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全站儀

全站儀(A total of   stations)基于電磁波測距儀和電子經(jīng)緯儀的一體化設(shè)計,并逐步完善其功能,是一種高精度測量儀器,包括電子測角、電子測距、數(shù)據(jù)計算部分和通信接口。全站儀可以完成角度測量、距離測量、三維坐標(biāo)測量、定位、數(shù)據(jù)采集等測量任務(wù),同時具有自動校正功能、自動補償?shù)雀呒壒δ芸梢栽趶?fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)高精度、快速穩(wěn)定的測量。全站儀還可以與計算機連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理和分析,從而大大提高工作效率,其主要特點包括測量精度高、速度快、操作簡單方便等。根據(jù)外觀結(jié)構(gòu)、全站儀按測量功能和測距能力可分為幾類,在測繪中應(yīng)用廣泛、建筑、交通、水利和其他領(lǐng)域的測量工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代全站儀也在不斷創(chuàng)新發(fā)展,主要是數(shù)字化、實時化、集成化、在線和自動化方向的進展。

目錄

功能原理 編輯本段

角度測量

全站儀使用電子經(jīng)緯儀的測角部分進行角度測量,具有測量水平角和垂直角的能力全站儀在測量角度時,會利用其內(nèi)角測量部分測量兩點間的視線角度,并自動轉(zhuǎn)換為水平和垂直,以判斷兩點間的位置和方向關(guān)系。此外,它還具有水平角度設(shè)置垂直角度顯示轉(zhuǎn)換角度單位轉(zhuǎn)換角度自動補償?shù)榷喾N功能。全站儀角度測量由電子經(jīng)緯儀完成。類似于光學(xué)經(jīng)緯儀的原理,電子經(jīng)緯儀也可以使用表盤,但不同的是,它不是采用讀取表盤上分割線的方式來獲得角度值,而是通過電信號將表盤上的刻度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字并顯示在屏幕上。電子角度測量將角度測量數(shù)據(jù)數(shù)字化,并以數(shù)字形式顯示測量結(jié)果。電子測角的本質(zhì)是通過數(shù)字角度編碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來測量角度,常用的是編碼刻度盤、光柵尺或動態(tài)光柵尺等三種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)方法。

距離測量

全站儀有光波測距儀的測距部分,不僅可以測量反射體(斜距)距離,還要根據(jù)系統(tǒng)的型號、調(diào)整棱鏡的數(shù)量和天氣條件,以滿足各種測量目標(biāo)和工作需要。全站儀還可以轉(zhuǎn)換測距模式,可以根據(jù)具體情況設(shè)置為高精度測量和快速測量,可以選擇距離測量的最小分辨率和測距次數(shù),還可以設(shè)置測距精度和時間,具有多種修正功能。

全站儀測距是一種測量兩點間距離的方法具體思路是利用目標(biāo)接收電磁波并反射回儀器位置,通過計算電磁波的傳播時間來獲得距離值。在測距的過程中,全站儀會向目標(biāo)發(fā)射電磁波接收到電磁波后,目標(biāo)會將其反射回儀器所在的位置儀器會接收反射的電磁波,計算電磁波從儀器到目標(biāo)再回到儀器的時間延遲最后會根據(jù)電磁波的傳播速度和時延計算出儀器到目標(biāo)的距離。根據(jù)測量時間的方式,全站儀測距可分為直接測量脈沖測距法和間接測量相位測距法。直接測距法是指通過計算電磁波在往返傳播過程中的時間差,直接獲得被測距離。相位測距的原理是先測量電磁波的相位差,然后將相位差乘以波長,最后得到測量的距離。兩種測距方法各有優(yōu)缺點,根據(jù)實際情況選擇合適的方法進行測量。

三維坐標(biāo)測量

設(shè)置好測量參數(shù)后,可以直接用全站儀測量某一位置的三維坐標(biāo),大大提高了測繪工作的效率。在已知點放一個全站儀,然后輸入儀器高度和棱鏡高度,再輸入測站的平面坐標(biāo)和高程,再放另一個已知點(所謂方位點或后視點),然后使用機載后視定向功能進行定向,將水平刻度盤的讀數(shù)設(shè)置為測站到定向點的方位角,然后對目標(biāo)點進行定向(又叫前視點)在反射棱鏡上,并按下測距鍵,就可以得到目標(biāo)點的三維坐標(biāo)。

其他功能

除了角度,全站儀、除了距離三維坐標(biāo)測量等主要功能外,還具有休眠自動關(guān)機等功能、顯示內(nèi)容個性化、電子水準(zhǔn)器、照明系統(tǒng)、導(dǎo)向光引導(dǎo)、數(shù)據(jù)管理等輔助功能。全站儀內(nèi)部裝有微處理器、存儲器和IO接口可以運行復(fù)雜的應(yīng)用程序,因此具有進一步處理和存儲測量數(shù)據(jù)的功能,如自由設(shè)站、導(dǎo)線測量、偏心測量、懸高測量、面積測量等。

