智能全站仪精密三角高程测量替代二等水准测量资料下载.pdf
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基于TCA2003全站仪ATR功能在某大坝的实践,本文对TCA2003全站仪ATR精密三角高程测量替代二等水准测量进行了探讨。
1?
ATR功能与使用方法TCA2003全站仪具有目标自动识别与照准功能,其主要部件ATR装置像测距仪一样被安装在全站仪的望远镜上。
红外光束通过光学部件被同轴投影在望远镜轴上,从物镜口发射出去。
反射回来的光束形成光点,由内置电荷耦合器件（CCD）传感器接收判别后,电动机驱动全站仪自动转向棱镜,实现目标的自动识别、精确照准1。
运用ATR功能,配备二次开发的机载测量软件在各测站预先设置观测方向、测回数和测量限差,无须人工测量,TCA2003全站仪在计算机软件的控制下,自动识别目标、定位、观测、记录、自动检查限差并采取相应的措施,完成多目标边角数据采集。
作业过程中自动生成数据库,并将观测成果存储于仪器的PCMCIA卡中。
2?
ATR三角高程测量误差来源及精度分析常见的三角高程测量有单向观测法、中间法和对向观测法,对向观测法可以消除部分误差,故在精密工程测量及大坝安全监测中被广泛采用。
众所周知,对向观测法三角高程测量的高差公式为:
h对=D（tan?
12-tan?
21）2+（K2-K1）D24R+i1-i2+v1-v22+U1-U22-UmD?
（1）式中:
D为两点间的距离;
?
为垂直角;
K2-K1为往返测大气垂直折光系数差;
i为仪器高;
v为目标高;
R为地球曲率半径（6370km）;
（U1-U2）/2-Um为垂线偏差非线性变化量;
=206265。
令K2-K1=K,（U1-U2）/2-Um=U,mi=mv=miv,m?
1=m?
2=m?
。
对式
（1）微分,则由误差传播定律可得高差中误差:
m2h对=（tan?
21）2m2D4+m2DDK2R2+m2DU?
2+m2?
D2sec4?
12+sec4?
214?
2+m2KD24R2+m2iv+D2mU?
2
（2）?
由式
（2）知,除仪器高、目标高的量取误差与距离D无关外,其他误差对高差的影响均与距离有关。
因?
12与?
21大小基本相等,符号相反,故可以认为tan?
21=2tan?
12=2tan?
sec4?
12+43第31卷?
第4期2007年8月20日?
Vol.31?
No.4Aug.20,2007sec4?
21=2sec4?
12=2sec4?
在精密工程中,通常三角高程测量的距离不大于1km,而在1km范围内由于K很小,当K最大为!
0.04时,m2D（DK/2R）20。
由于全球垂线偏差平均数约为!
4s,按最不利的情况,即300km范围内U最大为60s考虑,m2D（U/?
）20,故其对三角高程测量的精度影响可以忽略不计。
令m1=Dm?
sec2?
（3）m2=mDtan?
（4）m3=mKD24R（5）m4=miv（6）m5=DmU?
（7）则式
（2）简化后可改写成:
m2h对=m21+m22+m23+m24+m25（8）?
由式（8）可知,式（3）式（7）即为影响三角高程测量精度的主要因素,其来源及大小如下。
2.1?
垂直角观测误差垂直角观测误差主要由仪器和ATR照准误差引起。
文献2指出,在配有强制对中装置观测墩的情况下,ATR测量5测回,测角精度可达!
0.5,则12测回精度必优于!
0.5,测角误差对高差精度的影响按式（3）计算。
根据研究结果,取?
=25#,1km范围内测角误差对高差精度的影响见表1。
表1?
角度对高差的影响距离/m影响量/mm距离/m影响量/mm1000.216001.252000.427001.463000.638001.674000.849001.885001.041000?
2.092.2?
测距误差除与仪器本身的制造精度有关外,测距误差受外界环境影响较大,如温度、湿度、大气折光等。
TCA2003全站仪测距精度达（1+10-6D）mm,根据式（4）可计算出1km内测距误差对高差精度的影响,结果如表2所示。
表2?
距离对高差的影响距离/m影响量/mm距离/m影响量/mm1000.516000.752000.567000.793000.618000.844000.659000.895000.701000?
