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马达测量机器人在山区地表移动观测中的应用

2024-09-05 3 上传者：管理员

摘要：文章针对传统全站仪在山区地表移动观测中效率、精度受约束的情况，把测量机器人应用到山区地表移动观测中，并结合案例提出主、副点观测方案，分析其平面、高程精度。结果表明，运用测量机器人平面精度可达到±5"导线的要求，高程精度可达到四等水准测量要求，可为类似工程提供借鉴。

关键词：
主、副点观测
地表移动
测量机器人
电磁波高程导线
超声波马达测量机器人
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传统的全站仪在山区地表移动[1]观测中工作强度大、效率低，随着测量机器人的普及，本文提出主、副点观测方案，与测量机器人一并使用，可以弥补传统观测方法效率低下、精度不高的不足。在使用过程中通过两次观测计算点位平面误差和K值检核，实现了在山区地表移动观测中采用测量机器人提高平面观测精度和电磁波高程导线精度，可代替常规四等水准测量。

1、主、副点观测方案

由于山区地形限制，观测线上的测点不可能都相互通视，主点观测是首先在测线（或测线侧方）上选择相互通视的关键测点形成一条闭（附）合导线，这些导线点称为主点。主点闭(附）合导线测设的起算数据是依据连接测量时施测的GNSS联测点，导线按±5"导线的要求进行，主点导线测量完毕，再将仪器分别置于各主点上，对与该主点通视的其他各点采用极坐标法观测，获得各副点的平面坐标。同时施测以不低于四等水准测量的精度要求的电磁波激光测距高程导线，从而获得每个观测点的三维坐标值，如图1所示。

索佳iX1201测量机器人应用到山区地表移动观测中，主、副点观测的主点在传统观测线侧方合理位置布置观测点，如图2所示，走向线侧方布置观测点L002，点位位置在满足测量机器人观测条件地基础上尽量布置在采动影响范围外。

图1 索佳iX1201测量机器人

图2 主点布设位置示意图

2、地表移动观测方法

索佳iX系列超声波马达测量机器人具有超高转速，每秒转速180°，测量效率较之前提升2倍，当目标进入望远镜视场且偏差在设定的自动照准限差内时，仪器停止转动，经图像处理计算出目标中心与十字丝中心的偏差值后直接对角度测量值进行补偿，快速完成目标的精确照准。该仪器自动识别目标、测量（水平角、垂直角、距离）目标和自动监测测记录观测数据。

索佳iX1201测量机器人的测角标称精度达到±-61″，测距标称精度（1 mm+1×10 D），外业观测时需使用温度计、空盒气压计获取气象条件，对测量距离、大气折光系数动态改正，提高观测精度。相比于普通全站仪，测量机器人具有自动照准功能，随机携带GeoPro Field软件产品配备多测回测角程序，测量机器人设站后观测步骤如下：

1）架站，常规对中整平；

2）学习测量，手动依次大致瞄准各观测目标，仪器自动学习并记录目标位置；

3）开始测量，设置角度和距离的限差值及测回数、温度、气压。开始测量后，仪器快速完成目标的精确照准，并记录相关数据；

4）内业平差计算，下载观测记录进行常规导线、高程平差计算。

3、应用验证

3.1 主要技术指标

山西晋中某矿山的开采沉陷观测站设置半条走向观测线、2条倾向观测线，其观测工作分为：观测站的连接测量、全面观测、日常观测工作和地表破坏的测定及编录。开采沉陷观测采用索佳iX-1201超声波马达测量机器人，全面观测高程获取采用电磁波测距高程导线测量，按《国家三、四等水准测量规范》中的四等水准测量要求，垂直角依据规范[7]，采用中丝法变动目标高共观测4测回，2次读数差≤2″，同一方向垂直角互差≤5″，指标差互差≤5″；斜距观测2个测回，1测回4次读数间较差≤10 mm，测回间较差15 mm，测距边长在200～400 m之间；在测前、后对仪器高和目标高各量取1次，互差不超过3 mm，每测站记录了温度和气压，用于气象改正。导线按±5″要求，水平角观测2C互差≤18″，测回间同方向互差≤12″，半测回归零差≤12″，变动目标高共观测4测回。马达测量机器人观测一站5个方向需要8分钟，传统全站仪观测需要30分钟，效率提升近4倍。

