陳軍建 單建華 王志林

摘 要

為了有效的降低電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線測(cè)量（EDM）野外觀測(cè)中受到的天候影響，提高全天候條件下EDM測(cè)量的測(cè)量精度和作業(yè)效率，在長(zhǎng)期的作業(yè)實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)誤差源的分析、收集大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)覘板進(jìn)行了大膽的改進(jìn)，并成功的運(yùn)用到實(shí)際作業(yè)中。檢驗(yàn)結(jié)果表明，新型覘板有效的提升了垂直角觀測(cè)精度，且具有使用輕便、利于觀測(cè)、可夜晚使用的物理特性。

關(guān)鍵詞

EDM;覘板;改進(jìn)技術(shù)

中圖分類號(hào)： TG661 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 46

Abstract

In order to effectively reduce electromagnetic distance measuring height traverse survey （EDM） field observation in the affected by the weather， improve the measurement precision of measurement under the condition of all-weather EDM and efficiency， in the long-term working practice， through the analysis of error sources， collecting a large number of test data， has carried on the bold improvements to sighting board， and successfully applied to the actual operation. The test results show that the new type of sighting plate can effectively improve the accuracy of vertical Angle observation， and has the physical characteristics of light use， favorable for observation， and can be used at night.

Key words

EDM; Sighting board; Improved technology

1 研究背景

電磁波測(cè)距高程導(dǎo)線測(cè)量（EDM）是替代三四等水準(zhǔn)測(cè)量所采用的主要測(cè)量方式，野外作業(yè)組在高原山地、戈壁沙漠、草原河谷地帶等環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，常常受到沙塵、大風(fēng)、高溫、嚴(yán)寒等天氣的影響，理論上的最佳觀測(cè)時(shí)間正午前后又恰是地表空氣擾動(dòng)劇烈的時(shí)候，天候條件不適宜光學(xué)儀器測(cè)量，適合觀測(cè)時(shí)間不多。研究改進(jìn)測(cè)量裝備，提高全天候條件下EDM測(cè)量的測(cè)量精度和作業(yè)效率具有迫切需求和實(shí)踐意義。

2 EDM測(cè)量中的誤差來(lái)源分析

根據(jù)EDM測(cè)量隔點(diǎn)設(shè)站法的原理，EDM測(cè)量的誤差來(lái)源主要有6類：垂直角觀測(cè)誤差;測(cè)距誤差;大氣折光差;地球曲率改正;水準(zhǔn)面不平行改正。通過(guò)多年作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和成果數(shù)據(jù)分析，在通常600米左右間隔的測(cè)段長(zhǎng)度中，垂直角觀測(cè)誤差對(duì)EDM測(cè)量成果整體精度的影響較大，測(cè)距誤差影響微弱，大氣折光差和地球曲率改正通過(guò)調(diào)整前后視距可以抵消，水準(zhǔn)面不平行改正一般不在野外測(cè)量階段考慮。因此，垂直角觀測(cè)誤差是影響EDM測(cè)量成果整體精度的主要因素，有效提高垂直角的觀測(cè)精度可以降低惡劣環(huán)境對(duì)作業(yè)員的影響，提高EDM測(cè)量的整體精度。

3 改進(jìn)測(cè)量覘板的研究思路

影響EDM測(cè)量作業(yè)垂直角觀測(cè)精度的因素主要有3類來(lái)源：儀器誤差、觀測(cè)誤差以及外界環(huán)境引起的誤差。其中，觀測(cè)誤差中的照準(zhǔn)誤差對(duì)測(cè)量成果精度具有直接和較大影響。如果能夠有效減小EDM觀測(cè)的照準(zhǔn)誤差，就可以減小外界環(huán)境對(duì)作業(yè)人員的影響，提高EDM測(cè)量垂直角的觀測(cè)精度。

通過(guò)大量測(cè)量作業(yè)發(fā)現(xiàn)，提高觀測(cè)視線離地間距、改進(jìn)照準(zhǔn)標(biāo)志的配色、加強(qiáng)覘板及測(cè)量標(biāo)尺的穩(wěn)定性，能夠有效的減小近地大氣擾動(dòng)及大氣折光差對(duì)測(cè)量照準(zhǔn)作業(yè)的影響，從而減小照準(zhǔn)誤差。在全站儀不更新?lián)Q代的情況下，可以通過(guò)對(duì)照準(zhǔn)覘板進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

