全站仪的使用

一、全站仪概述

全站仪，即全站型电子速测仪(ElectronicTotalStation)，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。因安装一次仪器就能完成该测站上全部测量工作，所以称为全站仪。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。

全站仪的精度主要从测角精度和测距精度两方面来衡量。国内外生产的高、中、低等级全站仪多达几十种。目前普遍使用的全站仪有：日本拓普康(Topcon)公司的GTS系列、索佳(Sokkia)公司的SET系列和PowerSET系列、宾得(Pentax)公司的PTS系列、尼康(Nikon)公司的DTM系列；瑞士徕卡(Lejca)公司的WildTC系列；中国南方测绘公司的NTS系列等。

1.全站仪的分类

(1)全站仪按其外观结构，可分为积木型全站仪和整体型全站仪。

1)积木型全站仪。积木型全站仪又称组合型全站仪，早期的全站仪大都是积木型结构。其电子测速仪、电子经纬仪、电子记录器各是一个整体，可以分离使用，也可以通过电缆或接口将它们组合起来，形成完整的全站仪。

2)整体型全站仪。整体型全站仪大都将测距、测角和记录单元在光学、机械等方面设计成一个不可分割的整体，其中测距仪的发射轴、接收轴和望远镜的视准轴为同轴结构。这对保证较大垂直角条件下的距离测量精度非常有利。

(2)全站仪按测距仪测距，可分为短距离测距全站仪、中测程全站仪、长测程全站仪三类。

1)短距离测距全站仪。测程小于3km，一般精度为±(5mm＋5μm)，主要用于普通测量和城市测量。

2)中测程全站仪。测程为3～15km，一般精度为±(5mm＋2μm)、±(2mm＋2μm)，通常用于一般等级的控制测量。

3)长测程全站仪。测程大于15km，一般精度为±(5mm＋1μm)，通常用于国家三角网及特级导线的测量。

2.全站仪的主要特点

(1)采用先进的同轴双速制、微动机构，使照准更加快捷、准确。

(2)具有完善的人机对话控制面板，由键盘和显示窗组成，除照准目标以外的各种测量功能和参数均可通过键盘来实现。仪器两侧均有控制面板，操作方便。

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

(4)机内设有测量应用软件，能方便地进行三维坐标测量、放样测量、后方交会、悬高测量、对边测量等多项工作。

(5)具有双路通视功能，仪器将测量数据传输给电子手簿式计算机，也可接收电子手簿式计算机的指令和数据。

二、全站仪的基本功能

由于全站仪可以同时完成水平角、垂直角和边长测量，加之仪器内部有固化的测量应用程序，因此，可以现场完成常见的测量工作，提高了野外测量的速度和效率。

1.角度测量

全站仪具有电子经纬仪的测角部，除一般的水平角和垂直角测量功能外，还具有以下附加功能：

(1)水平角设置。输入任意值；任意方向置零；任意角值锁定(照准部旋转时，角值不变)；右角/左角的测量；角度复测模式(按测量次数计算其平均值的模式)。

(2)垂直角显示变换。可以天顶距、高度角、倾斜角、坡度等方式显示垂直角。

(3)角度单位变换。可以360°、6400mil等方式显示角度。

(4)角度自动补偿。使用电子水准器，可以从照准轴方向和水平轴两个方向来检测仪器倾斜值，具有补偿垂直轴误差、水平轴误差、照准轴误差、偏心差多项误差的功能。

2.距离测量

(1)全站仪具有光波测距仪的测距部，除测量至反光镜的距离(斜距)外，还可根据全站仪的类型、反射棱镜数目和气象条件，改变其最大测程，以满足不同的测量目的和作业要求。

(2)测距模式的变换。

1)按具体情况，可设置为高精度测量和快速测量模式。

2)可选取距离测量的最小分辨率，通常有1cm、1mm、0.1mm三种。

3)可选取测距次数，主要有：单次测量(能显示一次测量结果，然后停止测量)；连续测量(可进行不间断测量，只要按停止键，测量马上停止)；指定测量次数；多次测量平均值自动计算(根据所定的测量次数，测量后显示平均值)。

4)可设置测距精度和时间，主要有：精密测量(测量精度高，需要数秒测量时间)；简易测量(测量精度低，可快速测量)；跟踪测量(如在放样时，边移动反射棱镜边测距，测量时间小于1s，通常测量的最小单位为1cm)。

(3)各种改正功能。在测距前设置相应的参数，距离测量结果可自动进行棱镜常数的改正、气象(温度和气压)的改正和球差及折光差的改正。

1)斜距归算功能。由测量的垂直角(天顶距)和斜距可计算出仪器至棱镜的平距和高差，并立即显示出来。如事先输入仪器高和棱镜高，测距测角后便可计算出测站点与目标点间的平距和高差。

