畢業(yè)設(shè)計論文—全站儀三角高程測量精度分析.doc

遼寧工程技術(shù)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢 業(yè) 論 文（設(shè)計）題目： 全站儀三角高程測量精度分析 層 次 高起專 專 業(yè) 測繪工程 函授站點 霍林河函授站 班 級 2011級 姓 名 指導(dǎo)教師 2012 年 10月 18 日 全站儀三角高程測量精度分析作者 張琦內(nèi)容摘要 全站儀三角高程測量具有效率高，實施靈活等優(yōu)點。全站儀三角高程測量可以代替水準(zhǔn)測量進(jìn)行高程控制，主要有對向觀測法和中間觀測法。在這兩種方法中，前者將大氣折光系數(shù)作為常數(shù)考慮，認(rèn)為各個方向的折光系數(shù)相同，這與實際的情況有出入。而中間觀測法則將大氣折光系數(shù)作為變量處理，并加以改正。經(jīng)研究并通過實踐驗證，在觀測結(jié)果進(jìn)行修正的條件下，全站儀三角高程測量完全能達(dá)到三、四等水準(zhǔn)測量的精度要求，同時可借助Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，使觀測數(shù)據(jù)的處理更為方便快捷1。文章根據(jù)三角高程測量原理及誤差傳播定律，對全站儀三角高程測量在測量中的應(yīng)用及精度進(jìn)行了探討。對三角高程測量的不同方法進(jìn)行了對比、分析總結(jié)。通過試驗，對全站儀水準(zhǔn)法三角高程測量進(jìn)行了精度分析。關(guān)鍵詞 全站儀；三角高程測量；精度分析目 錄第一章 全站儀11.1全站儀的介紹11.1.1全站儀的工作原理11.1.2全站儀的發(fā)展和簡史11.1.3全站儀的分類11.1.4全站儀的結(jié)構(gòu)21.1.5全站儀的主要特點31.1.6全站儀操作注意事項41.2全站儀的主要功能51.2.1水平角測量51.2.2距離測量51.2.3坐標(biāo)測量51.2.4全站儀的數(shù)據(jù)通訊51.3全站儀的檢驗61.3.1全站儀整平以及氣泡校正61.3.2垂直度盤安裝過程中的誤差分析及其校正61.3.3檢驗7第二章 全站儀三角高程測量的原理82.1三角高程測量定義82.2三角高程測量基本原理82.3全站儀三角高程測量的技術(shù)指標(biāo)8第三章 全站儀三角高程測量方法103.1三角高程測量的傳統(tǒng)方法103.2單向精密三角高程測量方法113.3全站儀對邊測量三角高程測量法113.4全站儀水準(zhǔn)法三角高程測量133.5對向觀測法133.6中間觀測法15第四章 全站儀三角高程測量精度分析174.1全站儀三角高程測量精度分析174.1.1大氣對光電測距精度的影響174.1.2削減大氣對測距精度影響的途徑184.1.3光電測距的最佳觀測時間184.1.4根據(jù)大氣模型進(jìn)行修正184.2不同觀測方法誤差的共同點184.3提高全站儀三角高程測量精度的措施19第五章 全站儀三角高程測量的應(yīng)用實例205.1工程概況205.2準(zhǔn)備工作205.3現(xiàn)場測量及注意事項215.4內(nèi)業(yè)整理計算分析215.4.1求K值215.5技術(shù)小結(jié)225.5.1對三角高程的誤差、精度進(jìn)行分析225.5.2做好測量前準(zhǔn)備工作225.5.3工程總結(jié)22第六章 結(jié)語2325第一章 全站儀1.1全站儀的介紹全站儀，即全站型電子速測儀（Electronic Total Station）。是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。因其一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作，所以稱之為全站儀。1.1.1全站儀的工作原理全站儀是一種集光、機(jī)、電為一體的新型測角儀器，與光學(xué)經(jīng)緯儀比較電子經(jīng)緯儀將光學(xué)度盤換為光電掃描度盤，將人工光學(xué)測微讀數(shù)代之以自動記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動記錄、儲存、計算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進(jìn)一步提高了測量作業(yè)的自動化程度。 1.1.2全站儀的發(fā)展和簡史全站儀的發(fā)展經(jīng)歷了從組合式即光電測距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀組合，或光電測距儀與電子經(jīng)緯儀組合，到整體式即將光電測距儀的光波發(fā)射接收系統(tǒng)的光軸和經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸組合為同軸的整體式全站儀等幾個階段。隨著電子測距技術(shù)的出現(xiàn)，大大地推動了速測儀的發(fā)展。用電磁波測距儀代替光學(xué)視距經(jīng)緯儀，使得測程更大、測量時間更短、精度更高。人們將距離由電磁波測距儀測定的速測儀籠統(tǒng)地稱之為“電子速測儀”（Electronic Tachymeter）。 