免棱镜全站仪在不同条件下的测量精度分析

免棱镜全站仪在不同条件下的测量精度分析
康宏民
【摘要】免棱镜全站仪的出现极大提高了野外测量的适应性和工作效率,尤其在矿山巷道掘进、井架倾斜测量等高难度测绘作业中,能极大提高测量效率,但是在实践
中免棱镜测量精度有所波动,测量人员不清楚具体能达到的精度和精度波动的原因,
本文以Leica TS06 PLUS全站仪为例,设计实验来检验测量距离、目标颜色、目标
材质、入射角度4个因素对测量精度造成的影响,发现影响最大的因素是目标颜色
深浅和入射角度,控制好这2个因素是无棱镜测量的关键.
【期刊名称】《煤矿现代化》
【年(卷),期】2017(000)002
【总页数】3页(P113-115)
【关键词】测绘;无棱镜测量;精度分析
【作者】康宏民
【作者单位】兖矿集团邹城华建设计研究院有限公司,山东邹城273500
【正文语种】中文
【中图分类】TD172
在传统全站仪经历一系列改进、完善、发展后，近几年又迎来了一项意义重大的技术进步，那就是无棱镜测量技术。

免棱镜全站仪不需要在被测量地点放置反光装置，人员不需要前往待测区域，即可独立完成点位数据的采集，这在一些环境恶劣、地形复杂的地区进行测量工作时，能极大的节约工作时间，降低测量工作危险性，并
且能完成一些传统测量很难做到的测绘任务，对提高测绘人员工作效率有着重大意义。

Leica TS06 PLUS采用相位法测量原理，全站仪发出一束微小的激光束，通过测量信号发出与接收的相位差来计算距离。

本文实验所采用的全站仪型号为Leica TS06 PLUS，该型号仪器发射的载波信号为不同频率的连续信号，测量发射与接收信号的相位差来计算距离，该方式特点是测距精度高，但测量距离较短[1]。

只要反射物体满足全站仪接收信号基本要求，即可测出两点间的距离，从而采集到被测点的三维坐标。

为了兼顾测量实用性与安全性，免棱镜全站仪多采用的是安全的690nm左右的ClassⅠ级激光，所以无须担心新技术会给人体带来危害。

相位式激光测距通过对相位延迟的解算求出距离，其计算公式为：
式中：φ为信号来回一次产生的总相位延迟；ω为调制信号的角频率；N为波长个数；Δφ为信号往来回一次产生的不够2π长度的相位延迟。

该方式把测距变成测算波长个数与Δφ，能得到精度很高的测量结果。

本文主要检验无棱镜模式下，测量距离、物体颜色、物体材质、入射角度等因素对测量精度的影响。

所采用的Leica TS06-Power PLUS全站仪测量参数如下：
为尽量避免外界环境的影响，整个实验过程选在空气温度相对稳定的上午10:00～12:00，下午16: 00～18:00，在空旷平坦场地上进行。

2.1 测量距离对精度造成的影响
将柯达灰板置于不同距离上，每个距离用棱镜测量多次求平均值，并以此为距离真值。

再用无棱镜测量同样距离处柯达灰板的白面50次，测量时保证反射板与激光光束垂直，内外符合精度计算结果见表2。

试验表明，随着距离的增加，免棱镜测量精度有所下降，测量稳定性也同时下降，但是在反射率达标的情况下，精度下降有限，测量结果仍然满足一般工程测量的精度需要。

2.2 物体颜色对测量精度的影响
选取材质相同颜色不同的9块纸板，每块放置于固定位置，保持仪器不动，纸板
中心标志不动，先用棱镜测量该位置距离20次，取平均值作为真值，然后用无棱镜模式对每块纸板进行50次测量，整理测量结果见表3。

从该测量结果可以看出，随着颜色的加深，测量值的内外符合精度逐渐降低，浅色系的颜色精度基本一致，由此可知，色彩影响测量精度的主要方面是颜色的深浅，尤其是黑色特别不适合作为无棱镜测量的目标，颜色越浅，全站仪接收到的信号越强，所以在测量工作中，应当尽量对准物体浅色部分进行测量。

2.3 物体材质对测量精度的影响
选取玻璃，白瓷砖，白墙面，木板，黑煤块，放置于相同位置，使用棱镜多次测量求平均值，将其作为距离真值，然后用无棱镜测量目标物30次，测得结果见表4。

从该测量结果得出，玻璃是无法用免棱镜模式测量的，其他材质对测量精度的影响还是受色彩深浅影响，而与具体材质是什么关系不大，所以在测量透明或半透明物体时，应采用刷漆或遮挡的方式，才能准确测出物体位置。

2.4 入射角度对测量精度的影响
将挡板竖直放在可转动的平板上，通过旋转挡板达到调整激光入射角的目的，同时经过调整，保证全站仪目镜与挡板中心处于同一水平高度，仅旋转水平角，每次增加10°，每个角度测30组数据，与棱镜测得距离相比较，测得数据见表5。

从该结果可以看出，在50m以上的距离时，入射角对测量结果的影响非常大，在0°～30°时测量精度还可以保持相对稳定，在40°以上入射角时，测量精度呈加速
下降态势，测量结果已无法满足普通工程测量的精度要求，究其原因，是由于测距激光斑点为椭圆形，根据仪器参数，50m时光斑大小为8mm×20mm，若反射面倾斜45°，则光斑变为12mm×28mm，随着测量距离的增加，光斑的畸变越来越严重，反射接收到的激光信号也会越来越不准确。

无论是光斑大小还是反射接收率
都对测量精度产生很大影响，根据有关研究[2]，竖直方向的入射角对测量精度影响更大。

所以在实际测量中，应尽可能以较小入射角测量目标。

（1）Leica TS06 PLUS全站仪的无棱镜测量距离可达200m以上，在反射条件良好的情况下，测程可达300m，如果待测物颜色较深，会使得最大测程缩短，不过仍然要避免仪器长期在极限距离下测量。

（2）被测目标的颜色对测量结果有较大影响，规律为浅色系影响较小，颜色越深精度越低，尤其是颜色的加深会造成可测距离减小，因此在测量中，要尽量照准待测物的浅色部位。

（3）物体材质对测量精度影响较小，但透明及半透明物体是免棱镜模式无法测量出来的，在实际应用中应予以注意。

（4）入射角对测量精度影响很大，尤其是竖直方向的入射角不能过大，水平方向的入射角尽可能保持在30°以下，该范围内测距精度较为稳定、准确。

入射角大于50°时，测量精度将出现不可控制的偏差，在实际测量中应予以避免。

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[1]蓝善勇.影响大比例尺数字测图精度的误差来源与改正[J].技术与市场，2011，18（5）：73-74.
[2]张柳清.基于全要素大比例尺数字测图数据的精度分析[J].江西测绘,2009（3）：35-37，57.
【相关文献】
[1]朱顺平，薛英.无反射棱镜全站仪及其测试.测绘通报，2001（3）：41.
[2]何康.基于前方交会的全站仪免棱镜测距精度检查浅析.赤峰学院学报，2015，31（11）.。