全站仪测免棱镜设计说明书.docx

全站仪测免棱镜设计说明书.docx

《全站仪测免棱镜设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全站仪测免棱镜设计说明书.docx（76页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

全站仪测免棱镜设计说明书

摘要

免棱镜全站仪是近年来在测绘工程中最新采用的新型测绘设备，尤其是人力所不及的地方，该设备的作用得以较大地发挥。

本文对测量仪器发展史，全站仪的特点，全站仪数据采集和成果输出进行了介绍。

主要对免棱镜全站仪在高层或者大型建筑物倾斜观测，高耸圆柱体倾斜测量，地形碎部测量，隧道断面测量和悬高测量中的实践应用进行了阐述，并结合免棱镜全站仪的特点，分析了其主要误差来源。

全站仪在保证测量必要的精度的前提下，能够大大地减少劳动的强度，从而提高工作效率。

关键词：

免棱镜全站仪数据处理实践应用

Abstract

Non-PrismTotalStationisthelatestinrecentyearsinmappingprojectsusingthenewmappingequipment,particularlywherelessthanhumanbythedevicetoalargerroletoplay.Thishistoryofthedevelopmentofmeasuringinstruments,totalstationfeatures,TotalStationdatacollectionandresultsoutputareintroduced.MainlyPrismTotalStationatthetoporlargebuildingstiltobservation,tallcylindertiltmeasurement,theDepartmentofbrokenterrainmeasurement,thetunnelcrosssectionmeasurementsandREMinthepracticalapplicationweredescribed,andthecombinationofPrismTotalStationcharacteristics,andanalyzesitsmainsourceoferror.TotalStationinensuringtheaccuracyofmeasurementnecessaryprerequisite,cangreatlyreducethelaborintensity,therebyenhancingefficiency.

    Keywords:

Non-PrismTotalStationDataProcessingPracticalApplication

第一部分论文部分

第一章全站仪的发展史

       第一节几种测量仪器的发展动态

1．经纬仪的历史动态。

最早出现的经纬仪实际与航海有着非常密切的关系。

早在十五、十六世纪的时候，英、法等国由于航海和战争的需要，需要绘制各种地图、海图。

最早绘制地图使用的是三角测量法，就是根据两个已知点上的观测结果，求出远处第三点的位置,但由于没有合适的仪器，导致角度测量手段有限，精度不高，由此绘制出的地形图精度也不高。

而经纬仪的发明，提高了角度的观测精度，同时简化了测量和计算的过程，也为绘制地图提供了更精确的数据。

后来经纬仪被广泛地使用于各项工程建设的测量上。

经纬仪包括基座、度盘（水平度盘和竖直度盘）和照准部三个部分。

基座用来支撑整个仪器。

水平度盘用来测量水平角。

照准部上有望远镜、水准管以及读数装置等等。

2．光电测距仪的发展动态

随着现代科学技术的发展，尤其是光电技术的广泛应用，出现一种新的测距方法——电磁波测距，由于这种方法精度高，测程长，操作简便，对测线的地形条件要求低，速度快，效率高。

因此，在20世纪八十年代末出现后，迅速受到广大测绘人员的好评并迅速投入到实际工程应用。

测量仪器仪发展的趋势是轻便化、自动化、多功能化。

目前市场上的测距仪种类繁多，但主要的生产厂家还是在瑞士、德国、日本。

近几年我国的一些仪器厂家，如北京光学仪器厂、苏州光学仪器厂、常州大地测距仪厂、南方测绘仪器公司等先后引进技术和元件，进行国内组装和制造多种类型测距仪投入国内测局市场。

3.全站仪

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。

全站仪是人们在角度测量自动化的过程中应用而生的，各类电子经纬仪在各种测绘作业中起着巨大的作用。

全站仪的发展经历了从组合式即光电测距仪与光学经纬仪组合，或光电测距仪与电子经纬仪组合，到整体式即将光电测距仪的光波发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪等几个阶段。

