如何正确运用WILD T3型经纬仪提高测角观测精度.doc

如何正确运用WILD T3型经纬仪提高测角观测精度

长江委三峡勘测研究院 梁 兵

1 概述
WILD T3光学经纬仪是由瑞士威特仪器厂生产的高精度角度量测仪器，其测角标称精度为1.0″，最小读数为0.2″，可供光夜测，是目前高精度三角测量的主要仪器之一。本文作者通过使用T3仪器的实践与经验，从仪器的各种指标的检核、最佳观测时间段的选取、仪器的操作技巧等几个方面进行了阐述，对特定季节和特殊环境下如何正确运用T3仪器提高测角精度作详细的探索与总结。
2 规范使用仪器
2.1仪器的各项性能及其检核
在测量工作中，仪器搬运造成仪器各部件受到一些震动，因此除按要求对仪器进行年检外，在每次观测开始前，应在作业现场对仪器进行必要的检校，以充分了解仪器各部件运行状态和精度指标情况。检验的主要内容和检验方法大致如下：
⑴ 照准部旋转是否正确的检验。检查仪器在水平方向360°旋转时各个位置气泡变化，T3属J1型仪器，气泡变化不得超过1格；变化越小，说明仪器的运行状况越好。
⑵ 照准部偏心差的检验。此项检验的目的是检查照准部旋转中心与水平度盘分划圈中心是否相一致，通过检验，计算各位置的V值，画出一条正弦曲线，最大变动不得大于20″，此值越小，表明仪器性能越好。
⑶ 水平度盘偏心差的检验，检验水平度盘旋转中心与分划圈中心是否一致，通过检验计算出的2F值不得大于80″，此值越小，表明仪器的自身性能越好。
⑷ 光学测微器行差的检验。检验测微器量起度盘上两相邻分划线间角距的实际量测值与理论设计值的差值。测微器行差直接影响测角精度，在观测中无法通过作业方法加以消除，所以作业前必须认真细致地测定行差，T3仪器检测的行差值不得大于1″，否则须校正仪器；行差较大时，在观测成果中应加以改正。
⑸ 照准部旋转时，仪器底座位移产生的系统误差的检验。检验除仪器顺转一圈和逆转一圈在各度盘的相互差值，T3仪器不得超过0.3″，其值越小越好。
通过上述各项的检验，仪器性能指标都很好，再对仪器进行水准器格值和水平轴不垂直于竖轴的测定。此两项必须认真仔细的检测，因为在观测计算各方向值时，如果该方向的立角（垂直角）超过±3°，要加入气泡改正，高精度的测角观测改正限差要求在2″，如此两值测定不准，遇立角较大时，其改正值就有可能超过2″。
此外还须对所使用的觇牌标志进行严密的检核，以检核觇牌照准标志是否与觇牌轴在一条铅垂线，因为此项为设备的系统误差，在观测中是不可消除的，直接影响成果的精度。
2.2最佳观测时间段的选取
在仪器设备检验完成和观测方案确定后，如何选取合适的观测时段就成了影响观测精度的另一重要因素，在条件允许的情况下，应尽可能选取最佳观测时间段。
从影响观测精度的误差来源分析，主要因素有仪器的误差、人为观测误差、网型、地理环境、球气差和折光差、视线高、太阳强光直射等。为提高观测的精度，应该选择在每年的11、12、1、2月进行。主要考虑到此时间段的植物都已枯叶，通视条件良好，气温变化较小，阴天较多，成像清晰稳定。选择此时段观测，可以有效减小大气的折光和气流等不利因素对观测的影响，提高观测精度。
　　受工程建设的制约，观测工作因工期的限制选择余地较小，为了在不利条件下取得较好的观测成果，必须根据现场条件，在不利季节充分利用较短的有利时间进行观测。如在七、八月份时，在阴天微风和小雨下观测，效果相对较好。
2.3夏季高温采取夜间观测
夏季高温对观测精度、工作进度影响较大，因此宜采取夜晚测量手段：利用仪器的夜测功能，用干电池给仪器供光，用电瓶供电、用优质无折光的日光灯照明觇板，用遮光板挡住灯光折影，消除仪器照准目标影响。此时段内气温稳定、温差小、无水蒸汽，消除了白天的阳光折光和强射、水蒸汽的影响以及其他不利因素，达到了提高观测精度和作业效率的目的。
3 实例分析
在实际工作中，因为外界环境千变万化，在实际操作中应灵活掌握，以下就几个具体工程案例，简述如何正确运用仪器、克服不利条件来提高观测精度。
3.1 阳逻长江大桥施工控制网
阳逻长江大桥施工控制网为二等施工测量控制网（水平网和高程网独立布设），高程网有两处跨江水准。实测月份为9月份，气温和江水位均较高。
阳逻长江大桥的跨河水准采用经纬仪倾角法，两台T3同时对向观测，在阴天微风下进行的观测成果，成像稳定，精度高；但在晴天无风下观测的成果无法满足精度要求，连外业观测的基本限差都无法满足。通过实验分析，造成的主要原因可能是：
⑴ 观测视线离水面较低（约4m），此时野外白天的日温差很大，上午7~11时的温度上升很快，江面水蒸汽持续快速增大，此时的观测成像是个假像，两台T3同时对向观测值无法相互抵消甚至朝反方向变化，通过计算最大偏离值超过1m，15~18点，气温下降很快，水蒸汽逐渐减少，观测值跟上午成反方向变化，因此测得的高差与上午相反，时段限差达不到规范要求。
⑵ 在太阳下观测，由于晴天高温，光线较强，顺光方向看，目标较为清晰，逆光方向目标则很不清晰，强阳光照在觇板上的折光或反光很大，此时所观测的值是伪值，因此同时观测的值一真一伪，根本无法满足规范要求。
阳逻长江大桥的控制网的水平角测量，由于网型的原因，最近网点间距仅300m，视线高1.5m，与长江对岸的网点间距达2km，视线通过长江水面，在同一天中观测，上午晴天无风，下午阴天微风，同一站上没动仪器，各方向的觇牌也没变，上午观测的成果和下午观测的成果比较，差值大的超过6″,通过整网计算分析，上午观测的成果不合格。这说明上午的观测成像有问题，看到的目标是一种偏离测点中心的一种假像，成果自然不能满足精度要求。从而总结出，在此天气观测成果不稳定，很难达到要求，必须抓住有利气象条件，如在阴天微风和小雨下观测，成果精度容易满足要求，甚至还能提高观测精度。观测结果表明：按菲列罗公式计算的测角中误差为±0.78″，小于规范规定的±1.0″的要求，其实测精度指标见表1、表2。
表1 平面控制网点点位中误差统计表
点号
YL01
YL02
YL03
YL04
YL05
YL06
YL07
点位中误差（mm）
0.84
0.00
1.07
1.22
1.24
1.33
1.29

