Технология безотражательных измерений DR для геодезистов и инженеров-строителей

Лазеры Класса 2 как правило безопасны для использования в публичных местах (где и ведутся съемочные работы) без всяких специальных мер предосторожности, кроме мер по избеганию прямого попадания луча в глаз. Инструкции не требуют использования предупреждающих знаков, звуковых сигналов или специального обучения персонала для работы с лазерами этого класса. 

Дальномер Trimble DR Standard в режиме DR попадает в Класс 2. Много повседневных ручных лазерныхустройств, таких как лазерные указки, также относятся к Классу 2.

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КЛАССА 3R

Можно повысить дальность  измерений фазовых дальномеров, увеличив мощность источника лазерного излучения — обычно от менее 1 мВт до 5 мВт. Однако мощное непрерывное лазерное излучение уменьшает безопасность, получая по лазерной классификации Класс 3R.

Международный стандарт IEC 60825-1 предоставляет дополнительные предостережения, необходимые при использовании оборудования Класса 3R. Ниже приведем цитату из него:

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ О БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ КЛАССА

3R— Лазерная продукция  Класса 3R , используемая в геодезии, выравнивании и нивелировании.  Только квалифицированный и обученный  персонал должен быть допущен  к установке, настройке и работе  с лазерным оборудованием. Области,  в которых это лазерное оборудование  применяется, должны быть размечены  соответствующими знаками с предупреждениями. Должно быть уделено внимание  предотвращению непреднамеренного  отражения излучения. Для демонстраций, показов и выставок должна  использоваться лазерная продукция  только Класса 1 или Класса 2. Обучение: Только лица,  получившие специальное  обучение допускаются к управлению  такими системами. В обучение  должны быть включены: знакомство  с работой системы с применением  предупреждений об опасности,  предупреждающих знаков и др., необходимость личной защиты, процедуры  сообщений о происшествии, и биологического  влияния лазерного излучения  на глаза и кожу. Должны быть  сделаны предостережения о том,  что лица не должны смотреть  прямо на луч. Должны быть  сделаны предостережения о том,  что лазерное излучение не  должно быть неумышленно направлено  на зеркальные поверхности. При  включении лазера должны подаваться  звуковые и визуальные предупреждения.

Приведенные здесь предостережения  по использованию оборудования Класса 3R позволяют использовать его на практике только в таких областях, как открытые горные разработки и  некоторые строительные площадки, но не в открытых общественных местах.

При сравнении характеристик  инструментов важно убедиться в  том, что они имеют сравнимые  лазерные классы (Класс 1 или 2) и полностью  уяснить положение и обязанности  пользователя при работе с другими  классами излучения, такими как 3R.

Компания Trimble не выпускает геодезических инструментов Класса 3R.

ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЙ В РЕЖИМЕ DR

При сравнении дальности DR измерений важно также учитывать  и время измерений, поскольку  оно существенно влияет на производительность работ. На больших расстояниях импульсный дальномер, как правило, позволяет  выполнять измерения намного  быстрее, чем фазовый, так как  у последнего время измерения  увеличивается при увеличении расстояния.  Время измерений фазового дальномера часто приводится как постоянная величина для короткого отрезка  плюс пропорциональная расстоянию переменная величина.

Возьмем в качестве примера  фазовый дальномер DR Standard, имеющий время измерений в режиме слежения 0.8 секунды на первые 30 м, плюс 1 секунду на каждые дополнительные 10 м. На расстоянии 100 м время измерений составляет 7.8 секунды. Типичное время измерений для импульсного дальномера DR300+ равно 3 секундам. Оно зависит от структуры поверхности, до которой ведутся измерения. После первоначального измерения в режиме слежения расстояния обновляются каждые 0.4 секунды. Для получения более высокой точности оба метода требуют увеличения времени измерений. Однако время измерений импульсным методом не зависит от расстояния. Этот факт очень важен, поскольку малое время измерений любого расстояния сильно сказывается на производительности полевых работ.

На Рисунке 5 показана зависимость  времени измерения от расстояния для дальномеров Trimble DR300+ и DR Standard. Рисунок показывает, что время измерения максимально возможного расстояния фазовым дальномером обычно в 4 раза больше, чем импульсным. На больших расстояниях сравнение не производилось, поскольку они находятся за пределами дальности измерений фазовых дальномеров.