組成結(jié)構(gòu) 編輯本段

全站儀用于電子測角、電子測距、電子補償、微機處理裝置由四部分組成,它本身是一個具有特殊功能的計算機控制系統(tǒng),其中微機處理裝置由一個微處理器組成、存儲器、輸入部分和輸出部分。全站儀使用微處理器檢查從數(shù)據(jù)采集部分獲得的傾斜距離、角度、誤差等信息,得到修正后的觀測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果在儀器的存儲器中,固化了用于測量的程序,通過程序?qū)崿F(xiàn)測試。

角度測量部分是電子經(jīng)緯儀,用來測量水平角度、垂直角度和設(shè)定方位角,并自動完成角度讀?。粶y距部分是光電測距儀,用來測量兩點之間的距離;補償部分用于實現(xiàn)垂直軸傾斜系統(tǒng)引起的水平角度、垂直角誤差的補償和校正微型計算機用來接收輸入和輸出指令、控制作業(yè)方式、進行數(shù)據(jù)處理等;電源為每個部分供電,使其能夠充電和放電;輸入/輸出包括鍵盤、顯示屏和通信接口是與外部設(shè)備連接的設(shè)備,使全站儀可以與其他設(shè)備交互通信和傳輸數(shù)據(jù);以上部分是輸入和輸出(I/O)接口連接到總線并連接到同一個微處理器。

主要特點  編輯本段

工作特點

采用先進的同軸雙速系統(tǒng)和微動機構(gòu),使對準(zhǔn)更快更準(zhǔn)確。

它有一套完整的人機交互控制界面,包括鍵盤和顯示窗口除瞄準(zhǔn)目標(biāo)外,其他所有測量功能和數(shù)據(jù)均可通過按鍵完成儀器兩側(cè)有控制面板,操作方便。

安裝了雙軸傾斜補償裝置,可在水平和垂直方向自動補償,克服了剛性軸傾斜誤差的影響。

機器中預(yù)裝了測量相關(guān)的應(yīng)用程序,可以輕松完成三維坐標(biāo)測量、放樣測量、后方交會、懸高測量、邊緣測量和其他工作。

該儀器具有雙向可視能力,可以將測試結(jié)果傳輸?shù)诫娮庸P記本電腦,也可以接收來自電子筆記本或電腦的命令和數(shù)據(jù)。

構(gòu)造特點

同軸望遠(yuǎn)鏡。在全站儀光學(xué)測距系統(tǒng)中,發(fā)射的是被照射物體的視準(zhǔn)軸和光電測距系統(tǒng)中的紅外線、接受光軸在一條直線上。在測量過程中,只要將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡的中心,就可以測量出水角垂直角和斜距。

鍵盤操作。在全站儀中,通過鍵盤輸入命令,按鍵分為硬鍵和軟鍵兩種。每個硬鍵都有一個或多個固定的功能,而軟鍵的功能是由各種菜單下呈現(xiàn)的字符提示決定的軟鍵通常在不同的菜單界面下有不同的功能。

數(shù)據(jù)存儲與通信。全站儀的數(shù)據(jù)存儲和通信通過內(nèi)存和存儲卡進行,采集到的測量數(shù)據(jù)可以存儲和傳輸,以便進一步處理。內(nèi)存相當(dāng)于計算機的內(nèi)部存儲器,存儲卡是外部存儲介質(zhì),可以通過通信接口和線纜實現(xiàn)信息傳輸。

雙軸自動補償。全站儀設(shè)有雙軸(或單軸)自動傾斜補償系統(tǒng)可以消除觀測誤差對角度觀測的影響。當(dāng)全站儀沒有精確調(diào)平時,還能自動測量縱軸傾斜的角度值,并自動修正角度觀測值。

類型分類 編輯本段

按外觀結(jié)構(gòu)分類

積木式(組合式)

早期有幾種類型的全站儀是用積木搭建的,使用的是電子速度計、電子經(jīng)緯儀和電子記錄儀作為獨立的單元,可以單獨使用,也可以組合成一個完整的全站儀。組件之間使用電纜來完成數(shù)據(jù)傳輸工作完成后,它們可以單獨拆卸,以便用戶根據(jù)作業(yè)的精度要求選擇不同的角度測量、測距設(shè)備的組合具有良好的適應(yīng)性。

整體式(集成式)

隨著電子測距儀器體積和重量的不斷減小,大多數(shù)新型現(xiàn)代全站儀都會測距、測角、這三個記錄儀有機地結(jié)合在一起,這樣測距儀的發(fā)射、望遠(yuǎn)鏡的接收軸和視準(zhǔn)軸成為同軸結(jié)構(gòu),更好地保證了測距的精度。距離測量部分和角度測量部分共用一個光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來測量距離、所有角度可以一次對準(zhǔn),操作簡單。

按測量功能分類

經(jīng)典型全站儀

經(jīng)典全站儀,也叫常規(guī)全站儀,用全站儀進行電子測角、一些基本功能,如電子測距和自動數(shù)據(jù)記錄,也可以執(zhí)行制造商或用戶自己開發(fā)的機載測量程序。

