全站仪内容概要.docx

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全站仪内容概要

1绪论

道路工程施工中，尤其是深路堑、施工，为了保证线路各部结构符合设计和规范要求，更好地掌握和控制工程施工数量，技术人员需要不断地检查、监控线路中线和开挖（填筑）边线，内、外业工作量极大。

近年来，工程施工大多采用项目法管理，人员精简，每个技术人员除了本职的技术工作外，还要参与大量的管理工作。

因此，如何使技术人员从繁重的测量放样工作中解脱出来，成了公路测量的一个重要问题。

2全站仪的使用

2.1全站仪简介

全站仪是全站型电子速测仪的简称，又被称为“电子全站仪”，是指由电子经纬仪、光电测距仪和电子记录器组成的，可实现自动测角、自动测距、自动计

算和自动记录的一种多功能高效率的地面测量仪器。

电子全站仪进行空间数据采集与更新，实现测绘的数字化。

拓普康（GTS-311）相关参数：

测角精度：

±2“/5”，绝对法测角，无须过零检验；测距精度：

±（2mm+2×10-6.D）；测程：

3km/一块棱镜；高速测量：

精测1.2s，粗测0.7s，跟踪0.45s；可存贮8000个观测点或16000个坐标点；装有双轴补偿器，可提供电子气泡用于整平，并可自动改正由于整平误差对水平角和竖直角观测的影响。

2.2全站仪的优势

①数据处理的快速与准确性。

全站仪自身带有数据处理系统，可以快速而准确地对空间数据进行处理，计算出放样点的方位角与该点到测站点的距离。

②定方位角的快捷性。

全站仪能根据输入点的坐标值计算出放样点的方位角，并能显示目前镜头方向与计算方位角的差值，只要将这个差值调为0，就定下了要放样点的方向，然后就可进行测距定位。

③测距的自动与快速性。

全站仪能够自动读出距离数值，只要将棱镜对准全站仪的镜头，全站仪便可很快读出实测的距离，同时比较它自动计算出的理论上的数据，并在屏幕上显示出两者的差值，从而可以判断棱镜应向哪个方向再移动多少距离。

到显示的距离差值为0时，表明那时棱镜所在的位置就是要放样点的实际位置。

④定完一个点后，可按“下一个（next）”键调出下一个要放样的点，重复②～③步骤，便可依次放出其它各点。

⑤由于全站仪体积小重量轻（只有4.9kg）且灵活方便，较少受到地形限制（除非全站仪无法看到棱镜），且不易受处界因素的影响（只要三角架扎稳，一般不会引起仪器的偏移），只要合理保护全站仪，即使在复杂的自然条件下也可以照常工作。

⑥由于所有的计算是由全站仪自动完成，所以放线过程中不会受到参与者个人的主观影响。

2.3全站仪的应用

全站仪与传统的测量仪器相比,具有操做方便、功能强精度高、速度快等特点。

其应用范围已不仅局限于测绘工程、建筑工程、水利工程、交通与道路工程、地籍于房地产测量，而且在大型工业生产设备与构件安装和调试、大桥水坝的变形观测、地质灾害监测及体育竞技等领域中都得到了广泛应用。

全站仪的应用可归纳为以下几个方面：

（1）控制测量。

在控制测量中，使用全站仪的基本测量功能布设全站仪导线，特别适用于带状地形和隐蔽地区，如线路控制测量和城市控制测量：

布设导线网和边角网十分灵活，观测方便，精度高；特别是与GPS全球定位系统配合，布网形式更灵活，观测更方便，精度更可靠。

但需按相应的等级测量要求进行观测和计算，不能使用坐标测量功能。

平面和高程控制可同时进行，用全站仪三角高程测量完全可以代替四等谁准测量，仪器安置于两个测点之间并使两个棱镜同高，不需要量取仪器高和棱镜高，可以提高观测精度。

（2）地形测量。

在地形测量过程中，使用全站仪的程序测量功能进行三维坐标测量、前方交会、后方交会等，不但操作简单，而且速度快、精度高；并可将控制测量和碎部点测量同时进行；通过传输设备可将全站仪与计算机、绘图机相连形成内外一体的测绘系统，从而大大提高地形图测绘的质量和效率。