Рисунок 5. Время измерения  в зависимости от расстояния

 

 

РАСХОДИМОСТЬ ПУЧКА И ТОЧНОСТЬ

Как было показано на Рисунке 3, используемый для измерений лазерный луч расходится по мере распространения  от источника. 

  Природа расходимости луча для импульсного и фазового дальномеров различна: при выходе из инструмента диаметр луча импульсного дальномера несколько больше, чем у фазового дальномера. Поскольку луч импульсного дальномера обычно проходит расстояние в два-три раза большее, чем луч фазового дальномера, то на больших расстояниях размер его пятна может составить до 4 см в диаметре. Однако это не значит, что точность измерений снижается до 4 см; она остается той же самой, как указано в спецификации. Это просто означает, что сама область измерений имеет такой размер.  Широкое или узкое лазерное пятно может иметь как свои преимущества, так и недостатки.

  Широкое пятно может быть полезным в случае измерений до мелких объектов,  таких как провода линий электропередачи, антенн и т.д.  С узким пятном такие объекты могут быть пропущены.  (Более мощный импульс распространяется в более широкой области, с большей вероятностью попадания  в небольшую цель при сохранении высокой точности измерения).

   Узкое пятно фазового  дальномера имеет свои преимущества  при необходимости измерений  на небольших расстояниях до  внутренних или внешних углов,  например, внутри помещений или  сквозь отверстия. Хотя благодаря  узкому пучку ошибки измерений уменьшаются, нужно отметить, что они не исключаются полностью. Более точным решением при измерениях до углов, полностью исключающим проблему размеров пучка, будет использование простых встроенных программ. Например, сначала пользователь производит измерение углов и расстояний до двух точек на смежной с углом стене, а затем берёт угловой отсчет на вершину угла. См. на Рисунок 6. Этот метод одинаково хорошо работает и для импульсных, и для фазовых дальномеров, позволяя получить координаты угла с более высокой точностью, чем при непосредственном измерении с использованием DR  технологии любого типа. (Поскольку расходимость лазерного пучка существует как для импульсных, так и для фазовых дальномеров, ошибка будет присутствовать в обоих случаях непосредственного измерения до внутреннего или внешнего угла).

 Расходимость луча  также сказывается при безотражательных измерениях до поверхности,  имеющей заметный наклон к линии визирования. Это касается всех типов дальномеров. И здесь ошибка измерений может быть существенно уменьшена благодаря другой встроенной программе, которая позволяет выполнять измерения при двух кругах. В этом случае ошибки, вызванные измерениями плоскости под углом, взаимоисключаются.

ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

При оценке того или иного  типа безотражательного дальномера пользователь легко может выполнить несколько тестов для подтверждения заявленных производителем характеристик.

Для тестирования дальности  измерений простовыбирается группа объектов на расстоянии до 600  метров и определяется, до каких из них могут быть выполнены измерения различными типами безотражательных дальномеров.

Для тестирования эффекта  расходимости луча и точности выбирается предмет небольшого размера,  например, карандаш. Карандаш закрепляется на некотором  расстоянии перед стеной и до него выполняется измерение. Затем карандаш убирают и измеряют расстояние до стены. После этого разность двух измерений сравнивается с известным расстоянием между стеной и карандашом. Полученное по DR  технологии любого типа расхождение не будет зависеть от размера пятна.  Другой тест для проверки дальномера – это измерения до линий электропередач и телефонных проводов на различных расстояниях.

Тестирование дальномеров  на чувствительность к прерыванию сигнала  можно провести, выполняя измерения  расстояний через загруженную транспортом  дорогу.

Проверяйте точность измерений  на известных базисах и сравнивайте  типичное время измерений на различных  расстояниях: при съемке тысячи точек  в день этот параметр существенно  влияет на производительность работ.

Также проверьте возможности  встроенного программногообеспечения инструмента, о чем будет сказано ниже.

ПРИЛОЖЕНИЯ DR

Не менее самих безотражательных измерений важны возможности полевого программного обеспечения.  Удобные полевые программы позволяют геодезисту использовать DR технологию наиболее эффективным образом.

В электронных тахеометрах  Trimble S6 применяется множество полезных программ. Некоторые из них будут описаны ниже.

