高精度儀器高量取方法研究

王 濤，田林亞，魏玉明，吳 坤

(1. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2. 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

高精度儀器高量取方法研究

王 濤1，田林亞1，魏玉明2，吳 坤1

(1. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2. 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

各種工程對(duì)測(cè)量的精度要求越來越高，儀器高的量取是測(cè)繪中的首要程序，儀器高的精度決定了測(cè)量外業(yè)的整體精度。本文介紹了量取儀器高的一般方法，并在對(duì)現(xiàn)有三腳架作出局部改動(dòng)的基礎(chǔ)上，配對(duì)一種新設(shè)計(jì)的尺子，提出了一種新的儀器高量取方法。該方法操作簡便，可行性強(qiáng)，可提高儀器高的測(cè)量精度，具有很強(qiáng)的普及性。本文的設(shè)想為測(cè)量工作中儀器高的量取提供了新的參考，也為儀器改良提供了新的思路。

儀器高量??；鋼尺量距法；三腳架；活動(dòng)旋鈕；精度分析

目前，GPS技術(shù)以其全天候、實(shí)時(shí)性、高精度等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)和安全監(jiān)測(cè)中，其靜態(tài)定位精度可達(dá)到毫米級(jí)，隨著科研人員的努力，其定位精度正逐漸提高。在高速鐵路的建設(shè)中，CP0、CPI、和CPII控制網(wǎng)均采用了GPS測(cè)量，為了保持列車高速行駛條件下平順性和舒適性的要求，測(cè)量精度要保持在毫米級(jí)的范圍內(nèi)[1]。在GPS觀測(cè)中，儀器高的量取是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，儀器高的精度影響了全網(wǎng)測(cè)量精度。全站儀三角高程測(cè)量由于具有施測(cè)速度快、不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)成為水準(zhǔn)測(cè)量必要的補(bǔ)充，但目前三角高程測(cè)量存在的問題是精度低，而影響其精度的主要因素是儀器高和棱鏡高的量取誤差[2]。

儀器高是指儀器度盤中心到測(cè)站點(diǎn)的鉛垂距離。儀器高的量取是測(cè)繪外業(yè)中的重要工作，儀器高的精度直接影響著最終測(cè)量結(jié)果的精度。目前量取儀器高的通用方法是鋼尺量距法，其理論精度約為2～3 mm[3-4]，實(shí)際操作中在各種因素的影響下其精度會(huì)更低，這在精密工程測(cè)量中是一個(gè)不能回避的因素，如何設(shè)法提高儀器高的量取精度是一個(gè)很重要的基礎(chǔ)問題。本文本著便捷、簡單、實(shí)用的原則，同時(shí)在不影響現(xiàn)有三腳架使用價(jià)值的基礎(chǔ)上，通過在三腳架上增加水準(zhǔn)氣泡和改進(jìn)三腳架上的活動(dòng)旋鈕，并配合一種新設(shè)計(jì)的尺子，提出一種高精度儀器高量取方法。

1 鋼尺量距法概述

在全站儀導(dǎo)線測(cè)量、三角高程測(cè)量、地形圖測(cè)繪、施工放樣及GPS靜態(tài)觀測(cè)、GPS水準(zhǔn)測(cè)量中，均需要量取儀器高，儀器設(shè)站簡化示意圖如圖1所示。鋼尺量距法是現(xiàn)行通用的儀器高量取方法，量取時(shí)采用2～5 m小鋼尺，一般需要兩個(gè)人完成測(cè)量，鋼尺量距一般采用平距測(cè)量和斜距測(cè)量兩種方法，其量取示意圖如圖2所示。圖2中，O代表測(cè)站點(diǎn)，A代表儀器中心，B代表三腳架邊線，平距測(cè)量法是測(cè)量與測(cè)站點(diǎn)O處于同一水平位置的O1到與A處于同一水平位置的A1的鉛垂距離O1A1，平距法測(cè)量精度高但一般不易實(shí)行，因?yàn)榕cO及A處于同一水平位置的代替點(diǎn)不易確定。工程上一般使用的是斜距測(cè)量法，斜距測(cè)量法是沿OBA1所在直線量取儀器高，斜距測(cè)量誤差較大，在斜距測(cè)量中產(chǎn)生的誤差主要有：①尺起始端點(diǎn)未精確量至測(cè)站點(diǎn)，尺測(cè)量終點(diǎn)未精確量至儀器中心；②鋼尺拉力不均勻引起的誤差；③鋼尺測(cè)量時(shí)傾斜引起的誤差。由于以上過程均是人為操作，產(chǎn)生誤差是不可避免的，并且誤差會(huì)因觀測(cè)者的改變而變化。有學(xué)者試驗(yàn)證明，使用全站儀量取的儀器高與理論值誤差最少為3.5 mm，且儀器高越低，高程誤差越大[5]。這些誤差在精度較高的測(cè)量工作中有很大影響，基于此，本文提出一種直接在儀器高所在空間位置量取儀器高的新方法。

