全站儀|全站儀的應(yīng)用案例

全站儀|全站儀的應(yīng)用案例【簡介】
全站儀，即全站型電子速測儀（Electronic TotalStation）。是一種集光、機、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。因其一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作，所以稱之為全站儀。廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域。
【原理】全站儀是一種集光、機、電為一體的新型測角儀器，與光學(xué)經(jīng)緯儀比較電子經(jīng)緯儀將光學(xué)度盤換為光電掃描度盤，將人工光學(xué)測微讀數(shù)代之以自動記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動記錄、儲存、計算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進(jìn)一步提高了測量作業(yè)的自動化程度。

　　全站儀與光學(xué)經(jīng)緯儀區(qū)別在于度盤讀數(shù)及顯示系統(tǒng)，電子經(jīng)緯儀的水平度盤和豎直度盤及其讀數(shù)裝置是分別采用兩個相同的光柵度盤（或編碼盤）和讀數(shù)傳感器進(jìn)行角度測量的。根據(jù)測角精度可分為0.5″，1″，2″，3″，5″，10″等幾個等級，

【簡史】
全站儀是人們在角度測量自動化的過程中應(yīng)用而生的，各類電子經(jīng)緯儀在各種測繪作業(yè)中起著巨大的作用。

　　全站儀的發(fā)展經(jīng)歷了從組合式即光電測距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀組合，或光電測距儀與電子經(jīng)緯儀組合，到整體式即將光電測距儀的光波發(fā)射接收系統(tǒng)的光軸和經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸組合為同軸的整體式全站儀等幾個階段。

　　*初速測儀的距離測量是通過光學(xué)方法來實現(xiàn)的，我們稱這種速測儀為“光學(xué)速測儀”。實際上，“光學(xué)速測儀”就是指帶有視距絲的經(jīng)緯儀，被測點的平面位置由方向測量及光學(xué)視距來確定，而高程則是用三角測量方法來確定的。

　　帶有“視距絲”的光學(xué)速測儀，由于其快速、簡易，而在短距離（100米以內(nèi)）、低精度（1/200(1/500）的測量中，如碎部點測定中，有其優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。

　　隨著電子測距技術(shù)的出現(xiàn)，大大地推動了速測儀的發(fā)展。用電磁波測距儀代替光學(xué)視距經(jīng)緯儀，使得測程更大、測量時間更短、精度更高。人們將距離由電磁波測距儀測定的速測儀籠統(tǒng)地稱之為“電子速測儀”（ElectronicTachymeter）。

　　然而，隨著電子測角技術(shù)的出現(xiàn)。這一“電子速測儀”的概念又相應(yīng)地發(fā)生了變化，根據(jù)測角方法的不同分為半站型電子速測儀和全站型電子速測儀。半站型電子速測儀是指用光學(xué)方法測角的電子速測儀，也有稱之為“測距經(jīng)緯儀”。這種速測儀出現(xiàn)較早，并且進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，可將光學(xué)角度讀數(shù)通過鍵盤輸入到測距儀，對斜距進(jìn)行化算，*后得出平距、高差、方向角和坐標(biāo)差，這些結(jié)果都可自動地傳輸?shù)酵獠看鎯ζ髦?。全站型電子速測儀則是由電子測角、電子測距、電子計算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量結(jié)果能自動顯示，并能與外圍設(shè)備交換信息的多功能測量儀器。由于全站型電子速測儀較完善地實現(xiàn)了測量和處理過程的電子化和一體化，所以人們也通常稱之為全站型電子速測儀或簡稱全站儀。

　　20世紀(jì)八十年代末，人們根據(jù)電子測角系統(tǒng)和電子測距系統(tǒng)的發(fā)展不平衡，將全站儀分成兩大類，即積木式和整體式。

　　20世紀(jì)九十年代以來，基本上都發(fā)展為整體式全站儀。

【分類】
全站儀采用了光電掃描測角系統(tǒng)，其類型主要有：編碼盤測角系統(tǒng)、光柵盤測角系統(tǒng)及動態(tài)（光柵盤）測角系統(tǒng)等三種。

　　全站儀按其外觀結(jié)構(gòu)可分為兩類：

　?。?）積木型（Modular，又稱組合型）

　　早期的全站儀，大都是積木型結(jié)構(gòu)，即電子速測儀、電子經(jīng)緯儀、電子記錄器各是一個整體，可以分離使用，也可以通過電纜或接口把它們組合起來，形成完整的全站儀。

　?。?）整體性（Integral）

　　隨著電子測距儀進(jìn)一步的輕巧化，現(xiàn)代的全站儀大都把測距，測角和記錄單元在光學(xué)、機械等方面設(shè)計成一個不可分割的整體,其中測距儀的發(fā)射軸、接收軸和望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸為同軸結(jié)構(gòu)。這對保證較大垂直角條件下的距離測量精度非常有利。

