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1、隧道断面测量中使用仪器测距精度分析隧道断面测量中使用仪器测距精度分析隧道断面测量中使用仪器测距精度分析 马文亮 摘要：摘要：简单介绍了隧道断面测量过程中使用的无棱镜测量的工作原理，分析了所使用 仪器的相对测量精度，以及测量精度随不同距离的变化情况，为仪器投入使用提供了依据。关键词：关键词：隧道断面测量；测量精度；TCRA1101一、引言近几年来，随着上海地铁建设的不断发展，地铁已经成为上海城市交通十分重要的组 成部分，现运行的地铁一、二号线每天承担着数十万人的交通运输任务，由于上海市的客 流量非常大，地铁每天都在超负荷运行。保证地铁正常运行，对地铁隧道的安全监护也已 成为有关单位非常重视的一项
2、工作。上海市的特殊地质环境决定了地铁隧道在地铁营运过程中的不稳定性，另一方面，地 铁隧道都横跨市中心，相继有高大且深基础的建筑物临地铁隧道而建，这些建筑物在建造 过程中及竣工交付使用多年后，一直处于沉降变形之中，这种变形也会引起地铁隧道的变 形，同时由于地铁的运营，动荷载的作用也会使隧道结构产生变形。这种变形可以有三个 方面的变化：1 隧道的沉降，2 隧道的侧面位移，3 隧道断面形状的形变。前两种变形已有比较成熟的方法进行监测，对于第三种变化难度比较大一些。但随着 科学技术的进步，现代先进的测绘仪器已可以满足隧道断面测量的要求。根据隧道断面测量的工作特点，具有无棱镜测距功能的全站仪可以满足隧道
3、断面测量 的需要。然而由于隧道断面变化监测精度要求比较高，要能测出隧道断面的微小变化，最 基本的要能达到毫米级，否则就失去监测工作的意义。无棱镜测距又叫无接触测距，指的是全站仪发射的光束经自然表面反射后，直接测距， 无棱镜测距可以做作业强度大大降低，而且提高工作效率和工作速度，目前世界上主要测 绘仪器生产厂商均推出了具有无棱镜测距功能的全站仪，具有代表性的产品见表一。表一 几种主要无棱镜反射全站仪性能指标仪器型号生产商无棱镜测程无棱镜测距精度测角精度Trimble 5601天宝公司200m（灰色）（3mm+2ppmD ）1”SET 1030R3日本索佳公司85m（3mm+2ppmD ）2”GP
4、T 7000i日本拓普康公司120m5mm+2ppmD3”TCRA 1101瑞士徕卡公司80m优于 3mm1.5”对隧道断面的测量而言，测程是次要的，主要的是测距和测角精度。根据以上各仪器 的技术指标分析，徕卡 TCRA1101 仪器是比较适合于隧道断面测量的。表 1 所到的技术指标 只是标称精度，实际测量精度多少，还需进行现场实际测量进行衡量。二、无棱镜测距原理无棱镜反射全站仪测距的基本原理是在全站仪的测距头中，安装两个光路同轴的发射 管，一种是 IR（Infra Red）测距方式，可以发射利用棱镜和反射片进行测距的红外光束， 另一种是 RL（Red Laser）方式，可以发射可见的红色激光
5、束。这种激光束无需棱镜和反 射片便可进行测距。两种测量模式可以通过仪器键盘上的操作来控制内部光路实现相互转换。由此引起的不同常数改正会有系统自动修正后对测量结果进行改正。两种方法均为相 位法测距原理。相位法测距采用很细的测量光束就可以完成测量，很细的激光束使得相邻 非常近的两个点也能被准确地测量出来，因此有棱镜测距和无棱镜测距具有几乎相等的测 距精度。在用激光进行测距时，激光斑的大小对测量精度有一定的影响。TCRA1101 的光斑在 3m 时约为 3mm5mm,在 12m 时约为 4mm12mm 的梯形。无反射棱镜通过收集整个返回信号来 计算距离。当垂直于较大目标的表面测量时，光斑全部落在被测
6、物体的表面上时，所有反 射回光线基本代表一样的距离，但在特殊部位，如光斑落在物体的斜面或边缘时，由于发 射的光速很细，对边缘的分辨力很强，一部分测到目标表面上，一部分测到目标临近的表 面上，得到不可靠的结果。三、无棱镜测距精度分析1、有棱镜测距和无棱镜测距比较 将全站仪十字丝中心精确对准园棱镜中心，在全站仪程序中选择“Reflectorless”模式， 测量若干次后，再将测量模式转换为棱镜进行测量，两种模式的测量距离相差在 34mm 左右， 测量结果见表 2。表 2 TCRA1101 两种测距模式测量结果对比表 边长 Reflector 模式 Reflectorless 模式 斜距改正值（mm
7、） 水平方向（o“） 天顶距（o“） 斜距（m） 水平方向（o“） 天顶距（o“） 斜距（m）1-2 198 36 32 90 10 05 25.857 198 36 35 90 10 04 25.892 -35 1-3 269 14 41 90 08 46 37.126 269 14 40 90 08 47 37.160 -34 2-3 16 44 4690 03 05 37.555 16 44 45 90 03 05 37.589 -34 2-4 0 00 41 90 08 48 25.251 0 00 41 90 08 49 25.286 -35表 2 中可以看出，四种测距模式下，水平方