最初速测仪的距离测量是通过光学方法来实现的，我们称这种速测仪为“光学速测仪”。

实际上，“光学速测仪”就是指带有视距丝的经纬仪，被测点的平面位置由方向测量及光学视距来确定，而高程则是用三角测量方法来确定的。

带有“视距丝”的光学速测仪，由于其快速、简易，而在短距离（100米以内）、低精度（1/200（1/500）的测量中，如碎部点测定中，有其优势，得到了广泛的应用。

随着电子测距技术的出现，大大地推动了速测仪的发展。

用电磁波测距仪代替光学视距经纬仪，使得测程更大、测量时间更短、精度更高。

人们将距离由电磁波测距仪测定的速测仪笼统地称之为“电子速测仪”（ElectronicTachymeter）。

然而，随着电子测角技术的出现。

这一“电子速测仪”的概念又相应地发生了变化，根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪。

半站型电子速测仪是指用光学方法测角的电子速测仪，也有称之为“测距经纬仪”。

这种速测仪出现较早，并且进行了不断的改进，可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪，对斜距进行化算，最后得出平距、高差、方向角和坐标差，这些结果都可自动地传输到外部存储器中。

全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。

由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，所以人们也通常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪。

20世纪八十年代末，人们根据电子测角系统和电子测距系统的发展不平衡，将全站仪分成两大类，即积木式和整体式。

20世纪九十年代以来，基本上都发展为整体式全站仪。

第二节我国测量仪器的发展

现有的测量仪器一般有：

水准仪，经纬仪，平板仪，测距仪。

其在我国历史发展一般可分以下几个阶段：

二十世纪五十年代以前，主要是纯光学机械的测绘仪器；到六十年代起主要是对仪器的自动安平和成套附件进行改革；七十年代后主要应用电子技术、激光技术、微机技术实现外业数据自动采集，测量的自动归算、显示和储存。

以及内业数据自动处理、存储、管理和应用；八十年代以后产生并发展了全球卫星导航定位系统GPS。

从上世纪八十年代起十年时间内，我国传统测量仪器的研制和生产取得长足进展，并进入稳步发展阶段，其发函特点可概括为以下几个方面：

 ①生产标准和国际接轨。

传统仪器技术水平达到七十年代末和八十年代中工业发达国家水平，为出口创汇奠定基础。

其重要标志为：

  引进先进结构装置。

快慢速调焦，复消色差正象望远镜，最短视距达0.5m；自动归零装置和自动安平装置；强制对中三角基座；正象光学对中器；同轴制微动机构；换盘和复测机构；读数系统视场数字化和不同颜色；安平警告装置等；测量仪器逐步实现通用化、标准化和自动化；测量仪器附件达16类、30种，初步形成配套。

  ②逐步完善品种系列。

我国光学经纬仪系列已有6个精度等级，都已试制或形成规模生产，品种约20多种，其中最为主要的是精度为2秒和6秒级的工程经纬仪；水准仪系列除眺05级还在研制，其余三个精度等级也形成规模经济，品种约40种，最主要的是精度为1.5～2.5mm／km自动安平水准仪，加测微平板精度可达0.7mm／km；平板仪系列大中小光学平板仪都已规模生产，品种约十多种。

除主导系列品种外，还根据我国的实际需要开发了垂准经纬仪、激光经纬仪、天文经纬仪、工具经纬仪、陀螺经纬仪、坡面经纬仪、无磁和地磁经纬仪、自准直经纬仪、径向差测量经纬仪、轻便经纬仪、电子和激光水准仪、手持水准仪等变形产品，满足工程测量的不同需求。

  ③生产能力逐步增强。

随着市场竞争的日趋激烈，使测量仪器生产厂逐步减少，附件生产厂逐步增多，其布局日趋合理。

据不完全统计，我国生产测量仪器厂家目前为20个。

附件厂家26个，基本满足市场需求。

第二章全站仪的特点

第一节普通全站仪特点

1.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.分类

全站仪采用了光电扫描测角系统，其类型主要有：

编码盘测角系统、光栅盘测角系统及动态（光栅盘）测角系统等三种。

2.1　全站仪按其外观结构可分为两类：

积木型（Modular，又称组合型）

早期的全站仪，大都是积木型结构，即电子速测仪、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把它们组合起来，形成完整的全站仪。