全站型電子速測儀則是由電子測角、電子測距、電子計算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量結(jié)果能自動顯示，并能與外圍設(shè)備交換信息的多功能測量儀器。由于全站型電子速測儀較完善地實現(xiàn)了測量和處理過程的電子化和一體化，所以人們也通常稱之為全站型電子速測儀或簡稱全站儀。1.1.3全站儀的分類全站儀采用了光電掃描測角系統(tǒng)，其類型主要有：編碼盤測角系統(tǒng)、光柵盤測角系統(tǒng)及動態(tài)（光柵盤）測角系統(tǒng)等三種。全站儀按其外觀結(jié)構(gòu)可分為兩類： （1）積木型（Modular，又稱組合型） 早期的全站儀，大都是積木型結(jié)構(gòu)，即電子速測儀、電子經(jīng)緯儀、電子記錄器各是一個整體，可以分離使用，也可以通過電纜或接口把它們組合起來，形成完整的全站儀。 （2）整體性（Integral） 隨著電子測距儀進(jìn)一步的輕巧化，現(xiàn)代的全站儀大都把測距，測角和記錄單元在光學(xué)、機(jī)械等方面設(shè)計成一個不可分割的整體，其中測距儀的發(fā)射軸、接收軸和望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸為同軸結(jié)構(gòu)。全站儀按測量功能分類，可分成四類： （1）經(jīng)典型全站儀（Classical total station） 經(jīng)典型全站儀也稱為常規(guī)全站儀，它具備全站儀電子測角、電子測距和數(shù)據(jù)自動記錄等基本功能，有的還可以運(yùn)行廠家或用戶自主開發(fā)的機(jī)載測量程序。 （2）機(jī)動型全站儀（Motorized total station） 在經(jīng)典全站儀的基礎(chǔ)上安裝軸系步進(jìn)電機(jī)，可自動驅(qū)動全站儀照準(zhǔn)部和望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)。在計算機(jī)的在線控制下，機(jī)動型系列全站儀可按計算機(jī)給定的方向值自動照準(zhǔn)目標(biāo)，并可實現(xiàn)自動正、倒鏡測量。 （3）無合作目標(biāo)性全站儀（Reflector less total station） 無合作目標(biāo)型全站儀是指在無反射棱鏡的條件下，可對一般的目標(biāo)直接測距的全站儀。因此，對不便安置反射棱鏡的目標(biāo)進(jìn)行測量，無合作目標(biāo)型全站儀具有明顯優(yōu)勢。 （4）智能型全站儀（Robotic total station） 在機(jī)動化全站儀的基礎(chǔ)上，儀器安裝自動目標(biāo)識別與照準(zhǔn)的新功能，因此在自動化的進(jìn)程中，全站儀進(jìn)一步克服了需要人工照準(zhǔn)目標(biāo)的重大缺陷，實現(xiàn)了全站儀的智能化。1.1.4全站儀的結(jié)構(gòu)全站儀幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。電子全站儀由電源部分、測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理部分、通訊接口、及顯示屏、鍵盤等組成。（1）同軸望遠(yuǎn)鏡全站儀的望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)了視準(zhǔn)軸、測距光波的發(fā)射、接收光軸同軸化。同軸化的基本原理是：在望遠(yuǎn)物鏡與調(diào)焦透鏡間設(shè)置分光棱鏡系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的多功能，即既可瞄準(zhǔn)目標(biāo)，使之成像于十字絲分劃板，進(jìn)行角度測量。同時其測距部分的外光路系統(tǒng)又能使測距部分的光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光在經(jīng)物鏡射向反光棱鏡后，經(jīng)同一路徑反射回來，再經(jīng)分光棱鏡作用使回光被光電二極管接收；為測距需要在儀器內(nèi)部另設(shè)一內(nèi)光路系統(tǒng)，通過分光棱鏡系統(tǒng)中的光導(dǎo)纖維將由光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光傳送給光電二極管接收，進(jìn)行而由內(nèi)、外光路調(diào)制光的相位差間接計算光的傳播時間，計算實測距離。 （2）雙軸自動補(bǔ)償雙軸自動補(bǔ)償?shù)乃捎玫臉?gòu)造（現(xiàn)有水平，包括Top-con，Trimble）：使用一水泡（該水泡不是從外部可以看到的，與檢驗校正中所描述的不是一個水泡）來標(biāo)定絕對水平面，該水泡是中間填充液體，兩端是氣體。在水泡的上部兩側(cè)各放置一發(fā)光二極管，而在水泡的下部兩側(cè)各放置一光電管，用一接收發(fā)光二極管透過水泡發(fā)出的光。而后，通過運(yùn)算電路比較兩二極管獲得的光的強(qiáng)度。當(dāng)在初始位置，即絕對水平時，將運(yùn)算值置零。當(dāng)作業(yè)中全站儀器傾斜時，運(yùn)算電路實時計算出光強(qiáng)的差值，從而換算成傾斜的位移，將此信息傳達(dá)給控制系統(tǒng)，以決定自動補(bǔ)償?shù)闹怠Ｗ詣友a(bǔ)償?shù)姆绞匠跤晌⑻幚砥饔嬎愫笮拚敵?