基于激光跟踪仪的三维控制网测量精度分析

　　1　三维控制网简介

　　传统的控制网按平面和高程控制网分别进行处理,除了可以突破测量仪器限制外,还可以带来计算量的大大简化。平面控制网的测量值为水平角、垂直角、斜距(和垂直角结合改化为平距),高程控制网的测量值是高差,它们的基准都是铅垂线。在较小的测区,铅垂线基本平行,不会引起问题,但是当工程处于高山或由于其他原因导致垂线偏差较大的地区,可能会引起较大的误差[1]。此外,由于平面、高程测量采用不同类型的仪器、不同的操作规程和计算方法,使得测量效率低下,对测量人员素质要求较高。

　　所谓“三维控制网测量”是指利用一种测量仪器同时获得三维坐标的控制网测量方法。尽管三维控制网的概念很早就提出了,真正的三维控制网却是在全站仪、激光跟踪仪等极坐标测量系统出现后才得以发展的。利用水平、垂直两个码盘及测距仪同时获得水平角α、垂直角β、斜距d(图1),建立以测站为中心的极坐标系,得到三维坐标,利用配套的测量软件,完成数据的获取、分析及点位放样、变形监测等功能。GPS也可实现三维控制网测量,但是其高程精度较差,且不适合精密工程测量,本文不作深入讨论。

　　三维控制网测量及计算过程为:仪器设站,测量定向点(公共点)及观测目标;移动仪器,测量定向点及新的目标点,再移动仪器,直至完成整个控制网的测量。在每个测站都可以获得测站坐标系的坐标,通过不同测站对定向点的共同观测值,利用适当的定向方法,可以将所有的观测点归算到统一的坐标系中。在定向完成后,通过平差,可以得到所有控制网点的三维坐标。

　　2　激光跟踪仪测量系统

　　全站仪测距精度较低,目前最高的是Leica公司的TDM(A)5005工业全站仪[2],其标称标准精度是1mm+2×10-6D。在120m范围内,配合高精度的角偶棱镜,可以达到0·2mm的测量精度。由于其角度测量精度为0·5″,在20m范围内,整个系统的测量精度可达到0·3mm。这显然不能满足某些超高精度定位的要求,限制了全站仪的应用。激光跟踪仪测量系统是实现三维控制网测量的理想工具。其斜距通过双频激光干涉来进行测量,测量精度可以达到几个μm,从而使得系统精度大为提高。激光跟踪仪LTD500标称的坐标重复测量精度为2·5μm /m,绝对坐标测量精度5μm /m(1σ)。此外,跟踪测量可以把测量人员从繁重的瞄准过程解放出来,极大地提高测量效率。

　　激光跟踪仪的测量精度不是绝对的,它通过自校准来保证精度。跟踪仪测量系统在设计时,建立一个包含各种误差(如度盘偏心、镜轴倾斜、轴系倾斜等)参数的模型,系统提供给用户的观测值是补偿了这些误差的数值,从而表现出很高的精度。实际使用中,运输、震动都可能引起误差参数的变化,这时可以通过规定的操作流程对仪器的状态进行检核,并重新计算出这些参数,存入系统中,对新的观测值进行改正,这个过程即自校准。