2)距离调阅功能。测距后，按操作键可以随意调阅斜距、平距、高差中的任意一个。

3.三维坐标测量

对仪器进行必要的参数设定后，全站仪可直接测定点的三维坐标，如在地形测图等场合使用，可大大提高作业效率。

首先，在一已知点安置仪器，输入仪器高和棱镜高，输入测站点的平面坐标和高程，照准另一已知点(称为定向点或后视点)，利用机载后视定向功能定向，将水平度盘读数安置为测站至定向点的方位角；接着，再照准目标点(也称为前视点)上的反射棱镜，按测距键，即可测量出目标点的坐标值(X、Y、Z)。

4.辅助功能

(1)休眠和自动关机功能。当仪器长时间不操作时，为节省电量，仪器可自动进入休眠状态，需要操作时可按功能键唤醒，仪器恢复到先前状态。也可设置仪器在一定时间内无操作时自动关机，以免电池耗尽电量。

(2)显示内容个性化。可根据用户的需要，设置显示的内容和页面。

(3)电子水准器。由仪器内部的倾斜传感器检测垂直轴的倾斜状态，以数字和图形的形式显示，指导测量员高精度置平仪器。

(4)照明系统。在夜晚或黑暗环境下观测时，仪器可对显示屏、操作面板、十字丝实施照明。

(5)导向光引导。在进行放样作业时，利用仪器发射的恒定和闪烁可见光，引导持镜员快速找到方位。

(6)数据管理功能。测量数据可存储到仪器内存、扩展存储器，还可由数据输出端口实时输出到电子手簿中。测量数据可现场进行查询。

5.程序测算功能

全站仪内部配置有微处理器、存储器和输入/输出接口，与PC具有相同的结构模式，可以运行复杂的应用程序，具有对测量数据进一步处理和存储的功能。其存储器有三类，即ROM存储器，用于操作系统和厂商提供的应用程序；RAM存储器，用于存储测量数据和结果；PC存储卡，用于存储测量数据、计算结果和应用程序。各厂商提供的应用程序在数量、功能、操作方法等方面不尽相同，应用时可参阅其操作手册，但基本原理是一致的。

以下为全站仪上较为常见的机载应用程序：

(1)后视定向。后视定向的目的是设置水平角0°方向与坐标北方向一致。经后视定向后，照准轴处于任意位置时，水平角读数即为照准轴方向的方位角。在进行坐标测量或放样等工作时，必须进行后视定向。

(2)自由设站。全站仪自由设站功能是通过后方交会原理，观测并解算出未知测站点坐标，并自动对仪器进行设置，以方便坐标测量或放样。

(3)导线测量。利用全站仪的导线测量功能，可自动完成导线测量数据的记录和平差计算，现场得到导线测量结果。

(4)单点放样。将待建物的设计位置在实地标定出来的测量工作称为放样。

全站仪经测站设置和定向后，便可照准棱镜测量，仪器自动显示棱镜位置与设计位置的差值，据此修正棱镜位置直至到达设计位置。依据放样元素的不同，单点放样可采用极坐标法、直角坐标法和正交偏距法三种方式。

(5)偏心观测。在目标点被障碍物遮挡或无法放置棱镜(如建筑物的柱子中心等)时，可在目标点左边或右边放置棱镜，并使目标点、偏移点到测站的水平距离相等。通过偏移点测定水平距离，再测定目标点的水平角，程序便可计算出目标点的坐标。

(6)对边测量。对边测量是在不移动仪器的情况下，测量两棱镜站点间斜距、平距、高差、方位、坡度的功能，其有辐射模式和连续模式两种模式。

(7)悬高测量。测定无法放置棱镜的地物(如电线、桥梁等)高度的功能。

(8)面积测量。通过顺序测定地块边界点坐标，计算地块面积。

(9)道路放样。道路放样是将图纸上设计的道路中线、边线、断面测设于实地的工作，是单点放样的综合应用。道路主要由直线、圆曲线、缓和曲线和抛物线等组成，参数可由设计图纸上获得。

(10)多测回水平角观测。在高精度控制测量中，一般要求对水平角进行多个测回观测，以提高水平角的精度，全站仪机载多测回观测功能可满足此要求。

(11)坐标几何计算。全站仪的坐标几何计算功能包括坐标正反算、交会法计算、直线求交点等常用计算，全站仪就像是一台特殊设计的测量计算器，可以在现场依据已测定的数据或手工输入数据，快速解算出一些新的点或参数。

