全站仪怎么测高程

2006年12月31日 14:48:38

2楼

全站仪不能用于精确的高程测量，但是在精度要求不高的情况下也可以用。

前提是“正倒镜，往返测”这样，大体可满足四等水准测量要求

全站仪自由设站法道路定测

周万枝　李菊霞
(北京交通管理干部学院公路系　065201)

　　【摘　要】　本文主要利用全站仪自身的功能，结合道路测量的特点提出了全站仪自由设站法道路定测及其具体测设方法，并对其精度进行了分析。

　　一、引　言
　　道路定测是道路勘测的重要阶段，主要解决线路平面、纵断、横断三者的合理配置，通常的定测方法为：在平面和高程控制的基础上依次进行中线测量、纵断面测量和横断面测量，所用仪器一般为经纬仪、钢尺、水准仪。随着科技进步，全站仪已在道路测量领域得到了广泛应用，但大多数使用者仅仅把它作为普通经纬仪、测距仪来使用，还没有完全利用和开发全站仪的功能，来提高测量效率，解决实际问题。而用全站仪自由设站法进行道路定测，可在任意点设站安置仪器，利用坐标变换原理，进行中线测量和纵、横断面测量，不仅能发挥全站仪自身的优势，还具有以下优点：一是用导线点直接测设加密点，去掉中间的由交点控制主点、再由主点控制加密点的步骤，这样减少了误差的传递和累积，提高了精度；二是避免由于虚交点和不通视带来的测设困难，提高工作效率。全站仪是集测角、测距、测高差于一体的测量工具，并可以与计算机双向通讯。本文就采用全站仪自由设站法在道路定测阶段进行平、纵、横同时施测及解决困难地段的定测问题作一探讨。
　　
　　二、道路中线测量
　　在常规的道路中线测量中，直线部分的测设通常用支距法和极坐标法直接标定。而对于曲线测设则是先在测设交点的基础上测设主点(即起点、终点和中点)，再进行详细测设，曲线的详细测设方法有偏角法、切线支距法、弦线支距法、弦线偏距法等。在本文中，中线测量的控制点一般采用GPS定位或全站仪测设，并将各点信息传输至PC-E500计算机中，给每个控制点统一编号。这些点在计算机中的存储形式为：点的类型、编号、X、Y、H、坐标原点点号、备注。
　　1. 方向线的测设
　　方向线是直线，它的测设只要确定直线上两个点即可。一般有两种方法：一种是根据纸上定线的结果利用极坐标法选一控制点作为坐标原点。再选另一已知点构成已知方向并把量取的极角θ及极径ρ输入PC-Ε500计算机，在所选原点安置全站仪，并使之处于联机状态，并使水平角置零，照准已知方向，转动全站仪，当拨角达到极角大小时有蜂鸣声，制动照准部，在此方向点前后移动棱镜，直到有蜂鸣声，此时棱镜所在点即为要测定的点，再输入量取的另一点的极径和极角，用同样的办法测设另一点，这样就由两点确定了一条方向线。另一种方法是在纸上定线后延长方向线确定交点的纸上位置，同样可以以其一控制点为原点，量取极角θ和极径ρ，并输入计算机，同前一种方法，在实地把交点标定出来，相邻两交点的连线即为方向线。在测设方向线的同时，根据两方向线上的坐标解算出转角α和交点坐标并传输到PC-E500计算机中存贮。
　　2. 圆曲线的测设
　　用全站仪进行圆曲线测设时，主点和加密点同时一次测定，首先输入选定的圆曲线半径R和测出的转角α以及加密桩距，选择圆曲线测设模块中的计算功能，计算机则显示出主点测设要素及以交点为坐标原点、以方向线为已知方向的极坐标。测设时在交点安置全站仪，输入测站点的点号、坐标及照准方向的点的坐标，选择测设功能模块计算机就显示出以测站点为坐标原点，照准方向为基本方向的主点和加密点的极坐标。再利用全站仪的测设功能采用极坐标法标定出圆曲线的起点、中点、终点及各加密点。
　　3. 直线部分加密点的测设
