全站仪在地形测量中的应用论文2.docx

1、全站仪在地形测量中的应用论文2全站仪在地形测量中的应用第一章 绪论1.1 引言兼有光电测距、电子测角和测量数据记录的大地测量仪器称为“全站仪”(Total Station),亦称电子速测仪(Electronic Tachymeter)或电子视距仪(Electronic stadia instrument)。第一代全站仪问世于20世纪70年代，以前西德OPTON厂的Reg Eltal 4和前瑞典AGA厂的Geodimeter 700为典型代表。最初的仪器体积大、重量重、能耗高，在野外作业中使用不够机动灵活。但它们的出现，展示了一种高效的三维坐标测量方法，是大地测量仪器史上具有跨时代意义的革命。随

2、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(Auto Targets Recognition，自动目标识别)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。采用全站仪进行精密三角高程代替水准的观测方

3、法也已广泛得以应用，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，是现代化测量和信息化测量最有利的助手。 本论文论述了全站仪的基本测量原理，使用方法并且结合实际工程项目分析了全站仪在地测绘中的应用，归纳总结了全站仪的特点，以及在工程实践应用中应注意的问题，为更好更广泛地使用全站仪提供了参考，为进一步深入的研究和探讨提供了资料。1.2 电子全站仪概述1.2.1 全站仪概念 全站型电子速测仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储等单元组成的三维坐标测量系统，能自动显示测量结果，能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于仪器较完善地实现了测量和处理过程的电子一体化，所以人们通常称之为

4、全站型电子速测仪(Electronic Total Station)或简称全站仪。全站仪由以下两大部分组成：采集数据设备：主要有电子测角系统、电子测距系统、还有自动补偿设备等。微处理器：微处理器是全站仪的核心装置,主要由中央处理器,随机储存器和只读存储器等构成,测量时,微处理器根据键盘或程序的指令控制各分系统的测量工作,进行必要的逻辑和数值运算以及数字存储、处理、管理、传输、显示等。 通过上述两大部分有机结合，才真正地体现“全站”功能，既能自动完成数据采集，又能自动处理数据，使整个测量过程工作有序、快速、准确地进行。1.2.2 全站仪的分类上世纪八十年代末、九十年代初，人们根据电子测角系统和电

5、子测距系统的发展不平衡，把两种系统结构配置在一起构成全站仪，按其结构形式，全站仪分成两大类，积木式和整体式。积木式(Modular)，也称组合式，它是指电子经纬仪和测距仪可以分离开使用，照准部与测距轴不共轴。作业时，测距仪安装在电子经纬仪上，相互之间用电缆实现数据通讯，作业结束后卸下分别装箱。这种仪器可根据作业精度要求，用户可以选择不同测角、测距设备进行组合，灵活性较好。整体式(integrated)，也称集成式，它是将电子经纬仪和测距仪融为一体，共用一个光学望远镜，使用起来更方便。目前世界各仪器厂商生产出各种型号的全站仪，而且品种越来越多，精度越来越高。常见的有日本(SOKKIA)SET系列

6、、拓普康(TOPOCON)GTS系列、尼康(NIKON)DTM系列、瑞士徕卡(LEICA)TPS系列，我国的NTS和ETD系列。随着计算机技术的不断发展与应用以及用户的特殊要求，出现了带内存、防水型、防爆型、电脑型、马达驱动型等等各种类型的全站仪，使得这一最常规的测量仪器越来越满足各项测绘工作的需求，发挥更大的作用。1.2.3 全站仪的等级与检测全站仪作为一种光电测距与电子测角和微处理器综合的外业测量仪器，其主要的精度指标为测距标准差和测角标准差。仪器根据测距标准差，即测距精度，按国家标准，分为三个等级。小于5mm为级仪器，标准差大于5mm小于10mm为级仪器，大于10mm小于20mm为级仪器

7、。全站仪设计中，关于测距和测角的精度一般遵循等影响的原则。由于全站仪作为一种现代化的计量工具，必须依法对其进行计量检定，以保证量度的统一性、标准性、合格性。检定周期最多不能超过一年。对全站仪的检定分为三个方面，对测距性能的检测，对测角性能的检测。对其数据记录及数据通讯及数据处理功能的检查。光电测距部分性能按国家技术监督局(JG703-2003)检定规程进行，其主要项目包括：调制光相位均匀性、周期误差、内符合精度、精测尺频率，加、乘常数及综合评定其测距精度。必要时，还可以在较长的基线上进行测距的外符合检查。电子测角系统的检测主要项目包括：光学对中器和水准管的检校，照准部旋转时仪器基座方位稳定性检

