气象气压对全站仪测距影响研究范文

《北京测绘杂志》2016年第4期

摘要：

全站仪利用调制电磁波进行测距，受电磁波折射率的变化进而影响其测距精度。本文首先推导了影响全站仪电磁波折射率的气象改正公式，利用该公式计算了全站仪测距时的气象改正数，接着进一步推导出全站仪气象改正公式在参考气象条件下的偏导数，依据误差传播定律，分析了不同观测误差情形时的气象改正中误差。结果表明：实际气象情形越偏离参考气象条件时，相应的气象改正数越大，在实际的全站仪测距中，由于气压测量的误差相对较大，气象改正误差更多的取决于气压测量的精度。

关键词：

全站仪；气象气压；测距

1引言

工程施工中，全站仪的使用改变了传统测量方式，它不但能同时进行角度和距离的测量，并能进行测量数据计算改正、记录、显示和传输，配合电子记录手簿，可以自动记录、存储、输出测量结果，使测量工作大为简化，还能够减小甚至克服光学测量仪器所无法避免的部分误差，有效提高了测量精度。但是，随着高精度全站仪的日趋平民化，多数施工测量采用的全站仪为I级仪器（测距中误差≤5mm），这往往会使得技术人员忽略《工程测量规范》中规定的看似无足轻重、实际却严重影响测距精度的因素，如气象气压条件改正误差、仪器的系统误差改正（如加乘常数改正）、归算改正等［1］。全站仪电磁波测距是在地球的自然表面上、实际的大气条件下进行的，测得的只是距离的初步值，需要加上这些改正项才可得到较为精确的距离测量结果。对于一般的工程测量，即使忽视一些影响因素也能够满足工程测量的精度要求，但是在高山地区或进行高精密、变形监测测量时，依然忽视这些影响因素，将会大大降低测量成果的精度，以至于不符合测量规范的要求，本文将主要研究气象气压对全站仪测距精度的影响。在董钦伟的《气象条件对全站仪测距精度的影响》中，主要分析影响全站仪测距时气象气压元素的求解公式。在王岩、刘茂华等的《气象条件对全站仪距离测量的影响分析》中，主要论述了大气改正数的计算及气象条件对全站仪有无棱镜测距的影响对比。在姚辉、陈夙颖的《全站仪气象改正公式及气象元素测量精度对距离的影响》中，简要分析了气象气压对全站仪测距中误差的影响，但其缺少结合实际气象气压测量设备测试精度对全站仪测距精度的讨论。该文将从全站仪电磁波测距的基本原理入手，由于电磁波测距精度受所使用仪器测距时大气折射率的影响，而影响电磁波折射率的因素主要包括干、湿温及气压值，文章首先推导出影响全站仪精密测距的气象改正公式，并给出了徕卡TPS1000系列全站仪的气象改正相对值公式，接着以实际测距时测量的气象气压条件，利用该公式求解出该类型全站仪相应的气象改正数的大小，进一步论证了气象改正对全站仪精密测距的重要性，由于全站仪气象气压的测定精度受所使用测量设备的限制，根据误差传播定律并结合测量中全站仪气象气压的实际测定情况，分析了气象气压测量精度对全站仪精密测距的影响，这将有助于大家对气象气压对全站仪精密测距有一个全新的认识，同时也有利用指导工程实践。

2气象气压对全站仪测距精度的影响

为了清晰说明气象气压对全站仪测距的影响，在这里抽选几次作者曾参与的大地测量任务，从表1不难看出气象改正对全站仪测距精度的重要性，当实际气象气压接近其参考条件时，测距的气象改正数较小，当实际气象气压越偏离全站仪参考条件时，测距的气象改正数越大，甚至能够达到几十ppm，所以在实际测量中，特别是精度要求较高时，必须对测距结果进行气象改正。然而当前，在实际的测绘作业中，常使用DYM3型空盒气压表、DHM2型通风干湿表测定测站点和目标点上的气压与干、湿温值，将两点之间的气象气压取平均，得到整个测线的气象气压值。由于技术人员操作的不规范、读数偏差等各种因素的影响，可能引起气象气压的测量存在偏差，这些偏差对全站仪测距精度的影响如何。通过对比气象改正数对气压、干温、湿温的偏导数结果可知，干温对气象改正数的影响最大，其次为气压，影响最小的为湿温。由于所使用的DHM2型通风干湿表温度分辨率为0．2℃，DYM3型空盒气压表分辨率为10hPa，通常情况下，温度的测量误差相对较小，气压的观测误差比较大。依据误差传播定律［7］，利用干、湿温及气压的观测值求得气象气压的测距改正数，下面按照不同的气象条件观测中误差，分析在参考气象条件下的气象改正数中误差，如表2所示。由表2可知，在气象观测较为理想时，如1、2情形，气象改正中误差不大于1ppm；在正常观测情形时，如3、4情形，气象改正中误差不大于1．5ppm；在观测较为不利时，如5、6、7情形时，气象改正中误差可达几个ppm，对于精密测距时，此项误差不可小觑，否则将导致无法满足测量精度要求。由于气压测量的分辨率相对较大，通过对比3、4和5、6可知，气象改正中误差更多的是由于气压测量误差引起的。还有一点需要强调的是，理论上讲，载波的真实折射率应该通过整个测线折射率积分取平均来求解，不过此真实折射率无法求解，在实际作业中，以测线两端气象元素均值求解折射率，这两者之间必然存在一个差值，这就产生了气象元素的代表性误差［8］，导致测距误差的持续存在。

3总结

通过以上公式推导及分析可知，全站仪测距时气象气压条件对其测距有着较大的影响，当实测气象气压条件偏离参考气象气压条件越大时，相应的气象改正数越大。通过对比气象改正数对气压、干温、湿温的偏导数结果可知，干温对气象改正数的影响最大，其次为气压，影响最小的为湿温。受气象气压测量设备的影响，由于DYM3型空盒气压表分辨率远远大于DHM2型通风干湿表温度分辨率，温度的测量误差相对较小，气压的观测误差比较大，所以气象改正中误差更多的是由于气压测量误差引起的。在进行控制网布测等高精密测量时，一定要严格按照操作规范，测量实测时的气象气压条件，并对测距结果进行修正，以期得到较为精准的距离测量结果。

参考文献：

［1］董钦伟．气象条件对全站仪测距精度的影响［J］．甘肃科技，2012，28（12）：40－41．

［2］王岩，刘茂华，顾悦婷．气象条件对全站仪距离测量的影响分析［J］．测绘通报，2010年增刊：125－126．

［3］徐忠阳．全站仪的气象改正及其公式推导［J］．2002年全国测绘仪器综合学术年会，吉林长春．

［4］全站型电子速测仪测量规程（CHB5．8－2010）．总参谋部测绘局，2011－08－01：10－11．

［5］姚辉，陈夙颖．全站仪气象改正公式及气象元素测量精度对距离的影响［J］．2008年第四期，测通通报：14－16．

［6］孔祥元，郭标明，刘宗泉．大地测量学基础（第二版）［M］．武汉，武汉大学出版社，2014．7，313－314．

［7］王侬，过静珺．现代普通测量学［M］．北京，清华大学出版社，2009．8：111－114．

［8］姚辉，陈夙颖．全站仪气象改正公式及气象元素测量精度对距离的影响［J］．2008年第四期，测通通报：14－16．

作者:李法鑫 马文强 翟晓峰 单位:中国人民解放军63883部队