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第一章 前言
免棱镜测距（Reflectorless）,又叫无接触（Noncontact）測距，指的是全站仪发射的光束经目标物自然表面反射后，直接测定距离的测距方法。
免棱镜测距仪最早出现于二十世纪八十年代，当时为了适应某些高危，高温以及某些具有大数量被测目标等特殊测绘环境下的需要，WILD推出了DIOR3002型测距仪，紧跟着SOKKIA也推出了SET30系列，SET110系列等产品。这些产品在某些特殊测量领域得到了一定的应用，但是在我们常规的测量工作中应用的并不普及。随着测绘科学技术的不断发展，进入二十一世纪以来，各大仪器厂商先后在其主流的全站仪上增加了免棱镜测距的功能，目前我们在市场上所能见到的全站仪中，相当大部分的仪器都有了免棱镜测距功能，虽然各厂商产品之间的测距原理、测程长短、测量精度等都各有差异，但免棱镜测距功能在我们日常的测量工作中得到越来越广泛的应用却是不争的事实。
那么我们在日常的测量工作中，究竟在哪些领域可以用免棱镜测距功能来提高我们的工作效率，减轻测绘工作人员的劳动强度呢？还有我们应该如何确定在哪种情况下免棱镜测距功能是能够满足我们测量工作的要求并且是真实可靠的，而在哪些情况下其成果是不能满足测量工作精度要求的呢？
目前，对免棱镜型全站仪的研究做的还不是很系统，本次我所做的工作就是希望能通过自己在工作中的实际使用和一些简单的测试工作，总结出一定的经验和规律。
第二章免棱镜型全站仪在实际工作中的应用
2.1地形测量方面的应用
我们在进行地形测量工作的时候，经常可以碰到有些跑尺员难以接近的部分点位，比如位于鱼塘或是水田中间的电力、通信杆线，或是采石场的峭壁，如图2－1所示
图2－1
家中无人但四周有围墙阻挡的独立房屋，或是底部有障碍物的房角，在以往的测量工作中，我们往往会采用交会法来加以解决，但一方面存在由于点数较多而导致漏测，另一方面则由于水田中的电力、通信杆线往往数量众多，如遇到图2－2所示的情况
图2－2
用交会法就很容易发生混淆而导致错误的发生。
还有一个我们在地形测量工作中经常碰到的现象就是明明目标物就近在咫尺，但跑尺员到达目标物却可能耗费很大的时间和精力，比如有一个目标物正好位于河流的对岸，但河上没有桥或是要绕很远的一个大圈子，或是要穿过一条交通非常繁忙的公路，这些都对我们的地形测量的外业工作带来很大的困扰。
在上述的种种情况下，我们如果采用带有免棱镜测距功能的全站仪就可以较为轻松的解决这些问题。
众所周知，测绘的外业工作是一项非常艰苦的工作，在保证精度的前提下，如何减少外业工作时间，减轻工作者的劳动强度也是各测绘单位一直都在考虑的问题。我们在地形测量外业工作中，除了上面提到的那些特殊情况，在一般的情况下，免棱镜型全站仪还是能发挥很大的作用的，毕竟用望远镜照准目标直接测距无论如何也要比跑尺员手持棱镜跑去立镜再进行照准测距要快的多。这不仅可以使跑尺员极大的减轻劳动强度，而且对提高整个作业组的外业工作效率大有帮助。
2.2工程测量方面的应用
在工程测量领域中，免棱镜型全站仪也有其广阔的应用空间。
先举一个实际的例子
图2－3
图2－3是我们当地一条城区道路拓宽时进行开山爆破后的现场，我们在进行爆破工程量测算的时候就是采用了用免棱镜型全站仪来测绘断面的方法。
我们依次在公路的各个断面线上设站，从上到下依次测得从悬崖上端到底部的高程数据，再根据这些数据绘制断面图。而如果采用原来用棱镜方式来进行采集数据的话，不仅爬到山崖上端立尺非常危险，而且为了留出一定的安全距离，立尺点距离目标点会有一定的偏移，而且悬崖中部的凹凸部分由于无法立尺而导致数据无法得出，这些都导致测算成果精度的下降。而我们采用的免棱镜测量方式，不仅免去了立尺员的危险，而且直接就测出了较为精确的数据，在断面图上可精确描绘出断面的凹凸变化，同时作业速度也比用原来的方式大有提高。
图2－4就是采用免棱镜测距方法前后绘出的断面比较图
图2－4
在进行悬高测量时，原来的作业方式是在目标物的下方立尺，然后通过测得目标的垂直角来计算目标物的高度，而采用免棱镜型全站仪即可直接测出目标物的高程，省去了立尺、计算之苦。
