工程測量中智能化全站儀的應(yīng)用

文 英 巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院

全站儀是科技時代的產(chǎn)物，是智能化的測量產(chǎn)品，全站儀的使用將測量人員從繁重的測量工作中解脫出來。全站儀是指全站型電子測距儀(Electronic Total Station)，是一種集光、機、電于一體，能同時測量水平角、豎直角、距離（斜距、平距）以及高差的測量儀器系統(tǒng)。因安置一次儀器就可完成該檢測站全部測量工作，所以稱之為全站儀?；诖耍P者重點闡述工程測量中全站儀在數(shù)字化測圖方面的應(yīng)用。

1 全站儀概述

1.1 全站儀簡析

全站儀，全稱是全站型電子測距儀，是集光、機、電于一體的高度自動化的工程測量儀器，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)、水利工程、交通運輸?shù)雀呔葴y量或房屋建筑及地表變形的監(jiān)測等。全站儀具有自動測角、自動測量、圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲以及無線傳輸?shù)榷喾N功能。近年來，全站儀除了常用的基本測量方法外，如視角測量、距離測量、坐標(biāo)測量等，還具有對角線測量、懸高測量、軸力測量以及面積換算等多種測量方法，其程序流程及功能非常豐富。全站儀在測繪、施工放樣等方面具有極強的優(yōu)勢。借助可編程計算器、PC 等相關(guān)輔助軟件，全站儀在工程項目測量實踐中發(fā)揮了非凡的使用價值。

1.2 全站儀的特點

全站儀表是一種測控設(shè)備。在人工測量中，全站儀的自動技術(shù)特點非常突出。同時，隨著科技、信息技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展與廣泛運用，全站儀的智能化水平得到了極大的提高。全站儀器可以進行數(shù)據(jù)的傳送與儲存，全面準(zhǔn)確地測量數(shù)據(jù)。全站儀可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對標(biāo)定資料、標(biāo)定結(jié)果進行自動校核，并能自動更新數(shù)據(jù)，使其具有開放性和完整性。全站儀還可利用計算機技術(shù)實時、準(zhǔn)確地將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C終端進行數(shù)據(jù)儲存。此外，將智能化的全站儀器與測繪工程軟件有機融合在一起，可以進行遠(yuǎn)距離、準(zhǔn)確的測控，極大地減少了人工工作量，提高了工作速度。

1.3 全站儀的優(yōu)勢

隨著智能化時代的到來，全站儀產(chǎn)品的開發(fā)利用以及應(yīng)用范圍變得更加廣泛，這是由于全站儀功能齊全，測量結(jié)果準(zhǔn)確度高。與其他檢測儀器相比，智能化全站儀還具有更好的糾偏功能。智能化全站儀也適用于許多復(fù)雜而精確的測量環(huán)境，全自動實際運行水平高、偏差小，使整體工作效率大幅提高[1]。智能化全站儀可以緩解員工在操作中的壓力，從而降低偏差概率。因此，智能化全站儀實際上屬于微型電氣設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，其功能作用將不斷完善。

2 智能全站儀的操作步驟

在將智能化全站儀應(yīng)用于活動過程中，必須注意實際操作過程，并且在應(yīng)用前做好充分的準(zhǔn)備工作。在準(zhǔn)備的過程時，需調(diào)整全站儀的結(jié)構(gòu)，確保其電池性能保持正常。此外，其主要參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際情況進行設(shè)置，保證全站儀處于調(diào)平狀態(tài)。同時，做好檢測、準(zhǔn)確測量功能的檢查工作，以保證其能夠正常啟動和運行[2]。然后進入觀測環(huán)節(jié)，使用全站儀觀測精密測量對象，并且按照實際標(biāo)準(zhǔn)操作全站儀，同時記錄精密測量得到的信息。

3 智能化全站儀的應(yīng)用方法

3.1 作業(yè)組織

要想充分進行測繪、放線工作，必須根據(jù)現(xiàn)場的具體環(huán)境做好前期準(zhǔn)備工作，把測繪區(qū)域的地形特點有機統(tǒng)一起來，對測量任務(wù)進行專業(yè)分工，以GPS測控站的布置工作為基礎(chǔ)，統(tǒng)一任務(wù)流程，保證基礎(chǔ)細(xì)部測量工作能達到要求。特別是在測量管道和墻體的構(gòu)造時，由于GPS 技術(shù)無法完全進行準(zhǔn)確測量和收集地區(qū)數(shù)據(jù)，因此可采用全站儀對界址及相關(guān)的參數(shù)進行系統(tǒng)的紀(jì)錄和分析。