整体性（Integral）

随着电子测距仪进一步的轻巧化，现代的全站仪大都把测距，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。

2.2全站仪按测量功能分类，可分成四类：

TCRP全站仪

（1）经典型全站仪（Classicaltotalstation）　　

经典型全站仪也称为常规全站仪，它具备全站仪电子测角电子测距和数据自动记录等基本功能，有的还可以运行厂家或用户自主开发的机载测量程序。

其经典代表为徕卡公司的TC系列全站仪。

（2）机动型全站仪（Motorizedtotalstation）

在经典全站仪的基础上安装轴系步进电机，可自动驱动全站仪照准部和望远镜的旋转。

在计算机的在线控制下，机动型系列全站仪可按计算机给定的方向值自动照准目标，并可实现自动正、倒镜测量。

徕卡TCM系列全站仪就是典型的机动型全站仪。

（3）无合作目标性全站仪（Reflectorlesstotalstation）

无合作目标型全站仪是指在无反射棱镜的条件下，可对一般的目标直接测距的全站仪。

因此，对不便安置反射棱镜的目标进行测量，无合作目标型全站仪具有明显优势。

如徕卡TCR系列全站仪，无合作目标距离测程可达200m，可广泛用于地籍测量，房产测量和施工测量等。

（4）智能型全站仪（Robotictotalstation）

在机动化全站仪的基础上，仪器安装自动目标识别与照准的新功能，因此在自动化的进程中，全站仪进一步克服了需要人工照准目标的重大缺陷，实现了全站仪的智能化。

在相关软件的控制下，智能型全站仪在无人干预的条件下可自动完成多个目标的识别、照准与测量，因此，智能型全站仪又称为“测量机器人”典型的代表有徕卡的TCA型全站仪等。

精度最高的全站仪TCA2003

2.3全站仪按测距仪测距分类，还可以分为三类：

（1）短距离测距全站仪

测程小于3KM，一般精度为±（5mm+5ppm），

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+2ppm），

（3）长测程全站仪

±（2mm+2ppm）通常用于一般等级的控制测量。

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

3．结构

全站仪几乎可以用在所有的测量领域。

电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等组成。

同电子经纬仪、光学经纬仪相比，全站仪增加了许多特殊部件，因此而使得全站仪具有比其它测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便。

这些特殊部件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点。

3.1.同轴望远镜

全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴同轴化。

同轴化的基本原理是：

在望远物镜与调焦透镜间设置分光棱镜系统，通过该系统实现望远镜的多功能，即既可瞄准目标，使之成像于十字丝分划板，进行角度测量。

同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的光敏二极管发射的调制红外光在经物镜射向反光棱镜后，经同一路径反射回来，再经分光棱镜作用使回光被光电二极管接收；为测距需要在仪器内部另设一内光路系统，通过分光棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发射的调制红外光传也送给光电二极管接收，进行而由内、外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间，计算实测距离。

同轴性使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部基本测量要素的测定功能。

加之全站仪强大、便捷的数据处理功能，使全站仪使用极其方便。

全站仪剖视图

3.2．双轴自动补偿

在仪器的检验校正中已介绍了双轴自动补偿原理，作业时若全站仪纵轴倾斜，会引起角度观测的误差，盘左、盘右观测值取中不能使之抵消。

而全站仪特有的双轴（或单轴）倾斜自动补偿系统，可对纵轴的倾斜进行监测，并在度盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正（某些全站仪纵轴最大倾斜可允许至±6′）。

也可通过将由竖轴倾斜引起的角度误差，由微处理器自动按竖轴倾斜改正计算式计算，并加入度盘读数中加以改正，使度盘显示读数为正确值，即所谓纵轴倾斜自动补偿。

双轴自动补偿的所采用的构造（现有水平,包括Topcon,Trimble）:

使用一水泡（该水泡不是从外部可以看到的，与检验校正中所描述的不是一个水泡）来标定绝对水平面，该水泡是中间填充液体，两端是气体。

在水泡的上部两侧各放置一发光二极管，而在水泡的下部两侧各放置一光电管，用一接收发光二极管透过水泡发出的光。

而后，通过运算电路比较两二极管获得的光的强度。

当在初始位置，即绝对水平时，将运算值置零。

当作业中全站仪器倾斜时，运算电路实时计算出光强的差值，从而换算成倾斜的位移，将此信息传达给控制系统，以决定自动补偿的值。

自动补偿的方式初由微处理器计算后修正输出外，还有一种方式即通过步进马达驱动微型丝杆，把此轴方向上的偏移进行补正，从而使轴时刻保证绝对水平。

3.3．键盘

　键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站型仪器的键盘和显示屏均为双面式，便于正、倒镜作业时操作。

3.4．存储器

　全站仪存储器的作用是将实时采集的测量数据存储起来，再根据需要传送到其它设备如计算机等中，供进一步的处理或利用，全站仪的存储器有内存储器和存储卡两种。

　全站仪内存储器相当于计算机的内存（RAM），存储卡是一种外存储媒体，又称PC卡，作用相当于计算机的磁盘。

3.5．通讯接口

全站仪可以通过BS—232C通讯接口和通讯电缆将内存中存储的数据输入计算机，或将计算机中的数据和信息经通讯电缆传输给全站仪，实现双向信息传输。

4.使用

全站仪具有角度测量、距离（斜距、平距、高差）测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途。

内置专用软件后，功能还可进一步拓展。

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。

4）全站仪的数据通讯

全站仪的的数据通讯是指全站仪与电子计算机之间进行的双向数据交换。

全站仪与计算机之间的数据通讯的方式主要有两种，一种是利用全站仪配置的PCMCIA（personalcomputermemorycardinternationassociation,个人计算机存储卡国际协会，简称PC卡，也称存储卡）卡进行数字通讯，特点是通用性强，各种电子产品间均可互换使用；另一种是利用全站仪的通讯接口，通过电缆进行数据传输。

5.检验

（1）照准部水准轴应垂直于竖轴的检验和校正，检验时先将仪器大致整平,转动照准部使其水准管与任意两个脚螺旋的连线平行,调整脚螺旋使气泡居中,然后将照准部旋转180度,若气泡仍然居中则说明条件满足,否则应进行校正。

校正的目的是使水准管轴垂直于竖轴．即用校正针拨动水准管一端的校正螺钉，使气泡向正中间位置退回一半．为使竖轴竖直，再用脚螺旋使气泡居中即可．此项检验与校正必须反复进行，直到满足条件为止。

（2）十字丝竖丝应垂直于横轴的检验和校正

检验时用十字丝竖丝瞄准一清晰小点，使望远镜绕横轴上下转动，如果小点始终在竖丝上移动则条件满足．否则需要进行校正。

　校正时松开四个压环螺钉（装有十字丝环的目镜用压环和四个压环螺钉与望远镜筒相连接。

转动目镜筒使小点始终在十字丝竖丝上移动，校好后将压环螺钉旋紧。

　（3）视准轴应垂直于横轴的检验和校正选择一水平位置的目标，盘左盘右观测之，取它们的读数（顾及常数１８０度）即得两倍的c（c=１／２（ɑ左－ɑ右）

（4）横轴应垂直于竖轴的检验和校正选择较高墙壁近处安置仪器。

以盘左位置瞄准墙壁高处一点p（仰角最好大于３０度），放平望远镜在墙上定出一点m1。

倒转望远镜，盘右再瞄准p点，又放平望远镜在墙上定出另一点m2。

如果m1与m2重合，则条件满足，否则需要校正。

校正时，瞄准m1、m2的中点m,固定照准部，向上转动望远镜，此时十字丝交点将不对准p点。

抬高或降低横轴的一端，使十字丝的交点对准p点。

此项检验也要反复进行，直到条件满足为止。

以上四项检验校正，以一、三、四项最为重要，在观测期间最好经常进行。

每项检验完毕后必须旋紧有关的校正螺钉。

6.前景

随着计算机技术的不断发展与应用以及用户的特殊要求与其它工业技术的应用，全站仪出现了一个新的发展时期，出现了带内存、防水型、防爆型、电脑型等等的全站仪。

目前，世界上最高精度的全站仪：

测角精度（一测回方向标准偏差）0.52，测距精度1mm+1ppm。

利用ATR功能，白天和黑夜（无需照明）都可以工作。

全站仪已经达到令人不可致信的角度和距离测量精度，既可人工操作也可自动操作，既可远距离遥控运行也可在机载应用程序控制下使用，可使用在精密工程测量、变形监测、几乎是无容许限差的机械引导控制等应用领域。