8、查，测距轴与视准轴重合性检查，仪器轴系误差(照准差C，横轴误差i，竖盘指标差I)的检定，倾斜补偿器的补偿范围与补偿准确度的检定，一测回水平方向指标差的测定和一测回竖直角标准偏差测定。数据采集与通讯系统的检测包括检查内存中的文件状态，检查储存数据的个数和剩余空间；查阅记录的数据；对文件进行编辑，输入和删除功能的检查；数据通讯接口数据通讯专用电缆的检查等。第二章 全站仪测量原理及其使用方法2.1 全站仪的结构组成2.1.1 全站仪的组成原理如图2-1所示，电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分（CPU）、通讯接口(I/O)、及显示屏、键盘、接口等组成。各部分的作用如下：电源部分有可

9、充电式电池，供给其他各部分电源，包括望远镜十字丝和显示屏的照明；测角部分相当于电子经纬仪，可以测定水平角、垂直角和设置方位角；测距部分相当于光电测距仪，一般用红外光源，测定至目标点(设置反光棱镜或反光片)的斜距，并可归算为平距及高差；中央处理器接受输入指令，分配各种观测作业，进行测量数据的运算，如多测回取平均值、观测值的各种改正、极坐标法或交会法的坐标计算，以及包括运算功能更为完备的各种软件；输入输出部分包括键盘、显示屏和接口；从键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。显示屏可以显示出仪器当前的工作方式(Mode)、状态、观测数据和运算结果；接口使全站仪能与磁卡、磁盘、微机交互通讯，传输数据。图

10、2-1全站仪组成原理框图2.1.2 全站仪的构造全站仪的构造和光学经纬仪大体接近，如图2-2a)、b)所示，为Topcon GTS 330N全站仪，仪器主要分为基座、照准部、手柄、三大部分，其中照准部包括望远镜(测距部包含在此部分)、显示屏、微动制动旋钮等。详细名称如图2-2 a）、b)所示。 a) b)图2-2Topcon GTS 330N全站仪外观及各部件名称a)Topcon GTS 330N前面b)Topcon GTS 330N后面图2-2Topcon GTS 330N全站仪外观及各部件名称全站仪的望远镜全站仪测距部位于望远镜部分，因此全站仪的望眼镜体积比较大，其光轴(视准轴)一般采用和

11、测距光轴完全同轴的光学系统，即望远镜视准轴，测距红外光发射光轴，接收回光光轴三轴同轴，一次照准就能同时测出距离和角度。如图2-3所示。因此全站仪望远镜的检验和校正比普通光学经纬仪要复杂的多。图2-3全站仪望远镜结构图全站仪的度盘 全站仪采用电子度盘读数，电子度盘原理常采用三种测角方法，即绝对编码度盘、增量光栅度盘和综合上两种方法的动态度盘。 编码度盘测角系统绝对编码度盘是在玻璃圆盘上刻划n个同心圆环，每个同心圆环为码道，n为码道数，外环码道圆环等分为2n个透光与不透光相间扇形区编码区。每个编码所包含的圆心角=3602n为角度分辨率，即为编码度盘能区分的最小角度，向着圆心方向，其余n-1个码道圆

12、环分别被等分为2n-1，2n-2, 21个编码，其作用是确定当前方向位于外环码道的绝对位置。n=4时，24=16，角度分辨率=36016=2230；向着圆心方向，其余3个码道的编码数依次为23=8，22=4，21=2。每码道安置一行发光二极管，另一侧对称安置一行光敏二极管，发光管光线通过透光编码被光敏二极管接收到时，即为逻辑0，光线被不透光编码遮挡时，即为逻辑1。获得该方向的二进制代码。如图2-4所示为4码道编码度盘。图2-44码道绝对编码度盘图2-54码道编码读盘16个方向值的二进制代码 4码道编码度盘的=2230，精度太低，实际通过提高码道数来减小，如，n=16， =360216=0001

13、9.78，但在度盘半径不变时增加码道数n，将减小码道的径向宽度，拓普康GTS-330N全站仪的R=35.5mm，n=16时，可求出R=2.22mm，如果无限次增加高码道，码道的径向宽度会越来越小。因此，多码道编码度盘不易达到较高的测角精度。现在使用单码道编码度盘。在度盘外环刻划无重复码段的二进制编码，发光管照射编码度盘时，通过接收管获取度盘位置的编码信息，送微处理器译码换算为实际角度值并送显示屏显示1。 光栅度盘测角系统如图2-6所示，光栅度盘是在玻璃圆盘径向均匀刻划交替的透明与不透明辐射状条纹，读盘上设置一指示光栅，指示光栅的密度与度盘光栅相同，但其刻线与度盘光栅刻线倾斜一个小角，在光栅度盘