8、面观测值和天顶观测值基本一致，即无棱 镜测距模式的对测角精度无显著影响。不管测量距离的远近，Reflectfor 模式测量得到的 斜距和 Reflectorless 模式相比，都相差-34.5mm。其原因是徕卡因棱镜的常数是 34.4mm，TPS 全站仪系统内部将园棱镜的常数设为零，在测距时系统自动对测量结果进行 修正。2、不同物体对一无棱镜测距的影响无棱镜测距是依赖物体表面的自然反射，因此不同物体及观测条件对数据质量也会有 一定的影响。为了解这种影响程度，利用 TCRA1101 全站仪在无棱镜测距模式下，对常见的 十余种反射面进行多次观测，每点测量 40 余次，测量和统计计算结果下表 3。表
9、 3 TCRA1101 全站仪不同物体元棱镜测量结果统计表 反射物体 观测值均值(m) 观测值均 方误差(mm) 反射物体 观测值均值(m) 观测值均 方误差(mm) 玻璃幕墙48.6307 1.10 沙土地面7.6331 0.51 光滑墙壁40.9513 1.30 树干12.7985 0.50平静水面6.4647 0.74 褐色雨伞36.2265 1.70 灰色墙壁11.9326 1.30 草丛19.2485 27.10 三角铁架12.0004 1.20 阔叶树叶22.2622 3.90 水泥路面12.3661 0.59从概率统计和测量平差的观点讲，观测值均方误差并不反映观测值的精度，但是却
10、客 观地反映观测值的离散程度，即测量数据的内部精度。从表 3 中可以看出，随着无棱镜测 量距离的增加和反射物体稳定性的减弱，观测数据的均方差随着增加。10m 以内稳定物体 的观测均方误差为 0.5mm 左右。观测结果还说明，只要反射物体足够稳定，物体表面的粗 糙程度对衡量数据的离散程度影响不明显。3、 距离对元棱镜测量的影响在不同物体测量时，发现距离远近对测距精度影响还是比较明显的，为了解这种影响 的规律，利用 TCRA1101 全站仪对同一物体在不同距离进行测量，测量结果见图 1。图 1 TCRA1101 全站仪测距精度随距离变化曲线从图中可以看出，测量随着距离增加而增加，但并非完全线性关系
11、，总体可以看出在 测距小于 10m 时，其测量误差小于 1mm。当测距大于 50m 时，测量误差达到 1.5mm。四、TCRA1101 测距精度实验为了分析 TCRA1101 无棱镜测距的精度，进行了现场实测实验，实验方法如下：图 2两台 TCRA1101 分别固定在强制对中桩 1、2 两点上，全站仪都提供了内制觇标，以便 两台全站仪可以相互精确地瞄准定向。1、2 两点精确瞄准后，读取水平角和垂直角，然后 1 点顺时针照准得测点 N，读取水平角和垂直角，2 点逆时针照准 N 点，读取水平角和垂直 角。由平面三角可精确地求出点 1、2 到点 N 的距离，为了消除垂直角测量对测距的影响， 采用两点
12、的空间距离作为比较量。如图 2 所示，求出距离后，利用棱镜在有合作目标测量和无合作目标测量情况下的距 离差值的比例改正系数，对所测量的距离进行误差改正，并将改正后的距离和理论距离进 行比较，分析测量结果和理论结果二者之间的差别。测量结果见表 4表 4 TCRA1101 无棱镜测量对平面物体的测量结果 边长 计算距离（m） 测量距离（m） 差值（mm） 目标类型1-4 14.183 14.182 1 墙壁1-5 16.008 16.008 0 墙壁1-6 21.438 21.438 0 门板2-4 32.634 32.635 -1 墙壁2-5 32.283 32.282 1 墙壁2-6 34.3
13、02 34.304 -2 门板从表中可以看出，计算的距离和实测距离二者之差大部都小于 1mm。只有 2-6 边长二 者之差别达到 2mm。五、结论通过对 TCRA1101 全站仪无棱镜测距的实验，对各次数据进行综合分析，可以得出如下 结论：1、无棱镜测量精度和反射物体的稳定性有密切关系，和被测物体表面的光滑程度关系 不很明显。2、无棱镜测距对角度测量的精度无显著影响，激光束在达到直角棱镜表面时，也经表 面折射到棱镜中心的反射面，由于园棱镜都有一个常数，所以和棱镜测量模式下的测量结 果相差一个常数。3、无棱镜反射测距和测量距离关系密切，当测量距离小于 10m 时，其误差小于 1mm。4、在合作目
14、标稳定的条件下，无棱镜测距的观测值非常接近于用前方角度交会法计算 出的理论距离，无棱镜测距的精度和有棱镜测距的精度相当。5、 隧道半径一般都小于 3m，隧道内的测量距离一般为 3m 左右，TCRA1101 可以满足 隧道断面测量毫米级精度的要求。参考文献：参考文献： 1、全 斌， 国内外全站仪之比较；测绘技术装备，2002 年第 4 期 2、范百兴， TCA 全站仪实现测量数据的全自动化处理，北京测绘，2003 年第 2 期 3、包 欢等， 自动测量一体化系统的功能及应用， 测绘技术装备，2004 年第 2 期 4、瑞士 Leica 公司， TPS1000 全站仪专业系列用户说明（上海上海京海工程技术公司邮编：201206）2006-5-18