，從而使軸時刻保證絕對水平。 （3）鍵盤鍵盤是全站儀在測量時輸入操作指令或數(shù)據(jù)的硬件，全站型儀器的鍵盤和顯示屏均為雙面式，便于正、倒鏡作業(yè)時操作。 （4）存儲器全站儀存儲器的作用是將實時采集的測量數(shù)據(jù)存儲起來，再根據(jù)需要傳送到其它設(shè)備如計算機(jī)等中，供進(jìn)一步的處理或利用，全站儀的存儲器有內(nèi)存儲器和存儲卡兩種。 （5）通訊接口全站儀可以通過RS-232C通訊接口和通訊電纜將內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，或?qū)⒂嬎銠C(jī)中的數(shù)據(jù)和信息經(jīng)通訊電纜傳輸給全站儀，實現(xiàn)雙向信息傳輸。1.1.5全站儀的主要特點全站儀的主要特點如下：（1）電腦操作系統(tǒng)：全站儀具有像通常PC級一樣的DOS操作系統(tǒng)。（2）大屏幕顯示：可顯示數(shù)字、文字、圖像，也可顯示電子氣泡居中情況，以提高儀器安置的速度與精度，并采用人機(jī)對話式控制面板。（3）大容量內(nèi)存：一般內(nèi)存在1M以上，其中主內(nèi)存有640K，數(shù)據(jù)內(nèi)存320K，程序內(nèi)存512K，擴(kuò)展內(nèi)存512K。（4）采用國際計算機(jī)通用磁卡：所有測量信息都以文件形式記入磁卡或電子記錄簿，磁卡優(yōu)先采用無觸點感應(yīng)式，可以長期保留數(shù)據(jù)。（5）自動補(bǔ)償功能：補(bǔ)償器裝有雙軸傾斜傳感器，能直接檢測出儀器的垂直軸，在視準(zhǔn)軸方向和橫軸方向上的傾斜量，經(jīng)儀器處理計算出改正值并對垂直方向和水平方向值加以改正，提高測角精度。（6）測距時間短，耗電量低。1.1.6全站儀操作注意事項（1）理解概念。（2）了解測量原理：全站儀的測量原理包括電子經(jīng)緯儀測角、光電測距儀測距、電子補(bǔ)償器自動補(bǔ)償改正、電子計算機(jī)自動數(shù)據(jù)處理等。（3）明確測量功能：全站儀是一個由測距儀、電子經(jīng)緯儀、電子補(bǔ)償器、微處理機(jī)組合的整體，測量功能可分為基本測量功能和程序測量功能。（4）熟悉操作步驟：由于全站儀完全是按人們預(yù)置的作業(yè)程序、功能和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行工作的，所以必須按正確的操作步驟觀測，才能得到正確的觀測成果。（5）觀測前的準(zhǔn)備工作安裝電池、對中整平、開機(jī)。零設(shè)置：水平方向轉(zhuǎn)動儀器一周設(shè)置水平度盤零位、垂直方向轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡一周設(shè)置垂直度盤零位。選擇儀器功能：開機(jī)為基本測量功能，根據(jù)測量內(nèi)容選擇儀器程序測量功能。（6）外業(yè)觀測步驟瞄準(zhǔn)：準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡中心。觀測：按儀器功能的操作程序觀測。記錄：記錄或存儲觀測數(shù)據(jù)。（7）觀測結(jié)束應(yīng)檢查記錄，無誤后方可關(guān)機(jī)、遷站。（8）合理設(shè)置儀器參數(shù)：儀器的各項改正是按設(shè)置的儀器參數(shù)，經(jīng)微處理器對原始觀測數(shù)據(jù)計算并改正后，顯示觀測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的。只有合理設(shè)置儀器參數(shù)，才能得到高精度的觀測成果。（9）正確選擇測量模式：全站儀的測量模式很多，不同型號的儀器大同小異。所有測量模式按相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型程序預(yù)置在儀器微處理器內(nèi)，使用時必須按規(guī)定操作程序進(jìn)行，否則會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。1.2全站儀的主要功能全站儀具有角度測量、距離（斜距、平距、高差）測量、三維坐標(biāo)測量、導(dǎo)線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內(nèi)置專用軟件后，功能還可進(jìn)一步拓展。 全站儀的基本操作與使用方法 ： 1.2.1水平角測量（1）按角度測量鍵，使全站儀處于角度測量模式，照準(zhǔn)第一個目標(biāo)A。 （2）設(shè)置A方向的水平度盤讀數(shù)為。 （3）照準(zhǔn)第二個目標(biāo)B，此時顯示的水平度盤讀數(shù)即為兩方向間的水平夾角。 1.2.2距離測量 （1）設(shè)置棱鏡常數(shù)。測距前須將棱鏡常數(shù)輸入儀器中，儀器會自動對所測距離進(jìn)行改正。 （2）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值。 光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化，15和760mmHg是儀器設(shè)置的一個標(biāo)準(zhǔn)值，此時的大氣改正為0ppm。