（3）工程放样。

使用全站仪放样测量功能可将设计好的建（构）筑物、道路、管线等

设施的位置，按图纸要求快速、准确地测设到施工现场的实地，作为施工的依据；特

别是一些造型复杂、要求高、规模大的建（构）筑物等。

（4）变形监测。

在建（构）筑物的变形观测、地质灾害的动态监测中，使用全站仪的坐标测量功能对变形部位的三维坐标进行实时监测，可以及时掌握变形规律，保障结构安全。

3全站仪在路线测量中的应用

传统的路线测量，非常不便。

使用全站仪的坐标放样功能进行路线中线点放样时，可视现场情况任意设站，十分方便和安全。

按下面的数学模型编制放样程序，可实现中线点放样的现代化。

如使用具有路线测量功能的全站仪会更加方便。

3.1放样中线点的数学模型

3.1.1单圆曲线的数学模型

图3.1为单圆曲线。

以ZY点位坐标原点，切线方向为X轴，过ZY点垂直切线方向为Y轴，建立假定坐标系；设i点为圆曲线上任一点，φi为ZY点至i点的圆弧所对的圆心角，

则i点的坐标为：

χi=Rsinφi

уi=R（1-cos）（3.1）

式中φi=

；

—

点至ZY点之间的弧长；

R—圆曲线半径。

3.1.2带有缓和曲线的圆曲线数学模型

带有缓和曲线的圆曲线数学模型分为以下两部分。

（1）和曲线上点的数学模型

若中线点在缓和曲线段内其数学模型为：

（3.2）

式中

—ZH点至i点之间的弧长；

—缓和曲线长；

R—圆曲线半径。

（2）圆曲线上点的数学模型

如图3-2所示，曲线独立坐标系仍为“X—ZH—Y”坐标系。

为了推导数学模型方便，我们选择了“X＇—ZH—Y＇”坐标系，该坐标系以HY点为原点，其切线方向为X＇轴，过HY点垂直切线方向为Y＇轴（相当于单圆曲线独立坐标，见图3-2）。

点

为圆曲线段上任意一

点，仿照式（3.1），点

的坐标为：

=Rsinφ

（3.3）

设两坐标系的纵轴间夹角为θ，实际上θ为HY点的切线角，故：

Ө=

（ρ=206265"）

由坐标转换公式，可得i点在“X—ZH—Y”坐标系中的坐标为：

（3.4）

式（3.4）中

、

为HY点在独立坐标系中的坐标，可由式（3.2）算出：

x

=

-

y

=

（3.5）

3.2用全站仪测量断面的方法

在实际测量中，利用全站仪的三维坐标测量程序功能，将断面方向线的方位角设置为0º，断面基点设置为坐标原点，断面方向设置为X轴，断面方向的垂直方向设置为Y轴；建立独立的断面坐标系，如图3.1所示。

可以方便地测量断面点到断面基点的水平距离（X）和高程（Z），绘制断面图。

Y值为点位偏离断面方向线的距离，右侧为正，左侧为负。

3.2.1断面线上无障碍物的测量方法

（1）在断面基点上设站，对中、安平仪器，选择三维坐标测量程序功能。

（2）设置断面左方向方位角为0º，测站点坐标N、E值为0，Z值为断面基点的高程，输入仪器高和棱镜高。

（3）开始测量后，直接按坐标测量键，即可显示断面点的距离和高程，以及偏离断面的距离。

显示屏上显示的N值得绝对值即为断面点至断面基点的距离，E值为偏离方向线的值，Z值为断面点的高程值。

（4）当需要转点时，记录下转点的N、E、Z值；在转点上安置仪器，输入测站点坐标为转点的N、E、Z值；设置后视方位为0º或180°（由视转点在基点的右方还是左方来定），校核后视点无误，即可以继续测量断面点。

