秦 利

(潞安化工集团 黑龙关煤业有限公司，山西 临汾 041200)

矿山测量是矿山建设和矿山安全生产中不可或缺的工作，为矿产资源的合理开发、矿山的规划设计和建设、矿井安全生产和决策部署、矿山地质环境监测和治理等提供测绘地理信息数据，是矿山生产建设的“眼睛”[1]。随着现代化安全高效矿井建设的不断深入，国家对绿色开采、矿山地质环境监测和治理提出了更高要求，必须加强矿山测量工作的准确性、实效性和全面性。全站仪是测量自动化衍生的产物，是集光、机、电为一体，集经纬仪测角、钢卷尺测距、高差测量等测绘基础功能于一身的高技术测量仪器，测量方法便捷、测量精度较高，能够实现远距离、多种环境下、多方面的测量任务，为矿山建设提供可靠的测量信息数据，成为现代矿山测量最主要的测量设备[2-3]。

由于矿山测量技术要求较高，在全站仪实际应用中常会出现参数设置、仪器轴线调整、测量方式选择等问题，严重影响全站仪测量的结果和质量。

1 全站仪的基本测量原理

众所周知，测量的基本任务包括水平距离测量、水平角测量、竖直角测量、高差测量。与传统测量方法相比，全站仪可以实现一次安置仪器完成测站上全部的测量工作，使距离测量、角度测量操作简单化和便捷化，且能够在一定程度上避免读数误差的产生。这是全站仪独树一帜的强大特点，而这一特点的支撑在于仪器本身特殊的部件结构。为了做到一次瞄准实现全部基本测量要素的测定功能，且保证测定结果的准确性，全站仪望远镜实现了视准轴、测距光波发射和接收光轴的同轴化，以及全站仪双轴自动倾斜补偿，即全站仪的基本测量原理[2]。

1) 全站仪同轴化。同轴化实际是针对望远镜来说的，在全站仪望远镜与调焦透镜之间设置了分光棱镜系统，当观测者通过望远镜瞄准目标，望远镜十字丝中心与棱镜或其他目标中心重合时，我们不仅可以通过全站仪提供的可视化屏幕进行水平角度、垂直角度读数，也可以根据测距光波发射和接收光轴的同轴化原理，测定光波发射和接收时间差，间接计算全站仪望远镜中心与目标中心之间的距离，实现水平角、垂直角、距离等全部基本测量要素的测定功能。而根据全站仪自身附带的强大、便捷的数据处理功能，使全站仪应用更为便捷。

2) 双轴自动补偿。全站仪主要轴线包括视准轴、横轴、水准管轴、仪器竖轴等，而当仪器竖轴倾斜，会引起角度观测误差，且不能通过一测回盘左、盘右角度观测取中进行消除。为了提高测角精度，降低竖轴倾斜对角度测量引起的误差，全站仪安置了特有的倾斜自动补偿系统，对竖轴倾斜进行自动监测，并对因倾斜造成的角度误差进行自动补偿和改正，进而保证观测精度。

2 全站仪在矿山测量中的应用优势

矿山测量涉及范围较广，且受到外界环境影响较大，传统测量设备一次性完成某项矿山测量任务较为困难。而全站仪能够有效地借助电子信息技术、数据性技术及光学技术满足矿山测量需求，且仪器操作过程自动化、获取数据手段明确且便捷、精度较高，避免了在恶劣矿山环境下出现较大误差，保证了测量数据的可靠性[2-4]。全站仪能够成为矿山测量必不可少的仪器设备，除了上述同轴化和双轴自动补偿的优势外，还包括光电编码度盘、免棱镜和反射板距离测量、自动化测量程序设计等。

1) 光电编码度盘。相对于光学经纬仪，全站仪选择光电编码度盘代替光学栅格度盘，利用自动编码传感器设别角度代替人工光学测微读数，提高了测角稳定性，实现了角度的高精度自动记录和显示读数，简化了角度测量的操作步骤，降低了人工读数误差，且保留了传统测角精度等级选择。除此之外，全站仪开机后无需进行角度初设，关机后所获取的角度信息能够自动保存，极大地提升了全站仪的自动化水平。

2) 免棱镜和反射板测距。现代全站仪设置的激光相位测距方法，不仅极大地提升了距离测量精度和目标测量距离，还增强了仪器发射的测距信号，全站仪可以直接通过接收和识别经过目标后漫发射激光信号，无需在目标点设置全反射棱镜，实现距离测量。以徕卡TS06全站仪来讲：全反射棱镜距离测程为3 500 m，标准测量精度1.5 mm + 2×10-6D;反射片距离测程250 m，标准测量精度1.5 mm+2×10-6D；免棱镜距离测程>1 000 m，2 mm+2×10-6D；激光反射率可达到90%.免棱镜距离测量在矿山测量中得到了广泛应用，例如在井下中腰线标定过程中，测量导线点距离巷道窝头距离，由于导线点与窝头之间常出现采掘设备影响、窝头淤煤或积水、窝头顶板不稳定等情况，全反射棱镜测距存在的安全隐患较大，直接采用免棱镜测距，极大地提升了测距效率和作业安全性。

