陳銳

摘 要：借助技術(shù)的發(fā)展，電子全站儀的測量精度不斷提高。電子全站儀精度提高的同時，其功能不斷完善。電子全站儀能夠自動識別觀測目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的鎖定跟蹤測量，完成測量自動化、智能化。該文在對電子全站儀全面分析的基礎(chǔ)上闡述其目前現(xiàn)狀，并具體從測繪工程中控制測量、施工放樣、變形觀測以及動態(tài)測量4個方面分析其具體應(yīng)用，進(jìn)一步推動電子全站儀在測繪工程中的應(yīng)用，從理論角度驗(yàn)證電子全站儀良好的測量性能。

關(guān)鍵詞：電子全站儀 測繪工程 應(yīng)用分析

中圖分類號：P217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0032-02

電子全站儀既能夠?qū)崿F(xiàn)角度測量又能夠?qū)崿F(xiàn)距離測量。因?yàn)槠渲灰淮伟仓玫谋憬?，就能夠完成測站上所有的測量工作的特點(diǎn)，所以目前被廣泛應(yīng)用在測繪工程中。與傳統(tǒng)的光學(xué)儀器相比，電子全站儀操作簡單、測量準(zhǔn)確。需要注意的是，在使用電子全站儀過程中其中的垂直角誤差是主要的誤差來源，測繪工程中如果涉及到山區(qū)甚至大山區(qū)，應(yīng)該盡量減小視線的長度，其視距應(yīng)該控制在300～500 m內(nèi)，保證測量精度。

1 電子全站儀目前現(xiàn)狀

電子全站儀中包含了電子測角系統(tǒng)、電子補(bǔ)償系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、外設(shè)支援系統(tǒng)[1]。全站儀的應(yīng)用是地面測量技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一[2]。其能夠?qū)崿F(xiàn)自動記錄、存儲以及具備某些固定計(jì)算程序的功能，實(shí)現(xiàn)了測量與數(shù)據(jù)一體化。電子全站儀在發(fā)展過程中，最早的時期體積大，需要投入較多的經(jīng)濟(jì)成本，雖然具有一定應(yīng)用優(yōu)勢。但是由于各種阻礙因素的存在導(dǎo)致推廣起來有一定限制。20世紀(jì)80年代，借助集成電路、半導(dǎo)體等元件性能不斷提升，使得電子全站儀進(jìn)入到一個快速發(fā)展階段，最終變成小巧、輕便、價格實(shí)惠，在小面積范圍測量、隱蔽工程測量、施工放樣等多個領(lǐng)域中展現(xiàn)出良好的數(shù)據(jù)采集功能。

2 電子全站儀在測繪工程中的基礎(chǔ)應(yīng)用

電子全站儀在測繪工程中基本步驟為建立測站、測量距離、測量坐標(biāo)、懸掛棱鏡4步。在測量過程中，需要注意以下幾個問題。第一，關(guān)于觀測數(shù)據(jù)，需要將水平角、豎直角、傾斜距離3個數(shù)據(jù)都記錄好[3]。第二，為了能夠消除度盤誤差，需要進(jìn)行度盤配置，但是當(dāng)一起在不同測站點(diǎn)中完成整平之后，要保證電子度盤的位置固定。第三，關(guān)于正倒鏡觀測，本身電子全站儀具有自動補(bǔ)償改正功能，但是仍然需要考慮到不同的測繪環(huán)境下預(yù)設(shè)的參數(shù)可能會發(fā)生變化導(dǎo)致測量出錯，因此仍然需要正倒鏡觀測，同時做好記錄工作。第四，關(guān)于電子全站儀的左右角觀測，電子度盤的刻度可根據(jù)需要設(shè)置左、右角觀測（一般為右角）。這一點(diǎn)非常重要，在水平電子度盤設(shè)置時應(yīng)特別注意，否則觀測的水平角度會出現(xiàn)錯誤。如果是水平電子度盤，如果測量角度實(shí)際為45°，顯示出來為345°。特別是平面坐標(biāo)測量與施工放樣測量，在設(shè)置后視方位時，會導(dǎo)致對稱錯位。第五，關(guān)于電子全站儀的電子整平，理論上進(jìn)行分析如果是照準(zhǔn)水平方向固定上下轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡時，讀數(shù)并不會發(fā)生變化，但是可能存在部分一起出現(xiàn)讀數(shù)變化的情況，因此這個時候需要對補(bǔ)償器進(jìn)行零點(diǎn)誤差的檢驗(yàn)與校正。