　　在圆曲线测设完毕后，圆曲线的起点和终点已经标定，选择测设功能，测设时在交点安置全站仪，输入曲线起点点号、坐标、前一圆曲线终点或交点的点号、坐标及测站点的点号、坐标，则可显示出加密点的极坐标。从圆曲线的起点开始，用极坐标法测定各加密点。如果该圆曲线起点不可得，则从前一曲线终点或交点开始即可。
　　对于带有缓和曲线的圆曲线和长大曲线，则根据其特点，只要选择恰当的控制点作为坐标原点则可以用与测设圆曲线同样的方法进行测设。
　　4. 困难地段圆曲线的测设
　　(1) 交点不能安置仪器。如果曲线的交点不能安置仪器，这时则选择以测设直线时的控制点或其他已知点作为坐标原点，利用坐标转换功能，把以交点为坐标原点的各点坐标转换为以该控制点为原点的坐标，此时可在该控制点安置全站仪，用极坐标法测设其他各点。
　　(2) 不能通视。如果在测设加密点时不能通视，则选另一控制点作为原点，通过坐标转换，用极坐标法测设其余点。
　　5. 里程计算
　　公路中线的测设除了标定公路中桩位置外，还要进行里程计算，里程计算又分直线和曲线两部分，对于直线部分只要输入线型、路线起点点号或前一曲线终点的点号和该点的点号即可显示该桩点里程。对于曲线部分，只要输入线型、曲线半径R、转角α和圆曲线起点点号以及该点点号即可显示该点里程。最后，把各桩点的里程输出到计算机中存贮。
　　
　　三、纵、横断面测量
　　1. 纵断面测量
　　因为全站仪可以测高差，故在标定各个中桩点时，可以测得每个桩点的高程，在具体操作时首先输入测站点的高程、仪器高、棱镜中心高度，在各桩点立镜时，全站仪则显示各桩点的高程，并把每个桩点的高程值传输到计算机中存贮，其中棱镜高可用专门的对中杆直接量得，而仪器高的测量就要求精确一些，起码要与对中杆测得的棱镜高精度相匹配，并在测量中保持棱镜高不变，如果测站搬迁或改变棱镜高时，则要重新输入这些数据。
　　2. 横断面测量
　　在测各中桩点高程的同时，在路线的垂直方向，即中桩的两侧选择适当的变坡点，立棱镜测其高程、平面坐标并连同该中桩点的高程一起传输到计算机中存贮。这样，纵横断面的测量数据全部存贮到计算机中，应用专门的绘图软件可以绘出纵、横断面图。
　　
　　四、精度分析
　　在测量工作中，选择某种测量方法时，不但要考虑其工作效率，更重要的是看其精度是否可靠，是否能满足工程需要，同时也应遵循由高级到低级，先控制后碎部的原则。在一般的道路定测中先布设控制导线，然后分别进行交点、主点测设，最后进行中桩点加密。在断面测量中，先进行基平测量，再进行中平测量。在全站仪自由设站法中采用一次性同时测设，用控制点直接控制中桩点，减少了中间一级控制，把其精度提高了一级。下面就不同的情况进行分析。
　　1. 中桩的平面点位精度分析
　　用自由设站法测设中线时，中桩点的位置是由极角θ和极径ρ来确定。
　　① ρ引起的纵向误差。设全站仪的测距精度为±（2 mm+2×10-6*D），如果取全站仪的最大测程为4 km，则：Mρ＝0.002+2×10-6×4×103＝1.0 cm，按规范要求限差为Mρ＝(D/2000+0.1 m)=210 cm，显然测量误差小于限差。
　　②　θ引起的横向误差。设全站仪的测角中误差为2″,则横向误差Mθ＝Dsinα＝D(α/ρ)＝4.0 cm，也小于限差要求10 cm。
　　则综合误差　
　　2. 中桩点高程精度分析
　　利用全站仪测高程，是根据三角高程测量原理进行的，即：

h=L×sinα+i-v+f

其中，L为斜距，α为竖直角，i为镜中心高，v为仪器高，f为大气折光及地球曲率半径改正。根据误差传播定律可得：

　　在测量中视线的倾角一般不超过30°，α取15°，ML取1 cm，Mα取2″，Mf取2 mm，Mi取3 mm，Mv取2 mm。则计算可得Mh=3.7 cm,是完全能满足精度要求的。

