南方360R全站仪免棱镜测量精度分析资料Word文件下载.docx
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摘要
随着科学技术的发展,免棱镜模式的技术还在进一步的更新与完善当中,但免棱镜这项技术已在测量中得到广泛地应用。
本论文主要介绍了全站仪免棱镜在数字地形图测绘中的应用,探讨与研究了全站仪免棱镜在数字地形测量的精度分析,包括测程的测定、碎部测量、激光穿透狭缝实验、边角精度实验以及距离对免棱镜测量的影响等,对全站仪免棱镜测距功能在悬高测量、建筑物高度测量、塔形建筑物倾斜测量中的应用进行了分析,通过以上对全站仪免棱镜测距功能的操作性能和可靠性进行了探讨,通过具体实例,对成果进行了精度分析和研究,得出了一些有益的结果。
希望对今后承担一些复杂的工程项目并保证工程项目按时、保质、保量完成具有现实的指导意义。
此外全站仪免棱镜与传统的全站仪相比具有操作更为方便、功能更强、精度更高、速度更快等特点,其应用范围更为广泛。
本课题的研究有助于对全站仪免棱镜在测量中发挥其更大的作用,为今后的测量总结经验。
关键词:
测量设备;
全站仪免棱镜;
测距;
精度分析;
数字地形图
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thenon-prismmodetechnologyisalsointhestateofupdatingandfurtherimproving.Butthenon-prismtechnologyhasbeenwidelyusedinmeasurement.Themainideaofthepaperintroducesthetotalstationnon-prisminthedigitaltopographicmappingapplications,exploreandresearchthetotalstationnon-prismmeasurementaccuracyindigitalterrainanalysis,includingthedetermina-
tionofmeasurementrange,detailsurvey,laserpenetratenarrowslitexperiment,theaccuracyoftriangulaterationexperimentsandmeasurementofdistanceontheimpactofnon-prism,non-prismfortotalstationfeaturesinremoteelevationmeasurement,buildingheightmeasurement,tiltmeasurementtowerbuildingtoanalyzetheapplicationbyThesefunctionsforTotalStationnon-prismoperationalperformanceandreliabilityarediscussed.Italsodiscusstheoperatingfunctionandreliabilityofsurveyingdistancefunctionofnon-prism.Theauthorhasobtainedsomeusefulresultsintheanalysisandresearchoftheachievementsthroughspecificexamples.Atthesametimetheauthoralsoputforwardtheattentionitemsandimprovingmethodsinsomespecialcircumstancesofengineeringmeasurement.Ithaspracticalguidanceforundertakingsomecomplexprojectsandensuringthetime,qualityandquantityinfuture.Inaddition,comparedwithtraditionaltotalstationinstrument,thenon-prismtotalstationinstrumentismoreconvenientinoperation,morepowerfulinfunction,higherinprecision,fasterinspeed.Itisusedmorewidely.Thestudyofthepaperhelpnon-prismtotalstationinstrumentplaysgreaterroleinmeasurementandsumupexperienceforfutureeasurement.
