无棱镜技术在施工土方量测量中的应用

The Application of Pr ismatic- fr ee Technology In PowerPlant Ear thwork Construction

Abstr act:With the widely use of total station, it is greatly improved that the survey accuracy. Especially the development ofprismatic - free technology , not only changes the previous survey means and method, but also improves the efficiency ofsurveying work. Earthwork measure can not be inevitable in construction process, so this paper introduces a prismatic - freemeasuring technology in measuring earthwork application of the Luohe power plant construction.Through experiments, weanalysis the prismatic- free measuring work efficiency, the precision and plicable condition.Key words:Prismatic- free Measuring; Earthwork; Volume Calculation; Accuracy Analysis

[摘要] 随着全站仪在测量中的广泛应用, 测量的精度有了很大的提高。特别是无棱镜技术的发展, 改变

了以往的测量手段和方法, 提高了工作的效率。土方量测量是施工过程中不可避免的, 为此本文介绍无棱镜测量技术在深圳龙岗洛美厂施工过程中测量土方量的应用情况,通过对比实验, 我们对无棱镜测量技术工作效率和成果精度以及适用条件进行分析。

[关键词] 无棱镜技术; 土方量; 体积计算; 精度分析

深圳龙岗洛美厂位于龙岗坪地。工程在实施过程中, 产生大量的废土,将挖出的土堆积起来以便回填, 由于其他的地方要求填方, 因此该堆填场的土方量变化周期很快, 而土方量测量是工程设计的一个重要组成部分。土方量直接关系到工程造价,所以计算起来一定要准确、符合实际。如何解决土方量的测量问题, 不但要保证测量的精确, 而且还要求能够节省时间和费用, 传统的方法有以下几个:

1) 通过丈量的方式来测定堆填场的体积。该场地西北两边都是深圳龙岗洛美厂的围墙, 由汽车运至现场, 土堆呈奇形怪状, 为较准确地测定土堆体积, 首先整形、然后丈量、最后所得体积极不准确, 是实实在在的“经验估算”。经验证, 误差在10%~20%之间, 而且方法笨拙、费时费工, 与要求的结果极不相称。2) 通过全站仪测定土堆体积。利用全站仪有棱镜模式测定土堆体积, 精度虽高, 但必须有反射棱镜配合作业, 观测员必须将棱镜立于每个测点上。而表述一个完整的土堆外貌, 至少需上千个有效测点, 这样,观测员不得不爬上爬下、非常劳累。而且, 观测时间长, 至少需一个工作日。无反射棱镜全站仪即不需要棱镜作为合作目标就可进行测距的全站仪。早在1990 年, 徕卡的DIOR3000 系列测距仪就已经实现了无反射棱镜测距。近几年来出现的掌上型激光测距仪, 像徕卡DISTO 系列和索佳的MM30 系列, 自然表面就可实现测距, 且精度都较高, 无反射棱镜全站仪把无反射棱镜测距技术与传统的全站仪结合在一起, 给测量工作带来了很大方便, 同时也引发了全站仪领域新的技术竞争。无棱镜全站仪的出现, 给测绘工作者提供了“土方量测量”最优解决方案。我公司采用徕卡TPS1200 全站仪进行了测量, 并与现代测绘理论相结合, 成功地测量出了该堆填场的土方量。

1 无棱镜测量技术及其适用条件

1.1 无棱镜测量技术简介无棱镜测量技术基于相位法原理,发出的激光束极为窄小,可以非常精确地打到目标上,保证高精度的距离测量。与有棱镜测量相比较,其优点是只要测点的反射介质符合无棱镜测量的条件,就不需要在测点上放置棱镜,即可测量出该点的三维坐标。此项技术在测量中得到了广泛的应用,它具有良好的技术规范:高精度(3mm+2ppm),大范围(使用柯达灰度标准卡,其范围可达180m), 具有可见的红色激光斑,以及很小的光束直径。为了达到出色的标准, 采用3R 级可见激光,并采用相位法无棱镜测距技术。由于对于国际激光标准来说,3R 类的激光器相对来说还是比较新的,它经常和3B 类的激光器混合起来使用。3R 级激光器是比较新的激光器标准,其安全性介于2 类激光器和3B 类激光器之间,包含更少的安全限制指导。从这个角度说,‘R’用来表示“要求的简化”。3R 类激光器无反射棱镜测距在应用中能够将测量的范围比采用2类激光器提高1 倍,对于测量人员提高作业效率来说是有利的。根据国际激光安全标准, 3R 类激光器操作人员应该注意不要使人眼直视激光束。当测量人员在触发测量键时, 激光器才能被激活, 测量完成就被关闭。当打开激光指示器时, 3R 类激光器也能够被激活。人眼暴露于这样的激光线中时, 自然的一些反应(例如: 瞳孔的缩小、斜视、视线的转移) 将或多或少的减少伤害, 这样, 人眼由于在无意中处于激光束中较长时间而导致受伤的可能性可以忽略不计了。1.2 无棱镜测量技术的适用条件(1)适用于通视条件好, 反射介质好的地方,在反射介质较暗, 吸光性太强, 反射条件不好等地方不宜使用无棱镜测量;(2)无棱镜测量技术适宜测量反射面的测点高程, 如岩石、房屋、公路等视线可及的地形、地物点高程;(3)无棱镜测量适用于视线没有任何障碍的地形地物测量, 若中间有障碍物则测量到的是障碍物的坐标、高程;(4 ) 无棱镜测量要耗费较大的电源, 外业时要准备充足的电源, 必要时配置外挂电源;(5) 施测过程中不要长时间通过目镜观测目标, 以免将眼睛长时间置于激光束中导致受伤;(6)无棱镜测量适用于人员难以到达、反射介质好的地形地物测量, 如悬崖、溪谷、客流大的公路、有剧毒的地物等。2 徕卡TPS1200 的特点及施测过程2.1 TPS1200 的特点徕卡TPS1200 是一款超长测程、超高精度具备多种功能且简单易用的全站仪。基于菜单的操作系统直观明了, 能够引导用户自主完成所需要的工作, 用户可以根据需要自行设定操作、显示和输出。TPS1200 提供了很多的机载程序, 如测量、设站、放样、坐标几何等, 可以用GeoC++ 编写专用的机载程序。测量原理是同轴可见红色激光相位测量, 无棱镜测程为500m , 测边精度为2mm+2ppm/ typ, 测角精度为2″。2.2 实测过程结合堆填场的实际情况, 堆填场中间有一固定建筑物, 我们在屋顶用导线布设了控制点, 在场地的东南方分别布设了控制点( 见图1) , 西北角由于有围墙, 堆填的有规律, 所以可以通过屋顶的点观测。坐标系可选择独立坐标系或国家坐标系。如选择独立坐标系时应注意其北方向正确, 以便在计算机内正确显示土堆的方位。基础控制点的选取与埋设应注意以下几个方面:A 距土堆在100 m 左右;b 便于观测和永久保存;c 基础控制点和土堆之间不应有任何遮挡物。2.2 观测在每一个基础控制点上, 利用Advantage, 分别对