一是提升照準(zhǔn)覘板在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的安置高度。目前，照準(zhǔn)覘板使用輕質(zhì)鋁合金材料制作，提升在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的安置高度后，照準(zhǔn)系統(tǒng)重心過(guò)高，風(fēng)的作用力影響明顯，容易發(fā)生晃動(dòng)或傾覆，影響照準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在保證幾何精度和機(jī)械強(qiáng)度的條件下，需要選用比鋁合金性能更為優(yōu)異的輕質(zhì)材料來(lái)制作覘板。通過(guò)查閱資料，初步選擇航空航天普遍采用的玻璃纖維樹(shù)脂聚合物板、碳纖維樹(shù)脂聚合物板作為覘板基材。通過(guò)對(duì)材料小樣和鋁合金板的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，備選材料的性能均優(yōu)于鋁合金板，相同厚度下玻纖板、碳纖板性能接近，但碳纖板韌性更強(qiáng)，比重更小，造價(jià)適中，3毫米厚的碳纖維樹(shù)脂聚合物板是制作覘板基材的理想材料。

二是改進(jìn)照準(zhǔn)標(biāo)志的配色方案。查閱光度及色度測(cè)量學(xué)研究成果發(fā)現(xiàn)，人眼對(duì)綠色的敏感度最高，黃色次之，如圖1所示，為此，將照準(zhǔn)覘板的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志配色方案由原來(lái)的白底黑標(biāo)改進(jìn)為黑底黃綠色標(biāo)志，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以顯著提高惡劣環(huán)境下照準(zhǔn)作業(yè)的精度。

三是提高照準(zhǔn)系統(tǒng)的安裝的便捷性。自行改進(jìn)設(shè)計(jì)鋁合金固定組件，將原覘板的照準(zhǔn)面部分和測(cè)距反射棱鏡兩部分合二為一，省去將反射棱鏡固定在標(biāo)尺上的緊固裝置，將棱鏡通過(guò)鋁合金固件直接固定在覘板照準(zhǔn)面上，通過(guò)改進(jìn)，既減輕了整個(gè)覘板系統(tǒng)的重量，又提高了穩(wěn)固性，同時(shí)使組裝覘板的工作更加便捷。

通過(guò)對(duì)測(cè)量覘板的技術(shù)改進(jìn)，能夠顯著提高人眼通過(guò)儀器對(duì)覘板標(biāo)志的有效分辨力，使精確照準(zhǔn)更為容易，垂直角觀測(cè)速度得到提升;覘板具備了在鏡頭內(nèi)清晰成像的條件，可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的觀測(cè)距離，從而減少了儀器的設(shè)站次數(shù)，降低總測(cè)段長(zhǎng)度內(nèi)的儀器照準(zhǔn)觀測(cè)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)提高觀測(cè)效率的目的。

4 測(cè)量覘板改進(jìn)的技術(shù)實(shí)踐

4.1 外形尺寸

原覘板尺寸為300毫米×400毫米，在全站儀鏡頭放大倍率不變的前提下（使用LEICA TC1201型全站儀），為提高照準(zhǔn)標(biāo)志的辨識(shí)度，改進(jìn)后的覘板面尺寸加大為360毫米×480毫米。

4.2 基礎(chǔ)材料

原覘板選用3毫米厚鋁合金板材，整體重量為2.3千克，改進(jìn)后的覘板選用3毫米厚的碳纖維樹(shù)脂聚合物板材，整體重量為1.3千克，在顯著提高強(qiáng)度的同時(shí)，大幅減輕了重量。

