电磁波测距高程导线测量觇板改进技术研究
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摘 要
为了有效的降低电磁波测距高程导线测量（EDM）野外观测中受到的天候影响，提高全天候条件下EDM测量的测量精度和作业效率，在长期的作业实践中，通过对误差源的分析、收集大量的试验数据，对觇板进行了大胆的改进，并成功的运用到实际作业中。检验结果表明，新型觇板有效的提升了垂直角观测精度，且具有使用轻便、利于观测、可夜晚使用的物理特性。
关键词
EDM;觇板;改进技术
中图分类号： TG661 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 46
Abstract
In order to effectively reduce electromagnetic distance measuring height traverse survey （EDM） field observation in the affected by the weather， improve the measurement precision of measurement under the condition of all-weather EDM and efficiency， in the long-term working practice， through the analysis of error sources， collecting a large number of test data， has carried on the bold improvements to sighting board， and successfully applied to the actual operation. The test results show that the new type of sighting plate can effectively improve the accuracy of vertical Angle observation， and has the physical characteristics of light use， favorable for observation， and can be used at night.
Key words
EDM; Sighting board; Improved technology
1 研究背景
电磁波测距高程导线测量（EDM）是替代三四等水准测量所采用的主要测量方式，野外作业组在高原山地、戈壁沙漠、草原河谷地带等环境中进行测量作业时，常常受到沙尘、大风、高温、严寒等天气的影响，理论上的最佳观测时间正午前后又恰是地表空气扰动剧烈的时候，天候条件不适宜光学仪器测量，适合观测时间不多。研究改进测量装备，提高全天候条件下EDM测量的测量精度和作业效率具有迫切需求和实践意义。
2 EDM测量中的误差来源分析
根据EDM测量隔点设站法的原理，EDM测量的误差来源主要有6类：垂直角观测误差;测距误差;大气折光差;地球曲率改正;水准面不平行改正。通过多年作业经验和成果数据分析，在通常600米左右间隔的测段长度中，垂直角观测误差对EDM测量成果整体精度的影响较大，测距误差影响微弱，大气折光差和地球曲率改正通过调整前后视距可以抵消，水准面不平行改正一般不在野外测量阶段考虑。因此，垂直角观测误差是影响EDM测量成果整体精度的主要因素，有效提高垂直角的观测精度可以降低恶劣环境对作业员的影响，提高EDM测量的整体精度。
3 改进测量觇板的研究思路
影响EDM测量作业垂直角观测精度的因素主要有3类来源：仪器误差、观测误差以及外界环境引起的误差。其中，观测误差中的照准误差对测量成果精度具有直接和较大影响。如果能够有效减小EDM观测的照准误差，就可以减小外界环境对作业人员的影响，提高EDM测量垂直角的观测精度。
通过大量测量作业发现，提高观测视线离地间距、改进照准标志的配色、加强觇板及测量标尺的稳定性，能够有效的减小近地大气扰动及大气折光差对测量照准作业的影响，从而减小照准误差。在全站仪不更新换代的情况下，可以通过对照准觇板进行技术改进实现上述目标。
