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無棱鏡全站儀測量技術(shù)在長岐灌區(qū)斷面測量中的應用工學論文
1、工程概況
防城港市長岐灌區(qū)位于廣西最南部，十萬大山南麓。灌區(qū)轄防城港市防城區(qū)和港口區(qū)共9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積1433km2，占防城區(qū)、港口區(qū)總面積51.45%，灌區(qū)總耕地面積17.47km2.目前灌區(qū)總干渠設計流量12m3/s，總長10.08km.左干渠設計流量8.4m3/s ，總長66.6km，右干渠設計流量3.6m3/s ，總長21.78km.渠系建筑物經(jīng)過二十多年的運行，淤積、滲漏、崩塌較普遍，附屬建筑及設備損壞嚴重，特別是渡槽、斗閘門損壞更為突出。為提高灌區(qū)的灌溉效益，并為企沙工業(yè)園供水，發(fā)展臨海工業(yè)園經(jīng)濟，防城港市政府決定對總長98km總干渠及左右干渠進行防滲加固擴能整治建設。本工程測量任務是對灌區(qū)干渠進行地形測繪，為設計提供帶狀平面地形圖以及縱橫斷面。
2、縱橫斷面測量工作方法
優(yōu)選渠道斷面測量工作方法是在實地沿渠道中心軸線用皮尺量出渠道的里程，從0+000樁號開始，每隔20米標上一個橫斷面樁號，有重要水利附屬設施或渠道地形變化較大的地方增加橫斷面樁號。用水準儀從首級控制點引測高程到斷面中樁，由此整理各中樁里程和高程成圖便得到渠道縱斷面圖。然后進行橫斷面測量，通常橫斷面測量有二種方法，第一種是實地丈量法，即從中樁開始向橫斷面兩側(cè)用兩把直尺垂直相交量出地性線上各點的間距和高差，整理數(shù)據(jù)繪成橫斷面，這種方法要求施測人員必須到達斷面上各特征點。由于長岐灌區(qū)七十年代中期投入運行以來，長年失修，塌方時有發(fā)生，渠道兩岸邊坡陡峭且沒有規(guī)則，測量每個斷面都要付出很大的代價，單純采用這種方法將浪費大量的人力物力；第二種方法是實地丈量結(jié)合全站儀測量，在地勢平坦易于行走的地方采用實地丈量法，其他地方則采用全站儀測量，其優(yōu)點是省時省物力，解決了高邊坡上施測人員無法丈量斷面的問題，我們采用此法。工作中發(fā)現(xiàn)渠道的某些地方，如灌區(qū)總干渠6+500至7+510段，渠道兩邊高邊坡都是石質(zhì)邊坡，坡度超過60度且變化無規(guī)律，受條件限制，施測人員難以到達邊坡中間特征點上采點，若簡單地用邊坡坡腳點與坡頂點相連，畫出的斷面與實地不符，造成工程測量精度和工程量概算的不合理偏差。為了解決這個問題，我們采用萊卡TPS1200無棱鏡全站儀測量。
3、無棱鏡測量技術(shù)簡介及其適用條件
3.1無棱鏡測量技術(shù)簡介無棱鏡測量技術(shù)基于相位法原理，發(fā)出的激光束極為窄小，可以非常精確地打到目標上，保證高精度的距離測量。與有棱鏡測量相比較，其優(yōu)點是只要測點的反射介質(zhì)符合無棱鏡測量的條件，就不需要在測點上放置棱鏡，即可測量出該點的三維坐標。此項技術(shù)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應用，它具有良好的技術(shù)規(guī)范：高精度（3mm + 2ppm），大范圍（使用柯達灰度標準卡，其范圍可達180米[1]），具有可見的紅色激光斑，以及很小的光束直徑。為了達到出色的標準，采用3R級可見激光，并采用相位法無棱鏡測距技術(shù)。由于對于國際激光標準來說，3R類的激光器相對來說還是比較新的，它經(jīng)常和3B類的激光器混合起來使用。3R級激光器是比較新的激光器標準，其安全性介于2類激光器和3B類激光器之間，包含更少的安全限制指導。從這個角度說，‘R’用來表示“要求的簡化”。 3R類激光器無反射棱鏡測距在應用中能夠?qū)y量的范圍比采用2類激光器提高1倍，對于測量人員提高作業(yè)效率來說是有利的。根據(jù)國際激光安全標準，3R類激光器操作人員應該注意不要使人眼直視激光束。當測量人員在觸發(fā)測量鍵時，激光器才能被激活，測量完成就被關(guān)閉。當打開激光指示器時，3R類激光器也能夠被激活。人眼暴露于這樣的激光線中時，自然的一些反應（例如：瞳孔的縮小、斜視、視線的轉(zhuǎn)移）將或多或少的減少傷害，這樣，人眼由于在無意中處于激光束中較長時間而導致受傷的可能性可以忽略不計了。