Keywords:
MeasurementEquipment;
Non-reflectivePrismTotalStation;
DistanceMeasure;
PrecisionAnalysis;
DigitalTopographicMaps
目 录
第1章绪论
1.1选题的背景、目的、意义
随着社会飞速的发展与进步,我国的测绘技术的高速发展,测绘工作在科技社会发展中的保障作用越来越为人们所认知和重视,发挥着无法替代的作用。
随着测量科技的应用与经济、科技、文化、生活水平的提高,测绘工作进入了高速发展的时代,进入了社会发展的各个领域。
测绘技术经过这么多年的发展,仪器不断更新换代,对距离、角度测量的效率和精度要求都越来越高。
全站仪的功能的应用也随之更加的强大。
利用全站仪有棱镜模式进行作业时,精度虽然保证了,但必须要有反射棱镜进行配合作业,观测人员必须将棱镜立于每个测量点上。
对于一些地表结构复杂的不平坦、山丘等地区,如果采用有棱镜测量的方法进行测量时,一方面有些点人员无法到达并且无法立镜,另一方面作业员必须到达每个测量点,既困难工作量又非常大,而且效率低。
诸多不便使得免棱镜测量技术应运而生。
免棱镜测量具有不需要在被测点上放置棱镜或反射片的特点,这一特点使得在高山、楼角、建筑物内部棚顶、有危险、有毒地区等不易放置棱镜的地方,进行测绘工作成为可能。
进行免棱镜测量,既快速、而且相对准确,又可以节省工作量、工作时间,甚至可实现一个人一台机器测量作业。
由此可见,在大比例尺数字地形图测量工作中,免棱镜测量技术的应用前景更为广阔。
但是,免棱镜测量的一些缺陷(测量的精度、测程较短等问题)还有待研究,本文以南方360R型全站仪为例,探讨全站仪免棱镜测量技术在数字地形图测绘中的应用。
采用理论和实践相结合的手法,对免棱镜和有棱镜测量出的数据进行处理比对分析,以及在免棱镜观测时选择反射面、反射地点的分析,根据全站仪免棱镜领域的研究成果以及本人工作实践中的积累提供有指导意义的成果。
希望为免棱镜技术在数字测图应用中减少误差提供参考[1]。
1.2国内外研究的状况和已有研究成果
随着测量技术的发展,全站仪也不断更新换代。
免棱镜技术成为每个测绘仪器厂商积极探索的领域。
早在1986年,就已经研制了全球第一台无反射镜测距仪(Wild)—徕卡的DIOR3000系列测距仪,1993年研制的掌上型激光测距仪,如徕卡DISTO系列,就可以实现免棱镜测距,而且精度都较高。
全站仪免棱镜把免棱镜测距技术与传统的全站仪结合在一起,给测量工作带来了极大方便,同时引发了全站仪领域新的技术竞争,国外的有瑞典TCR系列、美国的TRIMBLE系列;
日本的TOPCON系列、NIKON系列、PENTAX系列、SOKKIA系列及国产苏一光OTS系列、南方360R系列、科力达KTS系列等。
进入21世纪在视线良好的条件下一般免棱镜测距可达1000米。
徕卡TPS1200+使用PinPoint细小的激光束可以精确地指示测量点位,完成精确测量。
这些应用领域值得我们深入研究。
1.3论文选题的研究设想
目前我国对免棱镜测量技术的性能测试还没有相应的技术规范。
通过查阅相关文献、书籍了解免棱镜的现有研究成果,收集材料、采集数据比对、分析、总结归纳,客观的对免棱镜测量技术进行分析研究。
本文在以往测量系统的基础上,利用全站仪免棱镜测距的新功能,分析和结合了国内外测量系统的研究与发展现状,针对免棱镜测量的特点,对免棱镜测距精度影响因素等进行分析。
全站仪免棱镜是无需棱镜作为合作目标测距的全站仪,打破了全站仪需要棱镜测量的常规,使得测距更为简单、明了,使全站仪免棱镜在地籍、地形、平面、断面、倾斜测量等方面有了更加广阔的发展前景。
本论文还通过利用全站仪所独具的免棱镜测距特殊功能,探讨全站仪免棱镜测距功能在测绘工程中的应用,目的是在普通全站仪的基础上进一步拓宽全站仪的使用和应用范围,在测绘工程中发挥全站仪的最大效用,解决在由于棱镜厚度难以达到的精度以及人难以到达或难以立镜的特殊条件下所产生的测量难题[2]。
1.4全站仪免棱镜的发展前景
全站仪免棱镜的发展必将对测绘工作产生巨大的影响,慢慢的会取代传统的测量仪器,应用于测绘工作中。
