测距反射片测量精度的实验研究

杨为民 朱海华

（河南科技大学 土木工程学院，洛阳 471023）



测距反射片测量精度的实验研究

杨为民 朱海华

（河南科技大学 土木工程学院，洛阳 471023）

摘 要：工程测量中，通过直接粘贴在被测物体表面的测距反射片与免棱镜全站仪结合，即可实现距离测量。而以不同的入射角度和不同的竖直角观测时，测距精度会受到一定的影响。通过设计实验模型，对全站仪在反射片条件下的测距精度进行实验研究，找出在何种观测条件下可以取得较好的精度，并对实验数据进行分析，得出一些对工程实践有参考价值的结论。

关键词：测距反射片 观测条件 测量精度

引言

随着全站仪在测量中的广泛运用，一些相应的问题也随之而来。在一些常规的测量中，我们必须要做的一项工作就是定向。需要去后视点架设棱镜，并且要专人去做，还要花费相应的时间。更重要的是，实际中有很多地方架设棱镜非常困难且危险，如在密密麻麻的钢筋网架、隧道的墙壁、车水马龙的路面上、深大基坑的边缘等。免棱镜全站仪是不需要棱镜作为合作目标就可以进行测距的全站仪，是免棱镜测距技术与传统全站仪的结合。同以往的全站仪或免棱镜测距仪相比，具有测距速度快、测程远、效率高、适用范围广、安全性能高等优点，因而在地籍测量、地形测量、工程断面测量、建筑物倾斜测量等方面得到了广泛应用[1]。自贴式反射片可以直接粘贴在被测物体的表面，避免架设棱镜的困难和危险，达到棱镜测量的同等精度，且具有安置方便、耐用、成本低、适合长期布设的优点。它与免棱镜全站仪配合，是完成特殊情况下测量工作的最佳工具。因此，测距反射片广泛应用于隧道、桥梁、地铁、建筑等工程领域的测量工作中。

1 实验的目的及内容

测距反射片主要用于距离测量中。在对一些几何体、变形体、立面倾斜、平整度等测量过程中，由于它可以直接粘贴在所测物体表面，使得观测点位置不会发生变化，保证了每次能观测在同一位置，使用起来非常方便。但同样由于其不可移动和转动，在基准点位有限的情况下，从不同角度照准目标，特别是具有较大仰俯角度时，可能会对所测距离精度产生一定影响。同时，在有些入射角度很大的情况下，可能无法测出距离。基于这种情况，很有必要设计一种实验模型，找出在怎样的观测条件下可以观测并可取得较好的精度，并对测距结果的精度进行分析研究以指导工程实践。

在一根钢尺上设计位置粘贴反射片，并在钢尺下端悬挂重物，将钢尺上端固定在某一楼房的高位，使钢尺在荷重作用下自然下垂，尺面成为一个铅垂面。在天气良好无风力影响的情况下，通过与尺面形成不同的角度和位置进行距离测量试验，获取距离测量数据，并对数据进行统计分析。

2 实验模型设计

2.1 全站仪与反射片的选择

根据实验的基本要求和实验室条件，选择一台日本索佳公司生产的全站仪SET2110Ⅱ作为测距仪器。SET2110Ⅱ以红外光作为载波信号，具备用棱镜和反射片作为反射装置进行测距的功能。试验主要测试反射片。为保证精度，试验使用索佳品牌规格为10mm×10mm的反射片，30m钢尺一把，尺面平整无扭曲。

2.2 试验场地的选择

试验场地的选择是影响试验结果的关键。理论上，选择在室内最为理想，因为这样可以避免风力的影响。但由于场地悬挂钢尺需要较高的空间，具备可悬挂重物，下端可安置仪器，同时周边有较大空地，所以选择室内试验不现实。最终，试验场地选择在校园某一教学楼附近。

2.3 钢尺的悬挂与反射片的粘贴

如图1、图2、图3所示，从教学楼某一层阳台向下悬挂钢尺，顶端固定在阳台上，零尺端向下悬挂一16KG的混凝土试块。待无风且重物完全停止摆动时，小心将重物固定，保持尺面铅垂。考虑到楼房的高度有限，尺子悬挂太长容易摆动，在与仪器大体等高的位置（尺子刻划0.8m）粘贴反射片，然后每向上3m粘贴一反射片，粘贴位置分别是0.8m、3.8m、6.8m、9.8m、12.8m、14.5m，14.5m已到悬挂尺子顶端位置。尺子下垂稳定后，再用全站仪从两个垂直方向校正，以确保尺子位于铅垂线方向。