由于在统一的独立坐标系中，屏幕上显示N值仍为断面点至断面基点的距离，Z值为断面点的高程值。

3.2.2避开微地形测量横断面

在实际测量过程中，由于断面基点的选择不一定合适，经常在断面线上遇到微地形（即不能代表整体地形的局部地形），为避开微地形在偏离方向线几米位置，能够代表地形处安置棱镜，测量显示的N、Z即代表整体地形的断面点距离和高程，这样就可以正确地计算工程土方量。

3.2.3当断面基点无法安置仪器时的测量方法

在线路的断面测量中，如新建堤防、新开挖河道、新建公路等，经常遇到在断面基点无法架设仪器的情况（如水稻田埂、悬挂峭壁边、淤泥滩地等），可以采用移动测站点的方法：

（1）在断面方向线上延长或截取一点作为测站点，安置仪器。

（2）以断面基点为后视点，测量出两点的水平距离D和高差h，由断面基点高程、仪器高、棱镜高，反算出测站点高程Hz。

（3）若在延长线上时，测站点坐标N=-D，E=0，Z=Hz，后视方位为0°；若在断面方向线上截取一点时，测站点坐标N=D，E=0，Z=Hz，后视方位为180°。

这样就建立了以断面基点为坐标原点，以断面方向线为X轴的独立断面坐标系。

断面点的测量方法同前。

4全站仪在高程测量中的应用

随着全站仪在工程测量中的广泛使用，全站仪三角高程测量也得到广泛的应用。

新颁布的《工程测量规范》对其主要技术要求作了具体规定，见表4.1

等级

仪器

测回数

指标差较差

（"）

竖直角较差

（"）

对向观测高差较差

（mm）

附和或环形闭合差

（mm）

三丝法

中丝法

四等

五等

DJ2

DJ2

1

3

2

≤7

≤10

≤7

≤10

40√D

60√D

20√ΣD

30√ΣD

注：

（1）为测距边长度，以千米（km）为单位；

（2）边长大于400m时，应考虑球气差的影响。

传统的集合水准测量在坡度较大的地区难以实施，由于测站太多，精度很难保证。

利用三角高程测量时，由于大气折光误差、垂直角观测误差以及丈量仪器高和目标高的误差影响，精度很难有显著的提高。

理论和实践表明，当距离小于400m时，大气折光的影响不是主要的，因此只要采取一定的观测措施，达到毫米级的精度是可能的。

通常的措施有：

选择最佳时间进行测距、在最佳时间观测垂直角、采用合适的照准标志、精确地丈量仪器高和棱镜高。

如将全站仪当水准仪来使用，不必丈量仪器高和棱镜高，这样既能在地形起伏较大的地区快速进行高程传递，又能保证足够的精度。

4.1基本原理

如图4.1所示，图中A是高程已知的水准点，E是待测点，B、C、D是高程路线的转点，1、2、3、4为全站仪的设站位置。

因为用全站仪可以直接读取全站仪中心到棱镜中心的高差∆h，因此有：

（4.1）

式中h—全站仪中心和棱镜照准标志之间的高差；

Δ

—1点至A点的高差；

Δ

—1点至A点的高差同理可得：

i—仪器高；

、

—A、B点的棱镜高。

显然，两点的高差中已经把仪器高抵消掉了。

所有中间转点的棱镜高也被抵消掉了，公式中处理观测高差外，只有起点A的棱镜高和终点E的棱镜高。

如果在观测过程中，使起点和终点的棱镜高度保持不变，那么式（4.1）变为:

（4.2）

综上所述，用全站仪代替水准仪进行高程测量应满足以下条件：

（1）全站仪的设站次数为偶数，否则不能把转点棱镜高高低消掉；

（2）起始点和终点的棱镜高应保持相等；

（3）转点上的棱镜高在仪器搬动过程中保持不变；

（4）仪器在一个测站的观测过程中高度保持不变。

4.2精度分析

4.2.1地球曲率和大气折光的影响

水准测量要求前后视距相等主要是为了抵消i角误差，同时也为了消弱地球曲率及大气折光的影响，用全站仪代替水准仪测量时，可以设置大气折光系数k（一般取0.12），由仪器自动对地球曲率及大气折光的影响进行改正。

如果把视距控制在200m左右，前后视距差在3m之内，影响可以忽略不计。

4.2.2棱镜沉降、仪器沉降、棱镜倾斜的误差

与水准仪测量类似，用全站仪代替水准仪进行高程测量时同样存在棱镜沉降、仪器沉降的影响，观测时必须采取一定的措施来减弱或消除。

棱镜沉降主要发生在仪器的转站过程中，提高观测速度、采用往返测得方法也可以抵消部分影响。

仪器沉降主要发生在一个测回的观测过程中，在一个测站上要变换仪器高观测两个测回，第二测回和第一测回采用相反的观测次序，即“后—前—前—后”或“前—后—后—前”，可以有效地减弱仪器沉降的影响。

觇标倾斜的影响与水准测量时水准尺的倾斜相似，只要仔细检验对中杆上的圆水准气泡，在立杆时保证气泡居中就可以消除此影响。

4.2.2竖直度盘指标差的影响

水准测量时主要存在i角误差的影响，为了消除i角误差对水准测量的影响，一般要求前后视距相等。

用全站仪观测时，类似的误差是竖直度盘指标差，如果只用正镜或倒镜观测，该项误差的影响不容忽视。

但是只要采用正倒镜观测，就可以抵消指标差的影响。

4.2.3垂直轴倾斜误差的影响

全站仪能够进行垂直轴倾斜的自动补偿，并且补偿后的精度能达到0.1″，影响甚微。

4.2.4垂线偏差的影响

在山区和丘陵地区用全站仪代替水准仪进行高程测量有显著的优点，但由于垂线偏差的变化较大，使得测点之间所观测的高差不多呢高于这两点之间的正常高差，因此必须加一个垂线偏差改正。

在平原地区，前视和后视的平均垂线偏差基本相等，故垂线偏差的影响等于零。

在丘陵地区，垂线偏差的最大值为2"，在几百米的范围内它的变化不大，取0.2"（最大值的1/10），S=300m，对高差的影响为0.29mm；在山区，垂线偏差的最大值为10"，在几百米的范围内它的变化量也取最大值的1/10（1"），S=300m，则对高差的影响为1.45mm；在大山区，垂线偏差的最大值为20"，在几百米的范围内它的变化量也取最大值的1/10（2"），S=300m，则对高差影响为2.91mm。

综上所述，垂线偏差对高程的影响在山区和大山区时很大的，因此在这些地区测量时，应该适当减小视线的长度。

4.3工程实例

4.3.1测区概况

测区位于丘陵地区，面积约为80km²，测区内高程最低为32m，最高为361m，平均高程为67m。

4.3.2高程控制网

高程控制网如图8-23所示，双线表示水准测量路线，单线表示全站仪观测路线，单线坡度起伏很大，很难用水准仪进行测量。

图4.3高程路线

水准测量采用S1水准仪，按三等水准的方案观测，从交通局出发构成一个大闭合环，各侧段之间进行单程观测，只要埋石店1到王庄采用往返观测。

4.3.3全站仪观测方案

一.仪器的使用

垂直角观测精度为±2"，距离精度为±（3mm+2*10¯⁶D）。

该仪器可以进行自动气象改正，自动进行垂直轴倾斜补偿和指标差补偿。

前、后采用配套的单棱镜、棱镜杆、尺垫，高度相等且测量过程中保持不变。

（1）观测步骤

观测过程为“后—前—前—后”，在两个测点中间适当位置，整平安置全站仪；盘左位置瞄准后视的标志中心，开始测量，读取水平距离和高差；然后，盘右位置瞄准后视的标志中心，开始测量，读取高差；取两次高差的平均值即为后视的高差。

