简述全站仪在工程测量的应用

论文提要

随着科技的进步，测量领域的仪器设备已日新月异，测量仪器由过去传统的三大件，发展到今天的集全能型、智能化、高精度于一身的电子全站仪，以及高尖端的全球定位系统(GPS)和卫星遥感技术。使得测量领域无论从仪器设备，还是测量技术和手段都发生翻天覆地的变化，全站仪以其高度自动化和准确快捷的定位功能在当今工程测量中广泛应用。

全站仪坐标放样法以其测量精度高，仪器的集成化、自动化和智能化程度高等优点在施工放样中得到广泛的应用。    

论文关键字  全站仪  应用   施工  坐标放样

一、绪论

在时代日新月异的今天，测量行业当中的仪器也在不断更新，全站仪在测量中起着非常重要的作用。工程测量主要任务之一是测量和放样空间点的空间坐标。所使用的仪器主要有全站仪和GPS接收机等。在高等级大范围的控制测量中它也许要让位于GPS，而在工程测量、建筑施工测量、城市测量中仍将发挥主要作用。

二、全站仪基本原理，误差及操作过程

全站仪，即全站型电子速测仪（Electronic Total Station）。是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

(一) 全站仪的基本原理，组成

1．全站仪的基本原理

全站仪是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。电子经纬仪的自动记录、储存、计算功能，以及数据通讯功能，进一步提高了测量作业的自动化程度。 

全站仪与光学经纬仪区别在于度盘读数及显示系统，电子经纬仪的水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的光栅度盘（或编码盘）和读数传感器进行角度测量的。 根据测角精度可分为0。5″，1″，2″，3″，5″，10″等几个等级。

2.  全站仪的测距原理

    欲测定A、B两点间的距离D，安置仪器于A点，安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B，经反射镜反射后又返回到仪器。设光速c为已知，如果光束在待测距离D上往返传播的时间。已知，则距离D可由下式求出

式中c＝c。／n，c。为真空中的光速值，其值为299792458m／s,n为大气折射率，它与测距仪所用光源的波长，测线上的气温t,气压P和湿度e有关。

测定距离的精度，主要取决于测定时间的精度，例如要求保证±lcm的测距精度，时间测定要求准确到6．7×10—lls，这是难以做到的。因此，大多采用间接测定法来测定。间接测定的方法有下列两种：

（1）脉冲式测距

    由测距仪的发射系统发出光脉冲，经被测目标反射后，再由测距仪的接收系统接收，测出这一光脉冲往返所需时间间隔()的钟脉冲的个数以求得距离D。由于计数器的频率一殷为300MHz(300×106Hz)，测距精度为O.5m，精度较低。

（2）相位式测距

   由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波，测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相依移，以测定距离D。红外光电测距仪一般都采用相位测距法。

    在****镕(GaAs)发光二极管上加了频率为f的交变电压(即注入交变电流)后，它发出的光强就随注入的交变电流呈正弦变化，这种光称为调制光。测距仪在A点发出的调制光在待测距离上传播，经反射镜反射后被接收器所接收，然后用相位计将发射信号与接受信号进行相位比较，由显示器显出调制光在待测距离往、返传播所引起的相位移φ。

3．全站仪的组成

     全站仪主要由五个系统组成：控制系统、测角系统、测距系统、记录系统和通讯系统。全站仪组成及各系统间关系见图

全站仪上半部分包含有测量的四大光电系统，即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。

    微处理机（CPU）是全站仪的核心部件，主要有寄存器系列（缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器）、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置（接口），输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。

（二）全站仪的操作与使用 ，及其特点

不同型号的全站仪,其具体操作方法会有较大的差异.下面简要介绍全站仪的基本操作与使用方法. 

1.全站仪的基本操作与使用方法 

（1）水平角测量 

1）按角度测量键,使全站仪处于角度测量模式,照准第一个目标A. 

2）设置A方向的水平度盘读数为0°00′00〃. 

3）照准第二个目标B,此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角. 

（2）距离测量 

1）设置棱镜常数 

测距前须将棱镜常数输入仪器中,仪器会自动对所测距离进行改正. 

2）设置大气改正值或气温,气压值 

光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化,15℃和760mmHg是仪器设置的一个标准值,此时的大气改正为0ppm.实测时,可输入温度和气压值,全站仪会自动计算大气改正值（也可直接输入大气改正值）,并对测距结果进行改正. 

3）量仪器高,棱镜高并输入全站仪. 

4）距离测量 

照准目标棱镜中心,按测距键,距离测量开始,测距完成时显示斜距,平距,高差. 

全站仪的测距模式有精测模式,跟踪模式,粗测模式三种.精测模式是最常用的测距模式,测量时间约2.5S,最小显示单位1mm;跟踪模式,常用于跟踪移动目标或放样时连续测距,最小显示一般为1cm,每次测距时间约0.3S;粗测模式,测量时间约0.7S,最小显示单位1cm或1mm.在距离测量或坐标测量时,可按测距模式（MODE）键选择不同的测距模式. 

应注意,有些型号的全站仪在距离测量时不能设定仪器高和棱镜高,显示的高差值是全站仪横轴中心与棱镜中心的高差. 

（3）坐标测量 

1）设定测站点的三维坐标. 

2）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角.当设定后视点的坐标时,全站仪会自动计算后视方向的方位角,并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角. 

3）设置棱镜常数. 

4）设置大气改正值或气温,气压值. 

5）量仪器高,棱镜高并输入全站仪. 