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對測距結(jié)果進(jìn)行改正。 （3）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。（4）距離測量。照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡中心，按測距鍵，距離測量開始，測距完成時顯示斜距、平距、高差。 1.2.3坐標(biāo)測量（1）設(shè)定測站點的三維坐標(biāo)。 （2）設(shè)定后視點的坐標(biāo)或設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。當(dāng)設(shè)定后視點的坐標(biāo)時，全站儀會自動計算后視方向的方位角，并設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。 （3）設(shè)置棱鏡常數(shù)。 （4）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值。 （5）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。 （6）照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡，按坐標(biāo)測量鍵，全站儀開始測距并計算顯示測點的三維坐標(biāo)。 1.2.4全站儀的數(shù)據(jù)通訊全站儀的數(shù)據(jù)通訊是指全站儀與電子計算機(jī)之間進(jìn)行的雙向數(shù)據(jù)交換。全站儀與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊的方式主要有兩種，一種是利用全站儀配置的PCMCIA卡進(jìn)行數(shù)字通訊，特點是通用性強(qiáng)，各種電子產(chǎn)品間均可互換使用；另一種是利用全站儀的通訊接口，通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 1.3全站儀的檢驗1.3.1全站儀整平以及氣泡校正正確調(diào)平儀器的方法： (1）架設(shè)：將儀器架設(shè)到穩(wěn)固的三腳架上，旋緊中心螺旋。（2）粗平：看圓氣泡（精度相對較低，一般為1分），分別旋轉(zhuǎn)儀器的3個腳螺旋將儀器大致整平。(3）精平：使儀器照準(zhǔn)部上的管狀水準(zhǔn)器（或者稱長氣泡管）平行于任意一對腳螺旋，旋轉(zhuǎn)兩腳螺旋使氣泡居中；然后，將照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)90，旋轉(zhuǎn)另外一個腳螺旋使長氣泡管氣泡居中。 (4）檢驗：將儀器照準(zhǔn)部再旋轉(zhuǎn)90，若長氣泡管氣泡仍居中，表示已經(jīng)整平；若有偏差，請重復(fù)步驟（3）。正常情況下重復(fù)12次就會好了。 氣泡是否有問題的檢驗： (1）架設(shè)：將儀器架設(shè)到穩(wěn)固的三腳架上，旋緊中心螺旋。 (2）粗平：看圓氣泡（精度相對較低，一般為1分），分別旋轉(zhuǎn)儀器的3個腳螺旋將儀器大致整平。 (3）精平同時進(jìn)行檢驗：使儀器照準(zhǔn)部上的管狀水準(zhǔn)器平行于任意一對腳螺旋，旋轉(zhuǎn)兩腳螺旋使氣泡居中；然后將照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)180，此時若氣泡仍然居中，則管狀水準(zhǔn)器軸垂直于豎軸。如氣泡不居中，就需要校正。 校正方法： （1）按照檢驗的步驟進(jìn)行到第（3）步，確定偏差量即氣泡偏離中間的差量。 （2）用改針調(diào)整長氣泡管的校正螺釘，使氣泡返回偏差量的1/4。若前面的差量無法精確知道，這里可大概改正；然后重復(fù)檢驗步驟的第（3）步驟。 （3）重復(fù)前面步驟，一般重復(fù)12次即可調(diào)好。調(diào)好后，再按照整平步驟進(jìn)行儀器整平。 1.3.2垂直度盤安裝過程中的誤差分析及其校正垂直度盤由主光柵、指示光柵、指示光柵座、軸和軸套組成，在垂直度盤安裝過程中會產(chǎn)生豎盤指標(biāo)差和水平軸傾斜誤差。豎盤指標(biāo)差是由于固定指示光柵安裝不正確引起的，是指當(dāng)視準(zhǔn)軸水平時，垂直度盤讀數(shù)不為90度。校正分為兩種：一種是機(jī)械校正，一種是通過軟件校正。機(jī)械校正，松開指示光柵座與支架連接的4個螺釘，旋轉(zhuǎn)調(diào)整指示光柵座，再次進(jìn)行盤左盤右測量計算指標(biāo)差，直到滿足需要為止。軟件校正：啟動儀器的指標(biāo)差校正程序，按顯示屏提示，盤左、盤右照準(zhǔn)平行光管，提取指標(biāo)差差值并存儲，經(jīng)上述校正后，儀器顯示的角度為校正指標(biāo)差后的值，即指標(biāo)處于正確安裝位置時的值。水平軸傾斜誤差是由于支撐水平軸二支架的高度不等高造成的，當(dāng)水平軸傾斜誤差過大時，可通過調(diào)整垂直度盤上的指示光柵座同支架的相對位置來校正，也可根據(jù)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。