用同样的方法测得前视方向的水平距离和高差。

以上为一个测回。

变换仪器高，进行第二测回，先观测前视高差，后观测后视高差。

野外记录和计算表格见表4.3。

表4.3记录格式

第一测回

后视

盘左

盘右

-.823

-.835

平距

均值

183.182

-0.8390

前视高差-

后视高差

高差之差

前视

盘左

盘右

-19.424

-19.429

平距

均值

183.056

-19.4265

-18.5975

-0.0040

第二测回

后视

盘左

盘右

-0.696

-0.702

平距

均值

183.188

-0.6990

前视高差-

后视高差

高差均值

前视

盘左

盘右

-19.295

-19.306

平距

均值

183.053

-19.3005

-18.6015

-18.5995

4.3.4观测限差

视距一般小于200m，最长为240m，前后视距差最大为3m，两次仪器高所测高差之差，当视距小于160m时为3mm，当视距大于160m时为5mm。

往返测差值和环线的闭合差，应满足三等水准测量的要求。

4.3.5观测结果

由水准路线和全站仪观测路线构成了4个独立的闭合环，各闭合环的闭合差以及往返测路线的闭合差列在表8-15中。

可以看出，所有的闭合差都在规定的限差之内，说明用全站仪三角高程测量能够达到三等水准测量的精度。

表4.3.1闭合差统计

路线

长度

（km）

闭合差

（mm）

限差

（mm）

备注

交通局-埋石3-埋石2-桃山子东-王庄-大洞山-鼠山北-大泉-交通局

32.2

+51.95

68.09

闭合环

埋石2-上朱家-北许阳-埋石1-王庄-桃山子东-埋石2

22.7

+34.46

57.18

闭合环

小李庄-乱石坡-王庄-埋石1-小李庄

10.6

-23.60

38.07

闭合环

小李庄-乱石坡-王庄-大洞山-鼠山北-大泉-交通局-小李庄

21.2

15.71

55.26

闭合环

埋石3-洪山-埋石3

1.2

1.50

13.14

往返测

4.3.6全站仪观测的效率

用全站仪进行三角高程测量，其效率在平地上与水准仪测量相近，但是在丘陵和山区，其效率比水准测量要高许多。

图4.3.2中的曲线表示沿大泉—鼠山北—大洞山—王庄观测路线上的断面图，每段曲线上面的数字表示用全站仪观测的测站数，下面的数字表示用水准仪观测时最少的测站数（按一站观测2.5m的高差计算）。

可以看出，全站仪观测效率非常高。

图4.3.2全站仪和水准仪的测站数

6结论

（1）全站仪三角高程测量按水准测量使用，不量仪器高和棱镜高，可以大大提高三角高程测量的精度，在一般条件下可以代替等级水准测量。

（2）用测角精度为±2"，测距精度为±（3mm+2*10¯⁶D）的全站仪，当视线长度在200m左右时，可以代替水准仪进行相当于三等水准的高程测量。

（3）起点和终点的棱镜高，保持相等不变，测站数为偶数，可以抵消棱镜高。

（4）垂直角的观测误差是主要的误差来源，在山区和大山区，垂线偏差的影响也不能忽视。

因此，在这类地区测量，应当尽量减小视线的长度。

（5）在山区和丘陵地区，视距控制在300～500m，可以代替三等、四等水准测量，大大提高了作业效率，保证测量精度。

致谢

在本论文的写作过程中，我的指导老师李刚老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲。

到一遍又一遍的指出每稿中的具体问题，循循善诱，在此我表示衷心感谢。

同时还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

特祝：

工作顺利，身心健康！

参考文献

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同济大学出版社2002

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