几种精密工程测量技术方法及精度的分析

时间：2024-05-20

黎曦汤丽琼

（江西环境工程职业学院，江西赣州 341000）

0 前言

精密工程测量，主要是指结合现代测绘科技的新进展，研究和解决大型工程或特种工程对测量的高精度、可靠性、自动测控等各个方面要求的测量科学。它代表着工程测量的新进展和先进技术，虽然如此，但仍然是在测量学的基本理论和方法指导下的测量技术，以各种测绘仪器及设备，测角、测边、测高程，进而获得各点的三维坐标或进行施工放样和求取位移等一序列需要的测量信息。另外，在对精度的更高要求以及解决测值可靠性及安全监控诸方面，传统的工程测量是难以满足和不能实现的。近几十年来，随着科学技术的飞速进步和建设事业的迅猛发展，各种前所未有的巨大工程及建筑群体纷纷涌现。对这些新型的大型建筑群体来说，为适应现代工程建设的需要，紧跟现代化经济建设的发展，要求精密工程测量也应同步发展。

1 精密工程测量的几个研究方向

精密工程测量从它初期开始发展到现在，已基本形成一个体系，随着各种工程的兴建和科技不断进步，精密工程测量应该进一步对以下几个方面的进行研究:对经典测量理论和方法的研究、减弱环境因素作用的研究、研究合理的数据处理方法、专用测量仪器的进一步研究。进一步提高测量精度，满足各种工程的需要；努力发展精密测量的智能化、自动化，极大地减轻观测人员的劳动强度；提高测量的可靠性和测量系统的稳定性；提高对异常值的鉴别能力；进一步深化多科学相结合处理精密工程测量的问题等，这些将是精密工程测量目前发展的主要方向。

2 进行数据可靠性及异常值检验的意义和方法

一个被测量的真值通常是不易获得的，实际工作中是通过较精密尺度的多次比较，而求得真值的近似值。因此，误差是永远存在的。在精密工程测量中，为获得与真值比较接近的测量结果，可通过不断提高仪器设备的精度，研究减弱或克服各种误差的措施和测量技术、发展误差处理的新理论和新方法而达到目的。在这种意义上讲，测量的进展就是反应不断减弱误差、提高精度的一个过程。

精密工程测量中的误差分为偶然性误差和非偶然性的误差两大类。偶然误差是指测量中随机性的误差部分，大量的偶然误差服从于一定的分布规律。对于这部分误差的处理，是测量误差理论及处理技术研究的主要对象。偶然误差通常服从或近似服从正态分布。但是，精密工程测量中的误差分布，并不仅仅是正态的，还有其他的分布形式。因此，测量误差处理时应较详细地分析实际的误差分布特性，建立相应的处理模型，实时分析才能获得良好结果。

精密测量中的非偶然误差，主要包括系统误差、周期规律性的误差、粗差、异常值等多种类型。

精密工程测量中的系统误差必须得到有效控制，特别是在分段连续测量工作中，由于系统误差的累积性，微小的系统误差会达到一定数量的程度而影响测量结果。

周期规律性的误差，在测量结果中也经常得到体现。例如，在旁折光影响的多测回水平角观测中、精密高程传递的垂直角观测中等周期性的误差会有不同程度的反映。

测量中的粗差，在性质上是一种属于明显超出常规误差变化规律的误差。它们主要体现了观测条件的突然变化或其他一些突发性因素的作用。尽管粗差的数量较少，但由于其量值较大，它的不良作用还是很显著的。它不仅影响整体观测值的精度，而且会使平差后的结果失真和歪曲。精密工程测量中必须严格地将其剔除。

粗差的两种检验方法的对比:一是，数据探测法（LS法）；该粗差定位方法，是以一定的显著水平α和检验功效β，去判断观测值中是否存在均值发生显著位移的误差，而实现对粗差的判别。二是，抗差最小二乘改进法（LH法）:在含有粗差的数据处理中，成功地探测粗差，关键在于平差后能使粗差在本身对应的改正数中得到充分反映。由Huber分布模型出发，进行抗差最小二乘改进估计时，确定的权是残差的函数式，可较好地表征观测值的有效性。

异常值的检测是数据处理的一个重要内容。对单个异常值检方法有:ESD统计检验、狄克松检验，这两种检验方法效果比较好，多个异常值的检验方法有多种，其中的样本分位值检验，计算方法简便抵抗污染的能力较强，通常均能取得较好效果。