1.3.3檢驗（1）照準(zhǔn)部水準(zhǔn)軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗和校正。檢驗時先將儀器大致整平，轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部使其水準(zhǔn)管與任意兩個腳螺旋的連線平行，調(diào)整腳螺旋使氣泡居中，然后將照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)180度，若氣泡仍然居中則說明條件滿足，否則應(yīng)進(jìn)行校正。 （2）十字絲豎絲應(yīng)垂直于橫軸的檢驗和校正。 檢驗時用十字絲豎絲瞄準(zhǔn)一清晰小點，使望遠(yuǎn)鏡繞橫軸上下轉(zhuǎn)動，如果小點始終在豎絲上移動則條件滿足，否則需要進(jìn)行校正。 （3）視準(zhǔn)軸應(yīng)垂直于橫軸的檢驗和校正。選擇一水平位置的目標(biāo)，盤左盤右觀測之，取它們的讀數(shù)（顧及常數(shù)180度）即得兩倍的c（）。 （4）橫軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗和校正。選擇較高墻壁近處安置儀器。以盤左位置瞄準(zhǔn)墻壁高處一點p（仰角最好大于30度），放平望遠(yuǎn)鏡在墻上定出一點。倒轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，盤右再瞄準(zhǔn)p點，又放平望遠(yuǎn)鏡在墻上定出另一點。如果與重合，則條件滿足，否則需要校正。第二章 全站儀三角高程測量的原理2.1三角高程測量定義三角高程測量（trigonometric leveling），通過觀測兩點間的水平距離和天頂距（或高度角）求定兩點間高差的方法。它觀測方法簡單，不受地形條件限制，是測定大地控制點高程的基本方法2。2.2三角高程測量基本原理隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，測量設(shè)備也不斷換代更新。全站儀現(xiàn)已普遍用于控制測量、地形測量及工程測量中，并以其簡捷的測量手段，高速的電腦計算和精確的邊長測量，被廣大測繪人員所鐘愛。圖2.1三角高程測量原理圖三角高程測量的基本原理如圖2.1，A、B為地面上兩點，自A點觀測B點的豎直角為，S為兩點間水平距離，i為A點儀器高，i為B點覘標(biāo)高，則A、B兩點間高差為，上式是假設(shè)地球表面為一平面，觀測視線為直線條件推導(dǎo)出來的。在大地測量中，因邊長較長，必須顧及地球彎曲差和大氣垂直折光的影響。為了提高三角高程測量的精度，通常采取對向觀測豎直角，推求兩點間高差，以減弱大氣垂直折光的影響。2.3全站儀三角高程測量的技術(shù)指標(biāo)隨著全站儀在工程測量中的廣泛使用，全站儀三角高程測量也得到廣泛的應(yīng)用。新頒布的工程測量規(guī)范對其主要技術(shù)要求作了具體規(guī)定，見下表2.13.。表2.1全站儀三角高程測量的技術(shù)指標(biāo)等級儀器測回數(shù)指標(biāo)差較差()豎直角較差()對向觀測高差較差(mm)附合或環(huán)形閉合差（mm）三絲法中絲法四等3五等12傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測量在坡度較大的地區(qū)難以實施，由于測站太多，精度很難保證。利用三角高程測量時，由于大氣折光誤差、垂直角觀測誤差以及丈量儀器儀器高和目標(biāo)高的誤差影像，精度很難有顯著的提高。理論和實踐表明，當(dāng)距離小于400m時，大氣折光的影像不是主要的。因此只要采取一定的觀測措施，達(dá)到毫米級的精度是可能的。第三章 全站儀三角高程測量方法3.1三角高程測量的傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)的測量方法是水準(zhǔn)測量、三角高程測量。兩種方法雖然各有特色，但都存在著不足。水準(zhǔn)測量是一種直接測高法，測定高差的精度是較高的，但水準(zhǔn)測量受地形起伏的限制，外業(yè)工作量大，施測速度較慢。三角高程測量是一種間接測高法，它不受地形起伏的限制，且施測速度較快。在大比例地形圖測繪、線型工程、管網(wǎng)工程等工程測量中廣泛應(yīng)用。但精度較低，且每次測量都得量取儀器高，棱鏡高。麻煩而且增加了誤差來源4。經(jīng)過長期摸索，總結(jié)出一種新的方法進(jìn)行三角高程測量。這種方法既結(jié)合了水準(zhǔn)測量的任一置站的特點，又減少了三角高程的誤差來源，同時每次測量時還不必量取儀器高、棱鏡高。使三角高程測量精度進(jìn)一步提高，施測速度更快。如圖3.1所示，設(shè)A，B為地面上高度不同的兩點。已知A點高程，只要知道A點對B點的高差即可由得到B點的高程H。此主題相關(guān)圖片如下：圖3.1三角高程測量示意圖圖中：D為A、B兩點間的水平距離，為在A點觀測B點時的垂直角，i為測站點的儀器高，t為棱鏡高，H為A點高程，H為B點高程。V為全站儀望遠(yuǎn)鏡和棱鏡之間的高差（）。首先我們假設(shè)A，B兩點相距不太遠(yuǎn)，可以將水準(zhǔn)面看成水準(zhǔn)面，也不考慮大氣折光的影響。為了確定高差H，可在A點架設(shè)全站儀，在B點豎立跟蹤桿，觀測垂直角，并直接量取儀器高i和棱鏡高t，若A，B兩點間的水平距離為D，則。故。