14、旋转时，会观察到明暗相间的条纹莫尔条纹。当指示光栅固定，光栅度盘随照准部转动时，形成莫尔条纹照准部转动一条刻线距离时，莫尔条纹则向上或下移动一周期。光敏二极管产生按正弦规律变化的电信号，将此电信号整形，变成矩形脉冲信号，对矩形脉冲信号计数求得度盘旋转的角值，通过译码器化算为度、分、秒送显示窗显示。倾角与相邻明暗条纹间距w的关系， =2， =172d，纹距w比栅距d大172倍，进一步细分纹距w，可以提高测角精度。图2-6光栅度盘竖轴倾斜的自动补偿器由于经纬仪照准部的整平可使竖轴铅直，但受气泡灵敏度和作业的限制，仪器的精确整平有一定困难。这种竖轴不铅直的误差称为竖轴误差。在一些较高精度的电子经纬仪

15、和全站仪中安置了竖轴倾斜自动补偿器，以自动改正竖轴倾斜对视准轴方向CC和横轴方向HH的影响。这种补偿器叫双轴补偿器。如图2-7所示为TOPTON公司摆式液体补偿器。其工作原理为：图中由发光管1发出的光，经物镜组6发射到液体4，全反射后，又经物镜组7聚焦至光电接收器2上。光电接收器为一光电二极管阵列。一方面将光信号转变为电信号；另一方面，还可以探测出光落点的位置。光电二极管阵列可分为4个象限，其原点为竖轴竖直时光落点的位置。倾斜时(在补偿范围内)，光电接收器接收到的光落点位置就发生了变化，其变化量即反映了竖轴在纵向(沿视准轴方向)上的倾斜分量和横向(沿横轴方向)上的倾斜分量。位置变化信息传输到内

16、部的微处理器处理，对所测的水平角和竖直角自动加以改正(补偿)。全站仪安装精确的竖轴补偿器，使仪器整平到3范围以内，其自动补偿精度可达0.1。图2-7摆式液体补偿器原理键盘 键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站型仪器的健盘和显示屏均为双面式，便于正、倒镜作业时操作。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。通讯接口全站仪可以通过BS232C通讯接口和通讯电缆将内存中存

17、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。2.2 全站仪的测量原理2.2.1 全站仪的测距原理电子测距即电磁波测距，它是以电磁波作为载波，传输光信号来测量距离的一种方法。它的基本原理是利用仪器发出的光波(光速C已知)，通过测定出光波在测线两端点间往返传播的时间t来测量距离S: 2-1式2-1中乘以1/2是因为光波经历了两倍的路程。 按这种原理设计制成的仪器叫做电磁波测距仪。根据测定时间的方式不同，又分为脉冲式测距仪和相位式测距仪。脉冲式测距仪是直接测定光波传播的时间，由于这种方式受到脉冲的宽度和电子计数器时间分辨率限制，所以测距精度不高，一般为15m

18、。相位式光电测距仪是利用测相电路直接测定光波从起点出发经终点反射回到起点时因往返时间差引起的相位差来计算距离，该法测距精度较高，一般可达520mm。目前短程测距仪大都采用相位法计时测距。通常是开机后将观测时的温度和气压输入全站仪，仪器自动对距离进行温度和气压改正。 测定气温通常使用通风干湿温度计，测定气压通常使用空盒气压表。气压表所用单位有mb(102Pa)和mmHg(133.322Pa)两种，而1mb0.7500617mmHg。气温读数至1度，气压读数至1mmHg。2.2.2 全站仪的测角原理光电度盘一般分为两大类：一类是由一组排列在圆形玻璃上具有相邻的透明区域或不透明区的同心圆上刻得编码所

19、形成编码度盘进行测角；另一类是在度盘表面上一个圆环内刻有许多均匀分布的透明和不透明等宽度间隔的辐射状栅线的光栅度盘进行测角。也有将上述二者结合起来，采用“编码与光栅相结合”的度盘进行测角。编码度盘测角原理 在玻璃圆盘上刻划几个同心圆带，每一个环带表示一位二进制编码，称为码道(如图2-8所示)。如果再将全圆划成若干扇区，则每个扇形区有几个梯形，如果每个梯形分别以“亮”和“黑”表示“0”和“1”的信号，则该扇形可用几个二进数表示其角值。例如，用四位二进制表示角值，则全圆只能刻成2416个扇形，则度盘刻划值为360o/16=22.5o，如图所示，这显然是没有什么实际意义的。如果最小值为20”，则需刻