此外，免棱镜型全站仪在一些如高危、高温等特殊测量领域也有常规测量仪器无法比拟的优势，有着非常广泛的应用价值。
2.3免棱镜型全站仪的局限性
1、在免棱镜型全站仪的测距线路上不能有任何阻挡物，稍有阻挡，便会造成测距无法完成或是测距成果不准确，这一点上就不如有棱镜测量时，稍有阻挡仍可准确的测得距离。
2、免棱镜型全站仪的测程就目前而言还是比较短，由于激光经过传播、漫反射、干涉等因素的影响，导致接受返回的信号强度不够，而无法测出距离。虽然仪器厂商一直也在致力于提高免棱镜型全站仪的测程，象天宝（TRIMBLE）就推出了一款标称免棱镜测距测程可以达到600－800m的全站仪，但也是以消耗大量电力来增加激光发射功率来实现的，除有些特殊环境外，实用性并不十分理想。现在市面上的免棱镜型全站仪的测程各厂商在80－250m不等，对有些距离较远或是物体表面发射情况不理想的目标物往往难以测出结果。
3、激光光斑大小问题
由于免棱镜型全站仪的激光发生器发出的激光是有一定的发散性的，因此在激光到达目标物表面的时候，激光会在物体表面形成一个光斑，而光斑的大小就会对测距精度产生很大的影响。尤其是当激光线路（也就是我们在全站仪望远镜镜头里的视线）与物体表面的夹角小于一定的数值时，光斑就会在物体表面形成一个倾斜的投影，如图2－5所示。被这投影部分反射回去的激光被仪器接收加以计算距离的话，就会严重影响测距的精度。光斑在目标物体表面的倾斜投影越大，其测距的误差也就越大。
图2－5
当然，仪器厂商也在不断的改进这一问题，各个厂商控制激光光斑的技术手段也都不尽相同，不过总的来讲，免棱镜型全站仪正在往大测程，小光斑的方向发展。
4、目标物表面颜色和光滑度对测程的影响
由于免棱镜测距是靠接受目标物表面反射回来的信号来进行的，因此目标物表面的物理属性对测距也存在相当大的影响。
我们在长期的实际工作中发现，颜色越深、表面越粗糙的目标物，免棱镜测距的测程会变得很短，而相反的，颜色越浅，表面越光滑的目标物，就越有可能接近甚至达到仪器标称的测程。
而对于目标物表面颜色、光滑程度对于测距精度的影响，也有同行专门做过这方面的研究，对常规的应用而言，应该讲是没什么影响，对于免棱镜测距精度影响最大的因素还是在于激光入射角与物体表面夹角过小引起的误差。
第三章入射角度对于免棱镜测距精度的影响
为了研究激光入射角度对于测距精度的影响问题，我们选取了采用脉冲式测距方式的TOPCON GPT-2005全站仪和采用相位式测距方式的LEICA TCR-702作为我们的测试仪器。
TOPCON GPT-2005是日本TOPCON公司在2003年推出的一款全站仪，其免棱镜测程标称3－150m, 测距精度为±（10mm）(3－30m), ±(5mm＋2x10¯6XD)(30-150m)。
LEICA TCR-702是LEICA在2002年推出的2秒级全站仪，其免棱镜测程标称80m,测距精度优于3mm。精测频率为100MHZ,精测尺长为1.5米，粗测尺长为12KM。
考虑到实际工作中大部分测量目标物体为房角之类的直角物体，所以我们选择了一个底部可以旋转的小柜子，并选取其一个直角作为我们的观测目标。
测试过程中，我们先把柜子一角表面与视线相垂直，先在棱镜测量模式下用小棱镜测出有棱镜模式下的斜距，然后在不改变垂直角的情况下，照准我们的目标，在免棱镜测距模式下测得斜距，每次读数三次。
在完成目标物表面与视线垂直情况下的测距工作后，我们把柜子转动15度，再进行有棱镜和无棱镜两组数据的观测，知道用免棱镜无法测出距离为止。
每台仪器分别选择两段长短不一的距离进行测试，成果见下页表格（由于客观条件所限，我们在依次转动柜子的时候无法做到完全定位于同一点上，因此每组数据之间的距离有所不同）
TOPCON GPT-2005 测试数据（一） 表一
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
1 2 3 1 2 3
19.121
19.120
19.121
19.119
19.122
19.121
75
19.120
19.121
19.120
19.116
19.116
19.117
60
19.122
19.121
19.122
19.120