3.2 整合技術(shù)

要想充分提高全站儀的測向水平和參數(shù)結(jié)構(gòu)的完整性，必須把全站儀與GPS 技術(shù)相結(jié)合，使采點工作得到有效的集成，才能充分發(fā)揮出儀器的實際應(yīng)用價值，使衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量達到C6。例如，在一個新的不包含建筑物的廠區(qū)，可利用GPS 技術(shù)收集零散的數(shù)據(jù)，而在老建筑地區(qū)，需要利用全站儀收集所有的數(shù)據(jù)。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)

為使整個工程的數(shù)據(jù)分析更加完美，不僅要收集和分析外部數(shù)據(jù)，還要將資料傳送到計算機，由計算機進行測試和分析，并進行相關(guān)的測繪和處理，以便對整個區(qū)域進行有效的分析和統(tǒng)計。同時，將所有的數(shù)據(jù)都收集起來，確保內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析與計算的完整性。

3.4 精度分析

要充分貫徹全站儀器的工作要求，區(qū)分內(nèi)部工作和外部工作，把樣圖打印出來，形成現(xiàn)場的測量工作，維護精度定位檢驗處理工序，保證對真實的坐標(biāo)進行測量和分析，使整個測量水準(zhǔn)得到了充分統(tǒng)一。在GPS 測量檢測點的坐標(biāo)后，根據(jù)測量的長度，采用鋼尺進行測量，既能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能保證誤差的合理性。

此外，在對現(xiàn)場地物的管理與地勘工作進行了校正之后，必須確保輔助測試工作的系統(tǒng)性，從而維持對內(nèi)業(yè)資料的處理與分析。

3.5 多余測量

通常情況下，多余測量在整個工程中是不可缺少的，使用多余測量可以有效提高測量的準(zhǔn)確率，降低誤差的產(chǎn)生。

一是進行高差和邊長的測定，在放點、放線和定位的過程中，必須將高差和邊長的測量結(jié)合起來，同時根據(jù)棱柱的高度來確定垂直差和斜距。

二是橫向角度的測定，一般都會采用橫向角度的方法來進行測量，通過觀察左右拐角處的角度以提高精度，但在進行整體角度的測量時，必須采用兩個頂點進行測量[3]。

3.6 碎部點測量

從某種意義上來說，在測量碎部點的過程中，必須將測點設(shè)置在控制點上，并且將其作為基礎(chǔ)向控制點加以傳遞。另外，在整個測量中碎部點測量是非常重要的，也是最常用的一種。測量時必須要將全站儀和計算機相連，然后把測量結(jié)果傳送到計算機上，再通過軟件進行處理，才能繪制出最終的成果圖。但由于各種因素的影響，在進行碎部點測量時，必須要確保測試儀的位置準(zhǔn)確，才能確保測試儀的穩(wěn)定性，從而保證測量的準(zhǔn)確性。

3.7 計算三維坐標(biāo)

一般情況下，由于測量時沒有足夠的控制點，所以最好的辦法就是增加圖根點和測站點，在確定了基本規(guī)則后，再采用極坐標(biāo)法進行測量，這樣不但精度高、計算方便，而且能在控制點上設(shè)置一個測站點，通過計算距離和角度來獲取坐標(biāo)。在進行測量時，主要是針對角度、邊長等進行計算，并根據(jù)垂直角、儀器等參數(shù)對三維坐標(biāo)進行精確的計算。

3.8 數(shù)字化測量

3.8.1 野外數(shù)據(jù)采集

按照結(jié)算方式采集郊區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對整體目標(biāo)區(qū)域進行精準(zhǔn)測量，根據(jù)地測人員的個人電腦進行三維坐標(biāo)繪制和信息存儲。在土地測量中做好詳細(xì)記錄工作，如監(jiān)測站的水平角度、主要參數(shù)、垂直角度等，收集連接函數(shù)、數(shù)量等部分的數(shù)據(jù)。在采集現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)的過程中，工作人員還必須制作準(zhǔn)確測量的稿件。但由于工作人員在稿件制作全過程中使用的軟件并不統(tǒng)一，這也決定了稿件制作所使用的主要參數(shù)之間存在差異。因此，工作人員在記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，必須嚴(yán)格執(zhí)行統(tǒng)一的參數(shù)編制，保證統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可遷移性。