20、成(3606060)/20=64800个扇形区，而64800216个码道。因为度盘直径有限，码道愈多，靠近度盘中心的扇形间隔愈小，又缺乏使用意义，故一般将度盘刻成适当的码道，再利用测微装置来达到细分角值的目的。图2-8码道增量式光栅度盘测角原理 均匀地刻有许多一定间隔细线的直尺或圆盘称为光栅尺或光栅盘。刻在直尺上用于直线测量的为直线光栅(如图2-9(a)，刻在圆盘上的等角距的光栅称为径向光栅(如图2-9(b)。设光栅的栅线(不透光区)宽度为a，缝隙宽度为b，栅距dab通常ab，它们都对应一角度值。在光栅度盘的上下对应位置上装上光源、计数器等，使其随照准部相对于光栅度盘转动，可由计数器累计所转动

21、的栅距数，从而求得所转动的角度值。因为光栅度盘上没有绝对度数，只是累计移动光栅的条数计数，故称为增量式光栅度盘，其读数系统为增量式读数系统2。(a)(b)图2-9增量式光栅度盘测角原理如图2-10所示。指示光栅、接收管、发光管位置固定在照准部上。当度盘随照准部移动时，莫尔条纹落在接收管上。度盘每转动一条光栅，莫尔条纹在接收管上移动一周，流过接收管的电流变化一周。当仪器照准零方向时，让仪器的计数器处于零位，而当度盘随照准部转动照准某目标时，流过接收管电流的周期数就是两方向之间所夹的光栅数。由于光栅之间的夹角是已知，计数器所计的电流周期数经过处理就刻有显示处角度值。如果在电流波形的每一周期内再均匀

22、内插n个脉冲，计算器对脉冲进行计数，所得的脉冲数就等于两个方向所夹光栅数的n倍，就相当于把光栅刻划线增加了n倍，角度分辨率也就提高了n倍。使用增量式光栅度盘测角时，照准部转动的速度要均匀，不可突快或太快，以保证计数的正确性。图2-10增量式光栅度盘测角原理动态光栅度盘测角原理 动态光栅度盘测角原理如图2-11所示。度盘光栅可以旋转，另有两个与度盘光栅交角为的指标光栅S和R，S为固定光栅，位于度盘外侧；R为可动光栅，位于度盘内侧。同时，度盘上还有两个标志点a和b，S只接收a的信号，R只接收b的信号，测角时，S代表任一原方向，R随着照准部旋转，当照准目标后，R位置已定，此时启动测角系统，使度盘在马

23、达的带动下，始终以一定的速度逆时针旋转，b点先通过R，开始计数。接着a通过S，计数停止，此时计下了RS之间的栅距0的整倍n和不是一个分划的小数0，则水平角为=n0+0。事实上，每个栅格为一脉冲信号，由R、S的粗测功能可计数得n；利用R、S的精测功能可测得不足一个分划的相位差0，其精度取决于将0划分成多少相位差脉冲。图2-11动态光栅度原理 动态测角除具有前两种测角方式的优点外，最大的特点在于消除了度盘刻划误差等，因此在高精度(0.5级)的仪器上采用。但动态测角需要马达带动度盘，因此在结构上比较复杂，耗电量也大一些。2.3 全站仪的功能及使用2.3.1 全站仪的功能概述 全站仪按数据存储方式分为

24、内存型和电脑型两种。内存型全站仪的所有程序都固化在仪器的存储器中，不能添加或改写，也就是说，只能使用全站仪提供的功能，无法扩充。而电脑型全站仪内置操作系统，所有程序均运行于其上，可根据实际需要添加相应程序来扩充其功能，使操作者进一步成为全站仪功能开发的设计者，更好地为工程建设服务。 全站仪的基本功能如下：测角功能：测量水平角、竖直角或天顶距；测距功能：测量平距、斜距或高差；跟踪测量：即跟踪测距和跟踪测角；连续测量：角度或距离分别连续测量或同时连续测量。坐标测量：在已知点上架设仪器，根据测站点和定向点的坐标或定向方位角，对任一目标点进行观测，获得目标点的三维坐标值。悬高测量REM：可将反射镜立于