三、全站仪的应用

全站仪的应用可概括为以下四个方面：

(1)在地形测量中，可使控制测量和碎部测量同时进行。

(2)可用于施工放样测量，将设计好的管线、道路、工程建设中的建筑物、构筑物等的位置按图纸设计数据测设到地面上。

(3)可用全站仪进行导线测量、前方交会、后方交会等，不但操作简便，而且速度快、精度高。

(4)通过数据输入/输出接口设备，将全站仪与计算机、绘图仪连接在一起，形成一套完整的外业实时测绘系统，大大提高测绘工作的质量和效率。

四、全站仪的结构和操作

虽然不同厂家和不同系列的全站仪在外形和功能上都会略有区别，但都具有基本的结构特点和功能。现以拓普康GTS－310型全站仪为例，介绍全站仪的结构和操作。

1.全站仪的结构

拓普康GTS－310型全站仪的外形和结构如图5-1所示。其结构与经纬仪相似。

2.全站仪的功能设置

全站仪的键盘设置情况如图5-2所示。键盘分为两部分：一部分为操作键，在显示屏的右方，共有6个键；另一部分为功能键(软键)，在显示屏的下方，共有4个键。

图5-1　GTS—310型全站仪

图5-2　全站仪键盘

(1)操作键。操作键功能见表5-1。

表5-1　操作键功能表

(2)功能键(软键)。功能键(软键)信息显示在显示屏的下方，软键功能相当于显示的信息，如图5-3所示。

图5-3　全站仪功能键

(3)测量模式。全站仪角度测量模式、坐标测量模式、距离测量模式的功能分别见表5-2、表5-3和表5-4。

表5-2　角度测量模式

表5-3　坐标测量模式

续表

表5-4　距离测量模式

3.全站仪的操作

(1)测量前准备。在使用全站仪进行测量前，应先做好以下必要的准备工作：

1)仪器安置。具体操作步骤为：架设三脚架→安置仪器和对点→利用圆水准器粗平仪器→利用管水准器精平仪器→精确对中与整平。此项操作重复至仪器精确对准测站点为止。

2)电池电量信息检查。外业测量出发前应先检查一下电池状况。观测模式改变时，电池电量图表不一定会立刻显示电量的变化情况。电池电量指示系统用来显示电池电量的总体情况，它不能反映瞬间电池电量的变化。

3)角度检查。进行全站仪的垂直角和水平角以及测距系统的常规检查，确保全站仪测量数据的可靠性。

(2)角度测量。

1)水平角和垂直角测量。将仪器调为角度测量模式，按下述方法瞄准目标：

①将望远镜对准明亮天空，旋转目镜筒，调焦直至看清十字丝。

②利用瞄准器内的三角形标志的顶尖照准目标点，照准时眼睛与瞄准器之间应保持一定的距离。

③利用望远镜调焦螺旋使目标点成像清晰。

水平角和垂直角测量具体操作步骤见表5-5，水平角的切换见表5-6。

表5-5　水平角(右角)和垂直角测量具体操作步骤

表5-6　水平角(右角/左角)的切换

2)水平角设置。在进行角度测量时，通过水平角设置将某一个方向的水平角设置成所希望的角度值，以便确定统一的计算方位。

水平角设置方法有以下两种：

①通过锁定角度值进行设置。具体操作见表5-7。

表5-7　通过锁定角度值设置水平角

②通过键盘输入进行设置。具体操作见表5-8。

表5-8　通过键盘输入设置水平角

3)垂直角百分度(V%)转换。将仪器调为角度测量模式，按以下操作进行：

①按F4(1)键转到显示屏第2页。

②按F3(V%)键，显示屏即显示V%，进入垂直角百分度模式。

(3)距离测量。距离测量必须选用与全站仪配套的合作目标，即反光棱镜。由于电子测距为仪器中心到棱镜中心的倾斜距离，因此，仪器站和棱镜站均需要精确对中、整平。在距离测量前应先进行气象改正、棱镜类型选择、棱镜常数改正、测距模式的设置和测距回光信号的检查，然后才能进行距离测量。

1)大气改正的计算。大气改正值是由大气温度、大气压力、海拔高度、空气湿度推算出来的。改正值与空气中的气压或温度有关，计算公式为

若使用的气压单位是mmHg，按1hPa=0.76mmHg进行换算。

2)大气折光和地球曲率改正。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。

3)设置目标类型。全站仪可设置为红色激光测距和不可见光红外测距，可选用的反射体有棱镜、无棱镜及反射片。用户可根据作业需要自行设置。使用时所用的棱镜须与棱镜常数匹配。当用棱镜作为反射体时，须在测量前设置好棱镜常数。一旦设置了棱镜常数，关机后该常数将被保存。