4.3 配色方案及漆面材料

原覘板采用銀白底色，黑色照準(zhǔn)標(biāo)志的配色方案，底色漆面為光面銀白色金屬漆，照準(zhǔn)標(biāo)志漆面為光面黑色金屬漆，容易出現(xiàn)鏡面反射現(xiàn)象，有微弱的漫反射光出現(xiàn)，降低了整個(gè)覘板面的顏色對(duì)比度，其在遠(yuǎn)距離和夜晚輔助照明下，照準(zhǔn)標(biāo)志辨識(shí)度弱。改進(jìn)的覘板采用純黑底色，黃綠色或橙黃色照準(zhǔn)標(biāo)志的配色方案，選用進(jìn)口純黑色磨砂漆，其吸光作用良好，在任意入射角光源下均無(wú)反射光，照準(zhǔn)標(biāo)志面選用美國(guó)3M公司最新出品的鉆晶微棱鏡反射貼制成，無(wú)論是在白天還是在夜間輔助照明下，在黑色底色板面的映襯下辨識(shí)度極高，在不同距離及不同光照度下，人眼對(duì)照準(zhǔn)標(biāo)志的識(shí)別率均優(yōu)于現(xiàn)有覘板。如圖2所示。

4.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

原覘板系統(tǒng)由覘板照準(zhǔn)面裝置和測(cè)距反射棱鏡固定裝置兩部分構(gòu)成，測(cè)量前兩個(gè)部分需要分別緊固，安置前需精確量取其在標(biāo)尺上的安置高度，并調(diào)節(jié)8個(gè)緊固螺旋使其在標(biāo)尺面上無(wú)松動(dòng)及歪斜。改進(jìn)后的覘板將測(cè)距反射棱鏡固定裝置整合于覘板照準(zhǔn)面上，覘板在標(biāo)尺上的安裝只需調(diào)節(jié)4個(gè)緊固螺旋即可完成，提高了測(cè)前準(zhǔn)備效率，并進(jìn)一步減輕了覘板系統(tǒng)的整體重量。

4.5 夜間輔助照明裝置

為提高夜間測(cè)量測(cè)量照準(zhǔn)性能，設(shè)計(jì)了輔助照明裝置，在鋁合金三角架上安裝氙氣探照燈，照明燈頭由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，用遙控器控制調(diào)整照射水平角和俯仰角，探照燈由汽車點(diǎn)煙器端口供電，或是用蓄電池獨(dú)立供電。輔助照明裝置可以在夜間提供充足的照度，滿足夜間視距1千米內(nèi)的EDM測(cè)量，如圖3所示，改進(jìn)后的覘板在全站儀鏡頭內(nèi)成像清晰穩(wěn)定，與原覘板相比，更容易實(shí)現(xiàn)精細(xì)、快速照準(zhǔn)。

5 改進(jìn)后測(cè)量覘板的性能分析

為驗(yàn)證改進(jìn)后測(cè)量覘板的技術(shù)性能，依據(jù)《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》、《三、四等導(dǎo)線測(cè)量規(guī)范》，使用相同的徠卡1201全站儀，在相同時(shí)間和作業(yè)環(huán)境下采用隔點(diǎn)設(shè)站法同步進(jìn)行測(cè)量作業(yè)對(duì)比。對(duì)比實(shí)驗(yàn)在新疆烏魯木齊市郊區(qū)戈壁灘進(jìn)行，分別在北京時(shí)間17點(diǎn)、23點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)間段對(duì)兩種覘板進(jìn)行EDM高程導(dǎo)線作業(yè)測(cè)量，視距為600米左右。通過(guò)對(duì)白天4.6公里的測(cè)段長(zhǎng)度觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，舊覘板測(cè)線測(cè)角中誤差為±0.80″，測(cè)線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0033m;改進(jìn)的覘板測(cè)線測(cè)角中誤差為±0.73″，測(cè)線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0011m。結(jié)果表明，使用改進(jìn)的覘板在白天垂直角觀測(cè)精度有效提升。通過(guò)對(duì)夜間1.9公里的測(cè)段長(zhǎng)度觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，原覘板測(cè)線測(cè)角中誤差為±1.29″，測(cè)線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0027m;改進(jìn)的覘板測(cè)線測(cè)角中誤差為±1.17″，測(cè)線每千米高差中數(shù)中誤差為±0.0007m，結(jié)果表明，使用改進(jìn)的覘板在夜間垂直角觀測(cè)精度也得到有效提升。