无棱镜全站仪在应用中的问题探讨

2017-09-06鲁勇奇冯振贵李法鑫

海峡科技与产业 2017年7期

鲁勇奇+冯振贵+李法鑫

摘要：无棱镜全站仪是采用激光束发射与反射接收原理而工作的测距仪与经纬仪相结合的仪器，有不用架设棱镜可直接测距的优点。在实地测量过程中，使用此全站仪可以极大地减少测量作业强度，提高工作效率。但其使用是有条件的，本文针对无棱镜全站仪在应用中的相关问题进行了探讨，提出了正确使用该全站仪需要注意的重点事项。

关键词：无棱镜全站仪；测距里程；测距精度

0 前言

无棱镜全站仪是采用激光束发射与反射接收原理而工作的测距仪与经纬仪相结合的仪器，，其最大的优势就在于实现了“所瞄即所测”，不需要接触被测点，就可获得被测点的水平角、垂直角和距离3个维度的信息。角度测量与普通全站仪相同，本文主要探讨其在无棱镜测距方面的相关问题。无棱镜测距在测量应用中要有以下两个优点：

（1）不用架设棱镜等合作目标，省去了作业员爬高上低的奔波之苦，减轻了作业强度；在断崖、断面、较宽河流、人口流动频繁区域、有辐射、危险等区域不易或不能架设棱镜的区域，优势更为明显，能大大降低危险性和作业强度。

（2）对被测点只需能被测量光束照准，不需要架设平台、粘贴介质等与被测点有实体接触的工序，能避免被测点产生形变，提高测量结果的精度，对一些重要的比如文物之类的建筑起到了一定的保护作用。

虽然无棱镜全站仪有以上优点，但在应用中仍然要受到仪器本身性能和测量环境等影响因素的制约，同等条件下，其制约程度比普通全站仪更为苛刻，只有考虑了这些影响因素，才能保证测量精度，得到合格的测量结果。

1 无棱镜全站仪使用的影响因素

1.1 观测距离

观测距离是无棱镜全站仪使用中需要考虑的首要因素，关注点有以下两个方面：

（1）仪器标称的观测距离。无棱镜全站仪往往有其标称的观测距离，如早期的徕卡TCR系列，标称无棱镜测程为80m，精度为3mm；近期的徕卡TS50系列，标称无棱镜测程为1000m，精度为2mm+2ppm.在测量作业中，观测距离往往达不到标称值，因为标称值是有条件约束的，而实际测量的条件，特别是野外作业条件往往會差一些，因此在使用中，一定要根据具体条件留有裕度，不能满打满算。

（2）观测距离与精度的关系。我们用徕卡TCRA所做实验，当其它条件相同时，在无棱镜全站仪的实际测程内改变观测距离进行多次测量，测量数据的内符合精度就是观测值的离散程度大小，但是观测数据的均方误差反映不了观测值的精度高低。从试验发现，该精度随着距离的增加而降低。

1.2 反射面粗糙程度

物体反射面粗糙程度在此主要指其表面的，分别对几种常见的不同材质的物体进行多次观测，

我们分别通过对红砖墙面、水泥墙面、白纸面、不锈钢平面进行测试，同等条件下精度相当。说明当外界条件良好的情况下，只要物体表面有足够的反射能力并且反射的信号稳定，材质表面粗糙程对测距精度的影响并不大。

在实际测量作业中，对同一距离的目标进行测量时，会存在粗糙表面测不出结果，而较光滑的表面能得到观测值的情况。这是因为粗糙表面漫反射大，返回的信号弱，会使测程变短。

1.3 反射面颜色

反射面颜色是对无棱镜测量影响较大的一个因素，选用黑色、深红色、黄色、蓝色、深绿色、白色、橙色、紫色等8种材质相同而颜色不同的硬纸板进行测距精度测试。我们通过有棱镜10次测距平均值作为距离测试的基准（外符合基准），然后在同一位置分别对不同颜色的纸进行10次测距取平均值。结果显示除黑色纸板的内、外符合精度比较低，其余颜色纸板测距测试的内、外符合精度基本相当。从而得出：除黑色外，反射面的颜色对测距精度的影响不大；但是颜色越浅反射面的反射信号的能力越强测距精度越高。

