幾種精密工程測量技術方法及精度的分析

黎 曦 湯麗瓊

（江西環境工程職業學院，江西 贛州 341000）

0 前言

精密工程測量，主要是指結合現代測繪科技的新進展，研究和解決大型工程或特種工程對測量的高精度、可靠性、自動測控等各個方面要求的測量科學。它代表著工程測量的新進展和先進技術，雖然如此，但仍然是在測量學的基本理論和方法指導下的測量技術，以各種測繪儀器及設備，測角、測邊、測高程，進而獲得各點的三維坐標或進行施工放樣和求取位移等一序列需要的測量信息。另外，在對精度的更高要求以及解決測值可靠性及安全監控諸方面，傳統的工程測量是難以滿足和不能實現的。近幾十年來，隨著科學技術的飛速進步和建設事業的迅猛發展，各種前所未有的巨大工程及建筑群體紛紛涌現。對這些新型的大型建筑群體來說，為適應現代工程建設的需要，緊跟現代化經濟建設的發展，要求精密工程測量也應同步發展。

1 精密工程測量的幾個研究方向

精密工程測量從它初期開始發展到現在，已基本形成一個體系，隨著各種工程的興建和科技不斷進步，精密工程測量應該進一步對以下幾個方面的進行研究:對經典測量理論和方法的研究、減弱環境因素作用的研究、研究合理的數據處理方法、專用測量儀器的進一步研究。進一步提高測量精度，滿足各種工程的需要；努力發展精密測量的智能化、自動化，極大地減輕觀測人員的勞動強度；提高測量的可靠性和測量系統的穩定性；提高對異常值的鑒別能力；進一步深化多科學相結合處理精密工程測量的問題等，這些將是精密工程測量目前發展的主要方向。

2 進行數據可靠性及異常值檢驗的意義和方法

一個被測量的真值通常是不易獲得的，實際工作中是通過較精密尺度的多次比較，而求得真值的近似值。因此，誤差是永遠存在的。在精密工程測量中，為獲得與真值比較接近的測量結果，可通過不斷提高儀器設備的精度，研究減弱或克服各種誤差的措施和測量技術、發展誤差處理的新理論和新方法而達到目的。在這種意義上講，測量的進展就是反應不斷減弱誤差、提高精度的一個過程。

精密工程測量中的誤差分為偶然性誤差和非偶然性的誤差兩大類。偶然誤差是指測量中隨機性的誤差部分，大量的偶然誤差服從于一定的分布規律。對于這部分誤差的處理，是測量誤差理論及處理技術研究的主要對象。偶然誤差通常服從或近似服從正態分布。但是，精密工程測量中的誤差分布，并不僅僅是正態的，還有其他的分布形式。因此，測量誤差處理時應較詳細地分析實際的誤差分布特性，建立相應的處理模型，實時分析才能獲得良好結果。

精密測量中的非偶然誤差，主要包括系統誤差、周期規律性的誤差、粗差、異常值等多種類型。

精密工程測量中的系統誤差必須得到有效控制，特別是在分段連續測量工作中，由于系統誤差的累積性，微小的系統誤差會達到一定數量的程度而影響測量結果。

周期規律性的誤差，在測量結果中也經常得到體現。例如，在旁折光影響的多測回水平角觀測中、精密高程傳遞的垂直角觀測中等周期性的誤差會有不同程度的反映。

測量中的粗差，在性質上是一種屬于明顯超出常規誤差變化規律的誤差。它們主要體現了觀測條件的突然變化或其他一些突發性因素的作用。盡管粗差的數量較少，但由于其量值較大，它的不良作用還是很顯著的。它不僅影響整體觀測值的精度，而且會使平差后的結果失真和歪曲。精密工程測量中必須嚴格地將其剔除。

粗差的兩種檢驗方法的對比:一是，數據探測法（LS法）；該粗差定位方法，是以一定的顯著水平α和檢驗功效β，去判斷觀測值中是否存在均值發生顯著位移的誤差，而實現對粗差的判別。二是，抗差最小二乘改進法（LH法）:在含有粗差的數據處理中，成功地探測粗差，關鍵在于平差后能使粗差在本身對應的改正數中得到充分反映。由Huber分布模型出發，進行抗差最小二乘改進估計時，確定的權是殘差的函數式，可較好地表征觀測值的有效性。

異常值的檢測是數據處理的一個重要內容。對單個異常值檢方法有:ESD統計檢驗、狄克松檢驗，這兩種檢驗方法效果比較好，多個異常值的檢驗方法有多種，其中的樣本分位值檢驗，計算方法簡便抵抗污染的能力較強，通常均能取得較好效果。

3 幾種精密工程測量方法及精度歸納總結分析

測量工作可分為三個基本要素:角度測量、距離測量、高程測量等。

3.1 角度測量

角度測量中誤差分析是對測量結果最為關鍵的補充，在測角過程中應予以注意的有以下方面:儀器的對中誤差、目標的偏心誤差、照準誤差、豎軸傾斜誤差。

由于在考慮了對偏心距和偏心角的分布規律后，對中誤差產生對測角的影響，與測角的兩邊長有關，同時與兩邊上測點距離有關。因此利用通常的光學對中器是難于滿足的，必須采用強制對中裝置。在精密工程測量中，通常邊長較短，對中誤差對測角的影響比較顯著，必須預估這種誤差對測角的影響，并選擇合宜的對中方法。