表2 大桥施工控制网的主要精度指标统计
等级
测角中误差
桥轴线相对中误差
最弱边相对中误差
三角形最大闭合差
Ⅱ
±0.78″
1/180万
1/20万
2.80″
3.2 三峡库区巴东黄蜡石滑坡体监测
三峡巴东黄蜡石滑坡变形监测网，滑坡体内坡度大，受地形影响，部分观测点的立角（垂直角）较大，有4个点的立角超过30°，并且还有个别点观测视线几乎是擦地面而过，监测网分布在长江两岸，测量精度为一等。
为了达到规范的精度要求，首先，每年选择在11月进行，此段时间三峡库区无雾，温度也较为稳定，阴天多，植被枯死叶落，通视条件良好，有利于野外观测；另外，对各点观测在时间段安排上也是非常重要的，如对本岸立角大的，安排在阴天的早上7~8点半和下午17~18点顺光观测，这样即消除掉了离地面近的水蒸汽的影响和折光影响；跨长江点的观测，选在阴天微风的上午9~10点和下午15~16点观测。实验证明，此时间段的跨长江成像最为稳定、真实、清晰。在观测过程中必须分光段进行，即为上午、下午各6测回，从而消除时段和光段的影响。通过精心安排、合理利用时段，按菲列罗公式计算的测角中误差为±0.56″，满足规范要求，点位精度由原来最大的±5mm提高到现在的±3mm。
3.3 三峡库区野猫面滑坡变形监测　
三峡库区野猫面滑坡变形监测网的网型较好，水平夹角、垂直角、各点距离都大致相等，且观测时间为2005年元月，正是本文所推荐的合适观测季节。观测中严格按规范要求，合理安排观测顺序。首次值独立观测两次，成果精度好，按菲列罗公式计算的测角中误差为±0.78″，各点最大点位中误差均不超过2mm，均满足规范和设计要求。
3.4广东鹤南大桥高程控制网（T3倾角法跨河水准）
本人2009年7月中上旬在广东鹤南大桥高程控制网跨珠江测量中，就尽量采用了阴天观测、小雨天观测、夜间观测，克服了高温季节和特殊地带对观测精度的影响，提高了成果精度，取得了较好效果。具体指标如表3：
表3 广东鹤南大桥高程控制网跨河水准精度统计
双测回互差
往返测差
第一位置高差中误差
第二位置高差中误差
高差中数中误差
6.02 mm
5.48 mm
±0.69mm
±0.72 mm
±0.50 mm