1.4 反射面透明度

无棱镜测距的实现借助的是激光，而光在不同的介质中会发生变化，对测距结果产生影响。为了解物体透明度对测距结果的影响，首先我们把将一块不锈钢平面放置在固定位置，进行10次测距求出平均值作为参考基准。再将5个透明度不同的物体逐次放置在不锈钢平面前10cm处，也同样进行10次测距取平均值，结果显示：不完全透明的物体所测得的距离小，这是因为激光束没有完全穿透，激光束分别从不完全透明物体和不锈钢平面两个反射面反射，所得距离是它们分别与仪器之间距离的一个加权平均值。

而测得玻璃穿透性好，光束在穿透玻璃时其速度也发生变化（V=2×108m/s），这就造成光束在玻璃当中的传播时间延长，所以得到测量的距离比实际距离长的现象。

1.5 入射角

当激光束与目标反射面成一定夹角时，返回的信号会有损失，我们把入射光线垂直于目标平板定为0°保持一定距离围着平板中心顺时针转每5°进行一次测试。将棱镜10次测量值的平均值作为比较测量距离的基准，结果表明，无棱镜全站仪的内符合精度相对稳定，而外符合精度随着入射角度的增加而降低。当入射角为0°时，测得精度最高。当入射角增大时，返回的信号强度有损失，测量精度受到一定的影响。在入射角大于35°以后，测距精度明显下降；当入射角在65°左右时，反射回来的信号强度非常微弱，仪器的测量时间也很长，测距精度很差；入射角大于75°以后，仪器就不能正常测距。由上可得，激光入射角度是影响测量结果的一种因素，所以在测量中我们一定要选定好测量的最佳位置。

1.6 边缘点

在实际测量过程中经常需要对一些地貌物的顶点或拐角进行测量，因此无反射棱镜测距的精度也与激光束在所测物体表面形成的光斑大小有一定的关系，实际的测量部位距离与照准点的距离并不一样，如当十字丝照准外墙角时，由于光斑有大小，造成至少一半激光束落在旁边的其他反射物体上，会出现如图1所示的情况，需要测量的是距离D，实际测量的是等效距离L，使测量值变大。因此，在测量中我们应选择好测量位置把激光束全部落在边缘点所在的平面上避免激光束被分散而造成测量误差从而精度降低。

2 总结

由上文的分析可知，要在测量应用中正确使用无棱镜全站仪，保障测量精度，提高测量效率，需重点关注以下几个方面：

（1）要根据具体的测量条件和精度需求来决定是否使用无棱镜全站仪，仪器标称值只能当做参考，不可作为最终判定依据。

（2）反射物体表面光滑程度对无棱镜测量精度的影响不明显，但是反射面粗糙会产生漫反射，信号会减弱会使测程变短。最佳的类似于刷过的水泥面（粗糙度1～2mm）。

（3）反射物体的表面颜色的深浅也是影响无棱镜测距的因素，颜色越浅测量精度越高。测量目标表面的理想状态是颜色为白色。

（4）在测量中遇到透明物体时，是不能得到真实有效的距离值，其测量误差的大小随着被测物体的透明程度和背后物体的距离大小而变化的。在测量过程中，要绕过透明之类的物体如玻璃。

（5）入射角度的大小会直接影响测量的结果，在测量过程中使入射光线垂直目标面有困难时，应尽量保证激光入射角不大于35°。当入射光线与目标面呈直角时观测精度最高。

（6）在测边缘点时，应该选择好的入射角度要让激光束全部在边缘点所在的平面上，进而避免因物体产生反射而降低了测量的精度。

参考文献

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