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远距离无棱镜测量精度分析
摘要：无棱镜全站仪使得一个人就能够进行实地测量同时更加容易测量无法到达的点，但是没有足够信息数据说明仪器进行远距离测量的精度。这篇文章尝试评估1000米距离内的免棱镜测量的精度，并确定在不同入射角下测量所需的表面积。该实验研究了表面材料，目标尺寸和入射角对距离测量的影响。在实验中，我们使用了10种不同的距离进行测量，目标材料6种，面积4种，入射角5种。为了保证结果的精度，设计制作了一种特殊的 支座来固定反射目标。在此实验结果的基础上进行了大量的精度分析，入射角在15度和30度之间，目标尺寸对实验有较大的影响。
关键字：精度；无反射棱镜；目标面积；物体材质；入射角
1.引言
全站仪广泛应用于地形测量、地形监测、土地利用，地貌变化监测和山坡大量废弃物监测 。它还用于工程放样，桥梁动态变形，文物资料监测等工程应用。20世纪90年代，一种强大的可见激光被用于任何物体的表面测量，且不需要使用后视棱镜。目前许多全站仪都集成了这种无棱镜激光测量技术。无棱镜全站仪使得一个人就能够进行实地测量，测量无法到达的点更加容易，这使得它被测量工作者广泛应用。它越来越成为一种标准的测量技术。为了确定无棱镜全站仪在近距离上的精度，进行了一些研究。无棱镜全站仪的有效精度距离100米，通过对其30米、60米、90米进行研究。
本文研究了靶材，靶尺寸和激光束入射角对1000米以上无反射测量精度的影响。采用6种不同材料，4种不同尺寸，5种不同入射角度的目标，对10种不同距离进行了一系列的实验测量角。将无棱镜测量与棱镜测量进行了比较，通过这些比较，进行精度分析，得出上述参数无棱镜测量影响的结论。
2.仪器和标志
本研究使用的全站仪为拓普康GPT-7501(7W2024)。它的无棱镜测量范围（1.5m-250m）精度5毫米以内和长距离正常测量范围（5m-2000m），精度在plusmn;（10mm 10ppm*d）,其精度测量模式的精度为plusmn;（2mm 2ppm*d）。在实验工作中，利用气象站天窗（编号21244）对温度，气压，湿度 进行了测量。本研究使用的材料选择出现在测量员工作地最常见的材料。6种不同的材料：混凝土、岩石、红砖、木材、钢材、铝为靶材；4种目标尺寸:5*5cm,10*10cm,20*20cm,30*30cm进行实验。这些目标都是矩形的，一边比另一边增加3厘米，以便在支撑基座上支撑目标，并保证上述尺寸的清晰区域,目标总数为24个，6种材料各4个不同尺寸的目标。
3.特殊的基座
必须有一个特制的支撑基座，以便能够合适准确地放置目标，因此设计了一个简单的U形截面基座,它宽2cm，深3cm，长20cm，背面有一个螺丝，便于固定材料。它是由不锈钢制造的，制造的目的是确保前平面的内表面必须在底部螺丝的中心。如图1所示,加入水平圆周，使目标旋转到目标表面激光束所需入射角。用反射片对设计的基底进行了标定。采用钢尺测距法向棱镜和全站仪测量10米和50米两段距离，用设计的底座和反射镜代替原棱镜。在反射板上重新测量距离，并与棱镜上的距离进行比较。测量到反射片的距离比在普通棱镜上测量的距离长1.0 mm。这意味着每一种材料的表面在视线方向上与棱镜中心的对应点有1.0 mm的系统偏差。这个数值必须从每次测量的距离中减去。因此，经过特殊支撑底座的校准后，可以用于实验，因为测量到棱镜的距离可以与测量到的任何其他材料的距离进行比较。
4.实验过程
实验步骤如下:
1）在国王阿布杜阿齐兹大学附近的街道上，在1000米的路线范围内每隔100米钉上钉子，如图2所示，有一堵墙与既定的线平行，相距约4米；
2）将仪器设置在第一个点上，将其设置修改为精细模式测量距离，重复测量10次；
3）棱镜以100米处的下一点为中心，将仪器设置为棱镜模式后测量仪器与棱镜之间的距离；
4）棱镜从三角架上拆下，安装在特殊的三家架上。仪器的望远镜在这些变化中没有移动，实验中使用的24个目标都是按目标尺寸依次安装在底座上，设置为无棱镜模式后测量到每个目标的距离，对5种不同入射角的激光进行了无棱镜距离测量，角度分别为0、15、30、45、60度；
5）接下来的9个点重复步骤3和步骤4，依次从距离200米到1000米；
5.实验结果
利用公式计算棱镜上的测量距离DP与各材料上的无棱镜测量距离DNP的差值，
(1)
