全站仪在工程测量中的精度和可靠性分析
随着工程测量精度的要求逐渐提高，精密全站仪在施工工程测量中广泛应用于平面和高程测量。本文以Leica TS30全站仪为例，通过实验验证了精密全站仪在工程测量定位的精度，证明了通过采取一定的观测措施精密全站仪可以达到亚毫米级的精度。
标签：工程测量 测角误差 测距误差 全站仪
1引言
随着工程技术的发展，各种大型工程建构筑物的出现，对测量的精度要求越来越高，常规的光学仪器很难满足高精度工程的施工要求。因此各种高精度的仪器应运而生，它具有常规测量仪器无法比拟的优点，避免了人工操作、记录等过程中差错率较高的缺陷。对精密全站仪进行性能测试，研究影响其精度的各种因素，是提高精密全站仪测量精度的前提。
2全站仪测量误差分析
全站仪测量的主要要素有方位角、垂直角、水平距离等，因此测角误差和测距误差是全站仪测量定位的主要误差来源，此外，受外界环境因素的影响，光线、温度、测站稳定性、仪器对中误差、照准误差以及观测人员的专业素质等，对全站仪的测量定位结果也会带来一定影响，下面针对各种观测因素对观测结果的影响进行分析。
2.1测角误差的影响
全站仪的测角误差主要由仪器自身测量误差和照准误差引起。当进行高精度观测时，可以采用正倒镜观测，进一步提高测角精度。
测量工作中测距误差忽略不计，我们可以通过一定的公式计算测角误差对测量定位结果的影响，假定观测距离固定为20m，我们可以通过公式计算不同测角误差引起的测量定位误差，详细信息如表1。
从表中可以看出，测角误差对测量结果的影响是比较显著的，尤其是在长距离测量定位中，测角误差对测量结果的影响显著增大，因此在精密工程测量和变形监测中，对于长边的观测，一定要想办法减小测角误差。
2.2测距误差的影响
全站仪的测距误差包括固定误差和比例误差。仪器测距的固定误差包括测距周期误差、加乘常数误差等。测距周期误差和加乘常数误差具有相对稳定性和重复性，采取一定的观测方法可以相互抵消可不予考虑。仪器测距的比例误差，包括乘常数误差、电路噪声误差等，可按仪器标称精度计算；在短距离的工程测量和变形测量中地球曲率以及大气折光对于测距精度的影响可不予考虑。
2.3测角测距总误差的影响
测角误差联合测距误差对测量结果有一个综合的影响，假定已知点坐标不存在定位误差，可以得到测角误差和测距误差对测量结果各方向上的影响。
根据公式可知测角测距误差对最终坐标测量定位的误差。综上所述，影响精密全站仪
定位精度的主要因素就是测角误差和测距误差，而影响测角误差最大的因素是风、光照、仪器对中和瞄准误差，在短距离的工程测量中，影响测距误差的主要因素是光线。因此在精密工程测量过程中一定要选择合适的时间进行观测。
3实验分析
此次使用Leica公司的TS30精密全站仪，其标称测角精度达到0.5″，角度最小显示为0.1″，由于外界环境影响全站仪测量精度，为了更为详细的分析验证精密全站仪测量结果的精度，设计的观测环境为：强光照、阴天、微风、逆光、小雨天气等几种典型观测环境，在整个实验过程中，采用变形较小的木质三脚架架设配套棱镜，棱镜要求精确对中，用温度计和气压计读取实时温度和气压，及时更新仪器TPS参数。观测测试点的水平角、垂直角和平距，计算观测值不同条件下的内符合精度，检测仪器的稳定性。
稳定性分析采用内符合精度指标来评定，内符合精度反映了观测数据的质量。内符合精度采用一组观测数据的中误差进行统计验证，从而得到水平角、垂直角和水平距离的内符合精度。
从上述三幅图中可以看出，在这几种常见的观测环境下，水平角、垂直角内符合精度均小于5″，距离内符合精度均小于0.5mm，充分说明TS30型精密全站仪内符合精度较高，适应范围较广，性能稳定。
为了验证TS30全站仪是否能够满足全天候测量，对一目标点进行观测，观测了12组数据，分别包括水平角、垂直角和平距，详细数据如表2。
对全站仪夜间观测的数据进项行统计分析，水平角的测角中误差为1.1″，垂直角的测
角中误差为2.5″，测距中误差为0.23mm，通过公式1计算测角误差和测距误差对定位结果的影响，经计算=0.25可知=0.13mm，=0.23mm，则点位误差0.36mm。对白天观测数据进行统计分析，水平角的测角中误差为0.67″，垂直角的测角中误差为0.69″，测距中误差为0.14mm，因此可以通过公式3计算测角误差和测距误差对定位结果的影响，经计算可知=0.07，=0.14mm，=0.14mm，则点位误差0. 21mm。通过详细对比白天和夜间观测结果，可知此全站仪的观测精度较高，另外白天的观测精度高于夜间观测的精度，因此工程测量和变形监测宜适合在白天进行。
4结论
全站测量中的测角误差和测距误差是最终影响定位精度的决定性因素，分析了测角误差与坐标定位结果的关系，可知，在短距离测量工作中，测角误差对测量结果的影响较大，必须减小测角误差。通过验证了TS30全站仪在不同测量环境中水平角、垂直角和距离的内符合精度，然而在有降雨发生的天气里测量精度相对较低，对于精密工程测量和高精度的变形监测应该避开降雨天气施测。全站仪在白天和夜间都可以达到亚毫米级的测量精度，TS30全站仪测量坐标的最终定位精度优于0.4mm，如果采取科学的观测方法完全可以满足亚毫米级测量要求。