　　五、结束语
　　综上所述，该方法不论从其工作效率还是精度方面都是可取的，在实践中证明是可行的。目前PC-E500计算机及便携机的应用已比较普及，全站仪与PC-E500计算机及便携机的通讯接口及开发也日趋完善，因此按大多数工程单位的仪器装备及技术力量，是完全可以采用此方法进行道路定测的。

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2006年12月31日 14:50:09

3楼

全站型电子速测仪简称全站仪，它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置，仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。
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。
目前，世界上许多著名的测绘仪器生产厂商均生产有各种型号的全站仪。
一）、概况
电磁波测距按测程来分，有短程(＜3km)、中程(3—15km)和远程(＞15km)之分。按测距精度来分，有Ⅰ级(5mm)、Ⅱ级(5mm—10mm)和Ⅲ级(＞10mm)。按载波来分，采用微波段的电磁波作为载波的称为微波测距仪；采用光波作为裁波的称为光电测距仪。光电测距仪所使用的光源有激光光源和红外光源(普通光源已淘汰)，采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪。由于红外测距仪是以砷化稼(GaAs)发光二极管所发的荧光作为载波源，发出的红外线的强度能随注入电信号的强度而变化，因此它兼有载波源和调制器的双重功能。GaAs发光二极管体积小，亮度高，功耗小，寿命长，且能连续发光，所以红外测距仪获得了更为迅速的发展。本节讨论的就是红外光电测距仪。
（二）、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。
在砷化镕(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。
（三）、全站仪的操作与使用
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。

全站仪的使用（以拓普康全站仪为例进行介绍）
（1）测量前的准备工作

1）电池的安装（注意：测量前电池需充足电）

①把电池盒底部的导块插入装电池的导孔。

②按电池盒的顶部直至听到“咔嚓”响声。

③向下按解锁钮，取出电池。

2）仪器的安置。

①在实验场地上选择一点，作为测站，另外两点作为观测点。

②将全站仪安置于点，对中、整平。

③在两点分别安置棱镜。

3）竖直度盘和水平度盘指标的设置。

①竖直度盘指标设置。

松开竖直度盘制动钮，将望远镜纵转一周（望远镜处于盘左，当物镜穿过水平面时），竖直度盘指标即已设置。随即听见一声鸣响，并显示出竖直角。

②水平度盘指标设置。

松开水平制动螺旋，旋转照准部360，水平度盘指标即自动设置。随即一声鸣响，同时显示水平角。至此，竖直度盘和水平度盘指标已设置完毕。注意：每当打开仪器电源时，必须重新设置和的指标。

4）调焦与照准目标。

操作步骤与一般经纬仪相同，注意消除视差。

（2）角度测量

1）首先从显示屏上确定是否处于角度测量模式，如果不是，则按操作转换为距离模式。

2）盘左瞄准左目标A,按置零键，使水平度盘读数显示为0°00′00〃，顺时针旋转照准部，瞄准右目标B，读取显示读数。

3）同样方法可以进行盘右观测。

4）如果测竖直角，可在读取水平度盘的同时读取竖盘的显示读数。

（3）距离测量

1）首先从显示屏上确定是否处于距离测量模式，如果不是，则按操作键转换为坐标模式。

2）照准棱镜中心，这时显示屏上能显示箭头前进的动画，前进结束则完成坐标测量，得出距离，HD为水平距离，VD为倾斜距离。

（4）坐标测量

1）首先从显示屏上确定是否处于坐标测量模式，如果不是，则按操作键转换为坐标模式。

2）输入本站点O点及后视点坐标，以及仪器高、棱镜高。

3）瞄准棱镜中心，这时显示屏上能显示箭头前进的动画，前进结束则完成坐标测量，得出点的坐标。

四、注意事项

1）运输仪器时，应采用原装的包装箱运输、搬动。

2）近距离将仪器和脚架一起搬动时，应保持仪器竖直向上。

3）拔出插头之前应先关机。在测量过程中，若拔出插头，则可能丢失数据。

4）换电池前必须关机。

5）仪器只能存放在干燥的室内。充电时，周围温度应在10~30℃之间。

6）全站仪是精密贵重的测量仪器，要防日晒、防雨淋、防碰撞震动。严禁仪器直接照准太阳。