陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710002
摘要：智能型全站仪代替人工观测在进行角度观测时，其观测成果精度仍会受到各种不同大气环境的显著影响，如大气温度、气压、大气折光、山谷风等大气环境因素瞬间变化产生的影响，本文以实际案例统计剖析，并探讨如何减小或降低其对观测成果精度的影响。
关键词：外界环境；精密边角网；观测精度
1 引言
徕卡TCA智能型全站仪实现了自主发射红外照准光束，无论在白天还是黑夜，都能实现目标的自动识别、自动照准和自动观测、记录的人性化过程，且目标为无源发射棱镜，无需专门提供电源；ATR与测距、视准等光轴同轴，对正倒镜测量创造了方便的条件，无限位的微动驱动，让全站仪观测者又少了一份约束。
尽管徕卡TCA智能型全站仪代替了人工观测，但是精密边角网的自动
化观测过程仍然受某一瞬间或某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和大气现象（风、云、雾霾、降水）的变化因素的影响，本文以智能型全站仪在亭口水库工程大坝安全监测基准网的测量实例进行统计分析探讨如下。
2 基准网的布设与精度估算
根据枢纽工程监测对象及位置分布，结合现场实际地形地貌特征，选设边角网作为水平位移监测基准网，网形如图1所示，网中：Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ8、Ⅲ9等四个基准点是利用了施工控制网点观测墩标志；B06、J01、J02、J03等4个基准点为本次新选设点位，受工程所在区域地形地貌限制，J02点选设在右岸高边坡区域，仅用于组成基准网形，加密工作基点网时不作为基准点功能。
网形布设完成后进行了精度估算，当测角中误差选取±0.7″，选取1mm+1ppm·Dkm时，该网最大点位中误差为±1.8mm，内外可靠性一般，根据现场地形地貌特征点位难于调整，采用增加水平角观测的测回数来保证精度，观测仪器为Leica TCA2003智能型全站仪，因此，边角网水平角、天顶距、测距均按15个测回来观测。
完成基准网选设建网后，首期观测于2016年6月13日至16日、6月18日至22日期间独立、连续进行两次观测，又于2016年12月21日至12月30日对该网采用同一台Leica TCA2003智能型全站仪进行第二期观测。
该网中最大边长（Ⅲ1～J03）1352.65m；最短边长（Ⅲ1～Ⅲ8）295.86m，且该测距边垂直角也最大为14°11′；平均边长754.19m。该网各测站首期第一次观测区段内温度在14.0℃～29℃，首期第一次观测区段内温度在19.0℃～30.4℃，第二期观测区段内温度在-3.6℃～9.3℃。
3 外业观测记录发现的问题或现象
3.1测站观测时间记录等信息统计分析
查阅测站观测记录手薄，统计各个测站观测方向数、测站开始与结束时间、测站观测重测测回数等如下表1所示。
表1 测站观测信息统计表
从上表1统计数据可以看出：
（1）同一期观测，尽管测站观测方向数相同，但测站所在位置不同，智能型全站仪完成1个测站观测所用时间长短不同；
（2）同一测站不同时间段观测所用时间差异大，如Ⅲ1测站首期第一次观测用时2小时43分55秒，第二期观测用时1小时08分39秒，观测时间相差达1小时35分16秒；
（3）同一测站不同时间段重测测回数不等，如J02、J03等站首期第一次观测15个测回无重测现象；但首期第二次观测均有1个测回的重测成果；第二期观测分别有6个和4个测回重测；
（4）在该网9个测站观测中，首期第1次有5个测站无重测或返测，但首期第2次就有7个测站出现重测或返测，第二期有8个测站出现重测或返测，说明同一季节内大气状态也是瞬间变化的。
3.2 测回重测或返测信息分析
查验每个测站各测回观测起末时间记录统计分析看：测站观测时有测回内、测回间因归零差、2C互差、测回差限差等几种超限情况如下：
（一）第一类情况：本测站观测过程中多次出现测回归零差或2C互差超限即刻重测的现象。如Ⅲ2测站首期第2次观测（2016年6月19日）记录时间如下表2所示。
表2 Ⅲ2测站首期第2次观测（2016年6月19日）记录时间信息统计分析表
从上表可以看出：
（1）本测站在观测过程中有6个测回发生重测现象，特别是第7测回连续观测6次才通过限差验算要求，说明该测回的观测时间内大气环境急骤变化；
（2）测回间观测时间长度不同，本测站测回观测时间最短4分02秒，最长5分28秒。