圖1 設(shè)站儀器示意圖

圖2 3種鋼尺量距法簡化示意圖

2 量取儀器高的設(shè)想

2.1 對(duì)三腳架的改進(jìn)

對(duì)三腳架的改進(jìn)包括兩點(diǎn)：其一，現(xiàn)有三腳架沒有水準(zhǔn)氣泡，不具有整平的功能，本文設(shè)想通過在三腳架的一側(cè)增加水準(zhǔn)氣泡使其能通過腳架的調(diào)節(jié)達(dá)到水平，且提出的儀器高測(cè)量方法默認(rèn)是在三腳架整平的基礎(chǔ)上進(jìn)行的；其二，現(xiàn)有活動(dòng)旋鈕是由上部金屬螺旋和下部塑料圓柱組成，整體是中空的，作為儀器對(duì)中的觀察孔。本文只對(duì)下部塑料圓柱進(jìn)行研究，塑料圓柱簡化圖如圖3(a)所示。本設(shè)想的改進(jìn)方式是在塑料圓柱內(nèi)增加一定厚度的半圓形鐵塊作為承重塊，設(shè)定在圓柱內(nèi)部兩個(gè)相對(duì)平行的位置，在設(shè)計(jì)時(shí)要求鐵塊平面保持水平，并且不影響儀器對(duì)中觀察，其位置如圖3(b)所示。

圖3

2.2 設(shè)想依據(jù)

在測(cè)量時(shí)先整平三腳架，此時(shí)三腳架上平面水平，再將測(cè)量儀器置于三腳架上并對(duì)中整平，可以發(fā)現(xiàn)，全站儀、棱鏡、GPS等儀器中心到三腳架上平面的垂直距離可直接測(cè)出，三腳架上平面水平時(shí)活動(dòng)旋鈕下平面也處于水平位置，三腳架到活動(dòng)旋鈕下平面的長度在旋緊狀態(tài)下為定值，此時(shí)只需測(cè)出活動(dòng)旋鈕至對(duì)中點(diǎn)的垂直距離即可。

2.3 儀器高的構(gòu)成

在三腳架旋緊及對(duì)中整平合格的情況下，儀器高由5部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。即：①儀器中心到三腳架平面的鉛垂距離L1；②三腳架平面板自身高度L2；③活動(dòng)桿的自身高度L3；④活動(dòng)桿下平面至活動(dòng)旋鈕的高度L4；⑤活動(dòng)旋鈕至測(cè)站點(diǎn)的鉛垂距離L。對(duì)于全站儀、棱鏡、GPS等儀器，儀器中心到三腳架上平面板的鉛垂距離L1可由高精度測(cè)尺測(cè)出；L2、L3、L4全部為定值，可由三腳架廠家直接給出，設(shè)C=L2+L3+L4；此時(shí)只需測(cè)出L，最后儀器高h(yuǎn)=L1+C+L，因此本設(shè)想中只要測(cè)量出L的值即可得到儀器高，現(xiàn)通過設(shè)計(jì)一種尺子配合儀器高的測(cè)量任務(wù)。

2.4 尺子的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中尺子的作用是測(cè)出活動(dòng)旋鈕與測(cè)站點(diǎn)的距離L，在本設(shè)想中要求尺子掛接在活動(dòng)旋鈕下并能長短伸縮的活動(dòng)尺，根據(jù)儀器高的一般高度，要求尺子的測(cè)量范圍為0.5～2 m，這可基本滿足所有儀器高的測(cè)量[6-7]，并要求該尺子質(zhì)量輕、可伸縮，能隨身攜帶。設(shè)計(jì)圖如圖5所示。圖5中，a為連接柄，起到與活動(dòng)旋鈕緊密結(jié)合的作用，是連接三腳架與尺子的紐帶，用磁性材料制成，其具有的吸附作用能與活動(dòng)旋鈕結(jié)合得更緊密；b為伸縮尺，一般工廠就可以制作；c為平面板，其半徑為5 cm(活動(dòng)旋鈕的活動(dòng)范圍)，作用是連接測(cè)點(diǎn)和尺子下端。要求：①整個(gè)尺子由密度小硬度高的輕質(zhì)材料構(gòu)成；②連接柄長度要略小于活動(dòng)旋鈕內(nèi)徑。

圖4 儀器高的構(gòu)成

圖5

2.5 測(cè)量過程

先整平三腳架，后對(duì)中整平儀器。測(cè)量時(shí)，首先將尺子通過活動(dòng)旋鈕空隙處由下而上進(jìn)入活動(dòng)旋鈕，經(jīng)旋轉(zhuǎn)90°后連接柄放在活動(dòng)旋鈕鐵塊上，此時(shí)尺子與活動(dòng)旋鈕結(jié)合，調(diào)節(jié)尺子長度，使尺子下端面板與測(cè)站對(duì)中點(diǎn)接觸，此時(shí)讀取尺子讀數(shù)，這樣就完成了對(duì)L的測(cè)量，測(cè)量后取出尺子。根據(jù)使用的儀器，查出已知值L1，根據(jù)使用的三腳架查出已知值C，最后可得儀器高h(yuǎn)，這樣就完成了對(duì)儀器高的測(cè)量。