3.2 平面精度分析

为了验证测量机器人的观测成果精度和效率，选择2个测站的水平角、距离观测数据进行分析，如表1所示。架站后，固定后视方向，前视设三脚简易对中杆，第一次观测时水平角、垂直角、斜距观测2个测回；第二次观测2个测回，前视方向变换目标高（一般与第一次相差0.2 m，对中杆有刻度）。V1、V2、V3分别表示该水平角各次观测值与算术平均值之差，由于第一次观测过程中测量机器人、后视方向及三脚脚简易对中杆均未动，显然mB1只包含测角误差，不含对中误差。第二次观测时，仪器与后视固定，前视方向变换目标高重新对中，此时mB2中包含测角误差及1个目标对中误差（mEA),E为目标A对中线量误差。从表1数据可见，第一次观测时测角误差基本小于±1″，2次对中误差随着每个点位环境因素、操作者不同而不同，为第一次测角误差的2～5倍，当测角误差为±5″，距离为600 m时，点位误差达0.015 m，可见对中误差占主要比例。为了提高观测精度，应提高对中精度，且测角误差应控制在5″内，前视距离应在300 m范围内为宜。

表1 测角中误差与对中误差计算表

3.3 高程精度分析

电磁波测距高程导线传递高程灵活方便，在一定条件下可替代三、四等几何水准测量。相比垂直角误差和边长误差，大气折光的影响最大，大气垂直折光系数主要取决于视线路径上的大气密度分布和温度梯度，与时间和环境变化具有较强的相关性，很难用一个确定的函数模型实时求定大气折光系数[2-4]。

大气垂直折光系数K值的动态变化，导致不采取其他技术措施的单向观测难以达到等级水准要求；对向观测在条件类似的观测环境下，可以较大消除K值影响，也是规范规定的方法，但视线两端K值符号相反时，垂直折光影响非但不能消除，反而取平[5]均会把高差算大或算小。采用隔点设站的方法，K值趋于相等，能够较好地消除大气折光影响，达到等级水准要求。而在地表移动观测工作中，较难采取对向和隔点设站观测方法，因此多数单位选择单向观测方法，并通过计算K值来检核其影响，提高观测成果的精度和可靠性。

在对向观测的测量点间观测垂直角，设由对向观测测得的高差为h[6]，根据垂直角观测值计算两点间的高差h0，如果C值取正确，两种方式将得到相同的高差值，即：

如表2所示，在实际计算时，一般先假定一个值C0,代入（1）式算出高差的近似值h0，即

公式（1）、公式（2）等式两边相减得：

令公式（3）中C-C0=△C，再加上近似值C0就可得到C值，暂且假定C0=1/(2×6369000)=-7.9E-08。

垂直角观测2个测回，前视方向变换目标高（一般与第一次相差0.2 m）。从表2数据来看，L009设站大气垂直折光系数为正值，视线向下弯曲；L002设站大气垂直折光系数为负值，视线向上弯曲。通过两次变换目标高的观测高差小于10 mm，把变换仪器后观测的两次高差相减得到不符值，计算每千米高差测量偶然中误差=2.9 mm（取158个测段数，文中数据未列），可达四等水准测量精度要求。

表2 电磁波测距高程导线单向观测K值检核表

4、结语

1）通过分析马达测量机器人在山区地表移动观测中的应用，平面精度、高程精度可满足相关规范要求，利用马达测量机器人可降低技术人员眼看手记的工作强度，观测效率提升近4倍，可为类似山区地表移动观测的工程应用提供借鉴。

2）本次误差分析限于篇幅只讨论了绝对点位误差，还应分析各监测点在观测线上的相对点位误差及不相关（不同主点测量的监测点间）的2个监测点的相对误差。

3)K值计算方法采用的已知高差为电磁波测距高程导线成果，采用等级水准获取计算出的K值更准确。在实际工作中，要选择适当的方法，并通过多种方法检核，减弱大气折光影响，提高观测成果的精度和可靠性。

参考文献:

[1]何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991.

[2]龙四春,袁帅华.大气折光系数修正与高精度三角高程测量[J].公路交通科技,2009,26(6):93-97.

[3]王晨,胡帅鹏.三角高程测量中大气垂直折光影响实验研究[J].城市勘测,2018(3):73-76.

[4]刘麦喜,隋立芬,王威.干旱区大气折光对三角高程测量精度的影响及分析[J].海洋测绘,2006(2):13-15.

[5]张晓沪,陆学智.EDM三角高程测量在变形监测中对大气垂直折光影响的研究[J].工程勘察,2008(9):49-54.

[6]孔祥元,郭际明.控制测量学[M].武汉大学出版社,2015.