3 几种精密工程测量方法及精度归纳总结分析

测量工作可分为三个基本要素:角度测量、距离测量、高程测量等。

3.1 角度测量

角度测量中误差分析是对测量结果最为关键的补充，在测角过程中应予以注意的有以下方面:仪器的对中误差、目标的偏心误差、照准误差、竖轴倾斜误差。

由于在考虑了对偏心距和偏心角的分布规律后，对中误差产生对测角的影响，与测角的两边长有关，同时与两边上测点距离有关。因此利用通常的光学对中器是难于满足的，必须采用强制对中装置。在精密工程测量中，通常边长较短，对中误差对测角的影响比较显著，必须预估这种误差对测角的影响，并选择合宜的对中方法。

目标的偏心误差是由于目标的标志偏离正确位置而对测角的产生的影响。对中误差进行分析发现在较短边的角度测定时，同样必须注意进一步减弱目标的偏心误差。

在精密工程测量中，距离较短，测量人员在心里上也会比较重视，，因此通常能获得较好的结果。常用的照准误差估算式:

式中υ为望远镜放大率。经过大量试验验证结果表明，以T3经纬仪观测，一次照准的中误差约为±0.6′′～0.8′′。阴天由于大气稳定，照准误差比晴天时更小些。为提高照准精度，应十分重视照准标志的形式和图案等。

精密工程测量时宜采用照准标牌，不应采用杆状标志，以避免由于日光的照射而对观测人员产生的视觉误差。照准标牌制作中，应考虑有足够的颜色反应（如采用白底黑标志），图案简单且成中心对称。

角度测量中，竖轴倾斜将使由度盘读数位置读得的方向与实际水平方向之间产生方向误差，而且这种误差难以有效地用观测方法进行消除。因此，它是角度观测最主要的仪器误差。特别是角度所夹的两个方向竖直角相差显著时，竖轴倾斜将产生较大量值的水平角误差。为减弱竖轴对测角的影响，在观测时，必须保持水准管轴严格居中，以减小竖直倾斜值的量值。对于高精度测角，每测回之间可转动仪器基座并重新严格整平仪器，转动的角度为180°/n（n为测回数）。

当前，全站仪已普遍得到应用，不少仪器均具有竖轴或竖轴、横轴、视准轴等三轴自动调整功能，可以实现竖轴倾斜误差不大于1.0''，从而为进一步减弱竖轴倾斜对测角产生的误差。此外，使用全站仪测角，对减弱测微器行差、读数误差、度盘刻划误差、隙动差等光学经纬仪固有的误差有很好的效果，是精密工程测量应该采用的仪器。

角度测量中，前述几种误差可以通过多种途径和处理技术，人为地加以控制。但是观测条件的影响，由各种因素作用，十分复杂，不易控制。有时候这种影响在实际作业时，还难以被人们发现或感知。因此，在精密工程测量中，必须对此影响引起足够的重视。

测量的环境条件，主要包括大气的状况、地面覆盖物、建筑物、地形条件等，它们均对精密测量有直接影响。在角度测量时，主要体现在大气折光产生的测角误差中。

影响垂直角观测误差的是光路沿线垂直方向分布的温度梯度，而影响水平角误差的是光路沿水平方向分布的温度梯度。在精密工程测量的水平角观测中，由于视准线一侧紧靠太阳照晒的建筑物而穿过，或者视准线所经处一侧为山体而另一侧为凌空面，很容易在光线两侧形成较大的水平温度梯度场，使光线发生弯曲，产生了旁折光影响。为减弱旁折光的影响，高精度测角时应严格避开明显的折光区，或者选择良好的观测条件。

3.2 距离测量

在精密工程测量的实际工作中，距离的测量是最大量和最经常的工作。精密的距离测量涵盖了较大范围从几个微米到十公里，测定的精度也有较高的要求。目前，用于实际工作的距离测量方法主要有三种:（a）丈量法；（b）电磁波测距法；（c）自动化距离测量法。

丈量法:最先使用的是瑞典人耶德林建议的因瓦基线尺悬空丈量法，这种方法在建立国家等级的控制网或特殊精度要求的独立网中，发挥了积极作用。但这种精密测距法也存在很大的局限性。因为它受到了因瓦尺本身长度的影响。还有可用钢尺悬空丈量，但精度比因瓦尺要低，原因是钢尺的线膨胀系数比因瓦尺要高一个数量级。丈量法丈量地面距离时，应进行温度、倾斜、读书及拉力等的改正。

对在经典的悬空丈量法基础上进行重大改进后得到的精密量距设备。如:Distinvar测距装置、测距传感装置、Distometer测距装置。经过实测试验，该类仪器的精度，在小于20m测距时，测量中误差约为0.02mm，大于20m时，误差约为10-6相对精度。