0.932.3?
大气垂直折光差大气垂直折光差K较为复杂,目前仍处于研究阶段。
由式（5）可知,在非严格对向观测时,不可能完全消除大气垂直折光的影响,根据文献3?
4,取mK=!
0.03,由式（5）可得折光差对高差的影响,见表3。
表3?
折光差对高差的影响距离/m影响量/mm距离/m影响量/mm1000.016000.422000.057000.583000.118000.754000.199000.955000.301000?
1.182.4?
仪器高、目标高的量取误差仪器高、目标高的量取误差主要由量高仪器的精度决定。
在精密工程或变形监测控制网中,一般要求建立稳定的观测墩和强制对中装置,采用游标卡尺在基座3个方向量取,使3个方向量取的校差小于0.2mm,并在测前、测后进行2次量测,miv达!
0.2mm,可见此项误差影响较小。
2.5?
垂线偏差垂线偏差由测站与镜站的垂线和法线方向不一致引起。
在工程测量中控制网控制范围小,边长在1km以内进行对向观测,垂线偏差对高差的影响很小。
根据文献3?
4,取垂线偏差中误差mU=!
0.1,在短距离情况下,此项误差的影响基本可以忽略。
以上分析表明,测距误差、垂直角观测误差和大气垂直折光差是影响三角高程测量的主要因素。
1km内它们对高差精度的影响如图1所示。
图1?
角度、距离、折光差对高差精度的影响?
由图1可知,在1km范围内,测角精度是影响高差精度的主要因素,距离次之,在距离超过600m后往返测折光差的影响迅速增大,表明在精密三角高程测量中应控制边长的长度。
为分析精密三角高程测量替代二等几何水准测量的可行性,将上述各项误差分别代入式（8）,求得它们对高差精度的联合影响mh对,并取2mh对与文献5中规定的二等几何水准测量限差4F（F44?
2007,31（4）为闭合环长度）进行比较,结果见表4。
表4?
不同条件下2mh对与二等水准测量限差比较D/m?
/（#）510152025304F1000.570.670.810.981.171.411.262000.850.941.081.251.471.721.793001.191.271.411.591.822.102.194001.561.641.781.982.222.532.535001.952.042.182.392.662.992.836002.362.462.612.833.123.493.10由表4可知,在距离不超出600m、垂直角不超出25#时,TCA2003全站仪三角高程测量替代二等几何水准测量在理论上是可行的。
3?
实测资料分析某大坝变形监测网由9个点组成,网形如图2所示,各点均埋设有强制对中装置的观测墩,网中最长边约1087.5m,最短边约129.9m,平均边长约612.4m;
最大高度角约5.7#,最小高度角约-1.5#,平均高度角约2.4#。
网点高程中仅有LS3和LS4能用一等水准引测,其他点采取三角高程测量获得。
全网共50条边（单向）,50个天顶距,可组成29个独立三角形。
共进行了3期观测,在网点建成稳定3个月后的10月11月间首先进行了2期等精度连续观测,次年11月又进行了第3期观测。
根据有关规范和设计要求,平面网按一等边角网施测,高程采用对向精密三角高程法12测回观测,三维观测量由TCA2003全站仪同步完成。
图2?
某大坝变形监测网?
相关规范和设计要求,由三角高程测定的三角高程高差闭合差W应小于（2.5/?
）31s2i（si为三角形第i条边边长,?
=206265）。
为分析ATR实测三角高程测量的精度,对外业观测成果进行闭合差统计,3期最接近限差的高差闭合差统计结果见表5,表明3期测量的高差闭合差均小于限差。
表5?
高差闭合差统计测期闭合环构成环线长度/m闭合差/mm限差/mm第1期LE1?
LS3?
LE31762.3-10.9413.55第2期LE1?
LE3?
LS11922.9-9.3213.56第3期LE1?
LS1?
LE52194.5-8.9215.92为研究ATR实测三角高程精度能否达到二等几何水准精度,将3期外业测量成果的主要精度指标（往返测高差不符值和三角形三边高差闭合差,其中测段往返高差不符值按4L计算,L为测段的长度,三角形三边高差闭合差按4F计算）与二等水准限差比较,结果见表6。
表6?