4)距离测量(连续测量)操作步骤。将仪器调为距离测量模式，具体操作见表5-9。

表5-9　距离测量

(4)坐标测量。坐标测量须先输入测站点坐标和后视点坐标或已知方位角。再通过机内软件由已知点坐标计算未知点坐标。

1)设置测站点坐标。设置仪器(测站点)相对于测量坐标原点的坐标，仪器可自动转换和显示未知点(棱镜点)在该坐标系中的坐标，如图5-4所示。其具体操作见表5-10。

图5-4　测站点坐标设置

表5-10　测站点坐标的设置

2)设置仪器高。设置仪器高的具体操作见表5-11，电源关闭后，可保存仪器高。

表5-11　仪器高的设置

3)设置目标高(棱镜高)。设置目标高的具体操作见表5-12，此项功能用于获取Z坐标值，电源关闭后，可保存目标高。

表5-12　目标高的设置

4)实施坐标测量。当设置好测站点坐标、仪器高和目标高以后，便可以着手进行坐标测量。测量前还要设置后视方位。具体操作见表5-13。

表5-13　坐标测量的过程

(5)放样测量。放样是测量工作中的一项重要内容，全站仪中的放样程序可根据放样点的坐标或手工输入的角度、水平距离和高程计算放样元素。该功能可显示出测量的距离与输入的放样距离之差(测量距离－放样距离=显示值)，具体操作见表5-14。

表5-14　放样测量

续表

(6)程序测量。大部分全站仪都带有各种实用的测量程序，不仅能完成常规的角度、距离和坐标放样测量，还能利用自带的测量程序完成一些比较复杂的特殊测量。

1)悬高测量。悬高测量程序用于测定遥测目标相对于棱镜的垂直距离(高度)及其离开地面的高度(无须棱镜的高度)，如图5-5所示。使用棱镜高时，悬高测量以棱镜作为基点，不使用棱镜高时，则以测定垂直角的地面点作为基点。上述两种情况下基准点均位于目标点的铅垂线上。

图5-5　悬高测量原理

2)对边测量。在任意测站位置选择对边测量模式，分别瞄准两个目标并观测其距离，即可计算出两个目标点间的平距、斜距和高差，还可计算出两点间的方位角，如图5-6所示。

3)面积计算。用全站仪的面积测量程序，可以实时测算目标点之间连线所包括的面积。利用该模式可以直接计算外业测量的闭合图形的面积。面积计算有以下两种方式：

①用坐标数据文件计算。该方式是先进行常规数据采集，然后调用该功能选择数据。属于后处理模式。

②用测量数据计算面积。该方式是现场测量，当测量点数大于2时，仪器会自动计算出测点所围成的封闭图形面积。

需要注意的是，计算面积的点组成的图形不能交叉。

图5-6　对边测量示意图

(a)(AB，AC)：测量AB，AC，AD，…；(b)(AB，BC)：测量AB，BC，CD，…

(7)全站仪一般操作注意事项。全站仪一般操作注意事项包括以下几个方面：

1)使用前应结合仪器，仔细阅读使用说明书，熟悉仪器各功能和实际操作方法。

2)望远镜的物镜不能直接对准太阳，以免损坏测距部的发光二极管。

3)在太阳光照射下观测仪器，应给仪器打伞，并带上遮阳罩，以免影响观测精度。在杂乱环境下测量，仪器要有专人守护。当仪器架设在光滑的表面时，要用细绳(或细铅丝)将三脚架三个脚连起来，以防滑倒。

4)当测站之间距离较远时，搬站时应将仪器卸下，装箱后背着走。先把仪器装在仪器箱内，再把仪器箱装在专供转运用的木箱内，并在空隙处填以泡沫、海绵、刨花或其他防震物品。装好后将木箱盖子盖好。需要时应用绳子捆扎结实。行走前要检查仪器箱是否锁好，检查安全带是否系好。当测站之间距离较近时，搬站时可将仪器连同三脚架一起靠在肩上，但一起要尽量保持直立放置。

5)仪器安置在三脚架上之前，应旋紧三脚架的三个伸缩螺旋；仪器安置在三脚架上时，应旋紧中心连接螺旋。

6)运输过程中必须注意防震。

7)仪器和棱镜在温度的突变中会降低测程，影响测量精度。仪器和棱镜逐渐适应周围温度后方可使用。

8)作业前检查电压是否满足工作要求。

9)在仪器长期不用时，应以一个月左右的时间定期取出进行通风防霉，并通电驱潮，以保持仪器良好的工作状态。