3.8.2 數(shù)據(jù)傳輸與處理

測量過程中得到的數(shù)據(jù)需及時進行傳輸，以防后續(xù)測量過程中的突發(fā)事件造成數(shù)據(jù)丟失或者損壞，進而導(dǎo)致前期工作功虧一簣。通過無線網(wǎng)絡(luò)可以將隨身攜帶的設(shè)備終端與全站儀相連，并且通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上進行備份[4]。

4 全站儀在測量質(zhì)量控制中的應(yīng)用

4.1 DOS 操作系統(tǒng)

國產(chǎn)第一代全站儀的“大腦”是根據(jù)硬盤操作系統(tǒng)（Disk Operation System，DOS）操作系統(tǒng)開發(fā)制造的。DOS 操作系是一種基于磁盤管理的操作系統(tǒng)，與目前人們使用的操作系統(tǒng)最大的區(qū)別在于它是一種命令模式，依靠打字指令進行人機交互，并根據(jù)指令模式將命令發(fā)送給電子計算機，使計算機可以完成實際操作。由于DOS 可以立即瀏覽硬件配置，因此特別適用于操作嵌入式機器。初始全站儀的關(guān)鍵是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，它規(guī)定了“光”“機”“電”等部件可以根據(jù)基本指令進行操控，獲取的信息可以根據(jù)固定計算公式得出坐標(biāo)數(shù)據(jù)，嵌入式DOS 系統(tǒng)控制面板是當(dāng)時性價比最高的選擇。

4.2 Windows CE 系統(tǒng)

Windows Embedded Compact（Windows CE）系統(tǒng)是微軟公司嵌入式和移動測量平臺的基礎(chǔ)，是一個開放且可更新的32 位嵌入式操作系統(tǒng)，可用于各種嵌入式系統(tǒng)，或硬件規(guī)格較低的電子計算機系統(tǒng)（如內(nèi)存很小、微處理器速度較慢等）。Windows CE 系統(tǒng)具有類似桌面的圖形界面，同時具有按照Win 32 模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序界面的特點。對于全站儀用戶來說，友好的操作面板提升了客戶的體驗感，并且在該系統(tǒng)下，其對應(yīng)的編程開發(fā)環(huán)境與桌面Windows系統(tǒng)相同，使得大部分工程項目計算軟件只需做簡單改動即可移植到Windows CE 系統(tǒng)中。在Windows CE 時代，全站儀的應(yīng)用軟件得到了擴展，應(yīng)用領(lǐng)域也得到了豐富[5]。

4.3 安卓操作系統(tǒng)

由于不同智能操作系統(tǒng)的特點和成本存在一定的差異性，Android 操作系統(tǒng)在現(xiàn)階段各類工業(yè)自動化中的優(yōu)勢更為顯著，其是基于Linux 內(nèi)核的開源移動操作系統(tǒng)。Google 成立的開放手持設(shè)備聯(lián)盟（Open Handset Alliance，OHA） 持續(xù)進行領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)，主要設(shè)計可直接觸摸的顯示屏。安卓操作系統(tǒng)使用移動終端訪問普通網(wǎng)站，由于移動終端寬度的限制，訪問者會左右滑動，以便能夠使用智能、平板電腦等便攜設(shè)備。Android 操作系統(tǒng)的翻頁鍵以客戶的即時實際操作為基礎(chǔ)，根據(jù)觸摸輕松完成各種交互打字，適用于各種高度可定制的應(yīng)用軟件。

