全站仪在三角高程测量中新运用

　　【摘要】：使用跟踪杆配合全站仪测量高程的方法越来越普及，使用传统的三角高程测量方法已经显示出了他的局限性。经过长期摸索，总结出一种新的方法进行三角高程测量。这种方法既结合了水准测量的任一置站的特点，又减少了三角高程的误差来源，同时每次测量时还不必量取仪器高、棱镜高。使三角高程测量精度进一步提高，施测速度更快。
　　【关键词】：全站仪，三角高程，测量，新运用
　　在工程的施工过程中，常常涉及到高程测量。传统的测量方法是水准测量、三角高程测量。两种方法虽然各有特色，但都存在着不足。水准测量是一种直接测高法，测定高差的精度是较高的，但几何水准测量受地形起伏的限制，外业工作量大，施测速度较慢。三角高程测量是一种间接测高法，它不受地形起伏的限制，且施测速度较快。在大比例地形图测绘、线型工程、管网工程等工程测量中广泛应用。但精度较低，且每次测量都得量取仪器高，棱镜高。麻烦而且增加了误差来源。
　　随着全站仪的广泛使用，使用跟踪杆配合全站仪测量高程的方法越来越普及，使用传统的三角高程测量方法已经显示出了他的局限性。经过长期摸索，总结出一种新的方法进行三角高程测量。这种方法既结合了水准测量的任一置站的特点，又减少了三角高程的误差来源，同时每次测量时还不必量取仪器高、棱镜高。使三角高程测量精度进一步提高，施测速度更快。
　　一、 全站仪的结构及功能：
　　全站型电子速测仪简称全站仪，它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置，仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。
　　全站仪上半部分包含有测量的四大光电系统，即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。
　　微处理机（CPU）是全站仪的核心部件，主要有寄存器系列（缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器）、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置（接口），输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。
　　电磁波测距按载波来分，采用微波段的电磁波作为载波的称为微波测距仪；采用光波作为载波的称为光电测距仪。光电测距仪所使用的光源有激光光源和红外光源(普通光源已淘汰)，采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪。
　　欲测定A、B两点间的距离D，安置仪器于A点，安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B，经反射镜反射后又返回到仪器。设光速c为已知，如果光束在待测距离D上往返传播的时间t已知，则距离D可由下式求出
　　D=1/2tc（1）
　　式中c＝c。／n，c。为真空中的光速值，其值为299792458m／s,n为大气折射率，它与测距仪所用光源的波长，测线上的气温t,气压P和湿度e有关。测距前须将棱镜常数输入仪器中，仪器会自动对所测距离进行改正。光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化，15℃和760mmHg是仪器设置的一个标准值，此时的大气改正为0ppm。实测时，可输入温度和气压值，全站仪会自动计算大气改正值（也可直接输入大气改正值），并对测距结果进行改正。
　　二、 三角高程测量的传统方法
　　如图一所示，设A，B为地面上高度不同的两点。已知A点高程HA，只要知道A点对B点的高差hAB即可由HB=HA+hAB得到B点的高程HB。
　　
　　图一
　　图中：D为A、B两点间的水平距离
　　а为在A点观测B点时的垂直角
　　i为测站点的仪器高，t为棱镜高
　　HA为A点高程，HB为B点高程。
　　V为全站仪望远镜和棱镜之间的高差V=DtanαAB