　　全站儀按測量功能分類，可分成四類：

　?。?）經(jīng)典型全站儀（Classical total station）

　　

TCRP全站儀
　經(jīng)典型全站儀也稱為常規(guī)全站儀，它具備全站儀電子測角、電子測距和數(shù)據(jù)自動記錄等基本功能，有的還可以運行廠家或用戶自主開發(fā)的機載測量程序。其經(jīng)典代表為徠卡公司的TC系列全站儀。

　?。?）機動型全站儀（Motorized total station）

　　在經(jīng)典全站儀的基礎(chǔ)上安裝軸系步進(jìn)電機，可自動驅(qū)動全站儀照準(zhǔn)部和望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)。在計算機的在線控制下，機動型系列全站儀可按計算機給定的方向值自動照準(zhǔn)目標(biāo)，并可實現(xiàn)自動正、倒鏡測量。徠卡TCM系列全站儀就是典型的機動型全站儀。

　?。?）無合作目標(biāo)性全站儀（Reflectorless total station）

　　無合作目標(biāo)型全站儀是指在無反射棱鏡的條件下，可對一般的目標(biāo)直接測距的全站儀。因此，對不便安置反射棱鏡的目標(biāo)進(jìn)行測量，無合作目標(biāo)型全站儀具有明顯優(yōu)勢。如徠卡TCR系列全站儀，無合作目標(biāo)距離測程可達(dá)200m，可廣泛用于地籍測量，房產(chǎn)測量和施工測量等。

　?。?）智能型全站儀（Robotic total station）

　　在機動化全站儀的基礎(chǔ)上，儀器安裝自動目標(biāo)識別與照準(zhǔn)的新功能，因此在自動化的進(jìn)程中，全站儀進(jìn)一步克服了需要人工照準(zhǔn)目標(biāo)的重大缺陷，實現(xiàn)了全站儀的智能化。在相關(guān)軟件的控制下，智能型全站儀在無人干預(yù)的條件下可自動完成多個目標(biāo)的識別、照準(zhǔn)與測量，因此，智能型全站儀又稱為“測量機器人”典型的代表有徠卡的TCA型全站儀等。

　　

全世界精度*高的全站儀TCA2003
　全站儀按測距儀測距分類，還可以分為三類：

　　（1）短距離測距全站儀

　　測程小于3KM，一般精度為±（5mm+5ppm），主要用于普通測量和城市測量。

　?。?）中測程全站儀

　　測程為3-15km,一般精度為±（5mm+2ppm）-，±（2mm+2ppm)通常用于一般等級的控制測量。

　?。?）長測程全站儀

　　測程大于15km，一般精度為±（5mm+1ppm），通常用于**三角網(wǎng)及特級導(dǎo)線的測量。
【結(jié)構(gòu)】
全站儀幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。電子全站儀由電源部分、測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理部分、通訊接口、及顯示屏、鍵盤等組成。

　　同電子經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀相比，全站儀增加了許多特殊部件，因此而使得全站儀具有比其它測角、測距儀器更多的功能，使用也更方便。這些特殊部件構(gòu)成了全站儀在結(jié)構(gòu)方面獨樹一幟的特點。

　　1．同軸望遠(yuǎn)鏡

　　全站儀的望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)了視準(zhǔn)軸、測距光波的發(fā)射、接收光軸同軸化。同軸化的基本原理是：在望遠(yuǎn)物鏡與調(diào)焦透鏡間設(shè)置分光棱鏡系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的多功能，即既可瞄準(zhǔn)目標(biāo)，使之成像于十字絲分劃板，進(jìn)行角度測量。同時其測距部分的外光路系統(tǒng)又能使測距部分的光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光在經(jīng)物鏡射向反光棱鏡后，經(jīng)同一路徑反射回來，再經(jīng)分光棱鏡作用使回光被光電二極管接收；為測距需要在儀器內(nèi)部另設(shè)一內(nèi)光路系統(tǒng)，通過分光棱鏡系統(tǒng)中的光導(dǎo)纖維將由光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光傳也送給光電二極管接收，進(jìn)行而由內(nèi)、外光路調(diào)制光的相位差間接計算光的傳播時間，計算實測距離。

　　同軸性使得望遠(yuǎn)鏡一次瞄準(zhǔn)即可實現(xiàn)同時測定水平角、垂直角和斜距等全部基本測量要素的測定功能。加之全站儀強大、便捷的數(shù)據(jù)處理功能，使全站儀使用極其方便。

　　