但现阶段免棱镜技术的应用还不是很广泛,很多还是传统的有棱镜测量,免棱镜只限于矿山测量、海洋测量等一些特殊环境中。
随着测绘仪器技术的飞速发展,免棱镜测量的测程、精度都会有很大提高。
这样免棱镜的应用前景将非常可观。
全站仪免棱镜把免棱镜测距融合进了传统的全站仪,具备双重功能,实现所瞄即所测,测距效率很高。
全站仪免棱镜本身具备精密的光学成像系统以及精确的定位、定向工作环境可以结合目前的摄影测量技术,加上全站仪免棱镜已配备的操作系统、数据储存设备、液晶显示屏等硬件设备,加以改进就可以让一台全站仪免棱镜成为一台多功能的测量数字摄像仪。
计算机技术的飞速发展,全站仪免棱镜也随之进入了飞速发展的时代,越来越多的辅助技术被安装在全站仪上,让测量变得更快捷、简单。
免棱镜技术就是其中之一。
全站仪免棱镜正朝着智能化、实时性、高精度方向发展。
国际工程测量学术研讨会(InternationaleIngerniervmessung)是FIG下的一个重要的学术活动,在第十四届国际工程测量学术研讨会上曾提出:
高精度、实时性是保证结构复杂的大型工程安全施工和运营的重要保证。
这就要求不同专业领域的科技人员共同合作,全面的了解和掌握工程的安全状态,综合分析建筑物的实时状态,这就需要用先进的测量仪器,才能够实现数据的自动采集、传输、处理和表达。
并能够适应不同场合、不同精度、不同测量的条件。
随着不同专业领域的科技人员共同合作,超站仪、三维扫描机、测量机器人等先进仪器相继在工程测量中得到应用,现在全站仪正向着小型化和系列化趋势发展,它的功能不断增强并正向着功能集成化发展[3,4]。
第2章全站仪免棱镜的测距原理及精度分析
2.1全站仪免棱镜的测距原理和仪器的结构
2.1.1全站仪免棱镜测距的原理
全站仪免棱镜测距的基本原理是在全站仪的测距头中,安装两个光路同轴的发射管,一种是IR(InfraRed)测距方式,可以发射利用棱镜和反射片进行测距的红外光束,另一种是RL(RedLaser)方式,可以发射可见的红色激光束。
这种激光束无需棱镜和反射片便可进行测距。
两种测量模式可以通过仪器键盘上的操作来控制内部光路实现相互转换。
由此引起的不同常数改正会有系统自动修正后对测量结果进行改正。
两种方法均为相位法测距原理。
相位法测距采用很细的测量光束就可以完成测量,很细的激光束使得相邻非常近的两个点也能被准确地测量出来,因此有棱镜测距和免棱镜测距具有几乎相等的测距精度。
免棱镜测量技术基于相位法原理,发出的激光束极为窄小,可以非常精确地打到目标上,保证高精度的距离测量。
与有棱镜测量相比较,其优点是只要测点的反射介质符合免棱镜测量的条件,就不需要在测点上放置棱镜,即可测量出该点的三维坐标。
此项技术在全世界范围内得到了广泛的应用,它具有良好的技术规范:
高精度(3mm+2ppm),大范围,具有可见的红色激光斑,以及很小的光束直径。
为了达到出色的标准,采用3R级可见激光,并采用相位法免棱镜测距技术,由于对于国际激光标准来说,3R类的激光器相对来说还是比较新的,它经常和3B类的激光器混合起来使用。
3R级激光器是比较新的激光器标准,其安全性介于2类激光器和3B类激光器之间,包含更少的安全限制指导。
从这个角度说,‘R’用来表示“要求的简化”。
3R类激光器免棱镜测距在应用中能够将测量的范围比采用2类激光器提高1倍,对于测量人员提高作业效率来说是有利的。
根据国际激光安全标准,3R类激光器操作人员应该注意不要使人眼直视激光束。
当测量人员在触发测量键时,激光器才能被激活,测量完成就被关闭。
当打开激光指示器时,3R类激光器也能够被激活。
人眼暴露于这样的激光线中时,自然的一些反应(例如:
瞳孔的缩小、斜视、视线的转移)将或多或少的减少伤害,这样,人眼由于在无意中处于激光束中较长时间而导致受伤的可能性可以忽略不计了。
在用激光进行测距时,激光斑的大小对测量精度有一定的影响。
TCR全站仪的光斑在20m时约为7mm×
14mm,在50m时约为10mm×
20mm的椭圆。
免棱镜通过收集整个返回信号来计算距离。
