无棱镜全站仪测量技术在长岐灌区断面测量中的应用

　　摘要：介绍无棱镜测量技术在广西防城港市长岐灌区渠道断面测量的应用情况，对无棱镜测量技术工作效率和成果精度以及适用条件进行分析。
　　关键词：无棱镜测量技术；断面测量；精度分析
　　1、工程概况
　　防城港市长岐灌区位于广西最南部，十万大山南麓。灌区辖防城港市防城区和港口区共9个乡镇，总面积1433km2，占防城区、港口区总面积51.45%，灌区总耕地面积17.47km2.目前灌区总干渠设计流量12m3/s，总长10.08km.左干渠设计流量8.4m3/s ，总长66.6km，右干渠设计流量3.6m3/s ，总长21.78km.渠系建筑物经过二十多年的运行，淤积、渗漏、崩塌较普遍，附属建筑及设备损坏严重，特别是渡槽、斗闸门损坏更为突出。为提高灌区的灌溉效益，并为企沙工业园供水，发展临海工业园经济，防城港市政府决定对总长98km总干渠及左右干渠进行防渗加固扩能整治建设。本工程测量任务是对灌区干渠进行地形测绘，为设计提供带状平面地形图以及纵横断面。
　　2、纵横断面测量工作方法
　　优选渠道断面测量工作方法是在实地沿渠道中心轴线用皮尺量出渠道的里程，从0+000桩号开始，每隔20米标上一个横断面桩号，有重要水利附属设施或渠道地形变化较大的地方增加横断面桩号。用水准仪从首级控制点引测高程到断面中桩，由此整理各中桩里程和高程成图便得到渠道纵断面图。然后进行横断面测量，通常横断面测量有二种方法，第一种是实地丈量法，即从中桩开始向横断面两侧用两把直尺垂直相交量出地性线上各点的间距和高差，整理数据绘成横断面，这种方法要求施测人员必须到达断面上各特征点。由于长岐灌区七十年代中期投入运行以来，长年失修，塌方时有发生，渠道两岸边坡陡峭且没有规则，测量每个断面都要付出很大的代价，单纯采用这种方法将浪费大量的人力物力；第二种方法是实地丈量结合全站仪测量，在地势平坦易于行走的地方采用实地丈量法，其他地方则采用全站仪测量，其优点是省时省物力，解决了高边坡上施测人员无法丈量断面的问题，我们采用此法。工作中发现渠道的某些地方，如灌区总干渠6+500至7+510段，渠道两边高边坡都是石质边坡，坡度超过60度且变化无规律，受条件限制，施测人员难以到达边坡中间特征点上采点，若简单地用边坡坡脚点与坡顶点相连，画出的断面与实地不符，造成工程测量精度和工程量概算的不合理偏差。为了解决这个问题，我们采用莱卡TPS1200无棱镜全站仪测量。
　　3、无棱镜测量技术简介及其适用条件
　　3.1无棱镜测量技术简介无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无棱镜测量的条件，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（使用柯达灰度标准卡，其范围可达180米[1]），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，并采用相位法无棱镜测距技术。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类激光器无反射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。
　　3.2  无棱镜测量技术的适用条件每种测量设备都有自身的特点和适用范围，通过实践发现无棱镜测量技术适用条件如下：
　　（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无棱镜测量。
　　（2）无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）无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。如要测400米外的地形点，若在200米的地方有树叶挡住视线，将测到的是树叶的坐标、高程。
　　（4）无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）注意不要将激光束射向似镜表面。
　　（6） 施测过程中不要长时间通过目镜观测标的物，以免将眼睛长时间置于激光束中导致受伤。
　　（7）无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。
　　4、莱卡TPS1200的特点及施测过程
　　4.1 TPS1200的特点莱卡TPS1200是一款超长测程、超高精度具备多种功能且简单易用的全站仪。基于菜单的操作系统直观明了，能够引导用户自主完成所需要的工作，用户可以根据需要自行设定操作、显示和输出。TPS1200提供了很多的机载程序，如测量、设站、放样、坐标几何等，可以用G eoC++编写专用的机载程序。测量原理是同轴可见红色激光相位测量 ，无棱镜测程为500m ，测边精度为2mm+2ppm/typ，测角精度为2〃。
　　4.2  施测过程
　　4.2.1 控制测量渠道引水工程高程精度要求相当高，由于渠道长，误差积累多，误差过大就会影响渠道引水流速，甚至引起渠道积水或是水倒流现象，影响供水效果。因此我们用宾得和索佳水准仪两个作业组同时作业，将高程从GPS首级控制点引测到各断面上，高程闭合差皆满足规范要求。在断面线上选定通视条件好，容易设站的地方用TPS1200和脚架棱镜做导线，加密图根点至各断面。