2.6 測(cè)量誤差分析

下面對(duì)本設(shè)想測(cè)量過程中可能存在的誤差進(jìn)行分析，此過程中誤差可能存在以下3個(gè)方面：

(1)L1誤差由最初測(cè)量時(shí)產(chǎn)生，選擇精度高的測(cè)尺或游標(biāo)卡尺測(cè)量，其誤差可忽略。

(2)L2、L3、L4為固定值，誤差由最初測(cè)量初值時(shí)產(chǎn)生，但存在三腳架因長期使用產(chǎn)生的磨損誤差，可通過改變腳架材質(zhì)減小磨損，也可使用新腳架來避免。

(3)L的誤差包括以下3個(gè)方面：①尺子中心線與儀器高所在鉛垂線不重合引起測(cè)尺傾斜，這在對(duì)中整平合格的情況下可以忽略；②尺長形變誤差，選用合適材料可減緩；③尺與腳架結(jié)合不緊密，可通過磁力吸附作用、重力作用等使誤差可以忽略。

本文測(cè)量方法的誤差主要來源于儀器、腳架的磨損，為了盡量減小誤差，可由抗磨損性高的材料構(gòu)成。綜上所述，本文設(shè)計(jì)中誤差產(chǎn)生很小，在理論上其精度非常高。

2.7 本文設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

在本文設(shè)計(jì)中，不改變現(xiàn)有三腳架的使用價(jià)值，只對(duì)三腳架上的零件活動(dòng)旋鈕作出改進(jìn)，增加了水準(zhǔn)氣泡，在實(shí)際使用中只需要更換新的活動(dòng)旋鈕和增加水準(zhǔn)氣泡即可，未對(duì)設(shè)備進(jìn)行更新和浪費(fèi)，具有較高的可行性和普及性。提出了在儀器高所在空間位置直接測(cè)量的思路，減小了其他間接測(cè)量方法引起的不必要的誤差。尺子設(shè)計(jì)簡單，費(fèi)用低，易于普及；測(cè)量儀器高可由一人單獨(dú)完成，節(jié)省人員。在對(duì)儀器高量取精度要求高的工程中應(yīng)用，也可代替鋼尺量距法普及下來。

3 結(jié)論與展望

隨著科學(xué)的發(fā)展和人類生活水平的提高，各種大型工程的建設(shè)都對(duì)工程測(cè)量的精度有了更高的要求，在測(cè)繪領(lǐng)域幾十年的發(fā)展中，各種測(cè)繪儀器性能和精度日益提高，各種測(cè)量方法不斷更新完善，但儀器高的量取精度卻一直未能提高，這已經(jīng)成為禁錮工程建設(shè)的一大障礙。鋼尺量距法作為傳統(tǒng)的量取儀器高的方法，其精度已不能滿足眾多精密工程測(cè)量的要求。本文對(duì)儀器高的組成部分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)量儀器高主要是測(cè)量活動(dòng)旋鈕以下的部分，設(shè)計(jì)了一種配合測(cè)量的尺子，并根據(jù)儀器整平對(duì)中后三點(diǎn)一線的事實(shí)，確定了在活動(dòng)旋鈕和測(cè)站點(diǎn)測(cè)量的思路， 并基于設(shè)計(jì)在不改變現(xiàn)有三腳架實(shí)用性的基礎(chǔ)上，對(duì)腳架一小部件(活動(dòng)旋鈕)作出小的改動(dòng)，即可完成測(cè)量。該方法具有測(cè)量精度高、操作簡便的特點(diǎn)，具有較高的可行性及普及型。

本文所論述量取儀器高的方法對(duì)改善儀器高量取的精度有很好的作用， 在對(duì)精度要求高的工程測(cè)量領(lǐng)域有很高的適用性。本文提出的設(shè)想是對(duì)現(xiàn)有儀器高量取方法的有益補(bǔ)充，也可作為今后儀器改良的一種思路。

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ResearchontheMethodofMeasuringInstrumentalHeightinHighPrecision

WANG Tao1,TIAN Linya1,WEI Yuming2,WU kun1

(1. School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Demands of various engineering on measuring accuracy are higher and higher, The first program in surveying and mapping is measuring instrumental height, the precision of measuring instrumental height will determine the overall precision of the measurement field. This paper introduces the common methods of measuring instrumental height, and makes local changes to tripod and matches a new design of a ruler. In the end, it puts forward a new method of measuring instrumental height, which is simple in operation and have good feasibility. In addition, it can improve the accuracy of measuring instrumental height and gain high popularity. In this paper, the idea provides a new reference for measuring instrumental height in measurement field and provides a new idea for improve instrument.

measuring instrumental height; the method of steel rule measure distance; corner bracket; active knob; precision analysis

P207

A

0494-0911(2017)01-0144-03

王濤，田林亞，魏玉明，等.高精度儀器高量取方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(1)：144-146.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0032.

2016-03-23

王 濤(1992—)，男，碩士，研究方向?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)處理理論與方法。E-mail：hkingt121@163.com