当垂直于较大目标的表面测量时,光斑全部落在被测物体的表面上时,所有反射回光线基本代表一样的距离,但在特殊部位,如光斑落在物体的斜面或边缘时,由于发射的光速很细,对边缘的分辨力很强,一部分测到目表面上,一部分测到目标临近的表面上,得不到可靠的结果。
根据国际激光安全标准,3R类激光器操作人员应该注意不要使人眼直视激光束。
人眼暴露于这样的激光线中时,自然的一些反应(例如:
全站仪免棱镜测距方法有两种:
脉冲法和相位法。
两种方法测距原理分别如下:
1、脉冲法测距
基本原理是直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被测距离的传播时间从而得到距离值。
由光脉冲发生器发射出束光脉冲,经发射光学系统投射到被测目标。
与此同时,由取样棱镜取出一部分光脉冲送入接受光学系统,并由光电接收器转换为电脉冲(称为主波脉冲),作为计时的起点。
从被测目标发射来的光脉冲通过接收光学系统后,也被光接收器接受,并转换为电脉冲(也称回波脉冲),作为计时的终点。
可见,主波脉冲和回波脉冲之间的时间间隔就是光脉冲在测线上往返传播的时间(
),而
是由时标脉冲振荡器不断产生的具有时间间隔(t)的电脉冲来决定的。
因
(2.1)
则
(2.2)
式中,n为时标脉冲的个数;
,即在时间t内光脉冲往返所走的一个单位距离。
所以需要事先选定一个d值,记下送入计数系统的脉冲数目,就可以直接把所测距离(D=nd)用数码管显示出来[5,6]。
2、相位法测距
基本原理是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传播产生的相位变化来间接测定传播时间,从而求得被测距离。
工作原理如图2.2所示:
由波源产生的光波(或微波)经调制器被高频电波所调制(调幅或调频),成为连续调制信号。
该信号经测线到达彼端反射器,经反射后被接收器所接收,再进入混频器
(1),变成低频(或中频)的测距信号
。
另外,在高频电波对载波进行调制的同时仪器发射系统还产生一个高频信号,此信号经混频器(Ⅱ)混频后成为低频(或中频)准信号
和
在比相器中进行相位比较,由显示器显示出调制信号在两倍测线距离上传播所产生的相位移,或者直接显示出来被测距离值。
相位法测距计算
图2.1相位法测距工作原理
基本公式:
(2.3)
式中,
,
相位法测用的测量光束很细,因此,能准确地分辨出相邻非常近的点。
脉冲式免棱镜测距,不需要很强的激光功率,但其精度较低。
通常,在相同的条件下,脉冲法的测程远,相位法的精度高。
此外,现在大多数全站仪免棱镜使用同轴测距仪,这种设计降低了对仪器中心偏移量修正的要求,这是分体式全站仪所无法比拟的。
但有的一体化的全站仪也有一些偏移,例如,伪同轴的测距仪设计为发射信号与视准轴同轴,接收光路有一定的偏移,距离解算时再改正此偏移量。
2.1.2全站仪免棱镜系统的组成
全站仪免棱镜与全站型电子速测仪一样可以直接测定物体的三维坐标,但与全站仪不同的是它无须在被测点上安置棱镜,通过直接扫描,即可获得被测点的三维坐标。
1、硬件组成
硬件由全站仪免棱镜和计算机组成。
计算机可配置台式机或笔记本电脑,还应配置PCMCIA卡。
全站仪免棱镜型号很多,如国外的有瑞典TCR系列、美国的TRIMBLE系列;
日本的TOPCON系列、NIKON系列及国产苏一光OTS系列、南方360R系列、科力达KTS系列等。
以南方360R全站仪免棱镜为例,其技术指标如下:
(1)测程(表2.1):
表2.1360R全站仪测程指标
类型
柯达灰板
测程D
测程E
测程F
[m]
[ft]
R100
白面,90%反射率
140
460
170
560
>
灰面,18%反射率
70
230
100
330
R300
白面,90%反射率
300
990
500
1640
200
660
测程:
1.5m到760m
无模糊显示:
至760m
大气条件:
D:
物体处于强阳光,强热流闪烁中
E:
物体处于阴影中,阴天
F:
地下,夜晚及黎明或黄昏
(2)免棱镜测量(RL)的准确度(见表2.2)
表2.2南方360R全站仪免棱镜测量准确度对比
标准测量
标准差ISO-17123-4
典型测量时间(s)
最大测量时间(s)