這就是三角高程測量的基本公式，但它是以水平面為基準(zhǔn)面和視線成直線為前提的。因此，只有當(dāng)A，B兩點間的距離很短時，才比較準(zhǔn)確。當(dāng)A，B兩點距離較遠(yuǎn)時，就必須考慮地球彎曲和大氣折光的影響了。這里不敘述如何進(jìn)行球差和氣差的改正，只就三角高程測量方法的一般原理進(jìn)行闡述。我們從傳統(tǒng)的三角高程測量方法中我們可以看出，它具備以下兩個特點：（1）全站儀必須架設(shè)在已知高程點上。（2）要測出待測點的高程，必須量取儀器高和棱鏡高。3.2單向精密三角高程測量方法圖3.2三角高程測量傳統(tǒng)三角高程測量是以水平面為基準(zhǔn)面和照準(zhǔn)光線沿直線傳播為前提的。因此，只有當(dāng)A，B兩點相距較遠(yuǎn)時，則必須考慮地球彎曲和大氣折光的影響。通常把地球彎曲和大氣折光對高差的影響分別叫做“球差”和“氣差”，簡稱兩差。兩差的綜合改正叫“兩差改正”?？紤]“兩差改正”的單向三角高程測量公式為： (式3.1)式中：D光電測距儀顯示的水平距離；為豎直角度；i為儀器高；v為覘標(biāo)高；k為大氣折光系數(shù)；R為地球半徑(6371Km)。3.3全站儀對邊測量三角高程測量法全站儀“對邊測量”三角高程測量法，即利用全站儀自身自帶“對邊測量”功能，即在不搬動儀器的情況下，直接測量多個目標(biāo)點與某一起始點間的斜距、平距和高差。以索佳510型全站儀為例，S為斜距，H為平距，V為目標(biāo)點與起始點間的高差，如圖3.3所示，操作如下。圖3.3對邊測量圖3.4屏幕顯示(1)照準(zhǔn)起始點，在測量模式菜單下按測量開始測量，待顯示出測量值后按停停止測量，或在對邊功能鍵下按觀測。(2)照準(zhǔn)目標(biāo)點，在對邊功能鍵下按對邊對目標(biāo)點進(jìn)行測量。(3)照準(zhǔn)下一目標(biāo)點并按對邊對目標(biāo)點進(jìn)行測量。用同樣的方法測量各目標(biāo)點與起始點間的斜距、平距和高差。按S可顯示出目標(biāo)點與起始點間的坡度。照準(zhǔn)起始點后按觀測可對起始點重新進(jìn)行測量。最后測量的目標(biāo)點可被設(shè)置為后面測量的起始點。在對某一目標(biāo)點測量結(jié)束后按起點再按YES。該目標(biāo)點就成為后面測量的起始點。此時屏幕顯示測站點至當(dāng)前瞄準(zhǔn)點間的距離等信息。因不考慮本身儀器高，故具體公式為： （式3.2）3.4全站儀水準(zhǔn)法三角高程測量根據(jù)上述公式，若每次在兩相鄰水準(zhǔn)點上放置的覘標(biāo)高相等，即，上式則可表示為： （式3.3）此情況可不量取儀器高和覘標(biāo)高，消除了覘標(biāo)高量取誤差，加快了施測的速度。即在實際施工過程中，把全站儀當(dāng)作用來轉(zhuǎn)遞高差的“特殊水準(zhǔn)儀”使用。3.5對向觀測法K值隨氣溫、氣壓、濕度和空氣密度等的不同而變化，并隨地區(qū)、季節(jié)、氣候、地形條件、地面植被和地面高度等的不同而變化。為了更好的消除地球彎曲和大氣折光的影響，常采用對向觀測的方法，即分別在需求高差的兩水準(zhǔn)點進(jìn)行相向觀測平距、豎直角，并分別量取儀器高、覘標(biāo)高。在對向觀測法中，一般將大氣折光作為常數(shù)考慮；或者雖然把大氣折光系數(shù)作為變量，卻沒有考慮不同方向折光系數(shù)差異性。為了測定A、B點之間的高差h，在A點架設(shè)全站儀，在B點架設(shè)棱鏡。設(shè)S是A、B兩點之間的傾斜距離，為全站儀照準(zhǔn)棱鏡中心的豎直角，i為儀器高，v為棱鏡高，k為大氣折光系數(shù)，R為地球曲率半徑，則A、B兩點之間單向觀測高差為:h=Ssin+S+i-v (式3.4)同理，由B點向A點進(jìn)行對向觀測，假設(shè)兩次觀測是在相同的氣象條件下進(jìn)行的，則取雙向觀測的平均值可以抵消其球曲率和大氣折光的影響，并得到A、B兩點對向觀測平均高差為：=S-S+(i-v)-(i-v) (式3.5)根據(jù)誤差傳播定律，得到(式3.5)計算高差中誤差為： (式3.6)設(shè)m=m- m；m=m=m；m=m=m=m=m；S = S =S ，|=| =，則（式3.6）可化簡為： (式3.7)如果取測角標(biāo)準(zhǔn)差，測距標(biāo)準(zhǔn)差mm，儀器高和棱鏡高量取中誤差mm，則對應(yīng)不同的豎直角和傾斜距離S，對向觀測高差的中誤差見表3.1所示。表3.1 對向觀測高差中誤差（單位mm）豎直角（）對向觀測距離（m）5015025035045055065085095051.01.01.11.11.21.31.41.71.8151.11.11.21.21.31.41.51.81.9251.21.21.31.41.51.61.71.92.0351.31.41.51.51.61.81.92.12.2451.51.51.61.71.81.92.12.32.4551.61.71.81.92.02.12.22.52.6從實驗數(shù)據(jù)分析可看出:對向觀測高差中誤差隨著豎直角及視線斜距的增大而增大。對于短測距邊長，儀器高和棱鏡高量測誤差是全站儀三角高程的主要誤差。若取二倍中誤差作為三角高程極限誤差，則對于測角中誤差為全站儀，對向觀測法在測距邊長大于100 m情況下，其三角高程精度可以滿足三等水準(zhǔn)限差要求。3.6中間觀測法不同方向的大氣折光系數(shù)是有差異的，因而簡單地進(jìn)行對向觀測加以抵消與實際的情況有出入。