19.120
19.120
45
19.151
19.153
19.153
19.142
19.141
19.141
30
19.170
19.170
19.170
19.137
19.139
19.138
15
19.188
19.186
19.187
19.114
19.113
19.113
TOPCON GPT-2005 测试数据（二）表二
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
1 2 3 1 2 3
64.504
64.504
64.503
64.498
64.498
64.499
75
64.473
64.472
64.473
64.468
64.468
64.467
60
64.481
64.481
64.481
64.473
64.472
64.471
45
64.481 64.481 64.481 64.452
64.451
64.452
30
64.500
64.499
64.499
64.455
64.455
64.455
15
64.537
64.538
64.538
64.437
64.439
64.441
LEICA TCR-702測试数据（一）表三
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
45.572
45.572
45.571
45.569
45.569
45.568
75
45.567
45.567
45.567
45.561
45.563
45.562
60
45.572
45.572
45.571
45.560
45.561
45.561
45
45.607 45.607 45.607 45.569
45.568
45.568
30
45.633
45.632
45.633
45.597
45.599
45.599
15
45.641
45.641
45.641
无法测出
LEICA TCR-702测试数据（二）表四
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
1 2 3 1 2 3
19.113
19.111
19.113
19.109
19.109
19.109
75
19.131
19.131
19.131
19.132
19.132
19.132
60
19.139
19.139
19.138
19.135
19.135
19.135
45
19.154 19.155 19.155 19.145
19.145
19.145
30
19.162
19.161
19.163
19.151
19.151
19.152
15
19.175
19.175
19.174
19.150
19.150
19.151
图3－2
从四个表格中反映的数据以及入射角度与误差分析图（图3－2）可以看出，入射角度大于60度时，测距精度是比较理想的，但受光斑倾斜投影的影响，当入射角度小于60度但大于45度时，误差开始迅速增大，但还能基本满足测图的需要。当入射角度小于45度时，TOPCON GPT-2005的误差已经超过30mm，并有迅速增大的趋势，也许是光斑控制不够理想的缘故。而LEICA TCR-702的误差始终控制的比较理想，但80m的测程相对来说过短了一些。
第四章 结束语
测绘科技的发展日新月异，就免棱镜型全站仪而言，每年的新产品也是层出不穷。由于受条件所限，我们没有用到目前最新，最先进的免棱镜型全站仪来做我们的测试，而且我们的测试方案也有不够完善之处，但就测试数据而言，还是在一定程度上证明了免棱镜型全站仪在我们的日常工作中还是有很广阔的应用空间的，在大比例尺数字测图中，只要是反射情况良好，即入射角度不小于45度时，测得的成果还是能满足数字化测图的需要的。当然随着科技的快速发展，一定会有光斑控制的更好，测程更远的新仪器不断产生，免棱镜型全站仪在我们测量工作中也会有更广阔的应用空间，也必将进一步提升我们的工作效率。
参考资料：
[1]孙长库叶声华激光测量技术天津大学出版社2001
[2]范百兴夏治国全站仪无棱镜测距及精度分析 北京测绘2004年第1期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
