氣象氣壓對(duì)全站儀測距影響研究范文
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《北京測繪雜志》2016年第4期
摘要：
全站儀利用調(diào)制電磁波進(jìn)行測距，受電磁波折射率的變化進(jìn)而影響其測距精度。本文首先推導(dǎo)了影響全站儀電磁波折射率的氣象改正公式，利用該公式計(jì)算了全站儀測距時(shí)的氣象改正數(shù)，接著進(jìn)一步推導(dǎo)出全站儀氣象改正公式在參考?xì)庀髼l件下的偏導(dǎo)數(shù)，依據(jù)誤差傳播定律，分析了不同觀測誤差情形時(shí)的氣象改正中誤差。結(jié)果表明：實(shí)際氣象情形越偏離參考?xì)庀髼l件時(shí)，相應(yīng)的氣象改正數(shù)越大，在實(shí)際的全站儀測距中，由于氣壓測量的誤差相對(duì)較大，氣象改正誤差更多的取決于氣壓測量的精度。
關(guān)鍵詞：
1引言
工程施工中，全站儀的使用改變了傳統(tǒng)測量方式，它不但能同時(shí)進(jìn)行角度和距離的測量，并能進(jìn)行測量數(shù)據(jù)計(jì)算改正、記錄、顯示和傳輸，配合電子記錄手簿，可以自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)、輸出測量結(jié)果，使測量工作大為簡化，還能夠減小甚至克服光學(xué)測量儀器所無法避免的部分誤差，有效提高了測量精度。但是，隨著高精度全站儀的日趨平民化，多數(shù)施工測量采用的全站儀為I級(jí)儀器（測距中誤差≤5mm），這往往會(huì)使得技術(shù)人員忽略《工程測量規(guī)范》中規(guī)定的看似無足輕重、實(shí)際卻嚴(yán)重影響測距精度的因素，如氣象氣壓條件改正誤差、儀器的系統(tǒng)誤差改正（如加乘常數(shù)改正）、歸算改正等［1］。全站儀電磁波測距是在地球的自然表面上、實(shí)際的大氣條件下進(jìn)行的，測得的只是距離的初步值，需要加上這些改正項(xiàng)才可得到較為精確的距離測量結(jié)果。對(duì)于一般的工程測量，即使忽視一些影響因素也能夠滿足工程測量的精度要求，但是在高山地區(qū)或進(jìn)行高精密、變形監(jiān)測測量時(shí)，依然忽視這些影響因素，將會(huì)大大降低測量成果的精度，以至于不符合測量規(guī)范的要求，本文將主要研究氣象氣壓對(duì)全站儀測距精度的影響。在董欽偉的《氣象條件對(duì)全站儀測距精度的影響》中，主要分析影響全站儀測距時(shí)氣象氣壓元素的求解公式。在王巖、劉茂華等的《氣象條件對(duì)全站儀距離測量的影響分析》中，主要論述了大氣改正數(shù)的計(jì)算及氣象條件對(duì)全站儀有無棱鏡測距的影響對(duì)比。在姚輝、陳夙穎的《全站儀氣象改正公式及氣象元素測量精度對(duì)距離的影響》中，簡要分析了氣象氣壓對(duì)全站儀測距中誤差的影響，但其缺少結(jié)合實(shí)際氣象氣壓測量設(shè)備測試精度對(duì)全站儀測距精度的討論。該文將從全站儀電磁波測距的基本原理入手，由于電磁波測距精度受所使用儀器測距時(shí)大氣折射率的影響，而影響電磁波折射率的因素主要包括干、濕溫及氣壓值，文章首先推導(dǎo)出影響全站儀精密測距的氣象改正公式，并給出了徠卡TPS1000系列全站儀的氣象改正相對(duì)值公式，接著以實(shí)際測距時(shí)測量的氣象氣壓條件，利用該公式求解出該類型全站儀相應(yīng)的氣象改正數(shù)的大小，進(jìn)一步論證了氣象改正對(duì)全站儀精密測距的重要性，由于全站儀氣象氣壓的測定精度受所使用測量設(shè)備的限制，根據(jù)誤差傳播定律并結(jié)合測量中全站儀氣象氣壓的實(shí)際測定情況，分析了氣象氣壓測量精度對(duì)全站儀精密測距的影響，這將有助于大家對(duì)氣象氣壓對(duì)全站儀精密測距有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也有利用指導(dǎo)工程實(shí)踐。
2氣象氣壓對(duì)全站儀測距精度的影響