（二）第二类情况：测站观测不仅有测回内重测的现象，而且还在15个测回全部完成后，测回差最大与最小值比较超限再返测的现象。如Ⅲ1测站首期第1次观测（2016年6月14日）记录时间如下表3所示。
表3 Ⅲ1测站首期第1次观测（2016年6月14日）记录时间统计分析表
从上表3可以看出：
（1）本测站于20：53：24～23：08：58时段，出现第5、7、9、10、15测回内归零差或2C互差超限，重测测回数达到20个以上，且原作废测回观测时间长度较大，说明在该测回观测时大气状态变化剧烈；
（2）本测站在15个测回全部于23：08：58时段完成后，又返测了7个测回，返测次序如下：
a）在23：09：05～23：13：50时段返测了第10测回，
b）之后23：13：51～23：18：30时段返测第5测回作废后，再次于23：18：31～23：23：34时段连续返测第5测回才通过；
c）在23：23：55～23：28：15时段返测第3测回作废，又于23：28：16～23：32：42时段连续返测第3测回才通过；
d）在 23：32：47～23：37：19时段返测第9测回；
e）在23：37：23～23：41：41时段返测第13测回。
（三）第三类情况：测站观测在观测过程中前半时段大气稳定，后半时段发生变化，如J03测站第二期（2016年12月27日）记录时间如下表4所示。
表4 J03测站第二期（2016年12月27日）记录时间统计分析表
从上表3可以看出：本测站在观测的过程中，前8个测回观测气象稳定，但第9、11、13测回就出现测回内重测的现象；第1测回观测最短时间长度4分17秒，第10测回观测时间最长8分37秒。
（四）从上表2、3、4可以看出：即就是一个测站但不同测回观测所用时间长短也不同，说明大气状态很短几十分钟内每一瞬间也在不停地发生变化。
3.3 同一测站不同时段观测水平角观测方向值差值大于2倍方向中误差，如Ⅲ2测站观测数据统计列表如下表5所示。
表5 Ⅲ2测站不同时段观测水平角观测方向值的差值
4观测数据处理精度验证
4.1水平角观测验算
根据观测记录统计计算边角网每次独立观测的三角形闭合差，共构成16个三角形的三角形闭合差均小于±3.5″，并根据三角形闭合差计算测角中误差，其三角形闭合差最大值、限差分布区间及测角中误差统计如下表5所示。
表6 三角形闭合差最大值、分布区间及测角中误差统计表
通过上述数据处理精度统计分析说明，尽管边角网各期次观测都因大气状态变化影响，但其观测成果精度优于设计指标。
5结束语
（1）从气象学理论来讲，太阳辐射在地球表面分布的不均，地球自传的存在，形成三圈环流，地球下垫面的不均等形成了大气环流，同时在山区因坡向、坡度及地形起伏、凹凸、显隐等局部条件不同，气候的垂直变化各不相同。因此，不同形态地域内大气状态的特点各异，这些因素对观测精度带来无法回避的影响，而且很难准确地确定其变化模型。
（2）水利水电工程枢纽区多位于河道峡谷地域，采用精密边角网观测方案建立安全监测网，其点位精度要求高，而河道峡谷地域水平角观测受外界环境影响非常显著，不同地域、不同时段内大气环境都是千变万化。因此，既就是采用智能型全站仪观测，仍需要选择大气状态相对稳定的时间段进行观测。
（3）根据气象学理论，山谷风是山区经常出现的一种局部环流，从当天20时到次日8时为山风，14至17时为谷风，山风强度一般比谷风弱。因此，高精度水平角观测宜在夜间22时之后实施。
（4）对于智能型全站仪虽然重测记录覆盖了超限测回观测数据，这从记录信息可以分析判断出重测测回数。现行测量规范规定：返测测回数超过该站测回总数的1/3时，该站应全部重测；因此，应探讨这条技术规定是否执行，值得同行们共同分析研究。
（5）对于变形监测，首期两次独立观测完成后，是否对两次水平方向值进行比较，设置差值限差，现行相关规范未明确规定。
参考文献
[1]徐忠阳，全站仪原理与应用[M]，北京：解放军出版社，2004，111--113
[2]黄腾，陈光宝，等.自动识别系统ATR测角精度研究[J]，水电自动化与大坝监测，2004，28（2）：37-40
作者简介：宋红蕊，女，1984年9月出生，陕西省长安区人，测绘工程师，注册测绘师，2009年西安科技大学测绘工程专业毕业后一直从事水利水电工程测绘生产技术工作。
论文作者:宋红蕊,李龙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/7
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