3 常见的全站仪应用问题及解决方法

矿山测量受测量环境、安全因素、工作强度、涉及范围等的影响，测量难度、测量的复杂程度等与传统测量相比较大。由于全站仪集成度和自动化水平高，在实际矿山测量中，常常出现一些问题，在一定程度上限制了全站仪在矿山测量中的应用效果，降低了测量效率，测量结果精度不能保证，甚至出现测量错误，影响了矿山的安全生产运行。

3.1 测量距离不准确

测量距离不准确主要表现在棱镜常数设置、棱镜位置、测量信号遮挡等方面。

1) 棱镜常数设置。全站仪利用全反射棱镜进行距离测量，望远镜照准棱镜中心，全站仪通过发射激光信号，并接收通过棱镜反射的信号，基于信号发射和反射时间差进行距离计算。棱镜为玻璃材质，与空气相比，两者对信号的折射率不同，激光信号通过棱镜的传播速度比在空气中传播速度慢，全站仪测量到反射棱镜的距离比实际距离要长，这一差值称为棱镜常数。不同类型的棱镜，棱镜常数也不同(一般棱镜厂家会在说明书上注明棱镜常数)，常用的有-30 mm、-40 mm、0等几种。如果在全站仪利用全反射棱镜测距前，未在仪器中进行棱镜常数设置，测量距离与实际测量距离就会存在一个常数差，属于距离测量系统误差，严重影响测量精度。尤其在大型巷道中腰线标定和贯通测量过程中，往往有多个设站，多个设站常数差累计会产生技术误差，对测距结果造成严重的影响。

2) 棱镜位置。在井下巷道中腰线标定过程中，导线点一般固定于稳定巷道顶板，设站测量采用瞄线绳的方法，距离测量与地面测量不同，一般不采用三脚架架设棱镜对中整平的方法，而是采用人工手持棱镜测距方法。而为了测距方便，棱镜紧贴垂线绳前进方向或者反方向放置。而全站仪发射的激光信号是到达棱镜中心后发生反射，所以测量的是望远镜中心与棱镜中心之间的距离，棱镜中心是指镜头内部十字中心，所以棱镜中心与棱镜表面存在一定的距离。棱镜放置垂线绳前后都会造成距离测量误差，且人工放置棱镜抖动性较大，同样影响测距精度。所以，正确放置棱镜位置，应当将棱镜上部中心对准线绳锤球底部，且利用现场物体进行辅助支撑。

3) 测量信号遮挡。激光信号往返时间差是计算距离的关键，在井下恶劣环境中，全站仪信号本身较弱，且空气中遮挡信号和反射之物较多，造成测距信号弱，无法正常测距或者距离测量结果明显错误。此外，全站仪激光接收信号在完全正确瞄准棱镜中心的情况下达到最大，测距信号弱有可能是因为望远镜中心没有正确瞄准棱镜中心，在此情况下，即使能够测量距离，测出的距离也与实际距离存在较大的误差。

3.2 全站仪轴线结构问题

全站仪的主要轴线包括水准管轴、视准轴、横轴、竖轴等，当仪器对中整平后，理论上全站仪应当满足水准管轴垂直于竖轴、视准轴垂直于横轴、横轴垂直于竖轴、竖盘指标处于正确位置等基本几何关系。而由于全站仪出厂稳定性较差，气温变化引起仪器部件胀缩，工作环境对仪器干扰影响，长期遭受震动、搬运等影响，造成全站仪各轴线关系发生变化，使测量结果产生误差，主要包括视准轴误差(2C互差)、水平轴倾斜误差和竖轴倾斜误差(指标差)。在误差较小的情况下，可以通过全站仪具备的双轴倾斜补偿对轴线关系变化产生的误差进行补偿，消除误差影响。而当轴线误差较大，就会影响测量结果，主要体现在对角度测量的影响。所以，井下经纬仪导线测量，必须满足一定的观测限差规定，例如选用DJ2级别仪器，同一测回半测回互差小于±20″、两测回互差小于±12″、竖盘指标差小于±15″，如果重复测量，仪器的归零差、2C差、测回互差等不能满足精度要求，则应当停止作业，对全站仪自身轴线进行检验和校正。

4 结 语

全站仪因其具备同轴化、双轴倾斜补偿、光电编码度盘、高精度测距方式、以及涵盖的多样化自动测量系统等独特优势，在矿山测量中得到广泛应用。然而，由于矿山测量工作条件限制以及全站仪集成自动化的特点，为了避免在测量作业过程中出现问题，应当严格按照相关规程规定，加强对全站仪的日常检测和校正，持续提升仪器操作水平和解决问题的能力。