摘 要：本文结合全站仪技术的发展，介绍了免棱镜全站仪的结构以及免棱镜全站仪测量的原理，对免棱镜反射测量的精度进行分析，并与使用棱镜测量结果进行比较，确定免棱镜反射测量在工程中的适用性。传统的全站仪测量需要棱镜的配合使用，在难于架设棱镜的工作条件下给测量带来极大不便和困难，而免棱镜测量的使用解决了这一难题，很大程度上节省了人力与时间，提高了工作效力。另外本文还介绍了免棱镜测量技术在测绘中应用的几个方面以及在具体测量中的使用方法。对一些工程状况作具体分析，详述免棱镜测量的可行性。阐述了难架设棱镜的目标的具体测量方案和有效测设措施。对有效地减少传统测量所花时间及减少工程测量中施工对测量速度影响的方案，结合在实际测量中的应用对免棱镜测量技术的一些问题进行探讨。
关键词：工程测量；横断面；免棱镜测距技术；精度分析
1 全站仪免棱镜测量的基本原理和测距结构
免棱镜全站仪即不需要棱镜作为合作目标就可以进行测距的全站仪。免棱镜测量（Reflectorless）又叫无合作目标测量，是不需要反射棱镜而依靠被测物的自然表面反射光线来进行测距。免棱镜测距的方法有两种，一是脉冲法，另外是相位法，脉冲法用测量时发射和接收信号之间的时间间隔来计算距离，多次测量得出平均距离。相位法测量使用连续信号，以不同的颇率来调制载波信号，测出发射和接收信号之间的相位差，从而求出被测距离。一般来讲，在相同的条件下，脉冲发的测程远，相位法的精度高。以徕卡TCR系列仪器为例作一些测距原理的简单介绍。LeicaTCR1100 系列全站仪EDM（Electronic Distance Measuring instrument）模块被集成在全站仪中，可以产生一束与望远镜同轴的红外激光IR（Infra-Red），由红外激光发射管发射，作为相对于红外光束的一种选择。它还可以产生可见波段红色激光束RL（Red Laser），由红色激光发射管发出，相应有IR和RL两种测距方式，可通过全站仪键盘上的按键来完成两种测距模式的转换。传统的测距仪，大都用发光管（LED）作为信号源，而现代仪器采用激光管的新型测距仪，提高了发射功率，保证免棱镜测量的测距精度，相位法测距用的测量光束很细，因此能准确地分辨出相邻非常近的点，脉冲式无反射棱镜测距，不需要很强的激光功率，但其精度较低。IR测距方式需要反射棱镜或反射片，RL测距方式可以不用反射棱镜，也可以用反射棱镜测量。徕卡TCR系列测距仪器结构如图1所示：
免棱镜全站仪的特点
无反射棱镜全站仪把无反射棱镜测距仪融合进了传统的全站仪，使得无反射棱镜全站仪既可以作为一般的全站仪使用，又能作为无反射棱镜测距仪使用，同时也使得无反射棱镜测距更为方便和快捷，实现了“所瞄即所
1.1 效率高，使用范围广
无反射棱镜全站仪最大的优势就在于不需要接触被测点，就可获得被测点的3维坐标。这一来，一方面省去了作业员爬高上坡的奔波之苦，作业强度和危险性大大降低，另一方面也对一些重要的比如文物之类的建筑起到了一定的保护作用。此外，有的仪器还提供了可见激光的无反射棱镜方式，可见激光光束可以作为指向器使用，即可根据光斑的位置确定测量位置，因此没有必要总是通过望远镜寻找目标，这也给全站仪在室内测量的应用扩展了空间利用这一特性，可以轻易完成建筑物表面测量、房间空间测量、航空摄影测量中的图根点测量。
1.2 测距速度快
无反射棱镜全站仪的测距速度一般在1S左右，是无反射梭镜测距仪或掌上型激光测距仪的好几倍，这样就使作业时间大幅减少，减轻了作业人员的工作强度，提高了工作效率。
1.3 测程远
一方面红外二极管的发射功率提高了，另一方面是无反射棱镜全站仪可以在RL状态便用棱镜，这样就大大提高了它的测程，如有的仪器使在IR模式测量时单棱镜测程3km,在RL模式下用单棱镜测量测程5km,测程几乎提高了一倍。
1.4 安全性好
激光对眼的安全性是一个很重要的问题。根据IEC60825-1标准，测量员使用望远镜直接观察不符合等级的激光束，不管该激光束是可见光还是不可见光，都可能会受到伤害。但一般的全站仪都满足2级激光标准，这个等级对人眼是相对安全的。一般情况下，全站仪的激光等级都能够满足二级标准，这个等级对人眼来说是安全的，一些全站仪的光路中包含了切换返回望远镜可见红色激光的减光板，因此通过望远镜不会看到红光，这样不但使返回到接受光路的信号最大，也保证了眼睛的安全，但当信号特别强烈或者使用反光镜时，也会看到红斑，不过也是安全的。
