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全站仪代替水准仪进行四等水准测量的探讨

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2021-03-08 15:11

  

     众所周知,全站仪三角高程测量可以达到四等水准测量的精度要求,然而,现行各类测量规范均规定全站仪三角高程测量代替四等水准测量时,每站必须观测 2 个以上测回,必须往返测,而且全站仪、棱镜均应安置于控制点,这些规定对确保三角高程测量达到水准高程的精度标准起到很好的控制作用,但如此作业,工作强度大,繁琐复杂,在地形复杂的地区,更是难以实行,甚至还不如直接用水准仪方便。本人在公路勘测作业实践中,摸索出了一个用全站仪代替水准仪施测四等水准导线的简单可行的方法,特以此文探讨。
1 问题提出的现实原因
       2008 年本人在四川省乐山市从事一条四级公路的勘测工作,该设计公路是一条全新的公路,线路高差起伏极大,且时而穿插成片的水田,时而需跨跃深沟,山上树木茂盛,沟边灌木丛生,采用常规水准测量,难度极大,仪器转站特别多,难以达到精度要求,且作业效率低下。面临如此复杂的测区条件,本人经过认真分析和推算,摸索了一种全站仪代替水准仪施测四等水准导线的全新方法,该方法简单,方便简捷,且精度高。下面具体从理论和实践方面对该方法进行全面的探讨。 
2 三角高程误差来源分析
        三角高程误差来源主要有: 仪高、棱镜高量测误差,竖直角、斜距测量误差,照准误差和大气折光,地球曲率引起的误差。
2. 1 仪器高、棱镜高的量测误差
        仪器高、棱镜高通常用小钢卷尺量测,一般要求丈量两次,两次互差小于 2 至 3 毫米时,取中数即可,然而,钢卷尺量测的距离只是倾斜距离,不是真正的垂直高差,用倾斜距离值代替仪器高、棱镜高肯定是有误差的。
2. 2 竖直角、斜距的测量误差
       全站仪测角,测距是存在一定误差的,由此测得的高差必然存在误差,所以,在测区开始测量作业时,应当对全站仪进行检校。使全站仪的测角、测距误差不超过测量规范所规定的误差范围。
静力水准仪
2.33 照准误差
       全站仪俯测或仰测时,照准棱镜的位置可能不一致,也会造成实际的棱镜高与钢卷尺量测的棱镜高存在差异,正确的做法是: 无论俯测还是仰测,全站仪的中线均应卡在棱镜战板左、右三角形的两个夹角连线处( 此连线也是量测棱镜高时的量测线) 。
2. 4 大气折光和地球曲率引起的误差
       在高程控制测量中,由于距离较长,必须考虑地球曲率和大气折光的影响并进行改正:
( 1) 地球曲率改正。地球曲率引起的高差误差 P按下式计算: P = D2 /2R;
( 2) 大气折光改正。大气折光引起的高差误差r 按下式计算: r = D2 /14R;
( 3) 球气差改正公式。地球曲率误差和大气折光误差合称为球气差,用 f 表示,公式为: f = P - r≈0. 43D2 /R,式中: D - 两点间水平距离( 即全站仪至棱镜的水平距离) ,单位为米; R - 地球半径,取 6371000 米。由该公式可以看出,球气差引起的误差与水平距离的平方值成正比,也就是误差随着水平距离的增大而快速的增大经计算可知: D = 200 米时,f = 3mm; D = 300 米时,f = 6mm; D = 400 米时,f = 11m; D = 500 米时,f = 17m。由上面计算结果可知,距离达到 300米时,球气差引起的误差就比较大了,最好将距离控制在 200 米以内。 
3 全站仪代替水准仪测量消除或降低高差误差的方法和效果
       分析具体有: ( 1) 可以完全消除仪器高和棱镜高量测误差。由三角高程高差计算公式: hAB = Dtg + iA - VB + f,式中: D - 两点间水平距离; - 竖直角; iA - 仪器高; VB - 棱镜高; f - 球气差改正值。前、后视测量时仪器高没变,所以仪器高误差可以抵消,前、后视用同一个棱镜杆,如果杆高不变,置镜时用棱镜杆支架固定,水准气泡居中,杆子立于坚硬的地面或石头上,这样可以保证前、后视的棱镜高相等,从而抵消棱镜高的量测误差; ( 2) 可以极大地减少球气差的误差影响。如果前、后视的水平距离控制在 200 米以内,且前、后视的距离尽量相等,那么前、后视的球气差改正值本身很小,且基本相等,所以基本可以忽略前、后视的球气差改正值的差异,也就是极大地减少了球气差的影响; ( 3) 采取适当措施,可以基本消除照准误差的影响。对有战标板的棱镜,前、后视中丝均应卡在战标板左、右三角形尖端的水平连线上,对无战标板的棱镜,则可以在棱镜镜框两侧刻划上水平线,采取措施,可以基本消除照准误差的影响; ( 4) 经常检测和调校全站仪,保证测角、测距能达到规范要求,从而降低测角、测距的误差。
4 全站仪代替水准仪测水准导线的方法和实际效果
       2008 年在四川省乐山市的公路勘测项目中,本人采用一台经过最新调校的 2 秒级徕卡全站仪,一根带有支架的棱镜杆( 水准气泡灵敏准确) ,一枚带有战标板的棱镜。施测时,棱镜均置于石头或坚硬地面上,用支架固定,使气泡严格居中,全站仪在保证前、后视距离尽量不超过 200 米且基本相等的情况下,灵活选择全站仪的架设位置,采用这种方式施测四等水准,不到两天就完成了十公里的水准导线、中间最长达3Km 的两个已知点间,高差闭合差竟不到 10mm,可见,这种方法的精度是完全能够达到四等要求的。其后的 2009 年、2010 年,在湖南其它山区采用这种方法,均能达到四等要求,且效率远高于水准仪作业。 
5 推广该方法的困惑和建议
       尽管这种方法本人认为作业方便,效率、精度高,但推广和使用存在以下种种困惑: ( 1) 虽然经过多次实践检验这种方法切实可行,但尚不能从理论上严密论证; ( 2) 现行测量规范没有这种作业方法,因此难以获得广泛认可; 但基于创新的理念和该方法在地形复杂、困难的测区独特优势,建议测绘工作者关注、改进这种作业方法,并在国家测量规范上提出这种作业方法。


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