3 電子全站儀在測繪工程中的應(yīng)用

3.1 控制測量

（1）高程控制測量。高程控制測量的目的是得到高程控制點(diǎn)的高程，從而為建立高程控制網(wǎng)提供數(shù)據(jù)。利用電子全站儀的基本測量功能進(jìn)行全站儀導(dǎo)線的布設(shè)。

（2）平面控制測量。為了能夠測定平面控制點(diǎn)的平面位置，進(jìn)行平面控制的測量，從而建立平面控制網(wǎng)。一般情況下，高程控制測量與平面測量能夠同時進(jìn)行，利用電子全站儀三角高程測量已經(jīng)替換四等水準(zhǔn)測量，將電子全站儀安置在兩側(cè)測點(diǎn)之間，同時保持兩個棱鏡之間相同高度，即可完成測量。

3.2 施工放樣

（1）在測站點(diǎn)中將溫度、氣壓、儀器加常數(shù)、乘常數(shù)、測站點(diǎn)坐標(biāo)、后視點(diǎn)坐標(biāo)與需要放樣的設(shè)計(jì)坐標(biāo)輸入進(jìn)全站儀中，以測站點(diǎn)瞄準(zhǔn)后視導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行定向，開始進(jìn)行施工放樣，在電子全站儀顯示照準(zhǔn)方向后即可確定。在這個方向線上樹立反射棱鏡，即可開始進(jìn)行水平距離的放樣測量[4]。如果是沿視線方向向前或者向后移動反射棱鏡，在與水平距離為0后就能夠確定放樣的位置。

（2）其中針對端面的測量，在完成中心樁、軸線樁的施工放樣之后，將電子全站儀移動至中心樁或者軸線樁上進(jìn)行橫截面與縱截面的測量，具體方法為在中心樁、軸線樁上架設(shè)儀器，將氣壓、高程、儀器高、棱鏡高、溫度輸入進(jìn)測站點(diǎn)，完成定向之后，在軸線方向與地形變化處安裝反射棱鏡，就能夠直接測出斷面點(diǎn)至測站點(diǎn)的水平距離與高程。完成了橫斷面的平距與高差測量之后，進(jìn)行縱端面的測量，最終完成繪圖工作[5]。

3.3 貫通觀測

結(jié)合實(shí)例分析電子全站儀在隧道貫通觀測中的應(yīng)用。某城市正在進(jìn)行地鐵的建設(shè)，地鐵施工豎井深度為20 m。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的過程中，測量工程其中的重點(diǎn)，有效保證盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)方向的準(zhǔn)確性。第一步，進(jìn)行平面控制的測量，本次實(shí)例中采用三等導(dǎo)線進(jìn)行測量，針對高程控制測量，將該地鐵工程車站區(qū)間的隧道口作為高程控制起始點(diǎn)，從已知的高程點(diǎn)出發(fā)，將高程往返聯(lián)測至豎井附近地面臨時水準(zhǔn)點(diǎn)，再用豎井高程傳遞的方法，將高程傳入井底事先選好的高程控制點(diǎn)上，將得到的高程控制點(diǎn)按照三等水準(zhǔn)測量的精度要求測量至隧道各個高程點(diǎn)上。

豎井高程傳遞在豎井中懸掛經(jīng)檢定后的鋼尺，進(jìn)行井上與井下的同時觀測。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)前、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道長度一半后以及貫通前各進(jìn)行一次上、下行隧道高程傳遞。為了保證地鐵貫通測量的精度，首先分析可能出現(xiàn)貫通測量誤差的因素，主要有盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)處豎井測量誤差、地下導(dǎo)線測量誤差、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)姿態(tài)的定位測量誤差、盾構(gòu)機(jī)接近井洞口中心坐標(biāo)測量誤差以及地面控制測量誤差。地鐵工程要求橫向與高程貫通的極限差需要控制在±50 mm之內(nèi)[6]。