　　4.2.2 横断面测量
　　（1）仪器架设在加密图根点上架设仪器，整平对中。然后进行测站设置如输入测站坐标，定向等，按以下操作步骤进行：
　　①在程序的启动界面，按F3（设站）；
　　②将光标移以已知点作业，用导航键选择已知点所在的作业；
　　③将光标向下移到定向方法，用导航键选择采用的定向方法；
　　④按F1（继续）进入下一窗口。选择测站点的点号；
　　⑤输入后视点号。此时仪器会显示持否定态度方位角，按F2（测距），可以看到方位角差、平距差及高差较差，用于评价定向质量。
　　（2）创建线，操作步骤如下：
　　①激活主菜单管理/数据，按F6（换页）将显示窗口切换到线；
　　②F2（新建）创建线；
　　③线编号：输入线名称，存储点：选择使用的点，线型：选择线型；
　　④F1（保存）存储。F6可激活输入编码信息。
　　（3）横断面线测量激活要测量的线，在测量窗口按顺序测量线的细部，所测量的点自动归类到激活的线。设置仪器的EDM类型，其含义如下：EDM类型：棱镜（IR），使用红外光配合棱镜测距。
　　RL（RL），使用可见红色激光进行无棱镜测距。
　　长距离（LO），长测程测距。
　　在通常情况下，把EDM类型设置在棱镜（IR）状态，用棱镜配合全站仪进行野外数据采集，如此能较精确地采集到断面特征点。在无棱镜测量能及、没有障碍物挡视线、反射介质较好而且人较难到达的地方，则把DEM类型设置到RL状态，即无棱镜测量状态，EDM模式设置为标准模式。瞄准待测特征点，按测量键，仪器开始测量，2秒钟后即可测量出该点坐标。如此反复测量，直到不满足用无棱镜测量条件时，再把EDM类型设置到IR状态，继续测量。在测量过程中，按F6（换页），切换到图形窗口。在这个窗口同样可以近F1（测存）、F2（测距）、F3（记录），同时看到所测的点标示在图上。若有点偏离断面线时，即刻修正到断面线上。测量完或中断线测量时，关闭该线。
　　4.2.3  横断面数字化成图采集到原始数据后，通过南方CASS5.0软件将数据传输到计算机里，展点成图，量算出各点的累距和高程，整理成“累距/高程”式*.hdm文件，导入南方CASS5.0成图软件，用里程生成断面图形如7+040横断面图：
　　7+040横断面图5 短距离无棱镜测量的粗差探测因为无棱镜测量技术作为测绘界的一项新技术应用于生产，其精度如何是人们最关心的问题，为此我们在视野开阔、反射介质较好的地方在（IR）状态用红外光配合棱镜测距和RL状态（无棱镜测量）采集两组数据。由于所测的距离不越过300米，斜距的气象改正、加乘常数改正、倾斜改正、投影改正都非常小[2]，其影响忽略不计。
　　6、总结
　　6.1  无棱镜全站仪测量技术的优点通过长岐灌区地形测量、断面测量等工程实践，体会到无棱镜测量技术在测绘界中应用，解放了生产力，提高工作效率。按常规测绘方法，红外光配合棱镜测量，正常情况下，平均一天测得1.4km的断面。若在同一工程中同时采用无棱镜测量技术和有棱镜测量技术，只要在反射介质不符合条件的地方实行有棱镜测量，凡是符合无棱镜测量条件的地方，都可以直接测量，不需要施测人员到达特征点放置棱镜，大大节省人力物力，同样条件下，平均一天测量1.8km的断面，工作效率提高近30%，节省了时间，加快外业进度，提高工作效率，降低测量人员的劳动强度，能快速、准确地为有关部门提供测量成果[3]，为后期各专业设计工作的提前展开创造了条件。
　　综上所述，无棱镜测量技术的主要优点：
　　（1）无棱镜测量适用于测会人员难以到达的特征点，如陡峭石崖、有剧毒的化工地区、高温高压地区等。
　　（2）快速、准确，节省人力物力，节约时间。
　　（3）适用于反射介质较好的城市测量、地籍测绘，甚至实现单人测量。
　　（4）可准确测绘某些禁区边界或禁区内有限范围的地形地物，有利于提供工程规划区完整地形信息，省去常规工作为进入这些禁区所需要的有关社会工作协调事项。
　　6.2 建议无棱镜测量技术虽然有多方面的优越性能和先进性能，但不是万能的，特别对野外各种不同的观测条件，仪器不可能改变它，也不可能完全适应。因此作业人员应充分了解此新技术的特性，采取必要的措施，扬长避短，才能更好地发挥先进技术设备的优势，取得良好的观测成果。我们在边使用、边摸索的过程中认为有以下几点建议值得大家共同探讨：
　　（1）针对无棱镜测量受障碍物限制，容易造成施测标的物错误的情况，建议在设备上增设无棱镜测距范围的功能，充分利用作业人员的目估能力。如要测400米处的标的物，设置测距范围为350-420米，就不会错误地测200米处的标目物。
　　（2）为避免眼睛被激光伤害，建议增设一个大功率的可见光瞄准系统。
　　参考文献：
　　［1］IEC 60821-1. 激光产品的安全性：第一部分。设备分类、要求和用户向导。（IEC 60825-1修订本 A2），［S］
　　［2］SL 197-97，水利水电工程测量规范［S］。
　　［3］张培存，吕存宣，王志军  断面测量内外业一体化系统研究［J］。测绘通报，2004，（10）：32页。