　　首先我们假设A，B两点相距不太远，可以将水准面看成水准面，也不考虑大气折光的影响。为了确定高差hAB，可在A点架设全站仪，在B点架设棱镜，观测垂直角αAB，并直接量取仪器高i和棱镜高t，若A，B两点间的水平距离为D，则hAB=V+i-t
　　故HB=HA+DtanαAB+i-t（2）
　　这就是三角高程测量的基本公式，但它是以水平面为基准面和视线成直线为前提的。因此，只有当A，B两点间的距离很短时，才比较准确。当A，B两点距离较远时，就必须考虑地球弯曲和大气折光的影响了。其改正的公式为D²/2R，D为观测平距，R为地球曲率半径。这里不论述公式的推理过程，只就三角高程测量新法的一般原理进行阐述。我们从传统的三角高程测量方法中我们可以看出，它具备以下两个特点：
　　1、全站仪必须架设在已知高程点上
　　2、要测出待测点的高程，必须量取仪器高和棱镜高。
　　三、三角高程测量的新方法
　　如果我们能将全站仪象水准仪一样任意置点，而不是将它置在已知高程点上，同时又在不量取仪器高和棱镜高的情况下，利用三角高程测量原理测出待测点的高程，那么施测的速度将更快。如图二，假设A点的高程已知，B点的高程为未知，这里要通过全站仪测定待测点高程。
　　
　　图二
　　先将AB两点分为两段即AC段和CB段，假设全站仪架设在AC两点的中间位置N1,具有固定高度的跟踪杆配棱镜放在A点，另一棱镜以不低于1.5米的任意高度放在C点。则:
　　hAC=hAN1+hN1C（3）
　　由（3）式可知:
　　hAC=-(DN1AtanαN1A+iN1-tA)+(DN1CtanαN1C+iN1-tC)
　　hAC=-DN1AtanαN1A+tA+DN1CtanαN1C-tC（4）
　　再将仪器移到CB两点间，保持C点棱镜不动镜高不变，且将固定高度的跟踪杆摆放在B点，按上一步的操作可得下式:[!--empirenews.page--]
　　hCB=-DN2CtanαN2C+tC+DN2BtanαN2B-tA（5）
　　由（4）（5）式可得:
　　hAB=-DN1AtanαN1A+DN1CtanαN1C-DN2CtanαN2C+DN2BtanαN2B（6）
　　运用此法还要特别注意以下几点：
　　1） 待测点和已知点间必须设偶数站；
　　2） 待测点和已知点两点所摆设的棱镜高度应相同；
　　3） 前后视视距比不得超过1/3且其差值不得超过100米；
　　4） 四等以上水准测量视线离地面不小于1.5米，且垂直角观测四测回以上；
　　5） 前后视距长度超过100米应进行地球弯曲和大气折光的改正。
　　四、三角高程测量新方法的应用：
　　2009年4月运用该方法进行了京台高速公路四等水准的观测，其中复测了福州绕城高速的控制点RC17、RC18、RC19等。这几点为四等几何水准点，原成果高差分别为RC17-RC18：+0.515；RC18-RC19：+0.328。经三角高程观测结果显示RC17-RC18：+0.505；RC18-RC19：+0.3321，其差值均小于1cm且水准网平差后的各项精度符合四等规范要求，观测成果可以做为四等水准成果使用。观测数据如表一：

　　注：表中R为地球曲率半径取6364000
　　表一
　　五、小结
　　综上所述：将全站仪任一置点，同时不量取仪器高，棱镜高，仍然可以测出待测点的高程。测出的结果从理论上分析比传统的三角高程测量精度更高，因为它减少了误差来源。整个过程不必用钢尺量取仪器高，棱镜高，也就减少了这方面造成的误差。同时需要指出的是，在实际测量中，棱镜高还可以根据实际情况改变，只要记录下相对于初值t增大或减小的数值，就可在测量的基础上计算出待测点的实际高程。
　　参考文献：
　　［1］ 李青岳陈永奇工程测量学北京：测绘出版社，1995
　　［2］ 孔祥元梅是义控制测量学武汉：武汉大学出版社，2002
　　［3］ 孔祥元郭际明刘宗全大地测量学基础武汉：武汉大学出版社，2001.
　　［4］ 《国家三、四等水准测量规范》（GB/T12898-2009）
　　［5］ 《城市测量规范》（CJJ8-99）

《全站仪在三角高程测量中新运用》

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