5 全站儀在使用中存在的誤差分析

5.1 全站儀軸系誤差

與傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀相比，全站儀在光學(xué)原理上的優(yōu)越性缺失較多，并且在實際測量中，由于軸系統(tǒng)的誤差較大，會嚴(yán)重影響整個測量的精度。因此，必須對造成這種偏差的因素進行研究。首先，因為全站儀在安裝時沒有對望遠(yuǎn)鏡十字線的中心進行調(diào)節(jié)，造成了交叉點的偏離，導(dǎo)致全站儀的視線軸與該設(shè)備的橫向軸不能交叉，造成了誤差。其次，受到周圍氣溫的影響，測量儀的定位軸線可能會出現(xiàn)一些偏差，造成軸向偏差。在檢測軸系統(tǒng)的偏差時，在視準(zhǔn)軸、橫軸和垂直軸等位置的校正中存在著位置不精確的問題，造成了橫向偏差。

5.2 全站儀度盤誤差

全站儀表的偏差主要是由被觀察對象的豎向角造成的，而且垂直角越大，造成的刻度偏差越大，反之，豎向角越小，造成的刻度偏差越小。不管是從度盤的左側(cè)觀察，或者從度盤的右側(cè)觀察，觀察到的視角都是集中在準(zhǔn)心的左右兩側(cè)。為了解決這個問題，在實際測量中，可以獲得左右兩個測量值的平均，并且保證掃描板和校準(zhǔn)部分在同一方向上旋轉(zhuǎn)，從而減少由于旋轉(zhuǎn)引起的誤差。在縱向觀察時，通過對縱向軸線和電子掃描儀的角度進行校正，可以使半測回角度的偏差得以實現(xiàn)，減小了縱向上的刻度偏差。在全站儀器測量誤差中，最常用的誤差有周期性誤差和加、乘常數(shù)誤差。

5.3 全站儀測距誤差

在采用全站儀器進行距離測量時，一般采用兩個點的高度差異作為距離的方法。測量誤差的出現(xiàn)與人類的視力有限有關(guān)，人體的視力無法達到理想的瞄準(zhǔn)效果，造成測量的結(jié)果與實際的相差很大。此外，測量的準(zhǔn)確性也會出現(xiàn)偏差，進而造成測量的偏差。在傳統(tǒng)的光學(xué)測量中，測量的距離、速度、空氣的折射系數(shù)等因素是引起測量誤差的主要原因。

6 提高全站儀測量精度的控制措施

6.1 全站儀的軸系誤差精度控制

在水利工程中，全站儀所獲取的實時資料往往會因為軸坐標(biāo)的偏差而受到影響，使其不能準(zhǔn)確地反映出站儀表的軸系統(tǒng)誤差。為減小軸系偏差，可通過調(diào)整全臺儀的傾角使觀察角變?yōu)榘敕戳?，大大提高測量的準(zhǔn)確率。但在實際應(yīng)用中，觀察角的調(diào)整會受到儀表出廠時的測量精度的制約，造成橫向和縱向軸線的偏差。

6.2 全站儀的度盤誤差精度控制

通常可利用三角型高程來實現(xiàn)對全站儀度盤誤差的精確控制。而在三角高程的精確控制上，則以實際案例為基礎(chǔ)，首先進行高程的測量，再通過三角體的彎曲來確定其誤差。實際應(yīng)用該方案時，可通過這種采用中間設(shè)置全站儀工程實例計算方法，使其在不受限于地勢條件下，僅需安裝一臺全站儀即可完成，極大地提升了現(xiàn)場的工作速度。

6.3 全站儀的測距誤差精度控制

在實際應(yīng)用中，可以采用相位式光電技術(shù)進行全站儀測距誤差的精度控制。這種精度控制可以針對人眼的分辨度與觀測能力以及所處的觀測環(huán)境條件的限制，且很難用公式加以計算等問題，來提高測距誤差的精度控制，繼而通過多次取平均值進行測量，以最大程度地減小全站儀的測距誤差，從而提高測距誤差的精度控制。

7 結(jié)語

全站儀不僅可測量原始數(shù)據(jù)（水平角、豎直角、斜距），在計算坐標(biāo)、平距、高差、方位以及坡度等方面也具有突出優(yōu)勢，例如運算速度更快、圖文并茂、程序更實用等。過去需要使用計算機進行運算的工作，現(xiàn)在都可以通過全站儀進行。全站儀整個系統(tǒng)就像計算機硬件，通過安裝不同的軟件實現(xiàn)不同的作用和功能。目前尚未開發(fā)的內(nèi)建軟件還有很多，期望未來的研究可以更精準(zhǔn)、科學(xué)，以更快、更準(zhǔn)確地服務(wù)土地測量工作。