∆D的可靠值由公式（2）所需的置信水平（x）确定
-X·sigma;(∆D) le;∆Dle;X·sigma;(∆D) （2）
（3）
是厂家对棱镜的距离的测量误差；是厂家无棱镜测量距离的测量误差；可靠值的
差值∆D的置信度95％。
本次实验仪器的指标：
正常模式下： = plusmn; 10.5 mm；远距离模式下：（1000米内）：plusmn; (10.2 to 20.1) = plusmn; (19.89 to 39.2) mm。
测量距离的差值∆D以mm为单位总结在表1到10.这一符号(------)表示仪器没有测量到目标的距离，或者在置信水平95％时这些∆D的数值是不可靠的。这些表总的来说无棱镜测量的距离短于棱镜距离测量，除了测量目标的大小为30cm*30cm，入射角30度、45度、60度时，这可能是因为激光束在目标上的发散，使得仪器无棱镜测量的距离比在棱镜上测量的距离长。表（一）显示测量700米入射角0度到500米入射角60度时，可以测量的目标大小为5*5cm和10*10cm。
距离1000米，入射角0度时到距离700米，入射角大于30度时，可以测量的目标大小为20*20cm；当测量距离多达1000米在入射角30度时可以测量大小为20*20cm的浅色目标。
在测量距离多达1000米，入射角0度和距离700米入射角大于45度时可以测量30*30cm大小的目标。测量距离1000米45度入射角时可以测量大小为30*30cm的浅色目标。如表1-10所示，钢靶的特性与浅色靶相反。特别是大于15度时，随着钢目标大小增加的能力反映了激光入射角度的影响减少，而距离50米可以测量钢质5*5cm和10*10cm大小的目标，距离大于200米时不能测量20*20cm和30*30cm目标大小，这可能是因为材料的吸收。
铝制目标有一个特性，因为它可以作为大小20*20cm和30*30cm的镜子,当入射角增加15度如表6和表8-10所示,表中出现较大偏差是由于激光束在铝靶上被反射到测量线右侧的墙体上如图2所示。
为了说明入射角对测量距离精度的影响，剔除误差值后计算所有材料的绝对偏差的平均值，不同目标尺寸的情况如图3所示，使用5*5cm、10*10cm、20*20cm、30*30cm大小尺寸的目标，所示图3（a）--（d）。图3显示了对于5*5cm大小的目标，入射角15度和30度几乎是相同的结果，结果表明45度和60度入射角偏差最大同时减小了测量范围。
图4为不同入射角下目标尺寸引起的测量距离偏差。入射角0度时，目标大小对距离的精确性没有影响，它影响测量范围。如图4（a）--（c）这表明，在入射角15度、30度之间，目标尺寸大小明显影响无棱镜测量的精确性。随着目标尺寸的增大，距离实测值的偏差减小。在入射角度45度和60度之间，目标大小对精度的影响很小。当增大目标尺寸如图4所示（d）和（e），测量精度略有改善，在入射角度60度时，减小了测量范围目标尺寸大小。
6.总结
这项研究评估了在城市测量作业中，观测目标对象由于不同的材料和现场条件的影响，长期使观察角不垂直于目标时无棱镜测量全站仪的精度，根据实验可得到以下结论：
1.实验的重点是支撑基座，其设计和制造是为了保证所有目标的正确放置，以及测量距离与真实值进行比较的可能性。
2.无棱镜测量的距离都比真实距离短。
3.5*5cm大小的标志可以用来测量距离700米入射角等于0度和距离500米入射角60度。
4.20*20大小的标志可以用来测量距离多达1000米入射角30度和距离700米入射角60度。
5.当入射角是0度时，目标大小对测量的精度没影响。
6.入射角15度和30度之间，入射角大小与测量精度成正比，入射角大于30度时对测距精度有较大影响。
7.30度的入射角不影响测量距离精度和测量范围。
8.入射角大于30度时，减少了测距的精确性，减小了测量范围。
9.钢和铝入射角大于15度时，测量范围与目标大小的增大，明显著降低了激光束的反射率。
10.铝可以作为入射角大于15度的目标标志
感谢
Thanks are due to Mr. Talal Al-Thebety and Mr. Said Hesiki for assistance in performing the field measure- ments.
参考文献
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