3.2 無棱鏡測量技術(shù)的適用條件每種測量設備都有自身的特點和適用范圍，通過實踐發(fā)現(xiàn)無棱鏡測量技術(shù)適用條件如下：
（1）適用于通視條件好，反射介質(zhì)好的地方，在反射介質(zhì)較暗，吸光性太強，反射條件不好等地方不宜使用無棱鏡測量。
�。�2）無棱鏡測量技術(shù)適宜測量反射面裸露的測點高程，如巖石，房屋、公路等視線可及的地形、地物點高程。
�。�3）無棱鏡測量適用于視線沒有任何障礙的地形地物測量，若中間有障礙物則測量到的是障礙物的坐標、高程。如要測400米外的地形點，若在200米的地方有樹葉擋住視線，將測到的是樹葉的坐標、高程。
�。�4）無棱鏡測量要耗費較大的電源，外業(yè)時要準備充足的電源，必要時配置外掛電源。
�。�5）注意不要將激光束射向似鏡表面。
�。�6） 施測過程中不要長時間通過目鏡觀測標的物，以免將眼睛長時間置于激光束中導致受傷。
（7）無棱鏡測量適用于人員難以到達，反射介質(zhì)好的地形地物測量，如懸崖、溪谷、客流大的公路、有劇毒的地物等。
4、萊卡TPS1200的特點及施測過程
4.1 TPS1200的特點萊卡TPS1200是一款超長測程、超高精度具備多種功能且簡單易用的全站儀�；诓藛蔚牟僮飨到y(tǒng)直觀明了，能夠引導用戶自主完成所需要的工作，用戶可以根據(jù)需要自行設定操作、顯示和輸出。TPS1200提供了很多的機載程序，如測量、設站、放樣、坐標幾何等，可以用G eoC++編寫專用的機載程序。測量原理是同軸可見紅色激光相位測量 ，無棱鏡測程為500m ，測邊精度為2mm+2ppm/typ，測角精度為2〃。
4.2施測過程
4.2.1 控制測量渠道引水工程高程精度要求相當高，由于渠道長，誤差積累多，誤差過大就會影響渠道引水流速，甚至引起渠道積水或是水倒流現(xiàn)象，影響供水效果。因此我們用賓得和索佳水準儀兩個作業(yè)組同時作業(yè)，將高程從GPS首級控制點引測到各斷面上，高程閉合差皆滿足規(guī)范要求。在斷面線上選定通視條件好，容易設站的地方用TPS1200和腳架棱鏡做導線，加密圖根點至各斷面。
4.2.2 橫斷面測量
�。�1）儀器架設在加密圖根點上架設儀器，整平對中。然后進行測站設置如輸入測站坐標，定向等，按以下操作步驟進行：
�、僭诔绦虻膯咏缑�，按F3（設站）；
�、趯⒐鈽艘埔砸阎c作業(yè)，用導航鍵選擇已知點所在的作業(yè)；
③將光標向下移到定向方法，用導航鍵選擇采用的定向方法；
�、馨碏1（繼續(xù)）進入下一窗口。選擇測站點的點號；
�、葺斎牒笠朁c號。此時儀器會顯示持否定態(tài)度方位角，按F2（測距），可以看到方位角差、平距差及高差較差，用于評價定向質(zhì)量。
（2）創(chuàng)建線，操作步驟如下：
①激活主菜單管理/數(shù)據(jù)，按F6（換頁）將顯示窗口切換到線；
②F2（新建）創(chuàng)建線；
③線編號：輸入線名稱，存儲點：選擇使用的點，線型：選擇線型；
④F1（保存）存儲。F6可激活輸入編碼信息。
�。�3）橫斷面線測量激活要測量的線，在測量窗口按順序測量線的細部，所測量的點自動歸類到激活的線。設置儀器的EDM類型，其含義如下：EDM類型：棱鏡（IR），使用紅外光配合棱鏡測距。
RL（RL），使用可見紅色激光進行無棱鏡測距。
長距離（LO），長測程測距。
在通常情況下，把EDM類型設置在棱鏡（IR）狀態(tài)，用棱鏡配合全站儀進行野外數(shù)據(jù)采集，如此能較精確地采集到斷面特征點。在無棱鏡測量能及、沒有障礙物擋視線、反射介質(zhì)較好而且人較難到達的地方，則把DEM類型設置到RL狀態(tài)，即無棱鏡測量狀態(tài)，EDM模式設置為標準模式。瞄準待測特征點，按測量鍵，儀器開始測量，2秒鐘后即可測量出該點坐標。如此反復測量，直到不滿足用無棱鏡測量條件時，再把EDM類型設置到IR狀態(tài)，繼續(xù)測量。在測量過程中，按F6（換頁），切換到圖形窗口。在這個窗口同樣可以近F1（測存）、F2（測距）、F3（記錄），同時看到所測的點標示在圖上。若有點偏離斷面線時，即刻修正到斷面線上。測量完或中斷線測量時，關(guān)閉該線。