免棱镜测距（Reflectorless）,又叫无接触（Noncontact）測距，指的是全站仪发射的光束经目标物自然表面反射后，直接测定距离的测距方法。
免棱镜测距仪最早出现于二十世纪八十年代，当时为了适应某些高危，高温以及某些具有大数量被测目标等特殊测绘环境下的需要，WILD推出了DIOR3002型测距仪，紧跟着SOKKIA也推出了SET30系列，SET110系列等产品。这些产品在某些特殊测量领域得到了一定的应用，但是在我们常规的测量工作中应用的并不普及。随着测绘科学技术的不断发展，进入二十一世纪以来，各大仪器厂商先后在其主流的全站仪上增加了免棱镜测距的功能，目前我们在市场上所能见到的全站仪中，相当大部分的仪器都有了免棱镜测距功能，虽然各厂商产品之间的测距原理、测程长短、测量精度等都各有差异，但免棱镜测距功能在我们日常的测量工作中得到越来越广泛的应用却是不争的事实。
那么我们在日常的测量工作中，究竟在哪些领域可以用免棱镜测距功能来提高我们的工作效率，减轻测绘工作人员的劳动强度呢？还有我们应该如何确定在哪种情况下免棱镜测距功能是能够满足我们测量工作的要求并且是真实可靠的，而在哪些情况下其成果是不能满足测量工作精度要求的呢？
目前，对免棱镜型全站仪的研究做的还不是很系统，本次我所做的工作就是希望能通过自己在工作中的实际使用和一些简单的测试工作，总结出一定的经验和规律。
第二章免棱镜型全站仪在实际工作中的应用
2.1地形测量方面的应用
我们在进行地形测量工作的时候，经常可以碰到有些跑尺员难以接近的部分点位，比如位于鱼塘或是水田中间的电力、通信杆线，或是采石场的峭壁，如图2－1所示
图2－1
家中无人但四周有围墙阻挡的独立房屋，或是底部有障碍物的房角，在以往的测量工作中，我们往往会采用交会法来加以解决，但一方面存在由于点数较多而导致漏测，另一方面则由于水田中的电力、通信杆线往往数量众多，如遇到图2－2所示的情况
图2－2
用交会法就很容易发生混淆而导致错误的发生。
还有一个我们在地形测量工作中经常碰到的现象就是明明目标物就近在咫尺，但跑尺员到达目标物却可能耗费很大的时间和精力，比如有一个目标物正好位于河流的对岸，但河上没有桥或是要绕很远的一个大圈子，或是要穿过一条交通非常繁忙的公路，这些都对我们的地形测量的外业工作带来很大的困扰。
在上述的种种情况下，我们如果采用带有免棱镜测距功能的全站仪就可以较为轻松的解决这些问题。
众所周知，测绘的外业工作是一项非常艰苦的工作，在保证精度的前提下，如何减少外业工作时间，减轻工作者的劳动强度也是各测绘单位一直都在考虑的问题。我们在地形测量外业工作中，除了上面提到的那些特殊情况，在一般的情况下，免棱镜型全站仪还是能发挥很大的作用的，毕竟用望远镜照准目标直接测距无论如何也要比跑尺员手持棱镜跑去立镜再进行照准测距要快的多。这不仅可以使跑尺员极大的减轻劳动强度，而且对提高整个作业组的外业工作效率大有帮助。
2.2工程测量方面的应用
在工程测量领域中，免棱镜型全站仪也有其广阔的应用空间。
先举一个实际的例子
图2－3
图2－3是我们当地一条城区道路拓宽时进行开山爆破后的现场，我们在进行爆破工程量测算的时候就是采用了用免棱镜型全站仪来测绘断面的方法。
我们依次在公路的各个断面线上设站，从上到下依次测得从悬崖上端到底部的高程数据，再根据这些数据绘制断面图。而如果采用原来用棱镜方式来进行采集数据的话，不仅爬到山崖上端立尺非常危险，而且为了留出一定的安全距离，立尺点距离目标点会有一定的偏移，而且悬崖中部的凹凸部分由于无法立尺而导致数据无法得出，这些都导致测算成果精度的下降。而我们采用的免棱镜测量方式，不仅免去了立尺员的危险，而且直接就测出了较为精确的数据，在断面图上可精确描绘出断面的凹凸变化，同时作业速度也比用原来的方式大有提高。
图2－4就是采用免棱镜测距方法前后绘出的断面比较图
图2－4
在进行悬高测量时，原来的作业方式是在目标物的下方立尺，然后通过测得目标的垂直角来计算目标物的高度，而采用免棱镜型全站仪即可直接测出目标物的高程，省去了立尺、计算之苦。
