无棱镜全站仪在城市规划测量中的应用及精度分析

黄基峻

（广西机电工业学校，广西 南宁 530023）

0.引言

城市规划测量是我国城市建设不可或缺的工作，尤其是城市规划核实测量，作为城市工程建设信息化管理的重要一环，能够为自然资源和规划管理部门依法行政审批提供客观真实的数据资料。规划信息数据测量采集的高效性、准确性，直接影响着规划审批决策的科学性和准确性。

近年来，随着GNSS-RTK技术的不断发展，其在城市规划测量中的应用愈加成熟[1]，极大地方便了城市地物信息的采集工作。但由于城市中地物较为复杂，高楼耸立，严重影响了RTK测量精度，并且存在某些特殊区域，测量人员无法在地物特征点位置架设测量棱镜，供全站仪直接观测[2]。为适应城市规划测量中的复杂环境，当某些地物点测量人员无法到达时，可采用全站仪无棱镜测量模式，在保证测量人员人身安全的条件下，有效获取城市地物点坐标信息。

无棱镜全站仪因其自身所瞄即所测的特点，所以在地形测绘、工程测量等领域得到了较为广泛的应用，尤其是在一些测量人员无法立杆立镜的复杂环境下，采用全站仪无棱镜测量模式，保证了测量人员的安全，又大大提高了外业测量效率，具有无可比拟的优势[3]。虽然无棱镜全站仪相对其他测绘技术而言具有较多优势，但测量成果的准确性一直是备受争议的问题。本文以某城市规划测量实际工程项目为例，在城市规划测量过程中，分别采用全站仪目标棱镜测量模式、无棱镜测量模式、RTK测量模式对城市地物信息进行独立采集，以全站仪目标棱镜测量模式下的测量数据为真值，对无棱镜测量模式和RTK测量模式进行精度分析，并综合对比全站仪无棱镜和RTK测量模式的特点。

1.全站仪无棱镜测量

1.1 测量原理

全站仪的测量模式主要分为两种，分别是反射标识测量和无标识测量。反射标识主要包括反射片、棱镜等，而无标识测量无需在测点位置布设任何标识物，所瞄即所测[4]。两种测量模式的原理并无差别，测量原理（如图1所示）。假定点A(XA,YA,ZA)为全站仪设站点，B为过A点铅垂线上的一点，为全站仪实际架设位置，与A点的距离为Hi（仪器高）；以过A点的铅垂线为坐标轴Z轴，观测角水平角置零方向为坐标轴X轴，依照左手法则[5]，确定坐标轴Y轴，建立空间直角坐标系。

图1 全站仪无棱镜测量原理

假定点P为待测量点位，Hz为P点天顶距，Hz为全站仪所观测的水平角，S为全站仪至待测点P的空间距离（斜距），则P（XP，YP，ZP）的空间坐标如式（1）所示：

1.2 无棱镜全站仪特点

全站仪无棱镜测量因其自身测量过程的便捷性，一直以来都是全站仪在测量过程的重要发展方向。全站仪无棱镜测量主要有以下优缺点：

（1）无棱镜测量优点：在城市规划测量外业工作中，某些测量人员无法达到的区域，在不布设反射工具的情况下可以进行无棱镜测量，保障外业测量人员的人身安全，方便外业数据采集工作的推进；无需测量人员在每个地物特征点处架设棱镜，极大提高了测量效率；

（2）无棱镜测量缺点：全站仪为光学仪器，通过所发射激光束来确定待测点位的空间位置信息，棱镜、反射片等反射工具对于激光束的反射较为理想[6]，但无棱镜测量模式下，测量结果容易受到反射物体折光度的影响，在光线较暗或被测物体表面颜色较深时[7]，使用全站仪无棱镜测量模式对目标物进行测量，容易产生较大误差，从而使得测量精度较低，难以满足测量要求。

1.3 误差分析

依据全站仪测量过程中误差的表现形式，将测量误差分为系统误差、偶然误差和粗差三大部分。粗差普遍偏差较大，基本可以人为剔除或通过建议过滤算法剔除[8]；偶然误差有一定规律可循，一般呈正态分布，可利用多次测量取平均值降低误差影响；系统误差一般包括自身误差、气象环境误差以及人为因素误差等[9]。

全站仪目标棱镜测量模式下，除以上误差外，还需考虑测量棱镜常数误差影响。不同类型棱镜的补偿常数存在差异，且棱镜在长期使用过程中的保存不当也会影响补偿常数，故每次使用前均需要对棱镜常数进行重新标定，获取最新补偿常数，防止常数变化对测量结果造成影响。

而对于全站仪无棱镜测量模式而言，由于不需要在待测点位置架设反射棱镜，因此不存在棱镜补偿常数变化的影响。影响无棱镜测量成果精度的因素除全站仪测量系统误差外，还需要重点考虑被测物体材质及颜色等。通过设计相关实验并结合工程实际测量结果发现，在被测物体表面较为粗糙、颜色较深、光线较弱的情况下，全站仪无棱镜测量精度较差，其原因为此类材质对激光束的反射程度相对较差，从而降低了全站仪测量的精准度[10]。故在城市规划测量外业数据采集过程中，需避免采用无棱镜测量模式对此类地物的测量。

2.实例探究

2.1 外业数据获取

本次研究选用城市内的某新竣工小区为研究对象。该小区整体面积不大，东西方向长度约为560m，南北方向长度约为360m，共计包含18栋高层住宅，其中18层住宅8栋，23层住宅10栋。小区内部整体地势较为平坦，楼层高度相对较高，楼间距较小。

