,高精度測距前仍然有必要對其檢定參數(shù)進行檢核,認真比對后才放心使用.固定誤差中測相誤差很小,比例誤差中測距頻率偏移(乘常數(shù))可以忽略不計,忽略反射鏡加常數(shù)的影響,由于測定加常數(shù)存在誤差,加上光路的微變和電路的老化,儀器加常數(shù)檢核顯得非常重要.用于測定加常數(shù)的常用方法有解析法、迭加法與比較法等,解析法和迭加法都是利用儀器自身的測量結(jié)果,通過平差求解加常數(shù),比較法是把儀器的觀測值與精確基線值進行比較.由于受條件所限,采用兩種簡單方法進行檢校:(1)在儀器檢校室將索佳NET05X全站儀固定在升降臺上,另一端安置索佳配套單棱鏡,通過升降將全站儀視準(zhǔn)線水平,讓其相當(dāng)于一條短基線.經(jīng)過氣象、加常數(shù)改正后,所測距離與使用銦鋼尺量取距離大致相同.(2)在不具備因瓦尺校準(zhǔn)條件下,可以采用簡單解析法檢定加常數(shù),在50 m距離的平坦地面上,架設(shè)3個以上腳架,使它們位于一條水平直線上,每個腳架上固定一個基座,相鄰腳架構(gòu)成n個小測段(n=3或4),首末兩個腳架構(gòu)成一個大測段.用同一只棱鏡和同一臺受檢全站儀分別測定n個小測段距離d1-d2-dn和大測段距離D,因為它們都包含一個加常數(shù)K和乘常數(shù)R,應(yīng)當(dāng)滿足如下方程:(n-1)K=D-∑d+(D-∑d)R,其中,(D-∑d)和R數(shù)值都很小(編號103274全站儀R值為零),二者乘積可以忽略不計,所以加常數(shù)可以按照如下公式計算:K=(D-∑d)/(n-1),求取加常數(shù)[4].

3 測距改正中應(yīng)注意的幾個問題

3.1 除索佳NET05X全站儀本身以外的測距精度影響因素

本文以上提到到的為索佳NET05X全站儀有關(guān)的測距精度影響,實踐中還應(yīng)注意儀器、反射設(shè)備對中的精度,配套反射設(shè)備不能混淆,腳架穩(wěn)定和操作的科學(xué)性.對中的精度涉及基座水平圓、管氣泡以及光學(xué)或電子對點的精確度,測距前對其進行了檢校;配套反射設(shè)備根據(jù)品牌、類型分類,一般分索佳、拓普康、徠卡等幾個品牌,分棱鏡、反射片等幾種類型,預(yù)置常數(shù)(界面見圖3,圖4,索佳目標(biāo)類型為棱鏡、常數(shù)為-30 mm);應(yīng)選配結(jié)實穩(wěn)重腳架,擰緊螺絲,防止震動.為獲取更高精度的測量結(jié)果,應(yīng)對棱鏡條件進行檢測,在儀器設(shè)置下棱鏡檢測項為“開”,測試返回信號和ALC狀態(tài),如果視準(zhǔn)軸偏離棱鏡中心,精度將受影響.

圖3 界面參數(shù)設(shè)置EDM

圖4 界面參數(shù)設(shè)置PPM

3.2 測距改正的兩種方法比較

3.3 應(yīng)考慮地球曲率和大氣折射引起的誤差

3.4 歸化改正、投影改正后平距與GPS二維約束平差邊長的比較

為保證與GPS二維約束平差邊長距離的可比性,需將所測實際平距歸算到測區(qū)平均高程面,投影到國家大地水準(zhǔn)面(簡稱為歸化改正),將橢球面的長度歸化到高斯平面改正(簡稱為投影改正).

歸化改正公式為

其中:H—觀測邊的平均大地高;R—該地區(qū)平均曲率半徑.

4 結(jié) 語

平差時,首先將杭州坐標(biāo)系的已知點A55882和A31570轉(zhuǎn)換成1954年北京坐標(biāo)系,全網(wǎng)用SOKKIA NET05X全站儀測定了2條邊,B02～B03、B03～B04,邊長經(jīng)過歸化改正、投影改正,作為GPS的擬合邊計算比例因子δ用.平差后二等GPS網(wǎng)的點位中誤差為1.4 mm小于規(guī)范規(guī)定的5～7 mm;最弱相鄰點邊長相對中誤差為1/295000＜1/250000(規(guī)定),成果質(zhì)量優(yōu)良.實踐證明,在高精度測距中正確掌握儀器的的工作原理和特性,采用正確的實施方法,能夠保證精密的測距結(jié)果.

[1]中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB 50026-2007工程測量規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[2]水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.SL 197-97水利水電工程測量規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,1997.

[3]中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL/T 5173-2003水電水利工程施工測量規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2003.

[4]付子傲,宋以勝,包 歡,等.全站儀測距常數(shù)檢定新方法[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2009(3):53.