3.4 變形觀測

某大橋于1998年9月底完成通車后，對其進(jìn)行變形監(jiān)測。采用常規(guī)水準(zhǔn)測量等方案，在保證監(jiān)測精度的同時需要盡量減少對交通帶來的影響，綜合大橋的實(shí)際情況考慮從采用差分方式的電子全站儀自動化變形監(jiān)測方案。

利用自動化全站儀與相應(yīng)的自動變形監(jiān)測軟件實(shí)現(xiàn)對大橋自動變形的監(jiān)測，建立一個監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，在大橋的主梁與主塔的32個變形監(jiān)測點(diǎn)安裝圓形單棱鏡，對建在基巖上的永久性標(biāo)石上安置全站儀。由于視場中存在對棱鏡干擾的因素，因此需要對監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行合理分組。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，大橋上游主橋塔的屏幕位移和豎向沉降出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，上午位移增加，豎向下沉，中午時間位移達(dá)到最大值，下午時段豎向下沉達(dá)到最大值。通過對數(shù)據(jù)結(jié)果分析，采用此種檢測方案其監(jiān)測結(jié)果有效。另外反映出具有自動化目標(biāo)識別功能的全站儀能夠?qū)崿F(xiàn)三維檢測同步，對于部分較高的測繪工程的測量有一定積極意義。

3.5 數(shù)字測圖

（1）數(shù)字測圖具有自動化高、精度高、使用方便的特點(diǎn)[7]。具體測繪過程：①首先選擇數(shù)據(jù)采集的作業(yè)模式，目前存在數(shù)字測記模式和數(shù)字測繪模式兩種，根據(jù)作業(yè)過程不同選擇最佳作業(yè)模式。②完成作業(yè)模式的選擇后，進(jìn)行地形信息的編碼[8]。借助計(jì)算機(jī)軟件自動處理系統(tǒng)完成地形圖的繪制，但是在這個過程中需要解決數(shù)據(jù)在野外采集與實(shí)地之間存在的對應(yīng)關(guān)系問題。為了方便計(jì)算機(jī)自動處理系統(tǒng)更好的識別采集到的數(shù)據(jù)，需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與加工，即對儀器實(shí)測的每一個碎部點(diǎn)賦予一個確定的地形信息編碼（測點(diǎn)的三維坐標(biāo)、屬性與連接關(guān)系）。③關(guān)于地形信息的編碼可以采用三維整數(shù)編碼與四位整數(shù)編碼兩種，其中的三維整數(shù)編碼借助地形圖圖式符號進(jìn)行地形要素的分類與排列編碼。四位整數(shù)編碼需要注意地物要素的擴(kuò)展。

（2）針對數(shù)字測圖的外業(yè)實(shí)施，借助電子全站儀的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)圖根控制測量與碎部測量同步進(jìn)行。關(guān)于碎部測量，首先進(jìn)行測站設(shè)置，將電子全站儀安裝在側(cè)張厚，實(shí)現(xiàn)整平對中儀器，量取儀器高棱鏡高，連接計(jì)算機(jī)，啟動野外測量軟件，根據(jù)儀器菜單要求輸入測站點(diǎn)后視點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)測站的儀器高、棱鏡高，完成上述操作之后將儀器瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，開始進(jìn)行測量。針對碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，一般情況下使用電子全站儀的三維坐標(biāo)程序測量功能進(jìn)行碎部測量，計(jì)算機(jī)會自動記錄測點(diǎn)信息。如遇到特殊情況則可以根據(jù)軟件提供的其他碎部點(diǎn)的測量方式進(jìn)行測量，通過記錄碎部點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算碎部點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