全站儀剖視圖
2．雙軸自動補償

　　在儀器的檢驗校正中已介紹了雙軸自動補償原理，作業(yè)時若全站儀縱軸傾斜，會引起角度觀測的誤差，盤左、盤右觀測值取中不能使之抵消。而全站儀特有的雙軸（或單軸）傾斜自動補償系統(tǒng)，可對縱軸的傾斜進(jìn)行監(jiān)測，并在度盤讀數(shù)中對因縱軸傾斜造成的測角誤差自動加以改正(某些全站儀縱軸*大傾斜可允許至±6′）。，也可通過將由豎軸傾斜引起的角度誤差，由微處理器自動按豎軸傾斜改正計算式計算，并加入度盤讀數(shù)中加以改正，使度盤顯示讀數(shù)為正確值，即所謂縱軸傾斜自動補償。

　　雙軸自動補償?shù)乃捎玫臉?gòu)造(現(xiàn)有水平,包括Topcon,Trimble):使用一水泡（該水泡不是從外部可以看到的，與檢驗校正中所描述的不是一個水泡）來標(biāo)定**水平面，該水泡是中間填充液體，兩端是氣體。在水泡的上部兩側(cè)各放置一發(fā)光二極管，而在水泡的下部兩側(cè)各放置一光電管，用一接收發(fā)光二極管透過水泡發(fā)出的光。而后，通過運算電路比較兩二極管獲得的光的強度。當(dāng)在初始位置，即**水平時，將運算值置零。當(dāng)作業(yè)中全站儀器傾斜時，運算電路實時計算出光強的差值，從而換算成傾斜的位移，將此信息傳達(dá)給控制系統(tǒng)，以決定自動補償?shù)闹?。自動補償?shù)姆绞匠跤晌⑻幚砥饔嬎愫笮拚敵鐾猓€有一種方式即通過步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動微型絲桿，把此軸方向上的偏移進(jìn)行補正，從而使軸時刻保證**水平。

　　3．鍵盤

　　鍵盤是全站儀在測量時輸入操作指令或數(shù)據(jù)的硬件，全站型儀器的鍵盤和顯示屏均為雙面式，便于正、倒鏡作業(yè)時操作。

　　4．存儲器

　　全站儀存儲器的作用是將實時采集的測量數(shù)據(jù)存儲起來，再根據(jù)需要傳送到其它設(shè)備如計算機等中，供進(jìn)一步的處理或利用，全站儀的存儲器有內(nèi)存儲器和存儲卡兩種。

　　全站儀內(nèi)存儲器相當(dāng)于計算機的內(nèi)存(RAM)，存儲卡是一種外存儲媒體，又稱PC卡，作用相當(dāng)于計算機的磁盤。

　　5．通訊接口

　　全站儀可以通過BS—232C通訊接口和通訊電纜將內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)輸入計算機，或?qū)⒂嬎銠C中的數(shù)據(jù)和信息經(jīng)通訊電纜傳輸給全站儀，實現(xiàn)雙向信息傳輸。

【使用】
全站儀具有角度測量、距離(斜距、平距、高差)測量、三維坐標(biāo)測量、導(dǎo)線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內(nèi)置專用軟件后，功能還可進(jìn)一步拓展。

　　全站儀的基本操作與使用方法：

　　1）水平角測量

　?。?）按角度測量鍵，使全站儀處于角度測量模式，照準(zhǔn)**個目標(biāo)A。

　?。?）設(shè)置A方向的水平度盤讀數(shù)為0°00′00〃。

　?。?）照準(zhǔn)**個目標(biāo)B，此時顯示的水平度盤讀數(shù)即為兩方向間的水平夾角。

　　2）距離測量

　　（1）設(shè)置棱鏡常數(shù)

　　測距前須將棱鏡常數(shù)輸入儀器中，儀器會自動對所測距離進(jìn)行改正。

　?。?）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值

　　光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化，15℃和760mmHg是儀器設(shè)置的一個標(biāo)準(zhǔn)值，此時的大氣改正為0ppm。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對測距結(jié)果進(jìn)行改正。

　　（3）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。

　?。?）距離測量

　　照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡中心，按測距鍵，距離測量開始，測距完成時顯示斜距、平距、高差。

　　全站儀的測距模式有精測模式、跟蹤模式、粗測模式三種。精測模式是*常用的測距模式，測量時間約2.5S，*小顯示單位1mm；跟蹤模式，常用于跟蹤移動目標(biāo)或放樣時連續(xù)測距，*小顯示一般為1cm，每次測距時間約0.3S；粗測模式，測量時間約0.7S，*小顯示單位1cm或1mm。在距離測量或坐標(biāo)測量時，可按測距模式（MODE）鍵選擇不同的測距模式。