為了提高三角高程觀測精度，可采用中間觀測法，即將全站儀置于A和B兩點大致中間位置處，設(shè)S、S 分別為測站與測點A和B之間的傾斜距離；、分別為測站與測點A和B之間的水平距離；、為全站儀照準(zhǔn)棱鏡中心的豎直角；i 為儀器高；、 為棱鏡高；R為地球曲率半徑。以折光系數(shù)為方向變量，取2個不同方向的大氣折光系數(shù)分別為，則測點A和B之間的觀測法高差為： (式3.8)由于，則上式化簡為： (式3.9)同理，設(shè)；，則有誤差傳播定律，可推導(dǎo)出中間法觀測高差的中誤差為： (式3.10)如果取測角標(biāo)準(zhǔn)差，測距標(biāo)準(zhǔn)差mm，儀器高和棱鏡高量取中誤差mm，大氣折光系數(shù)，大氣折光系數(shù)中誤差，通過實驗發(fā)現(xiàn)，在中間觀測法中，不同的平距，對最終高差觀測精度影響較小，因此本文假設(shè)，則對應(yīng)不同豎直角，中間法觀測高差的中誤差如表3.2所示。表3.2 中間觀測高差中誤差（單位：mm）豎直角（）觀測平距（m）200400600800100012001400160018002000001.51.71.92.32.83.54.25.16.17.210101.71.92.22.73.23.94.75.66.67.710151.71.92.22.63.13.74.45.66.27.315202.02.32.73.23.84.55.36.27.28.320202.12.42.83.33.94.75.56.47.48.6 從上述實驗數(shù)據(jù)分析可以看出中間觀測法高差中誤差隨豎直角和觀測平距的增大而增大。當(dāng)觀測平距小于600m時，高差觀測精度明顯較高；而當(dāng)觀測平距大于600m時，觀測高差中誤差發(fā)生較大的變化，即精度下降。若取二倍中誤差作為三角高程中間觀測法高差的極限誤差，在測距邊長不大于1600m時，其三角高程精度可以滿足三等水準(zhǔn)限差要求。為了對全站儀三角高程測量的精度進(jìn)行更好的分析，利用前面所推導(dǎo)的中誤差公式，對不同的測量距離，不同的豎直角進(jìn)行精度估算，并取2倍的中誤差作為極限誤差。以工程中常用的J全站儀為例，取測距標(biāo)稱精度為（）。測距按1km計算，取，儀器高與棱鏡高的量取誤差m=。通過比較可以看出對向觀測高程測量精度比中間觀測高程測量精度要好。對向觀測高程測量在距離小于1200m，豎直角小于30時，其精度能滿足四等水準(zhǔn)的精度要求。當(dāng)距離大于200m且小于600m，豎直角小于30時，對向觀測可滿足三等水準(zhǔn)測量的精度要求。第四章 全站儀三角高程測量精度分析4.1全站儀三角高程測量精度分析根據(jù)三角高程測量中誤差計算公式，可計算每測段高差中誤差及歸算為每千米路線的高差中誤差。如果垂直作業(yè)按平地、丘陵和山地的平均值，取為；垂直角觀測采用級全站儀觀測；?。贿呴L測量中誤差按全站儀測距精度計算；大氣垂直折光系數(shù)中誤差取，、均按8mm計算?？梢钥闯鰞x器高與覘標(biāo)高的量取誤差較大，影響了整個三角高程的測量精度，若加大測段邊長，可相對減小儀器高與覘標(biāo)高的量取誤差。因此，全站儀三角高程測量，測段邊長在500800米間，其高差測量精度較好，可代替精度較低的水準(zhǔn)測量。如城市工程水準(zhǔn)測量、線路水準(zhǔn)測量等。表4.1 全站儀三角高程精度表 11020三等水準(zhǔn)限差四等水準(zhǔn)限差項目m（mm）S(m)2mh2mh2mh12mm20mm502.913.483.862.684.471003.153.414.093.796.323004.995.195.736.5710.955007.427.557.928.4914.1470010.0110.0910.3110.0416.73100014.0014.0114.0512.0020.00200027.5727.4026.9216.9728.28標(biāo)稱精度通常是指儀器核心部件的設(shè)計加工精度和標(biāo)準(zhǔn)觀測精度，只有在理想的環(huán)境條件下才有可能實現(xiàn)。4.1.1大氣對光電測距精度的影響光電測距的誤差源包括真空光速誤差、頻率誤差、大氣折射率誤差、相位測量誤差、加常數(shù)測定誤差、周期誤差、測定誤差和對中誤差等。其中，大氣折射率誤差的影響最為顯著，是影響精密測距的最主要因素5。大氣折射率誤差包括計算公式本身的誤差、溫度誤差、氣壓誤差和濕度誤差，其中，溫度誤差是主要影響因素。溫度誤差包括測溫儀表本身的誤差、觀測誤差和代表性誤差，其中又以代表性誤差的影響最為嚴(yán)重。所謂溫度代表性誤差是指用測站和鏡站兩點的溫度觀測值的平均值代替整條測線的平均溫度時存在的偏差。由溫度代表性誤差所導(dǎo)致的大氣折射率誤差稱為光電測距的氣象代表性誤差，又叫折射率異常 6。4.1.2削減大氣對測距精度影響的途徑光電測距氣象代表性誤差是不能通過對向觀測的方法來抵償?shù)?。減小氣象代表性誤差的有效途徑，主要有以下幾種（1）用雙載波或多載波儀器觀測；（2） 利用熱氣球或直升飛機(jī)沿測線測量各點的氣象元素, 然后進(jìn)行改正；（3） 在最佳觀測時間作業(yè)；（4） 建立大氣模型進(jìn)行修正。4.1.3光電測距的最佳觀測時間光電測距的最佳觀測時間就是近地層氣溫梯度的逆轉(zhuǎn)時刻。