為了清晰說明氣象氣壓對(duì)全站儀測距的影響，在這里抽選幾次作者曾參與的大地測量任務(wù)，從表1不難看出氣象改正對(duì)全站儀測距精度的重要性，當(dāng)實(shí)際氣象氣壓接近其參考條件時(shí)，測距的氣象改正數(shù)較小，當(dāng)實(shí)際氣象氣壓越偏離全站儀參考條件時(shí)，測距的氣象改正數(shù)越大，甚至能夠達(dá)到幾十ppm，所以在實(shí)際測量中，特別是精度要求較高時(shí)，必須對(duì)測距結(jié)果進(jìn)行氣象改正。然而當(dāng)前，在實(shí)際的測繪作業(yè)中，常使用DYM3型空盒氣壓表、DHM2型通風(fēng)干濕表測定測站點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)上的氣壓與干、濕溫值，將兩點(diǎn)之間的氣象氣壓取平均，得到整個(gè)測線的氣象氣壓值。由于技術(shù)人員操作的不規(guī)范、讀數(shù)偏差等各種因素的影響，可能引起氣象氣壓的測量存在偏差，這些偏差對(duì)全站儀測距精度的影響如何。通過對(duì)比氣象改正數(shù)對(duì)氣壓、干溫、濕溫的偏導(dǎo)數(shù)結(jié)果可知，干溫對(duì)氣象改正數(shù)的影響最大，其次為氣壓，影響最小的為濕溫。由于所使用的DHM2型通風(fēng)干濕表溫度分辨率為0．2℃，DYM3型空盒氣壓表分辨率為10hPa，通常情況下，溫度的測量誤差相對(duì)較小，氣壓的觀測誤差比較大。依據(jù)誤差傳播定律［7］，利用干、濕溫及氣壓的觀測值求得氣象氣壓的測距改正數(shù)，下面按照不同的氣象條件觀測中誤差，分析在參考?xì)庀髼l件下的氣象改正數(shù)中誤差，如表2所示。由表2可知，在氣象觀測較為理想時(shí)，如1、2情形，氣象改正中誤差不大于1ppm；在正常觀測情形時(shí)，如3、4情形，氣象改正中誤差不大于1．5ppm；在觀測較為不利時(shí)，如5、6、7情形時(shí)，氣象改正中誤差可達(dá)幾個(gè)ppm，對(duì)于精密測距時(shí)，此項(xiàng)誤差不可小覷，否則將導(dǎo)致無法滿足測量精度要求。由于氣壓測量的分辨率相對(duì)較大，通過對(duì)比3、4和5、6可知，氣象改正中誤差更多的是由于氣壓測量誤差引起的。還有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是，理論上講，載波的真實(shí)折射率應(yīng)該通過整個(gè)測線折射率積分取平均來求解，不過此真實(shí)折射率無法求解，在實(shí)際作業(yè)中，以測線兩端氣象元素均值求解折射率，這兩者之間必然存在一個(gè)差值，這就產(chǎn)生了氣象元素的代表性誤差［8］，導(dǎo)致測距誤差的持續(xù)存在。
3總結(jié)
通過以上公式推導(dǎo)及分析可知，全站儀測距時(shí)氣象氣壓條件對(duì)其測距有著較大的影響，當(dāng)實(shí)測氣象氣壓條件偏離參考?xì)庀髿鈮簵l件越大時(shí)，相應(yīng)的氣象改正數(shù)越大。通過對(duì)比氣象改正數(shù)對(duì)氣壓、干溫、濕溫的偏導(dǎo)數(shù)結(jié)果可知，干溫對(duì)氣象改正數(shù)的影響最大，其次為氣壓，影響最小的為濕溫。受氣象氣壓測量設(shè)備的影響，由于DYM3型空盒氣壓表分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DHM2型通風(fēng)干濕表溫度分辨率，溫度的測量誤差相對(duì)較小，氣壓的觀測誤差比較大，所以氣象改正中誤差更多的是由于氣壓測量誤差引起的。在進(jìn)行控制網(wǎng)布測等高精密測量時(shí)，一定要嚴(yán)格按照操作規(guī)范，測量實(shí)測時(shí)的氣象氣壓條件，并對(duì)測距結(jié)果進(jìn)行修正，以期得到較為精準(zhǔn)的距離測量結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
［1］董欽偉．氣象條件對(duì)全站儀測距精度的影響［J］．甘肅科技，2012，28（12）：40－41．
［2］王巖，劉茂華，顧悅婷．氣象條件對(duì)全站儀距離測量的影響分析［J］．測繪通報(bào)，2010年增刊：125－126．
［3］徐忠陽．全站儀的氣象改正及其公式推導(dǎo)［J］．2002年全國測繪儀器綜合學(xué)術(shù)年會(huì)，吉林長春．
［4］全站型電子速測儀測量規(guī)程（CHB5．8－2010）．總參謀部測繪局，2011－08－01：10－11．
［5］姚輝，陳夙穎．全站儀氣象改正公式及氣象元素測量精度對(duì)距離的影響［J］．2008年第四期，測通通報(bào)：14－16．
［6］孔祥元，郭標(biāo)明，劉宗泉．大地測量學(xué)基礎(chǔ)（第二版）［M］．武漢，武漢大學(xué)出版社，2014．7，313－314．
［7］王儂，過靜珺．現(xiàn)代普通測量學(xué)［M］．北京，清華大學(xué)出版社，2009．8：111－114．
［8］姚輝，陳夙穎．全站儀氣象改正公式及氣象元素測量精度對(duì)距離的影響［J］．2008年第四期，測通通報(bào)：14－16．
作者:李法鑫 馬文強(qiáng) 翟曉峰 單位:中國人民解放軍63883部隊(duì)