　　應(yīng)注意，有些型號的全站儀在距離測量時不能設(shè)定儀器高和棱鏡高，顯示的高差值是全站儀橫軸中心與棱鏡中心的高差。

　　3）坐標(biāo)測量

　?。?）設(shè)定測站點的三維坐標(biāo)。

　?。?）設(shè)定后視點的坐標(biāo)或設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。當(dāng)設(shè)定后視點的坐標(biāo)時，全站儀會自動計算后視方向的方位角，并設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。

　?。?）設(shè)置棱鏡常數(shù)。

　?。?）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值。

　?。?）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。

　　（6）照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡，按坐標(biāo)測量鍵，全站儀開始測距并計算顯示測點的三維坐標(biāo)。

　　全站儀的數(shù)據(jù)通訊

　　全站儀的的數(shù)據(jù)通訊是指全站儀與電子計算機之間進(jìn)行的雙向數(shù)據(jù)交換。全站儀與計算機之間的數(shù)據(jù)通訊的方式主要有兩種，一種是利用全站儀配置的PCMCIA（personalcomputer memory card internationassociation,個人計算機存儲卡國際協(xié)會，簡稱PC卡，也稱存儲卡）卡進(jìn)行數(shù)字通訊，特點是通用性強，各種電子產(chǎn)品間均可互換使用；另一種是利用全站儀的通訊接口，通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

【檢驗】
　(1)照準(zhǔn)部水準(zhǔn)軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗和校正檢驗時先將儀器大致整平,轉(zhuǎn)動照準(zhǔn)部使其水準(zhǔn)管與任意兩個腳螺旋的連線平行,調(diào)整腳螺旋使氣泡居中,然后將照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)180度,若氣泡仍然居中則說明條件滿足,否則應(yīng)進(jìn)行校正。

　　校正的目的是使水準(zhǔn)管軸垂直于豎軸．即用校正針撥動水準(zhǔn)管一端的校正螺釘，使氣泡向正中間位置退回一半．為使豎軸豎直，再用腳螺旋使氣泡居中即可．此項檢驗與校正必須反復(fù)進(jìn)行，直到滿足條件為止。

　　（2）十字絲豎絲應(yīng)垂直于橫軸的檢驗和校正

　　檢驗時用十字絲豎絲瞄準(zhǔn)一清晰小點，使望遠(yuǎn)鏡繞橫軸上下轉(zhuǎn)動，如果小點始終在豎絲上移動則條件滿足．否則需要進(jìn)行校正．

　　校正時松開四個壓環(huán)螺釘（裝有十字絲環(huán)的目鏡用壓環(huán)和四個壓環(huán)螺釘與望遠(yuǎn)鏡筒相連接。轉(zhuǎn)動目鏡筒使小點始終在十字絲豎絲上移動，校好后將壓環(huán)螺釘旋緊。

　　（3）視準(zhǔn)軸應(yīng)垂直于橫軸的檢驗和校正選擇一水平位置的目標(biāo)，盤左盤右觀測之，取它們的讀數(shù)（顧及常數(shù)１８０度）即得兩倍的c（c=１／２（ɑ左－ɑ右）

　?。?）橫軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗和校正選擇較高墻壁近處安置儀器。以盤左位置瞄準(zhǔn)墻壁高處一點p(仰角*好大于３０度)，放平望遠(yuǎn)鏡在墻上定出一點m1。倒轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，盤右再瞄準(zhǔn)p點，又放平望遠(yuǎn)鏡在墻上定出另一點m2。如果m1與m2重合，則條件滿足，否則需要校正。校正時，瞄準(zhǔn)m1、m2的中點m,固定照準(zhǔn)部，向上轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，此時十字絲交點將不對準(zhǔn)p點。抬高或降低橫軸的一端，使十字絲的交點對準(zhǔn)p點。此項檢驗也要反復(fù)進(jìn)行，直到條件滿足為止。以上四項檢驗校正，以一、三、四項*為重要，在觀測期間*好經(jīng)常進(jìn)行。每項檢驗完畢后必須旋緊有關(guān)的校正螺釘。

【前景】
隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用以及用戶的特殊要求與其它工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，全站儀出現(xiàn)了一個新的發(fā)展時期，出現(xiàn)了帶內(nèi)存、防水型、防爆型、電腦型等等的全站儀。

　　目前，世界上*高精度的全站儀：測角精度（一測回方向標(biāo)準(zhǔn)偏差）0.52，測距精度1mm+1ppm。利用ATR功能，白天和黑夜（無需照明）都可以工作。全站儀已經(jīng)達(dá)到令人不可致信的角度和距離測量精度，既可人工操作也可自動操作，既可遠(yuǎn)距離遙控運行也可在機載應(yīng)用程序控制下使用，可使用在精密工程測量、變形監(jiān)測、幾乎是無容許限差的機械引導(dǎo)控制等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　全站儀這一*常規(guī)的測量儀器將越來越滿足各項測繪工作的需求，發(fā)揮更大的作用。

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