此外，免棱镜型全站仪在一些如高危、高温等特殊测量领域也有常规测量仪器无法比拟的优势，有着非常广泛的应用价值。
2.3免棱镜型全站仪的局限性
1、在免棱镜型全站仪的测距线路上不能有任何阻挡物，稍有阻挡，便会造成测距无法完成或是测距成果不准确，这一点上就不如有棱镜测量时，稍有阻挡仍可准确的测得距离。
2、免棱镜型全站仪的测程就目前而言还是比较短，由于激光经过传播、漫反射、干涉等因素的影响，导致接受返回的信号强度不够，而无法测出距离。虽然仪器厂商一直也在致力于提高免棱镜型全站仪的测程，象天宝（TRIMBLE）就推出了一款标称免棱镜测距测程可以达到600－800m的全站仪，但也是以消耗大量电力来增加激光发射功率来实现的，除有些特殊环境外，实用性并不十分理想。现在市面上的免棱镜型全站仪的测程各厂商在80－250m不等，对有些距离较远或是物体表面发射情况不理想的目标物往往难以测出结果。
3、激光光斑大小问题
由于免棱镜型全站仪的激光发生器发出的激光是有一定的发散性的，因此在激光到达目标物表面的时候，激光会在物体表面形成一个光斑，而光斑的大小就会对测距精度产生很大的影响。尤其是当激光线路（也就是我们在全站仪望远镜镜头里的视线）与物体表面的夹角小于一定的数值时，光斑就会在物体表面形成一个倾斜的投影，如图2－5所示。被这投影部分反射回去的激光被仪器接收加以计算距离的话，就会严重影响测距的精度。光斑在目标物体表面的倾斜投影越大，其测距的误差也就越大。
图2－5
当然，仪器厂商也在不断的改进这一问题，各个厂商控制激光光斑的技术手段也都不尽相同，不过总的来讲，免棱镜型全站仪正在往大测程，小光斑的方向发展。
4、目标物表面颜色和光滑度对测程的影响
由于免棱镜测距是靠接受目标物表面反射回来的信号来进行的，因此目标物表面的物理属性对测距也存在相当大的影响。
我们在长期的实际工作中发现，颜色越深、表面越粗糙的目标物，免棱镜测距的测程会变得很短，而相反的，颜色越浅，表面越光滑的目标物，就越有可能接近甚至达到仪器标称的测程。
而对于目标物表面颜色、光滑程度对于测距精度的影响，也有同行专门做过这方面的研究，对常规的应用而言，应该讲是没什么影响，对于免棱镜测距精度影响最大的因素还是在于激光入射角与物体表面夹角过小引起的误差。
第三章入射角度对于免棱镜测距精度的影响
为了研究激光入射角度对于测距精度的影响问题，我们选取了采用脉冲式测距方式的TOPCON GPT-2005全站仪和采用相位式测距方式的LEICA TCR-702作为我们的测试仪器。
TOPCON GPT-2005是日本TOPCON公司在2003年推出的一款全站仪，其免棱镜测程标称3－150m, 测距精度为±（10mm）(3－30m), ±(5mm＋2x10¯6XD)(30-150m)。
LEICA TCR-702是LEICA在2002年推出的2秒级全站仪，其免棱镜测程标称80m,测距精度优于3mm。精测频率为100MHZ,精测尺长为1.5米，粗测尺长为12KM。
考虑到实际工作中大部分测量目标物体为房角之类的直角物体，所以我们选择了一个底部可以旋转的小柜子，并选取其一个直角作为我们的观测目标。
测试过程中，我们先把柜子一角表面与视线相垂直，先在棱镜测量模式下用小棱镜测出有棱镜模式下的斜距，然后在不改变垂直角的情况下，照准我们的目标，在免棱镜测距模式下测得斜距，每次读数三次。
在完成目标物表面与视线垂直情况下的测距工作后，我们把柜子转动15度，再进行有棱镜和无棱镜两组数据的观测，知道用免棱镜无法测出距离为止。
每台仪器分别选择两段长短不一的距离进行测试，成果见下页表格（由于客观条件所限，我们在依次转动柜子的时候无法做到完全定位于同一点上，因此每组数据之间的距离有所不同）
TOPCON GPT-2005 测试数据（一） 表一
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
1 2 3 1 2 3
19.121
19.120
19.121
19.119
19.122
19.121
75
19.120
19.121
19.120
19.116
19.116
19.117
60
19.122
19.121
19.122
19.120
19.120
19.120