結(jié)合某測繪工程實(shí)例，測繪小組包含儀器觀測員、繪草圖領(lǐng)尺員、立尺員各1人，儀器配備：電子全站儀一臺、對講機(jī)3臺，單桿棱鏡1～2個，皮尺一把，繪圖本一本。其中儀器觀測員在觀測站位置上將電子全站儀安置好之后，選擇一個已知點(diǎn)進(jìn)行觀測，同時與繪圖員利用對講機(jī)進(jìn)行溝通，將草圖上標(biāo)注的點(diǎn)與儀器記錄的點(diǎn)進(jìn)行核對。在測繪過程中繪草圖領(lǐng)尺員需要將所測點(diǎn)的屬性標(biāo)注在草圖上。此次作業(yè)中，工作人員先進(jìn)行地物點(diǎn)的采集，后進(jìn)行地形點(diǎn)的采集，有利于后續(xù)作業(yè)。測繪過程中要求草圖上地物點(diǎn)的號必須是一一對應(yīng)狀態(tài)，而地貌點(diǎn)不僅要一一對應(yīng)，還需要按照點(diǎn)號區(qū)段做好記錄。在完成了一個測站的碎部點(diǎn)觀測后，進(jìn)行檢查，檢查無誤后進(jìn)行下一站測量。

（3）針對數(shù)字測圖的內(nèi)業(yè)工作。針對不同的作業(yè)模式，內(nèi)業(yè)的成圖過程也不同[9]。一般針對數(shù)字測繪模式僅需要處理圖形編輯與整理。而針對數(shù)字測記模式需要完成數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、圖形編輯與整視、圖形輸出等。

3.6 動態(tài)跟蹤測量

（1）自動目標(biāo)識別原理。電子全站儀能夠在一定范圍內(nèi)借助伺服馬達(dá)自動尋找并照準(zhǔn)目標(biāo)，根據(jù)設(shè)定的測量模式開始測量。電子全站儀中的ATR功能在動態(tài)跟蹤測量中發(fā)揮出重要作用。啟動ATR后，電子全站儀首先發(fā)射出紅外光束，根據(jù)接受反射信號的情況確定CCD相機(jī)的視場內(nèi)是否存在棱鏡。在定位的過程中，馬達(dá)驅(qū)動望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)棱鏡的中心并使其處于預(yù)先設(shè)定的限差內(nèi)。儀器本身的內(nèi)、外精度決定了ATR的測量精度。

（2）動態(tài)跟蹤測量精度。在進(jìn)行動態(tài)跟蹤測量過程中，為了能夠保證測量數(shù)據(jù)真實(shí)反映出跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，就需要提高全站儀測量的數(shù)據(jù)采樣頻率。在測角精度方面，其精度因距離的增加而降低，其中垂直折光與旁折光成為了影響其精度的主要因素。在測距精度方面，測量精度的日變化規(guī)律與氣象參數(shù)的變化存在緊密聯(lián)系[10]。

（3）由于跟蹤目標(biāo)的空間點(diǎn)位與時間序列緊密相關(guān)，因此進(jìn)行時間系統(tǒng)的相關(guān)分析十分重要。電子全站儀在每次開機(jī)采用重新計(jì)時的方式，十分適用于低動態(tài)測量。為了能夠提高電子全站儀的采樣頻率、距離與角度，一般情況采用TMC測量模式。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一臺電子全站儀在相同條件下對同一個目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量時，采樣頻率卻在發(fā)生變化?？梢园l(fā)現(xiàn)采樣頻率受到測量程序、測量條件與測量距離的影響。

（4）數(shù)據(jù)處理。目前采用曲線擬合法粗差探測、直線差值法粗差探測、坐標(biāo)增量法粗差探測進(jìn)行閾值的確定。

4 結(jié)語

綜上所述，通過理論與實(shí)踐結(jié)合，分析發(fā)現(xiàn)電子全站儀在測繪工程應(yīng)用中三角高程測量按水準(zhǔn)測量使用，能夠大大提高三角高程測量的精度，能夠在一般情況下替代等級水準(zhǔn)測量。考慮到棱鏡高問題，采用起點(diǎn)與重點(diǎn)的棱鏡高，保持相等不變，測站數(shù)為偶數(shù)能夠達(dá)到良好的抵消棱鏡高的目的。

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