一是提升照准觇板在水准标尺上的安置高度。目前，照准觇板使用轻质铝合金材料制作，提升在水准标尺上的安置高度后，照准系统重心过高，风的作用力影响明显，容易发生晃动或倾覆，影响照准系统的稳定性。因此，在保证几何精度和机械强度的条件下，需要选用比铝合金性能更为优异的轻质材料来制作觇板。通过查阅资料，初步选择航空航天普遍采用的玻璃纤维树脂聚合物板、碳纤维树脂聚合物板作为觇板基材。通过对材料小样和铝合金板的对比实验，备选材料的性能均优于铝合金板，相同厚度下玻纤板、碳纤板性能接近，但碳纤板韧性更强，比重更小，造价适中，3毫米厚的碳纤维树脂聚合物板是制作觇板基材的理想材料。
二是改進照准标志的配色方案。查阅光度及色度测量学研究成果发现，人眼对绿色的敏感度最高，黄色次之，如图1所示，为此，将照准觇板的对准标志配色方案由原来的白底黑标改进为黑底黄绿色标志，实验发现可以显著提高恶劣环境下照准作业的精度。
三是提高照准系统的安装的便捷性。自行改进设计铝合金固定组件，将原觇板的照准面部分和测距反射棱镜两部分合二为一，省去将反射棱镜固定在标尺上的紧固装置，将棱镜通过铝合金固件直接固定在觇板照准面上，通过改进，既减轻了整个觇板系统的重量，又提高了稳固性，同时使组装觇板的工作更加便捷。 通过对测量觇板的技术改进，能够显著提高人眼通过仪器对觇板标志的有效分辨力，使精确照准更为容易，垂直角观测速度得到提升;觇板具备了在镜头内清晰成像的条件，可以实现较长的观测距离，从而减少了仪器的设站次数，降低总测段长度内的仪器照准观测次数，实现提高观测效率的目的。
4 测量觇板改进的技术实践
4.1 外形尺寸
原觇板尺寸为300毫米×400毫米，在全站仪镜头放大倍率不变的前提下（使用LEICA TC1201型全站仪），为提高照准标志的辨识度，改进后的觇板面尺寸加大为360毫米×480毫米。
4.2 基础材料
原觇板选用3毫米厚铝合金板材，整体重量为2.3千克，改进后的觇板选用3毫米厚的碳纤维树脂聚合物板材，整体重量为1.3千克，在显著提高强度的同时，大幅减轻了重量。
4.3 配色方案及漆面材料
原觇板采用银白底色，黑色照准标志的配色方案，底色漆面为光面银白色金属漆，照准标志漆面为光面黑色金属漆，容易出现镜面反射现象，有微弱的漫反射光出现，降低了整个觇板面的颜色对比度，其在远距离和夜晚辅助照明下，照准标志辨识度弱。改进的觇板采用纯黑底色，黄绿色或橙黄色照准标志的配色方案，选用进口纯黑色磨砂漆，其吸光作用良好，在任意入射角光源下均无反射光，照准标志面选用美国3M公司最新出品的钻晶微棱镜反射贴制成，无论是在白天还是在夜间辅助照明下，在黑色底色板面的映衬下辨识度极高，在不同距离及不同光照度下，人眼对照准标志的识别率均优于现有觇板。如图2所示。
4.4 结构改进
原觇板系统由觇板照准面装置和测距反射棱镜固定装置两部分构成，测量前两个部分需要分别紧固，安置前需精确量取其在标尺上的安置高度，并调节8个紧固螺旋使其在标尺面上无松动及歪斜。改进后的觇板将测距反射棱镜固定装置整合于觇板照准面上，觇板在标尺上的安装只需调节4个紧固螺旋即可完成，提高了测前准备效率，并进一步减轻了觇板系统的整体重量。
4.5 夜间辅助照明装置
为提高夜间测量测量照准性能，设计了辅助照明装置，在铝合金三角架上安装氙气探照灯，照明灯头由马达驱动，用遥控器控制调整照射水平角和俯仰角，探照灯由汽车点烟器端口供电，或是用蓄电池独立供电。辅助照明装置可以在夜间提供充足的照度，满足夜间视距1千米内的EDM测量，如图3所示，改进后的觇板在全站仪镜头内成像清晰稳定，与原觇板相比，更容易实现精细、快速照准。
5 改进后测量觇板的性能分析
为验证改进后测量觇板的技术性能，依据《国家三、四等水准测量规范》、《三、四等导线测量规范》，使用相同的徕卡1201全站仪，在相同时间和作业环境下采用隔点设站法同步进行测量作业对比。对比实验在新疆乌鲁木齐市郊区戈壁滩进行，分别在北京时间17点、23点前后两个时间段对两种觇板进行EDM高程导线作业测量，视距为600米左右。通过对白天4.6公里的测段长度观测数据计算分析，旧觇板测线测角中误差为±0.80″，测线每千米高差中数中误差为±0.0033m;改进的觇板测线测角中误差为±0.73″，测线每千米高差中数中误差为±0.0011m。结果表明，使用改進的觇板在白天垂直角观测精度有效提升。通过对夜间1.9公里的测段长度观测数据计算分析，原觇板测线测角中误差为±1.29″，测线每千米高差中数中误差为±0.0027m;改进的觇板测线测角中误差为±1.17″，测线每千米高差中数中误差为±0.0007m，结果表明，使用改进的觇板在夜间垂直角观测精度也得到有效提升。
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