4 小结
在三角测量中，无论网型如何，地区地理、气象条件好坏，观测季节多复杂，只要认真按规范操作，在总结经验的基础上合理安排，一般都能满足甚至提高观测精度。阳逻长江大桥的施工控制网虽然在不利季节观测，但由于时段、时间、天气选择合理，此施工控制网得以高精度、高效率完成，受到了验收专家组的高度评价，被业主评为优质成果，并获得湖北省科技成果一等奖。本人通过多年对仪器的操作，总结如下：
⑴ 仪器精确整平后，匀速转动仪器照准部一到二周，看仪器管状气泡在任意位置是否处于刻划中心，如有偏离，应重新整置，规范规定为不超过1格，但在实际工作中最好控制在0.5格或者更小。
⑵ 选择零方向，零方向点应是顺光且立角较小，本站到个各方向测点的距离适中的点。
⑶ 在正镜观测旋转过程中，必须轻微匀速顺时针方向转动仪器，精确照准各测点中心进行读数，如顺时针转动时超过观测目标，则必须重新顺时针方向转动照准目标，使之消除仪器隙动差导致的观测误差。
⑷ 精确照准目标，测微鼓上下对径必须使上下刻划完全稳合在一条直线上，才能读数为第一次照准读数，然后动用测微鼓移开上下对径刻划，重新对上下刻度线进行对径，使之上下刻划在一条直线上时读取第二次读数，要求两次读数不能超过1″。两次对径读数越小，则说明对径精度越高。
⑸ 必须在气泡稳定后才能读取气泡两端读数，夏天气泡稳定较快，冬天气温低，气泡稳定较慢，同时冬天观测时必须注意不能操之过急。在立角较大的山区，气泡两端的读数对方向值的改正较大，此时观测员的观测节奏和经验对观测的精度影响较大。
⑹ 倒镜观测从零方向逆时针方向旋转对各方向进行逐一顺序观测，其对径测微鼓读数与正镜观测相同。
⑺ 每一测回完成后，必须检查管状气泡是否处于中心位置，如有偏离，最好重新精确调平气泡后，再进行下一测回的观测。
⑻ 每站测量完成后，如有测回差超限，必须进行认真分析，查找原因后选择最大(小)值进行重测，使之满足测回限差。

梁兵（1968年4月— ），男，1986年12月参加工作，现在长江水利委员会三峡勘测研究院有限公司工程测量处任高精度测量中队队长，长期从事高精度测量工作，1996年被授予全江优秀共青团员；2007年在（长江委首届技能人才论文竟赛）中获三等奖；2009年在湖北省测绘局举办的“南方测绘杯”首届测绘职业技能竟赛中获团体优秀奖；多次被平为处，院级先进个人生产者。