外业测量精度统计测期往返测高差校差/mm三角形高差闭合差/mm第1期98第2期53第3期82总边数/个2529经统计发现,无论往、返测高差不符值,还是三角形高差闭合差超限的,均是边长或闭合环中含边长超过750m的长边,这不能排除长边受大气折光的影响。
由文献5知,几何水准测量每千米高差全中误差为:
Mw=!
1NWWL（9）式中:
N为高差闭合环个数;
W为闭合差;
L为闭合环路线长度。
按式（9）计算的3期每千米高差全中误差分别为2.34mm,2.26mm和2.32mm,接近二等水准测量规定的2mm（上述二等水准测量各项限差是以点间的直线距离计算的,而实际测量水准路线长度将长得多）。
若除去闭合差超限的闭合环（其中均含有超过750m的长边）,按式（9）求得的3期每千米高差全中误差分别为2.0mm,1.6mm和1.9mm（并未把所有含边长超过750m的闭合环除去）。
文献5规定,检测已测测段高差之差的限值为:
一等!
3Rmm、二等!
6Rmm（R为测段间的长度）。
由三角高程测定的高差与一等水准引测的LS3?
LS4之间的高差和比较结果见表7。
表7?
三角与一等水准高差的比较测期点名已知高差/m三角高程/m校差/mm第1期LS3?
LS4-20.7369-20.73352.7第2期LS3?
LS4-20.7365-20.73372.8第3期LS3?
LS4-20.7362-20.73362.645%大坝监测仪器及自动化%?
晏红波,等?
智能全站仪精密三角高程测量替代二等水准测量?
LS4间的距离为0.42km,三角高程测量以二等为准,则两者之间的校差限差为3.9mm。
由表7可知,3期三角高程测定的高差与一等水准测定的高差校差最大为2.8mm,小于限差规定。
以上各项精度指标分析表明,应用TCA2003全站仪进行三角高程测量达到了较高的精度,在一定的条件下可以代替二等水准测量。
以一等水准引测的LS3和LS4点为已知高程,对三角高程网严密平差,得到的3期最弱点（LS1）高程中误差分别是!
1.5mm,!
1.3mm和!
1.5mm,也表明TCA2003全站仪三角高程测量达到了较高的精度。
4?
可靠性检验评价测量仪器的优劣,除判别其测量精度外,可靠性也是一个重要的指标。
为评定TCA2003全站仪ATR三角高程测量成果的可靠性,对3期成果进行了检验。
对三角形高差闭合差进行系统误差检验通常均采用t检验法6,其统计量为:
t=（?
!
-）ns-（10）?
由于各三角形闭合差所占的权重不同,为了使统计量适用于本问题,将式（10）改写为:
t=1nn1（wipi）ns-（11）式中:
wi为第i个三角形高差闭合差;
pi为相应的权;
n为三角形个数;
s-=pww/n。
假设等精度的三角形高差闭合差数学期望为0,反之其数学期望不为0。
由观测结果及式（11）求得t值,取显著水平a=0.05,对3期观测结果进行检验可得（i为期数）:
|t1|=0.493,|t2|=0.845,|t3|=0.554,均小于t0.025（28）=2.048。
检验结果表明,3期TCA2003全站仪测定成果的系统误差均不显著,说明TCA2003全站仪三角高程测量成果的可靠性较高。
5?
替代二等水准的条件与措施结合ATR精密三角高程测量误差来源、精度分析及在某大坝的实践,参考有关研究结果,得出精密三角高程测量替代二等水准测量的条件与措施主要有:
1）变形监测控制网各网点均应为带有强制对中装置的观测墩,观测使用精度及自动化程度较高的TCA2003全站仪。
2）相邻网点间的水平距离在600m以内,垂直角小于25#。
由分布均匀且易于用一等几何水准方法测量其高程的一部分网点作为三角高程网严密平差的已知点7。
3）观测应选择成像清晰、大气相对稳定的时刻进行,观测时应在测站和镜站处同时严格读记温度、湿度、气压等数据。
相关研究表明,测距在日出后1h和日落前1h为最佳时间,垂直角观测最佳时间段在太阳中天前后,即地方时10:
0016:
00。
4）仪器高和觇标高采用游标卡尺量取,在基座的3个方向量高,取中数使用,并在测前、测后进行2次量取。
5）在测角测距中,既用ATR又用人工方式检查和测定ATR有无照准差。
6?