25、悬物的垂点下，观测棱镜，再抬高望远镜瞄准悬物，即可得到悬物到地面的高度。对边测量MLM：可迅速测出棱镜点到测站点的平距、斜距和高差。后方交会：仪器测站点坐标可以通过观测两坐标值存储于内存中的已知点求得。距离放样：可将设计距离与实际距离进行差值比较迅速将设计距离放到实地。坐标放样：已知仪器点坐标和后视点坐标或已知仪器点坐标和后视方位角，即可进行三维坐标放样，需要时也可进行坐标变换。预置参数：可预置温度、气压、棱镜常数等参数。测量的记录、通讯传输功能。 以上是全站仪所必须具备的基本功能。当然，不同厂家和不同系列的仪器产品，在外形和功能上略有区别，这里不再详细列出。 全站仪除了上述的功能外，有的全站

26、仪还具有免棱镜测量功能，有的全站仪还具有自动跟踪照准功能，被喻为测量机器人。另外，有的厂家还将GPS接收机与全站仪进行集成，生产出了超站仪3。2.3.2全站仪的主要功能使用方法全站仪盘左盘右区分方法全站仪仪器的盘左和盘右，实际上沿用老式光学经纬仪的称谓。是根据竖盘相对观测人员所处的位置而言的，观测时当竖盘在观测人员的左侧时称为盘左，反之称为盘右。相对盘左和盘右而言也有称为正镜和倒镜，以及F1(FACE1)面和F2(FACE2)面的。 对于测量来讲，若正、反(盘左、盘右)测量后，通过测量方法有可消除某些人为误差以及固定误差的作用。对于可定义盘左和盘右称谓的仪器而言，给用户增加了应用仪器的可选操作

27、界面，对测量作业和测量结果没有影响。 另外，对于靠角度确认盘左和盘右可能存在某些错觉，例如某些连接陀螺仪的全站仪或者经纬仪，在确定盘左和盘右时显示的不一定是对应。就是说相对180度角度数值而已往小向转不一定是盘左。反正，用户记住两者的差值即可。仪器也是自动求算的，对工程测量结果没有影响。 全站仪整平以及气泡校正正确调平仪器的方法： 架设：将仪器架设到稳固的三脚架上，旋紧中心螺旋。 粗平：看圆气泡(精度相对较低，一般为1分)，分别旋转仪器的3个脚螺旋将仪器大致整平。 精平：使仪器照准部上的管状水准器(或者称长气泡管)平行于住意一对脚螺旋，旋转两脚螺旋使气泡居中(最好采用左拇指法，即左右手同时转动

28、两个脚螺旋，并且两拇指移动方向相向，左手大拇指方向与气泡管气泡移动方向相同。然后，将照准部旋转90，旋转另外一个脚螺旋使长气泡管气泡居中。 检验：将仪器照准部再旋转90，若长气泡管气泡仍居中，表示已经整平；若有偏差，请重复步骤(3)。正常情况下重复12次。水平角测量按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目标A。 设置A方向的水平度盘读数为00000。 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。 距离测量设置棱镜常数：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。 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

29、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。 量仪器高、棱镜高并输入全站仪。 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(MO

30、DE)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。 坐标测量设定测站点的三维坐标。 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。 设置棱镜常数。 设置大气改正值或气温、气压值。 量仪器高、棱镜高并输入全站仪。 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。2.4 Topcon GTS 330N全站仪2.4.1 功能介绍图2-13是Topcon GTS 330N全站仪显示屏，各按键的

31、功能如图2-14所述。 图2-13Topcon GTS 330N全站仪显示图2-14Topcon GTS 330N全站仪按键功能表2.4.2 Topcon GTS 330N全站仪屏幕显示符号的含义各种品牌的全站仪其符号所代表的意义不同，但有一些符号的含义一般是相同的。如图2-15所示。图2-15Topcon GTS 330N全站仪屏幕显示符号的含义 目前很多全站仪都有针对汉语的界面，使用起来比较方便。2.4.3全站仪的操作及使用测量准备工作安装内部电池 测前应检查内部电他的充电情况，如电力不足要及时充电，充电方法及时间要按使用说明书进行，不要超过规定的时间。测量前装上电他，测量结束应卸下。 安置仪器操作方法和步骤与经纬仪类似，包括对中和整平。若全站仪具备激光对中和电子整平功能，在把仪器安装到三脚架上之后，应先开机，然后选定对中整平模式后再进行相应的操作。开机后，仪器合自动进行自检，开机后显示界面4。全站仪的基本操作a)角度测量Topcon GTS 330N全站仪开机后显示为默认角