免棱镜1.5m-500m
3mm+2ppm
3-6
12
免棱镜>
500m
5mm+2ppm
(3)激光光斑大小(见表2.3)
表2.3南方360R全站仪免棱镜距离和光斑大小
距离(m)
激光光斑大小(mm)
20
7x14
12x40
25x80
36x120
400
48x160
60x200
2、软件组成
通过编写软件对全站仪免棱镜所采集的数据进行处理是现代测量必然的选择,可利用开发,该部分功能及其流程如图2.2。
图2.2全站仪免棱镜数据处理流程
2.2全站仪免棱镜的应用及注意问题
2.2.1免棱镜测量技术的适用范围
每种测量设备都有自身特点和适用范围,理论上免棱镜测量技术应该有如下的条件要求和适应性,后面我们还要经过试验研究一下的部分条件:
1、适用于通视条件好,反射介质好的地方,在反射介质较暗,吸光性太强,反射条件不好等地方不宜使用免棱镜测量;
2、免棱镜测量技术适宜测量反射面裸露的测点高程,如岩石、房屋、公路等视线可及的地形、地物点高程;
3、免棱镜测量适用于视线没有任何障碍的地形地物测量,若中间有障碍物则测量到的是障碍物的坐标、高程;
4、免棱镜测量要耗费较大的电源,外业时要准备充足的电源,必要时配置外挂电源;
5、施测过程中不要长时间通过目镜观测目标,以免将眼睛长时间置于激光束中导致受伤;
6、免棱镜测量适用于人员难以到达、反射介质好的地形地物测量,如悬崖、溪谷、客流大的公路、有剧毒的地物等[7,8]。
2.2.2免棱镜测量在工程测量中的应用
很多情况下,用户不能在目标点上设置用于测距的目标物(棱镜、反射片)。
如地籍测量、建筑工地测量,桥梁、隧道测量等,此时只要按功能键选择到所需的免棱镜模式,即可在仪器标定的范围内进行测距。
比如在地形图的数据采集外业工作中,跑点人员工作量较大,有时遇见曲线段还需加密,使用全站仪免棱镜只要能够瞄到目标,就可顺利测出,一个人能干出两个人的活,既节省了时间,又减轻了作业人员的劳动强度和局部地区(如陡峭山地)作业的危险性,提高了测图效率。
再如地籍测量,当房屋结构复杂,手持棱镜杆够不到需要测量的碎步点时,用免棱镜方式就能较好地解决这个问题。
在建筑工地测量中,有时遇到场地极不平整,而又想测出它的面积或体积。
这时可用免棱镜功能测距,再用仪器内部的相应程序进行计算即可得出准确的结果。
再如在变形测量工作中,常常需要对变形点进行标志,如若标志有位移现象,则测量结果将受到影响。
但若用免棱镜功能,这种情况就会避免。
此外,全站仪免棱镜在其他测量工作领域方面还有许多应用,如管线测量、古文物及重要建筑的保护,隧道桥梁施工等[9,10]。
2.3全站仪免棱镜测距误差理论分析
免棱镜测距(Reflectorless),又称作无接触(Noncontact)测距,指的是全站仪发射的光束经自然表面反射后,直接测趾。
发射的光束采用的是安全激光,一般是不可见一级激光。
全站仪免棱镜测距的原理公式为
,V是激光在大气中的传播速度,T是电磁波传播往返时间,D为传播距离。
主要分为脉冲式和相位式两种,因为相位式测距更容易达到较高的精度,所以现在的测距仪和全站仪一般都采用相位式测距。
由相位法测距的基本公式知:
(2.4)
式中,N为整波数,n为折射率,c为真空中光速,f为距频率,
为相位,K为仪器加常数。
对上式(2.4)取全微分后,转换成中误差表达式为:
(2.5)
为调制波的波长(
);
真空中光速测定中误差,
为折射率求定中误差,
测距频率中误差,
为相位测定中误差,
为仪器加常数测定中误差。
此外,由于仪器内部信号的串扰会产生周期误差,设其测定的中误差为
,测距时不可避免存在对中误差
,因而测距误差较为完整的表达式应为:
(2.6)
由上式可见测距误差可分为两部分:
一部分是与距离D成正比的误差,即光速值误差,大气折射率误差和测距频率误差;
另外一部分是与距离无关的误差,即测量误差、加常数误差和对中误差。
周期误差有其特殊性,它与距离有关但不成比例,仪器设计和调试时可严格控制其数值,实用中如发现较大而且稳定,可以
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