为研究全站仪无棱镜测量模式在城市规划测量中的可靠性和数据准确性，本次研究分别采用全站仪目标棱镜测量模式、无棱镜测量模式以及高精度RTK对该小区进行实地测量，以全站仪目标棱镜的测量结果为真值，对无棱镜测量和RTK测量成果进行综合分析。为追求测量成果的准确性，本次研究过程中采用SOKKIA NET05AXⅡ全站仪进行测量。该全站仪加入自主角度校正系统(IACS)，提供更加可靠的角度测量数据，且具有自动搜索照准功能，能大大提升全站仪目标棱镜测量效率。精度参数（如表1所示）：

表1 全站仪测量参数

在小区内选取了12个具有明显特征的地物点，分别采用全站仪目标棱镜测量、无棱镜测量和RTK测量方式获取地物特征点的空间三维坐标，原始数据如下（如表2、表3和表4所示）：

表2 全站仪目标棱镜模式下坐标测量数据

表3 全站仪无棱镜模式下坐标测量数据

表4 GNSS-RTK模式下坐标测量数据

2.2 精度分析

为评估全站仪无棱镜测量模式在城市规划测量中的可靠性和准确性，需对其相对精度和绝对精度分别进行分析评定。相对精度即无棱镜测量模式下数据成果与真值的相对变化和相对准确性，以全站仪目标棱镜测量结果为真值，对无棱镜测量成果的相对精度进行评定；绝对精度即为无棱镜测量成果的平面和高程中误差，分别计算无棱镜和RTK测量成果的中误差，判断是否满足规范要求，并对比无棱镜和RTK测量方式的差异和各自的适用性。

2.2.1 相对精度分析

本次研究采用0.5″的高精度全站仪，故在目标棱镜测量模式下，数据成果较为可靠，以该成果数据为真值，判断无棱镜测量模式和RTK测量模式下的数据成果的可靠性，研究其相对精度。全站仪无棱镜和RTK测量成果与全站仪目标棱镜下的坐标偏差分别如下（如图2、图3所示）：

图2 全站仪无棱镜和有棱镜测量成果坐标偏差

图3 GNSS-RTK和全站仪有棱镜测量成果坐标偏差

由图2、图3可知：相同地物特征点全站仪无棱镜测量模式下的数据成果与全站仪目标棱镜测量成果对比，平面坐标最大差值为1.80cm，平均差值为0.995cm，高程最大差值为-1.40cm，平均差值为0.791cm；GNSS-RTK测量模式下的成果数据与全站仪目标棱镜测量成果平面点位差最大值为-2.80cm，平均差值为1.327cm，高程差最大值为3.10cm，平均差值为1.782cm。故全站仪无棱镜测量模式测量成果相对精度较高，与全站仪目标棱镜测量结果相差较小；全站仪无棱镜测量成果相较于RTK测量数据而言稳定性较高，数据波动较小，主要原因在于在城市中，GNSS-RTK信号相对较差，尤其是高程测量结果，误差相对较大，而全站仪无棱镜测量模式，可有效弥补RTK高程数据精度较差的不足。

2.2.2 中误差分析

在研究全站仪无棱镜测量成果精度时，测量数据的平面中误差和高程中误差是最为关键的精度指标。《城市测量规范》中规定：民用建筑竣工测量点位中误差不应大于5cm，以下对全站仪无棱镜测量和RTK测量成果的中误差进行分析计算，计算公式如式（2）所示：

式（2）中，M（x，y）为地物特征点的平面坐标中误差，Mz为地物特征点高程中误差；Xi、Yi、Zi分别为全站仪目标棱镜测量模式的地物特征点三维坐标，xi、yi、zi分别为全站仪无棱镜测量和GNSS－RTK测量模式下的地物特征点三维坐标；n为地物特征点数量。

分别将表2、表3、表4中的测量成果数据代入式（2）进行计算，可得全站仪无棱镜测量数据成果的平面中误差为1.041cm，高程中误差为1.274cm；GNSS-RTK测量模式下的数据成果平面中误差为2.183cm，高程中误差为3.029cm。全站仪无棱镜测量成果和RTK测量成果的平面中误差和高程中误差均小于5.0cm，故两种测量方法均满足规范要求。而相对于RTK测量成果，无棱镜全站仪测量成果绝对精度更高，主要是因为小区内楼房较高，对RTK测量成果产生了较大影响。RTK测量因其测量过程方便快捷，可有效提高外业测量效率，在一些信号较弱、测量人员不便达到的地方，可结合全站仪无棱镜测量方法，进一步提升作业效率，降低作业强度，有较高的适用性。

3.结束语

本文对全站仪无棱镜测量技术在城市规划测量中的应用进行详细阐述，分析无棱镜全站仪测量方法的原理和误差来源，并通过工程实例对无棱镜全站仪的测量成果进行精度分析，结果表明无棱镜全站仪的测量成果精度较高，与全站仪目标棱镜的测量成果相差较小；且相较于RTK测量成果而言，全站仪无棱镜测量成果在数据精度和稳定性上均具有较大优势。故在城市规划测量过程中，针对测量人员较难架设反射标识和RTK的地物特征点，可采取全站仪无棱镜测量方法，将全站仪无棱镜测量方法和GNSS-RTK测量方法有效结合，在保障测量人员自身安全的条件下，可大幅度提高城市规划测量效率，降低外业作业强度。