土堆有效观测范围进行扫射( 见图1) 。如在基础控制点上, 扫不到土堆顶部, 可利用建筑物上的控制点, 以采集土堆顶部的有效数据。观测时应注意采集能表达土堆起伏的特征点, 如分水线、合水线、坡顶线、坡底线、上坎线、下坎线和凸凹处等等。一般来讲, 坡度大、起伏明显的区域, 点密度要求大一些, 而地形平缓的区域, 点密度可相应减小一些。采集的数据可以直接记录在Advantage 自带的PCMCIA 卡上,观测结束后,将数据传至笔记本,这种方式不需将笔记本电脑带至野外; 也可实时将采集的数据传输至笔记本电脑, 并在屏幕上显示目标点位置和动态显示土堆三维图形,这种方式可以及时验证观测的有效性, 方便粗差剔除。3 数据处理3.1 数据预处理由于仪器的性能、外界因素和操作员人为的因素, 采集的数据中难免包括一些无效点, 如空点、高程突变点和土堆边界以外的点等, 所以程序必须具有预处理功能, 以剔除无效点。剔除无效点, 基于两个原则:( 1) 平面点与多边形的几何关系;( 2) 三维模型图元之间的拓扑关系。3.2 数据处理采集到原始测量数据后, 通过南方CASS7.0 软件将数据传输到计算机里, 展点成图, 量算出各点的累距和高程, 转换成“累距/高程”格式*.HDM文件, 导入南方测绘CASS7.0,生成图软件, 数据预处理以后, 就可对其进行不规则三角网( TIN) 的构建, 生成DEM。根据DEM模型进行土堆体积的计算以及三维透视景观图的生成。可以设想, 土堆是由若干个竖三棱柱组成, 则土堆体积为各三棱柱体积之和。土堆体积: V=ΔV1+ΔV2+⋯⋯+ΔVn其中三棱柱体积计算公式: ΔV = S×M

S = [X1×(Y2- Y3)+X2×(Y3- Y1)+X3×(Y1- Y2)]/2

M= (Z1+Z2+Z3)/3

其中S――― 任意三角形投影在X Y平面上的面积;

M――― 三角形中心点的高程(; X1, Y1, Z1) (, X2 , Y2, Z2) ,( X3, Y3 ,Z3)―――三角形三个顶点的空间坐标。

3.3 实验数据

3.3.1 内符合精度检验同一观测员对同一土堆施测两次, 观测结果参见表1。

相对误差=(121542.328- 120378.526)/120378.526=0.96%3.3.2 短距离无棱镜测量的误差探讨无棱镜测量技术作为测绘界的一项新技术应用于生产, 其精度如何是人们最关心的问题。为此我们在视野开阔、反射介质较好的地方在IR 状态用红外光配合棱镜测距和RL 状态( 无棱镜测量) 采集两组数据。由于所测的距离不超过500m, 斜距的气象改正、加乘常数改正、倾斜改正、投影改正都非常小, 其影响可忽略不计。为此我们事先直接采集到的平距数据( 见表2) 。

由表2 可以看出, TPS1200 有棱镜测量的平距与无棱测量的平距基本一致, 相对中误差精度和测距较差比较小, 完全满足工程测量的精度要求。

5 结论通过此工程实践, 我们深刻体会到无棱镜测量技术在测绘行业的应用解放了生产力, 提高了工作效率。与常规体积测绘方法相比, 测量准确, 相对精度≤2%。若在同一工程中同时采用无棱镜测量技术和有棱镜测量技术, 只要在反射介质不符合条件的地方实行有棱镜测量, 凡是符合无棱镜测量条件的地方, 都可以直接测量, 不需要施测人员到达特征点放置棱镜, 大大节省了人力物力, 同样条件下, 节省了时间,加快了外业进度。

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