图1 钢尺底端

图2 钢尺顶端

图3 粘贴的应变片

2.4 测站位置的确定

如图4所示，虚线表示与反射片在同一直线的方向。然后，以该方向为基准线，每间隔15°、28°、45°、68°、90°、120°、150°、165°方向。考虑到仪器仰角不可过大（不超过30°），如反射片高度为15m，则仪器距反射片的水平距离以不小于26m为适宜。但由于场地所限，各观测点位距反射片水平距离分别在20m左右，分别在A、B、C、D、E、F、G、H各点设置测站对各反射片进行观测。考虑到钢尺即使在无风的情况下也可能产生微小摆动，距离测量模式将选用连续多次观测取平均数的方法获得。仪器中设定的观测次数为5次，均值精确至0.1mm，如此连续观测3次。

图4 测站位置示意图

2.5 现场测量结果及精度计算

由于天气条件的影响，在H点无法观测。又因沿水平面和铅垂面内入射角的影响，A测站只得到一组数据。此外，B、G测站得到四组数据，C、D、E、F测站各得到六组数据。对A～G测站的观测数据进行整理（如表1所示），利用白塞尔公式（见式1）分别计算得到各测站观测值的中误差[2]。

表1 观测成果表

3 实验数据处理及误差分析

3.1 数据处理

把表1中的距离平均值部分分别以0.1mm为单位。由于前四位数字相同，只保留后两位数，利用EXCEL折线图形表示出在不同测站通过不同竖直角测得距离变化的规律，如图5所示。

3.2 误差分析

图5 不同测站观测不同点位距离的变化规律

从图5可以看出，随着高度角的变化，所测距离均产生了一定变化。这样的结果一方面说明了测量误差的存在，另一方面也说明了在入射角较大时可能对测量结果产生一定的影响。（1）实验场地建在室外，不可避免要受到自然环境如阳光、风力、人和车流等因素的影响，特别是前两者。阳光长时间照射钢尺会使其产生变形；仪器局部受热会易导致水平气泡产生偏离；风力会使尺子摆动，造成反射片移位。这些因素都会导致测量结果产生不同程度的误差。（2）钢尺下端尽管悬挂16KG的重物保证尺面平展，但试验时受天气条件的影响，钢尺和反射片不可能达到绝对的铅垂。试验时，微小的风力也会使尺子出现抖动，只能等尺子静止时方可观测读数。因为尺子是否完全静止，也会影响到测量结果。（3）当竖直角过大时，仪器视准轴绕横轴旋转成一倾斜面，无法形成一个竖直面。同时，大气垂直折光的变化会导致视线的变化，从而导致竖直角发生变化，最终使水平距离出现一定误差。

4 结语

试验时采取多种措施，取得了最后的观测结果。但是，受试验条件和环境的限制，观测结果不能完全令人满意。尽管如此，从试验结果中也得到一些结论，对工程实践具有一定的参考价值。第一，当仰角在15°之内时，所测的距离可以认为没有变化；随着仰角的增加，仪器误差会显现出来，导致水平距离出现一定误差。因此，在精度要求较高时，尽量使仰俯角不超过15°。第二，当入射角大于30°时，测距误差明显增加。因此，利用反射片进行距离测量时，应尽量使视线垂直于反射片。

参考文献

[1]夏立福，李井春，胡友健，等.免棱镜全站仪测距精度性能的测试及精度分析[J].空间地理信息，2008，（2）：133-135.

[2]曹辉.土木工程测量[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

Experimental Study on Measuring Accuracy of Range Reflector Sheet

YANG Weimin,ZHU Haihua
(College of Civil Engineering , Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023, China)

Abstract:In engineering survey, the range reflector sheets are pasted on the surface of measured object, distance measurement is conducted by non-prism total station instrument. With different incident angles and different vertical angles, the measuring accuracy can be affected. By designing the model of experiment, the accuracy of distance measurement is studied using total station instrument and reflector sheet. It is found out that the observation conditions affect on the accuracy of distance, and anal yzing the experimental data, some conclusions a re obtained which have reference value for the engineering practice.

Key words:range reflector s heet,observation condition, measuring accuracy

基金项目：河南科技大学实验技术开发基金（SY0304033）。