電子全站儀在測繪工程中的應(yīng)用

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。因為其只要一次安置的便捷，就能夠完成測站上所有的測量工作的特點，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算程序的功能，實現(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，使得電子全站儀進入到一個快速發(fā)展階段，最終變成小巧、輕便、價格實惠，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，需要進行度盤配置，但是當(dāng)一起在不同測站點中完成整平之后，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，理論上進行分析如果是照準(zhǔn)水平方向固定上下轉(zhuǎn)動望遠鏡時，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償器進行零點誤差的檢驗與校正。

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的平面位置，進行平面控制的測量，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）在測站點中將溫度、氣壓、儀器加常數(shù)、乘常數(shù)、測站點坐標(biāo)、后視點坐標(biāo)與需要放樣的設(shè)計坐標(biāo)輸入進全站儀中，以測站點瞄準(zhǔn)后視導(dǎo)線點進行定向，開始進行施工放樣，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、溫度輸入進測站點，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至測站點的水平距離與高程。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。某城市正在進行地鐵的建設(shè)，地鐵施工豎井深度為20 m。在盾構(gòu)機推進的過程中，測量工程其中的重點，有效保證盾構(gòu)機推進方向的準(zhǔn)確性。第一步，進行平面控制的測量，本次實例中采用三等導(dǎo)線進行測量，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，從已知的高程點出發(fā)，將高程往返聯(lián)測至豎井附近地面臨時水準(zhǔn)點，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上，將得到的高程控制點按照三等水準(zhǔn)測量的精度要求測量至隧道各個高程點上。

豎井高程傳遞在豎井中懸掛經(jīng)檢定后的鋼尺，進行井上與井下的同時觀測。在盾構(gòu)機掘進前、盾構(gòu)機掘進隧道長度一半后以及貫通前各進行一次上、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)機推進處豎井測量誤差、地下導(dǎo)線測量誤差、盾構(gòu)機推進姿態(tài)的定位測量誤差、盾構(gòu)機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)測點位進行合理分組。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，中午時間位移達到最大值，下午時段豎向下沉達到最大值。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[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，進行地形信息的編碼[8]。借助計算機軟件自動處理系統(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)在野外采集與實地之間存在的對應(yīng)關(guān)系問題。為了方便計算機自動處理系統(tǒng)更好的識別采集到的數(shù)據(jù)，需要人工進行數(shù)據(jù)的處理與加工，即對儀器實測的每一個碎部點賦予一個確定的地形信息編碼（測點的三維坐標(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展。

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

結(jié)合某測繪工程實例，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，選擇一個已知點進行觀測，同時與繪圖員利用對講機進行溝通，將草圖上標(biāo)注的點與儀器記錄的點進行核對。在測繪過程中繪草圖領(lǐng)尺員需要將所測點的屬性標(biāo)注在草圖上。此次作業(yè)中，工作人員先進行地物點的采集，后進行地形點的采集，有利于后續(xù)作業(yè)。測繪過程中要求草圖上地物點的號必須是一一對應(yīng)狀態(tài)，而地貌點不僅要一一對應(yīng)，還需要按照點號區(qū)段做好記錄。在完成了一個測站的碎部點觀測后，進行檢查，檢查無誤后進行下一站測量。

（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相機的視場內(nèi)是否存在棱鏡。在定位的過程中，馬達驅(qū)動望遠鏡照準(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)真實反映出跟蹤目標(biāo)的運動軌跡，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)的空間點位與時間序列緊密相關(guān)，因此進行時間系統(tǒng)的相關(guān)分析十分重要。電子全站儀在每次開機采用重新計時的方式，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。通過實驗發(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)增量法粗差探測進行閾值的確定。

4 結(jié)語

綜上所述，通過理論與實踐結(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，采用起點與重點的棱鏡高，保持相等不變，測站數(shù)為偶數(shù)能夠達到良好的抵消棱鏡高的目的。

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