2 免棱镜测量的精度分析
2.1 实例分析
以徕卡TCRA1101为例，进行精度分析，比较在reflector模式和Reflectorless模式下测量精度情况，并对不同事物的反射条件不同做相应的比较。将全站仪十字丝中心精确对准圆棱镜中心，先在“reflector”模式下测量若干次后，再将测量模式换为圆棱镜进行测量，两种测量模式的距离相差34mm左右。测量结果如下表1所示：
观测的值均方误差并不反映观测值的精度，却反映了观测值的离散程度，即测量数据的内部精度。从表3可以看出，随着免棱镜测量距离的增加和反射物体稳定性减弱，观测数据的均方误差随着增大，只要在良好的观测条件下，反射物体足够稳定，物体表面的粗糙程度对测量数据的离散程度影响并不明显；如果在观测条件不好的情况下如距离过远或者气象条件差，目标反射面不稳定，过于粗糙都会造成全站仪无合作目标测量的失败。从图2中可以明显地看出免棱镜测距的精度随着距离的增加而降低。黑色表面几乎不反射激光束，无法应用免棱镜全站仪测量黑色物体。大多免棱镜测距的标称精度为±（3mm+2×10-6×D），即每公里测距误差为±5mm，由于上面讲到的一些测量条件和因素的影响，测量结果往往达不到标称精度，对不同物体多次观测的结果表明观测值均方差最大值为27.10mm。再分析距离和角度对高差的影响：
h=D×tagα （1）
式中:h为高差，D为平距，α为竖直角。
一般测绘横断面的范围为线路中线两侧各100-150m，取D=150m，由上述实验可取测距中误差mD=±27.10mm，测角中误差mα=±3″。（1）式中其它量不变时高差h的中误差随竖直角a的增大而增大，且实际勘测中竖直角一般不会超过60o，所以取a=60o进行计算。则高差的中误差mh为：
按3倍的中误差作为测量误差的极限值，即
高差的极限误差为： （3）
距离的极限误差为： （4）
对于一些特殊点的测量，比如房屋的拐点、非平面反射物体等，免棱镜测距的精度和全站仪激光束在反射面形成的光斑的大小有密切的关系，如果在视场内有多个距离不等的目标一起反射激光束，所测量的结果将会受到影响，测量时尽量不要瞄准待测物的边缘，要使激光束全部落在边缘点所在的平面内，从而提高测量精度。
2.2 通过实验和实践总结得出影响免棱镜全站仪测量的结论
1）在反射物体比较光滑和气象条件一般的情况下，一般免棱镜测量的距离不太远，随着气象条件、反射物体的稳定性和物体表面光滑程度变化而变化。
2）免棱镜测量精度和气象条件、反射物体稳定性有密切关系，但与反射物体表面光滑程度无显著影响。
3）在合作目标光滑、稳定和浅颜色的条件下，免棱镜测距的观测值非常接近于前方角度交会计算出来的理论距离。
4）免棱镜测量边缘点时要使光斑全部落在反射目标所在的平面内，从而避免因其他物体反射而降低测量精度。
5）免棱镜测量对测角的精度无显著影响，激光束达到直角棱镜表面时，也经表面折射到棱镜中心的反射面（由于徕卡圆棱镜的常数是34.5mm，所以和有棱镜测量模式下的测量结果相差34.5mm）。
6）颜色越浅（比如白色、银色等）测量结果越好，对深黑色物体测量效果很差。
3 结论
1）全站仪免棱镜测量在特殊点、危险点测量中显示出极大优越性，解决了传统测量方法解决不了的问题。不仅使作业强度和危险性大大降低，而且极大提高生产效率，测点精度高且均匀，既保证了作业精度，又节省了人力，使工作人员不再冒着生命危险高空作业。还对被测目标也起到一定保护作用。即使在一般测量条件下，全站仪免棱镜测量技术也比传统测量方法优越。
2）免棱镜全站仪在测绘中的应用，主要是测量横断面和目标的三维坐标，而且越来越广泛地应用在测绘生产当中。实践证明无论从精度还是其实用性来说在工程勘测、施工放样和竣工测量中免棱镜全站仪均有广阔的应用前景。
3）然而免棱镜全站仪测量也存在着不足之处，对物体边缘点的测量容易测量到目标前后的其他反射物体，会得到不准确的数据，另外免棱镜全站仪测量的是第一进入反射面的物体，所以要避免所测目标前后无移动物体经过。这一不足之处现在只有靠测量人员细心认真地瞄准目标，提高测量员自身的测量技术来弥补。