45
19.151
19.153
19.153
19.142
19.141
19.141
30
19.170
19.170
19.170
19.137
19.139
19.138
15
19.188
19.186
19.187
19.114
19.113
19.113
TOPCON GPT-2005 测试数据（二）表二
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
1 2 3 1 2 3
64.504
64.504
64.503
64.498
64.498
64.499
75
64.473
64.472
64.473
64.468
64.468
64.467
60
64.481
64.481
64.481
64.473
64.472
64.471
45
64.481 64.481 64.481 64.452
64.451
64.452
30
64.500
64.499
64.499
64.455
64.455
64.455
15
64.537
64.538
64.538
64.437
64.439
64.441
LEICA TCR-702測试数据（一）表三
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
45.572
45.572
45.571
45.569
45.569
45.568
75
45.567
45.567
45.567
45.561
45.563
45.562
60
45.572
45.572
45.571
45.560
45.561
45.561
45
45.607 45.607 45.607 45.569
45.568
45.568
30
45.633
45.632
45.633
45.597
45.599
45.599
15
45.641
45.641
45.641
无法测出
LEICA TCR-702测试数据（二）表四
入射角度
有棱镜测距（m）
无棱镜测距（m）
90
1 2 3 1 2 3
19.113
19.111
19.113
19.109
19.109
19.109
75
19.131
19.131
19.131
19.132
19.132
19.132
60
19.139
19.139
19.138
19.135
19.135
19.135
45
19.154 19.155 19.155 19.145
19.145
19.145
30
19.162
19.161
19.163
19.151
19.151
19.152
15
19.175
19.175
19.174
19.150
19.150
19.151
图3－2
从四个表格中反映的数据以及入射角度与误差分析图（图3－2）可以看出，入射角度大于60度时，测距精度是比较理想的，但受光斑倾斜投影的影响，当入射角度小于60度但大于45度时，误差开始迅速增大，但还能基本满足测图的需要。当入射角度小于45度时，TOPCON GPT-2005的误差已经超过30mm，并有迅速增大的趋势，也许是光斑控制不够理想的缘故。而LEICA TCR-702的误差始终控制的比较理想，但80m的测程相对来说过短了一些。
第四章 结束语
测绘科技的发展日新月异，就免棱镜型全站仪而言，每年的新产品也是层出不穷。由于受条件所限，我们没有用到目前最新，最先进的免棱镜型全站仪来做我们的测试，而且我们的测试方案也有不够完善之处，但就测试数据而言，还是在一定程度上证明了免棱镜型全站仪在我们的日常工作中还是有很广阔的应用空间的，在大比例尺数字测图中，只要是反射情况良好，即入射角度不小于45度时，测得的成果还是能满足数字化测图的需要的。当然随着科技的快速发展，一定会有光斑控制的更好，测程更远的新仪器不断产生，免棱镜型全站仪在我们测量工作中也会有更广阔的应用空间，也必将进一步提升我们的工作效率。
参考资料：
[1]孙长库叶声华激光测量技术天津大学出版社2001
[2]范百兴夏治国全站仪无棱镜测距及精度分析 北京测绘2004年第1期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。