ЗАДАНИЕ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЙ

Иногда пользователю необходимо произвести измерение до удаленного объекта, за которым вдоль линии  визирования находится другой отражающий объект. В этом случае можно выполнить  ошибочное измерение до другого  объекта. Проблему можно решить следующим  образом: определить расстояние до объекта,  находящегося приблизительно на таком  же удалении, что и требуемый, или определить расстояние до дальнего объекта. Используйте одно из этих значений для установки диапазона измерений, например, чтобы измерять расстояния до объектов только свыше 100 метров, или находящихся на расстоянии от 120 до 130 метров.

Например, если линия визирования  на верх водонапорной башни пересекается проводами ЛЭП, то сначала определите расстояние до них. Если до проводов 45 метров, то измените в программе диапазон для измерения расстояний свыше 50 м – и инструмент будет измерять расстояния до водонапорной башни. 

ЗАДАНИЕ ДОПУСКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Также в программном обеспечении  инструмента может быть задана требуемая  среднеквадратическая ошибка измерения  расстояний, например, 0.010 м или 0.001 м.  Тахеометр будет проводить измерения  до тех пор, пока заданная точность не будет достигнута. Если требуемая  точность не будет достигнута за установленное  максимальное число измерений, то программа  укажет полученную ошибку и предложит  оператору принять или отклонить  данное измерение.

ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ДО УГЛА

Все безотражательные дальномеры, импульсного или фазового типа, неизбежно будут иметь ошибки при измерениях до внутренних или внешних углов в результате расходимости пучка при его распространении от источника. Когда лазерный луч направлен точно на угол, часть его излучения переотражается от стен прежде, чем от центральной точки угла. 

Этот эффект при измерении  до угла показан на Рисунке 6, на котором  можно увидеть, что фронт излучения  фазового дальномера ближе подходит к углу, чем фронт импульсного  дальномера (инструменты расположены  на одинаковом расстоянии). Тем не менее, оба метода будут иметь ошибки измерений.

Рисунок 6. Безотражательное измерение до угла.

В результате этого эффекта  наиболее точным способом будет косвенное  измерение, объединяющее измерение  углов и расстояний. В специальной  программе последовательно производятся два измерения на одну из стен (1 и 2), которые задают вертикальную плоскость. Затем оператору потребуется  только навести зрительную трубу  точно на угол (4) и прибор автоматически вычислит его точные координаты, безвлияния ошибок переотражения. См. Рисунок 7.

Рисунок 7. Задание вертикальной плоскости и измерение до угла.

Кроме этого способа, в  тахеометре Trimble S6 имеется другая дополнительная программа определения координат пересечения между 4 точками (двумя пересекающимися прямыми).

ИЗМЕРЕНИЯ ДО ЦЕНТРА КРУГЛЫХ ОБЪЕКТОВ

Принцип работы этой программы  показан на Рисунке 8. В этом примере  рассматривается задача определения  координат центра круглого фонарного  столба. Ясно, что выполнить такое  измерение напрямую невозможно,  однако его можно сделать, используя  безотражательный дальномер и вспомогательное программное обеспечение- без необходимости устанавливать отражатель на верх столба. 

Сначала в безотражательном режиме производится измерение до центра столба со стороны инструмента, которое может быть выполнено на расстояниях до 800 м для дальномера DR300+ и до 70 м для DR Standard, в зависимости от типа поверхности. Затем зрительная труба наводится на край столба со стороны инструмента.  В результате этого автоматически вычисляется радиус столба, по которому определяются координаты его центра.

Рисунок 8: Внецентренное определение точки

СКАНИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

Такие поверхности, как горные забои, крутые откосы или отвалы породы, могут быть автоматически измерены, используя режим сканирования поверхности. Пользователь задает окно и шаг сканирования, после чего прибор сам автоматически  производит съёмку заданного участка. Для создания цифровой модели поверхности  и ее визуализации может быть использовано офисное программное обеспечение  Trimble, например Terramodel®. См. Рисунок 9.

Рисунок 9: Визуализация отсканированной поверхности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология измерений  без отражателей гарантирует  пользователям значительное повышение  производительности и безопасности работ. Теперь с лёгкостью могут  измеряться объекты, которые ранее  были недоступны или опасны, такие  как обрывы, дамбы, горные выработки  и забои, загруженные магистрали и др. С новой технологией стала  возможной фасадная съемка зданий, а возможность работы с одним  исполнителем значительно снижает  стоимость работ. Возможность бесконтактных измерений при работе на автомобильных и железных дорогах понижает травматизм и повышает безопасность.