機動型全站儀

電動全站儀將常規(guī)全站儀與步進電機相結(jié)合,實現(xiàn)全站儀的觀瞄部分和觀測系統(tǒng)的自主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。在計算機的實時監(jiān)控下,移動全站儀可以根據(jù)計算機設(shè)定的方位角參數(shù)自動標(biāo)定目標(biāo)點,也可以實現(xiàn)自動改正、倒鏡測量。

非合作目標(biāo)全站儀(免棱鏡全站儀)

非合作目標(biāo)全站儀是指不需要反射棱鏡就可以直接測量一般目標(biāo)距離的全站儀。因此,非合作目標(biāo)全站儀在測量不方便安裝反射棱鏡的目標(biāo)時具有明顯的優(yōu)勢。

智能型全站儀

智能全站儀將自動物體識別自動調(diào)光等新技術(shù)引入移動全站儀,可以有效解決自動化過程中依賴人工瞄準(zhǔn)等重大缺陷,達(dá)到提高其智能化水平的目的。無需人工干預(yù),智能全站儀可以識別多個目標(biāo),并使用相應(yīng)的軟件程序進行控制、瞄準(zhǔn)和測量自動化。

按測距能力分類

全站儀利用電磁波進行測距,根據(jù)測距范圍可以分為以下三種:短程測距儀、中程測距儀和遠(yuǎn)程測距儀。近程測距儀測距范圍小于3km,測距精度一般為正負(fù)(5 mm   33565 ppm× d),用于一般工程測量和城市測量。中距測距儀的測距范圍為3~15km,測距精度一般為正負(fù)(5 mm   33562 ppm× d)或者±(3mm   2ppm×D),通常用于一般的水準(zhǔn)控制測量。遠(yuǎn)程測距儀測距范圍大于15km,測距精度一般(5毫米lppm×D),通常用于國家三角測量和特級導(dǎo)線測量。測距精度通常在正負(fù)范圍內(nèi)(A+B×D)其中a代表固定誤差,b是比例誤差系數(shù),d是測量距離。

應(yīng)用領(lǐng)域 編輯本段

全站儀已經(jīng)在各個工程領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用,不僅僅是在測繪領(lǐng)域、建筑、交通、水利、地籍和房產(chǎn)測量也廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和部件的安裝和調(diào)試、船體設(shè)計建造、橋梁大壩變形觀測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和體育競賽等。

全站儀可以控制地貌測量中的同時測量和地貌測量;在工程建設(shè)過程中,通過規(guī)劃的管線、定位道路和建筑物,可以實現(xiàn)工程施工三維坐標(biāo)的快速施工放樣;在變形觀測中,可以對建筑物和構(gòu)筑物的變形進行實時動態(tài)監(jiān)測。在控制測量中,測距部分實現(xiàn)了導(dǎo)線測量和正反交的編程,操作簡單、速度快、精度高的特點。在同一個測站中,全站儀可以進行角度測量、距離、高差等測量,并能存儲和傳輸信息通過傳輸裝置,全站儀可以與計算機和繪圖儀連接,形成內(nèi)外一體的測量系統(tǒng),大大提高了測量的效率。

發(fā)展趨勢 編輯本段

現(xiàn)代測繪的任務(wù)不僅僅是定位地理位置,還包括采集和管理地理位置屬性數(shù)據(jù)?,F(xiàn)代測繪儀器要能方便采集、存儲、管理、調(diào)用和使用不同的屬性數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)可以方便地納入GIS框架,與屬性數(shù)據(jù)集成,由計算機處理。隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)代全站儀也在不斷創(chuàng)新發(fā)展,其發(fā)展趨勢主要有五個方向。

數(shù)字化。數(shù)字化要求全站儀能夠輸出并由計算機直接處理、傳輸和交換的數(shù)字地理數(shù)據(jù)是全站儀測繪內(nèi)外業(yè)一體化的基礎(chǔ)。

實時化。使測繪儀器具有實時數(shù)據(jù)處理功能,有助于實時檢查測量質(zhì)量,提高效率;另一方面,可以根據(jù)測量結(jié)果直接進行后續(xù)工作。

集成化?,F(xiàn)代測繪工作的一個顯著特點是分工明確,各種測量相互滲透,這就要求全站儀在硬件上集成功能,軟件上開放,便于各種儀器采集數(shù)據(jù)的交換和共享,提高測繪工作的效率和進度。

在線化。全站儀對測量數(shù)據(jù)進行在線處理,提高測量精度和效率,并及時更新GIS數(shù)據(jù)庫,保持?jǐn)?shù)據(jù)的及時性。

自動化。自動化將使全站儀不僅是一個簡單的觀測工具,而且是一個智能的測繪助手,并越來越接近PC桌面系統(tǒng),以方便用戶發(fā)展。

全站儀未來的發(fā)展趨勢是解決全站儀復(fù)雜的計算問題,將需要外部設(shè)備完成的功能全部集成到儀器中,利用近景攝影和GPS技術(shù)提高數(shù)據(jù)采集的精度,在數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用平差、成圖、編輯、打印,實現(xiàn)自動化和智能化。

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