在氣溫梯度逆轉(zhuǎn)時刻的前后，雖然上、下溫差不等于零，但其絕對值較小，相應(yīng)的氣象代表性誤差也較小。所以，近地層氣溫梯度逆轉(zhuǎn)時刻是光電測距的最佳時刻，以此時刻為中心的一個不太長的時間段(如0.5h)是測距的最佳作業(yè)時間 7。4.1.4根據(jù)大氣模型進(jìn)行修正選擇最佳的觀測時間進(jìn)行測距作業(yè)，雖能有效減小氣象代表性誤差，并且不會增加任何作業(yè)成本,但實際的可測時間卻大大減少了，從而會影響測量工程的進(jìn)度與效率。因此，從生產(chǎn)應(yīng)用的角度來考慮，不受時間限制的大氣模型修正法將更有價值。此類修正法多是基于近地面大氣層的垂直溫度分布模型，利用測、鏡站的溫差觀測值估算測線上其它點的溫度，再計算側(cè)線溫度的幾何平均值。4.2不同觀測方法誤差的共同點在上述介紹的兩種全站儀三角高程測量方法中，無論是對向觀測法還是中間法觀測，觀測高差中誤差均隨著豎直角和觀測距離的增大而增大。這說明在三角高程的高差測量中，應(yīng)盡量控制豎直角和觀測距離在一定范圍內(nèi)。其次，當(dāng)視線距離較小時，儀器高和棱鏡高量測誤差是全站儀三角高程的主要誤差。4.3提高全站儀三角高程測量精度的措施（1）影響高差測量精度主要是豎直角觀測誤差、測距誤差、儀器高與棱鏡高量測誤差，其中豎直角觀測誤差較之其他兩項的影響要大的多。故豎直角的測定誤差是全站儀三角高程測量的主要誤差，所以在觀測中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣哓Q直角的觀測精度。（2）若要再次提高三角高程測量精度，只有提高垂直角觀測精度，減小儀器高與覘標(biāo)高的量取誤差，才能有效地提高三角高程測量精度。（3）在平坦地區(qū)，視線離地表的高度基本一致，其上各點處的溫度大致相同，氣象代表性誤差較小，故在平坦地區(qū)進(jìn)行測距作業(yè)時既不必選擇氣溫梯度逆轉(zhuǎn)時刻，也不需按上段介紹的大氣模型進(jìn)行修正。在丘陵山區(qū)和高山地區(qū)，要想真正實現(xiàn)精密全站儀的標(biāo)稱測距精度，除了應(yīng)選擇最佳觀測時間或按大氣模型進(jìn)行氣象代表性誤差的修正之外，還需定期對儀器(包括溫度計、氣壓表) 進(jìn)行檢驗、校正，并正確地測量氣象參數(shù)。第5章 全站儀三角高程測量的應(yīng)用實例5.1工程概況十天線H-C22標(biāo)位于陜西省漢中市境內(nèi)，起迄里程：K366+400K378+550，標(biāo) 段 路線全長12.15k m，加之聯(lián)絡(luò)線，總長近15km。公路沿山腰而建，該標(biāo)段工程地形基本為橫跨河谷、斜坡，無現(xiàn)有的便道可沿線貫通，沿線隔一段距離有一個進(jìn)山便道，常規(guī)水準(zhǔn)測量需繞行線路太長，工作量極大，此時，全站儀三角高程測量不失為最佳的選擇。圖5.1工程概況圖如圖所示，欲測A、B兩點間的高差h，將儀器置于A點，儀器高為i，B點安置反射棱鏡，棱鏡高為。由圖不難寫出 ，由于A、B兩點間的距離與地球半徑之比值很小，故可認(rèn)為。在中，式中為照準(zhǔn)棱鏡中心的豎直角，S為A、B之間的斜距，c和r分別為地球曲率和大氣折光的影響：，式中R為地球半徑，為光程曲線PQ的曲率半徑，設(shè)，稱為大氣折光系數(shù)，則：。將以上各式代入，則有：，即為單向觀測計算高差基本公式。如果觀測是在相同的條件下進(jìn)行的，特別是在近似同一時間進(jìn)行對向觀測，可以認(rèn)為對向觀測可抵消地球曲率和大氣折光的影響，因而精測均應(yīng)采用對向觀測。5.2準(zhǔn)備工作人員配備：由于三角高程測量前期找樁置鏡較為費時，常為前后鏡、置鏡點各配2人，共6人。設(shè)備配備：為了保證測量精度，需使用測角，測距精度不低于（）m m以上精度的全站儀，前后視均用光學(xué)對中棱鏡。5.3現(xiàn)場測量及注意事項原則上三角高程測量與平面導(dǎo)線測量合并進(jìn)行，這樣可以節(jié)省大量工作時間及重復(fù)操作。在進(jìn)行高程測量時，應(yīng)嚴(yán)格按照測量規(guī)范進(jìn)行，對現(xiàn)場測量的每一數(shù)據(jù)均應(yīng)符合規(guī)范要求。以便保證測量成果符合要求。在測量的過程中，不僅按要求進(jìn)行為斜距、豎直角的測量，還利用全站儀特有功能，對高差進(jìn)行了直接讀取。外業(yè)測量條件適應(yīng)性選擇，進(jìn)行高程測量時，可根據(jù)季節(jié)，天氣情況選擇安排不同的時間段進(jìn)行，以求時效。5.4內(nèi)業(yè)整理計算分析根據(jù)外業(yè)測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理，以便快速確認(rèn)測量成果的成效性，及時找出需要現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)測的樁位（或測站）。在進(jìn)行數(shù)值計算時，不難發(fā)現(xiàn)利用斜距和豎直角算得的高差與儀器直接讀取的高差存在偏差。經(jīng)過已知水準(zhǔn)點間高差，發(fā)現(xiàn)儀器直接讀取的高差較為準(zhǔn)確。經(jīng)過對該工程測量數(shù)據(jù)的分析后，得出其偏差的大小與距離有關(guān)。其關(guān)系可用公式表示為：，其中為儀器直接讀取高差與豎直角算得的高差，單位是mm；S