6）照准目标棱镜,按坐标测量键,全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标

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2.全站仪的特点

（1）采用同轴双速制、微动机构，使照准更加快捷、准确。 

（2）控制面板具有人机对话功能。控制面板由键盘和显示屏组成。除照准以外的各种测量功能和参数均可通过键盘来实现。仪器的两侧均有控制面板，操作十分方便。 

（3）设有双向倾斜补偿器，可以自动对水平和竖直方向进行修正，以消除竖轴倾斜误差的影响。 

（4）机内设有测量应用软件，可以方便地进行三维坐标测量、导线测量、对边测量、悬高测量、偏心测量、后方交会、放样测量等工作。 

（5）具有双路通讯功能，可将测量数据传输给电子手簿或外部计算机，也可接受电子手簿和外部计算机的指令和数据。这种传输系统有助于开发专用程序系统，提高数据的可靠性与存储安全性。

3.注意事项

 在进行放样之前我们应考略到外界因素对放样的精度影响，如温度、气压、大气折射等。这需要我们在放养前对全站仪进行改正常数设置。

(1)大气改正

全站仪发射红外光的光速随大气的温度和压力而改变，需对仪器进行大气改正值设置使其自动对测距结果实施大气改正。(以南方NTS系列为例)

改正公式如下：（计算单位：米）

△S=273.8-0.2900P／(1+0.00366T)(PPM)

式中：△S：改正系数   P:气压   T：温度

(2)大气折射和地球曲率改正

仪器在进行平距测量和高差测量时，可对大气折光和地球曲率的影响进行自动改正。

改正公式如下：

经改正后的平距：D=S*[cosα+sinα*S* cosα(K-2)/2Re]

经改正后的高差：H=S*[ sinα+ cosα*S* cosα(1-K)/2Re]

式中：

K=0.14---------------大气折光系数

Re=6370km----------地球曲率半径

α（或β）--------从水平面起算的竖角（垂直角）

S----------------斜距

三、利用全站仪点位坐标放样

1. 放样前的准备工作

测量人员首先应熟悉测量数据。另外，还应掌握施工现场所布设的控制点的位置、坐标、高程，及支线点的位置。

2. 操作过程

(1)向全站仪里出入相关数据。

(2)选择有利于放样的控制点架设仪器，并对仪器进行设置。

(3)选择合适的后视点，并从全站仪储存的数据中调用相关数据，设置测站点和后视点，定出零方向。

(4)调用所需的放样坐标，进行放样。

（二） 点位坐标放样的实例

已知测站点坐标 0 (3511280.6 505922.993) ，方位角α：46°24′33″放样出 

A （3511294.255 505927.409）      B （3511271.499 505918.368）

C （3511270.587 505936.246）

并把测量的数据填写在记录表上求出限差.

要求：水平角上下半测回较差≤20″；几何图形角度闭合差≤30″；平差后角度值与理论值限差35″；边长平均值与理论值误差＜1/6000。

1.测站点架设全站仪：

    在测站点架设仪器，架设仪器时应注意安全，架设完毕后对全站仪进行设置，修改相应参数。

2.检核测站点并设置零方向

    选好测站架好仪器后，选择后视点，从全站仪中调用相关坐标设置零方向。

3.进行放样

   调置放样点坐标进行放样，观测员通过全站仪所显示的dHR（对准放样点仪器应旋转的水平角 = 实际水平角—计算的水平角）值，用对讲机对持镜员进行方向指挥，当所显示的dHR=0°00′00″时，即表明放样方向正确。方向选定好后架好棱镜，用全站仪对棱镜所处位置进行测距得出dHD（对准放样点尚差的水平距离 = 实际水平距离—计算的水平距离）值，当dHR和dHD都为零时放样工作完成，棱镜所架点为所要放样点。

4.检核

检核放样点的精度，观测三角形各角的角度和边长，把结果填写在边角测量记录、计算表中，再根据坐标反算公式，把实际角度和距离计算出来，跟测得的数据进行检核，看其误差是否超限。

检核结果是水平角上下半测回较差≤20″；几何图形角度闭合差≤30″；平差后角度值与理论值限差35″；边长平均值与理论值误差＜1/6000。放样结果合格。

附录1-附表1：边角测量记录、计算表

通过这次坐标放样练习，我们所测数据都达到了题目的要求。

在放样的过程中有很多因素影响到放样的精度如：仪器自身的误差，所架测站点点位的位移，观测时出现的视差，标示放样点时出现的偏差等。除此之外，在放样之前不应忘记对全站仪参数的设置，在外业进行放样的时候会受到外部自然环境的影响造成放样精度的降低，参数的设置就是为了将这些影响降到最低，提高放样的精度。

坐标法放样是充分利用全站仪的测量精度高，仪器的集成化、自动化和智能化程度高等优点，直接利用控制点和放样点的坐标进行放样工作，避免了大量的放样数据的准备工作，提高了施工测量的工效，同时也减少了施工放样中可能出现的差错

五、致谢词

衷心的感谢徐凤来老师对我的悉心指导、耐心讲解，在论文的编写和修改中给予我很大的帮助和支持。在徐老师的指导下我的论文质量有了很大的提高，专业知识也越加牢固，同时对给予我帮助的所有测量组老师和同学们表示衷心的感谢！由于本人的能力有限，论文的很多方面难免有不足之处，恳请各位老师批评指正，以增进专业知识，并使我在专业的道路上更好的发展。

六、参考文献

① 陆胜国修订. 测量学 ［M］.测绘出版社 1994

② 哈尔滨冶金专科测量学院. 地形制图 ［M］.中国工业出版社 1980

③ 郭际明 孔祥元主编．控制测量学［M］.武汉大学出版社2006.11