目標的偏心誤差是由于目標的標志偏離正確位置而對測角的產生的影響。對中誤差進行分析發現在較短邊的角度測定時，同樣必須注意進一步減弱目標的偏心誤差。

在精密工程測量中，距離較短，測量人員在心里上也會比較重視，，因此通常能獲得較好的結果。常用的照準誤差估算式:

式中υ為望遠鏡放大率。經過大量試驗驗證結果表明，以T3經緯儀觀測，一次照準的中誤差約為±0.6′′～0.8′′。 陰天由于大氣穩定，照準誤差比晴天時更小些。為提高照準精度，應十分重視照準標志的形式和圖案等。

精密工程測量時宜采用照準標牌，不應采用桿狀標志，以避免由于日光的照射而對觀測人員產生的視覺誤差。照準標牌制作中，應考慮有足夠的顏色反應（如采用白底黑標志），圖案簡單且成中心對稱。

角度測量中，豎軸傾斜將使由度盤讀數位置讀得的方向與實際水平方向之間產生方向誤差，而且這種誤差難以有效地用觀測方法進行消除。因此，它是角度觀測最主要的儀器誤差。特別是角度所夾的兩個方向豎直角相差顯著時，豎軸傾斜將產生較大量值的水平角誤差。為減弱豎軸對測角的影響，在觀測時，必須保持水準管軸嚴格居中，以減小豎直傾斜值的量值。對于高精度測角，每測回之間可轉動儀器基座并重新嚴格整平儀器，轉動的角度為180°/n（n為測回數）。

當前，全站儀已普遍得到應用，不少儀器均具有豎軸或豎軸、橫軸、視準軸等三軸自動調整功能，可以實現豎軸傾斜誤差不大于1.0''，從而為進一步減弱豎軸傾斜對測角產生的誤差。此外，使用全站儀測角，對減弱測微器行差、讀數誤差、度盤刻劃誤差、隙動差等光學經緯儀固有的誤差有很好的效果，是精密工程測量應該采用的儀器。

角度測量中，前述幾種誤差可以通過多種途徑和處理技術，人為地加以控制。但是觀測條件的影響，由各種因素作用，十分復雜，不易控制。有時候這種影響在實際作業時，還難以被人們發現或感知。因此，在精密工程測量中，必須對此影響引起足夠的重視。

測量的環境條件，主要包括大氣的狀況、地面覆蓋物、建筑物、地形條件等，它們均對精密測量有直接影響。在角度測量時，主要體現在大氣折光產生的測角誤差中。

影響垂直角觀測誤差的是光路沿線垂直方向分布的溫度梯度，而影響水平角誤差的是光路沿水平方向分布的溫度梯度。在精密工程測量的水平角觀測中，由于視準線一側緊靠太陽照曬的建筑物而穿過，或者視準線所經處一側為山體而另一側為凌空面，很容易在光線兩側形成較大的水平溫度梯度場，使光線發生彎曲，產生了旁折光影響。為減弱旁折光的影響，高精度測角時應嚴格避開明顯的折光區，或者選擇良好的觀測條件。

3.2 距離測量

在精密工程測量的實際工作中，距離的測量是最大量和最經常的工作。精密的距離測量涵蓋了較大范圍從幾個微米到十公里，測定的精度也有較高的要求。目前，用于實際工作的距離測量方法主要有三種:（a）丈量法；（b）電磁波測距法；（c）自動化距離測量法。

丈量法:最先使用的是瑞典人耶德林建議的因瓦基線尺懸空丈量法，這種方法在建立國家等級的控制網或特殊精度要求的獨立網中，發揮了積極作用。但這種精密測距法也存在很大的局限性。因為它受到了因瓦尺本身長度的影響。還有可用鋼尺懸空丈量，但精度比因瓦尺要低，原因是鋼尺的線膨脹系數比因瓦尺要高一個數量級。丈量法丈量地面距離時，應進行溫度、傾斜、讀書及拉力等的改正。

對在經典的懸空丈量法基礎上進行重大改進后得到的精密量距設備。如:Distinvar測距裝置、測距傳感裝置、Distometer測距裝置。經過實測試驗，該類儀器的精度，在小于20m測距時，測量中誤差約為0.02mm，大于20m時，誤差約為10-6相對精度。

3.3 高程測量

精密高程測量中目前主要還是水準測量。高程測量的方法還有:三角高程測量、GPS水準等。三角高程測量的精度:

式中K為大氣折光系數。影響大氣折光系數的因素很多，如:溫度、濕度、氣壓、大氣密度和視線穿過區域這些因素的變化情況。大氣折光系數的計算方法:

保證三角高程測量精度的方法:

①單向高差必須盤左盤右觀測，以消除豎盤指標差的影響；

②必須對向觀測，以消除球氣差的影響。

GPS水準精密高程傳遞:目前實施的水準高程傳遞是在GPS控制網中，選擇一定數量的控制點，加測精密水準，使這部分控制點既有精密GPS高程又有水準高程；再以一定的數學模型進行擬合，求定該區域的高程異常模型并推求其他各點的正常高。

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