4.2.3 橫斷面數(shù)字化成圖采集到原始數(shù)據(jù)后，通過南方CASS5.0軟件將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C里，展點成圖，量算出各點的累距和高程，整理成“累距/高程”式*.hdm文件，導入南方CASS5.0成圖軟件，用里程生成斷面圖形如7+040橫斷面圖：
7+040橫斷面圖5 短距離無棱鏡測量的粗差探測因為無棱鏡測量技術(shù)作為測繪界的一項新技術(shù)應用于生產(chǎn)，其精度如何是人們最關(guān)心的問題，為此我們在視野開闊、反射介質(zhì)較好的地方在（IR）狀態(tài)用紅外光配合棱鏡測距和RL狀態(tài)（無棱鏡測量）采集兩組數(shù)據(jù)。由于所測的距離不越過300米，斜距的氣象改正、加乘常數(shù)改正、傾斜改正、投影改正都非常小[2]，其影響忽略不計。
6、總結(jié)
6.1 無棱鏡全站儀測量技術(shù)的優(yōu)點通過長岐灌區(qū)地形測量、斷面測量等工程實踐，體會到無棱鏡測量技術(shù)在測繪界中應用，解放了生產(chǎn)力，提高工作效率。按常規(guī)測繪方法，紅外光配合棱鏡測量，正常情況下，平均一天測得1.4km的斷面。若在同一工程中同時采用無棱鏡測量技術(shù)和有棱鏡測量技術(shù)，只要在反射介質(zhì)不符合條件的地方實行有棱鏡測量，凡是符合無棱鏡測量條件的地方，都可以直接測量，不需要施測人員到達特征點放置棱鏡，大大節(jié)省人力物力，同樣條件下，平均一天測量1.8km的斷面，工作效率提高近30%，節(jié)省了時間，加快外業(yè)進度，提高工作效率，降低測量人員的勞動強度，能快速、準確地為有關(guān)部門提供測量成果[3]，為后期各專業(yè)設計工作的提前展開創(chuàng)造了條件。
綜上所述，無棱鏡測量技術(shù)的主要優(yōu)點：
（1）無棱鏡測量適用于測會人員難以到達的特征點，如陡峭石崖、有劇毒的化工地區(qū)、高溫高壓地區(qū)等。
�。�2）快速、準確，節(jié)省人力物力，節(jié)約時間。
（3）適用于反射介質(zhì)較好的城市測量、地籍測繪，甚至實現(xiàn)單人測量。
（4）可準確測繪某些禁區(qū)邊界或禁區(qū)內(nèi)有限范圍的地形地物，有利于提供工程規(guī)劃區(qū)完整地形信息，省去常規(guī)工作為進入這些禁區(qū)所需要的有關(guān)社會工作協(xié)調(diào)事項。
6.2 建議無棱鏡測量技術(shù)雖然有多方面的優(yōu)越性能和先進性能，但不是萬能的，特別對野外各種不同的觀測條件，儀器不可能改變它，也不可能完全適應。因此作業(yè)人員應充分了解此新技術(shù)的特性，采取必要的措施，揚長避短，才能更好地發(fā)揮先進技術(shù)設備的優(yōu)勢，取得良好的觀測成果。我們在邊使用、邊摸索的過程中認為有以下幾點建議值得大家共同探討：
�。�1）針對無棱鏡測量受障礙物限制，容易造成施測標的物錯誤的情況，建議在設備上增設無棱鏡測距范圍的功能，充分利用作業(yè)人員的目估能力。如要測400米處的標的物，設置測距范圍為350-420米，就不會錯誤地測200米處的標目物。
�。�2）為避免眼睛被激光傷害，建議增設一個大功率的可見光瞄準系統(tǒng)。
參考文獻：
�。�1］IEC 60821-1. 激光產(chǎn)品的安全性：第一部分。設備分類、要求和用戶向?qū)�。（IEC 60825-1修訂本 A2），［S］
�。�2］SL 197-97，水利水電工程測量規(guī)范［S］。
［3］張培存，呂存宣，王志軍 斷面測量內(nèi)外業(yè)一體化系統(tǒng)研究［J］。測繪通報，2004，（10）：32頁。
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