全站仪这一最常规的测量仪器将越来越满足各项测绘工作的需求，发挥更大的作用。

全站仪的测角系统与传统光学经纬仪测角系统不同点，全站仪的测角系统与传统光学经纬仪测角系统相比较，主要有两个方面的不同：

（1）传统的光学度盘被绝对编码度盘或光电增量编码器所代替，用电子细分系统代替了传统的光学测微器；

（2）由传统的观测者判读观测值及手工记录变为观测者直接读数并自动记录。

全站仪的测距系统与一般测距仪基本一致，只是体积更小，通常采用半导体砷化镓发光二极管作为光源。

不同厂家生产的不同类型及系列的全站仪，其最大测程和距离测量误差均有较大变化。

全站仪的记录系统又称为电子数据记录器，它是一种存储测量资料的具有特定软件的硬件设备。

数据记录器也有许多类型，但基本功能都一样，起着全站仪与电子计算机之间的桥梁作用，它使野外记录工作实现了自动化，减少了记录计算的差错，大大提高了野外作业的效率。

目前，全站仪记录系统主要有三种形式：

接口式、磁卡式和内存式。

第二节免棱镜全站仪的特点

1.无棱镜测量技术原理

免棱镜测量技术基于相位法原理，全站仪发出的激光束极为微小，它可精确地打到目标上，保证精度较高的距离测量。

与有棱镜测量相比较，其优点是只要测点的反射介质满足免棱镜测量的条件，就不需要在测量点位上置放棱镜，即可精确的测定出该点的三维坐标。

使用柯达灰度标准卡，其半径可达180米，它具有可见的红色激光斑以及微小的光束直径。

为了达到出色的标准和基于考虑测量人员的身体安全的效果，采用最安全的一级激光，确保了免棱镜测量胜任于任何测量工作。

对于测量人员提高作业效率来说是非常有利的。

2.免棱镜测量技术特点

（1）免棱镜测量技术适宜测量反射面裸露的测点高程，在岩石、公路、旱地、等视线的地形、地物点高程。

（2）免棱镜测量适用于视线没有任何障碍的地形地物测量，若中间有障碍物则测量出的是障碍物的坐标、高程。

如要测量测距范围之内500米处的地物点，若在300米处的地方有高树的树叶或树枝正好挡住视线，测到的将是300米处的树叶或树枝的坐标、高程。

（3）注意不要将激光束射向似镜式表面，如汽车倒车镜与公路拐弯凸镜等。

（4）施测过程中不要长时间通过目镜观测反射地物，避免阳光直射仪器镜头，以免眼睛受伤。

（5）免棱镜测量适用于人员难以到达、反射介质好的地形地物测量，如悬崖、房屋、陡坎、独立方位物和有化学毒素的地物等。

（6）免棱镜测量适用于通视条件好、反射介质好的地方，在被照射介质较暗、吸光性太强的地表流水等反射条件不好的地方不宜使用免棱镜测量。

（7）免棱镜全站仪对于控制、地形和工程测量都具有重要作用，例如对于人们无法攀登的悬崖陡壁的地形测量、地下大型工程的断面测量、建筑物的变形测量等，采用免棱镜全站仪测量可以大大节约时间，提高劳动效率。

尤其是用边角后方交会的方法在地下工程中布设临时控制点，可以将控制点布设洞壁上，避免了掌子头放样控制点的破坏。

用边角后方布设控制点放样可大大提高掌子面的放样速度，明显提高生产效率。

（8）免棱镜测量要耗费较大的电源，要保证在野外作业时带上充足的电源，必要时配置外挂电源。

（9）实现了单人操作测量，节省了时间和降低了外业人员劳动强度，同时对提高外业工作人员的