结语1）在一定的条件下,TCA2003全站仪精密三角高程测量替代二等几何水准测量是切实可行的。
2）TCA2003全站仪测量速度快、精度高、受外界因素影响较小,在多种气象条件下均可进行观测。
3）成果具有较高的可靠性,也表明了ATR功能具有较高的目标识别精度。
应用ATR功能可实现全自动观测和记录,降低了劳动强度,节省了人力,提高了作业效率。
4）我国类似的大坝较多,且多数在地形复杂的山区或丘陵地带,本工程的实践对大坝垂直监测及此类地区精密高程传递均具有一定的借鉴意义。
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（1）:
8.晏红波（1983?
）,女,硕士研究生,主要从事建筑物安全监测及精密工程测量研究。
E?
mail:
yanzi077346?
2007,31（4）SubstitutionofIntelligentTotalStationTrigonometricLevelingforSecond?
orderLevelingYANHongbo,HUANGTeng,DENGBiao（HohaiUniversity,Nanjing210098,China）Abstract:
Thetraditionalgeometrystandardmethodusedintheverticaldisplacementobservationisprovedinefficientandtoosensitivetotheenvironmentandterrains.Sothispaperdiscussestheuseofintelligenttotalstationinprecisetrigonometriclevelingfortheverticaldisplacementobservation.Theautomatictargetrecognition（ATR）functionanditsusesarebrieflyintroduced;
theerrorsourcesandprecisionoftrigonometriclevelingwithATRoftotalstationTCA2003areresearched.BasedontheapplicationofATRtoadam,theactualprecisionoftrigonometriclevelingwithATRanditsfeasibilityandreliabilityofsubstitutionforsecond?
orderlevelingareanalyzed.Finally,theconditionsforsuchsubstitutionandmethodsfordecreasingerrorsandimprovingtheprecisionareproposed.Keywords:
totalstationTCA2003;
ATR;
trigonometricleveling;
precision;
reliability（上接第33页）张高群（1964?
）,男,硕士研究生,工程师,研究方向为电力系统微机应用。
zhang_gaoqunFunctionandStructureDesignforHydropowerEnterpriseERPSystemZHANGGaoqun（ChongqingUniversity,Chongqing400044,China）Abstract:
Thestatusquoandfeasibilityofthedevelopmentandutilizationofhydropowerenterpriseresourceprogram（ERP）areanalyzed.ThetechnicalcharacteristicsofERPtheoryareexpatiated,andthedesignideasofERPsystemaregiven.IncombinationwiththepracticeoftheThreeGorgesHydropowerPlantePMS,akindofERPfunctionandstructuresystemforhydropowerenterprisemanagementisdesigned,andthekeytechniquesforactualizingtheERPsystemarestudied.Keywords:
hydropowerenterprise;
ERP;
ePMS&
2007年水电站设备运行管理技术交流会征文通知为广泛交流中国近年来水电站设备运行管理经验,特别是大型和梯级水电站设备的运行管理技术,促进水电站设备运行管理水平的提高,中国水力发电工程学会水电站运行管理专业委员会将于2007年11月在云南省举办&
2007年水电站设备运行管理技术交流会。
现将会议征文有关事项通知如下:
1.征文范围:
（设备运行与维护;
）设备检修与改造;
设备稳定与振动;
+在线监测与控制技术。
2.征文说明和要求:
（大会收录论文将编印成,2007年水电站设备运行管理技术交流会论文集,其中优秀论文将推荐在,水电自动化与大坝监测和,水力发电学报等公开刊物上发表;
）征文格式请参照,水电自动化与大坝监测文章格式,征文稿件一般要求以电子文件Word格式提交,字数不超过5000字;
征文截止时间:
2007年9月30日。
3.投稿地址:
210003江苏省南京市南瑞路8号电力系统自动化杂志社;
联系人:
王晓峰、谢荣;
电话:
025?
83092055;
hadmnari?
立足行业?
鼓励创新?
面向应用促进电力工业科技进步47%大坝监测仪器及自动化%?
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