工程測量課件全站儀原理及使用

1、n附錄附錄 全站儀及其使用全站儀及其使用n1 全站儀概述全站儀概述n全站儀(total station)是由電子測角、光電測距、微型機及其軟件組合而成的智能型光電測量儀器，其結構如圖5-1所示。世界上第一臺商品化的全站儀是1968年西德OPTON公司生產的Reg Elda14。 n全站儀的基本功能是測量水平角、豎直角和斜距，借助于機內固化的軟件，可以組成多種測量功能，如可以計算并顯示平距、高差以及鏡站點的三維坐標，進行偏心測量、懸高測量、對邊測量、面積計算等。全站儀具有如下特點： n(1) 三同軸望遠鏡三同軸望遠鏡n在全站儀的望遠鏡中，照準目標的視準軸、光電測距的紅外光發(fā)射光軸和接收光軸是同軸

2、的，其光路如圖所示。因此，測量時使望遠鏡照準目標棱鏡的中心，就能同時測定水平角、垂直角和斜距。 n2 NTS-355全站儀的基本操作全站儀的基本操作n圖所示是南方測繪儀器公司生產的NTS-355中文界面全站儀，它帶有數字/字母鍵盤，其主要技術參數為：一測回方向觀測中誤差為5，豎盤指標自動歸零補償采用液體電子傳感補償器，補償范圍為3；在良好大氣條件下的最大測量距離為2.6km(使用三塊棱鏡)，距離測量誤差為2mm+2ppm；帶有內存的程序模塊可以儲存3440個點的測量數據和坐標數據；儀器采用6V鎳氫可充電電池供電，一個充滿電的電池可供連續(xù)測量810個小時。 n1) P1頁菜單nP1頁菜單有“置零

3、”、“鎖定”、“置盤”三個選項。n“置零”選項n將當前視線方向的水平度盤讀數設置為0。n“鎖定”選項n將當前水平度盤讀數鎖定，該選項用于將某個照準方向的水平度盤讀數配置為指定的角度值。n“置盤”選項n將當前視線方向的水平度盤讀數設置為輸入值。n2) P2頁菜單n“傾斜”選項n當儀器豎軸發(fā)生微小的傾斜時，打開傾斜補償器可以自動改正垂直角。n一般將望遠鏡視準軸的水平投影方向定義為X軸，儀器橫軸方向定義為Y軸，NTS-355內的傾斜補償器只能測量出儀器豎軸在X軸方向的傾斜角度，因此，只能計算并顯示垂直角觀測的改正值并自動對垂直角觀測值進行改正。n“V%”選項n使豎盤讀數在以角度制顯示或以斜率百分比(

4、也稱坡度)顯示間切換。n3) P3頁菜單n“H-蜂鳴”選項n開關蜂鳴聲。當水平度盤讀數分別為0、90、180、270、1時發(fā)出蜂鳴聲。n“R/L”選項n使水平盤讀數在右旋和左旋水平角之間切換。右旋等價于水平度盤為順時針注記，左旋等價于水平度盤為逆時針注記。n“豎角”選項n使豎盤讀數在天頂距(豎盤0位于天頂方向)和高度角(豎盤0位于水平方向)之間切換。 n用戶可以在圖所示的通訊軟件NTS320.exe中輸入編碼值，輸入時，每行一個編碼，格式是“編碼號, 賦值”。n圖中“5,HangDi”表示旱地，“50,WeiQiang”表示圍墻。nNTS320.exe軟件由南方測繪儀器公司免費提供，它放置在隨

5、書光盤“南方公司全站儀與計算機通訊軟件”文件夾下，建議讀者在Windows資源管理器將其拖放到Windows桌面上，然后在桌面上雙擊它，就可以啟動。n如果當前測量工作不是為了數字成圖，則不需要為編碼賦值。 日本拓普康公司的GTS-600系列全站儀徠卡公司的TPS1100系列全站儀n它具有如下特點： n1) 馬達驅動與自動目標識別。在自動目標識別模式下，只需要粗略照準棱鏡，儀器內置的CCD相機立即對返回信號加以分析，并通過伺服馬達驅動照準部與望遠鏡旋轉，自動照準棱鏡中心進行測量，并自動進行正、倒鏡觀測。該觀測模式對于需要進行多次重復觀測的點非常有用，如可以實現對大型水壩變形點進行無人值守的連續(xù)觀

6、測。n2) 自動跟蹤。在自動跟蹤模式下，儀器能自動鎖定目標棱鏡并對移動的360棱鏡進行自動跟蹤測量，儀器內設的智能化軟件利用CCD相機對返回信號進行分析處理，排除外界其它反射物體成像的干擾，可以保證在鎖定目標暫時失鎖時，也能立即恢復跟蹤。n3) 鏡站遙控測量。鏡站可以通過操作RCS1100控制器遙控測站的全站儀進行放樣測量，放樣數據及測得的鏡站當前坐標直接顯示在RCS1100控制器中，這使得一個人進行測量成為可能。n4) 無反射棱鏡測量。儀器內置有紅外光和可見激光兩種測距信號，當使用激光信號測距時，可以不用反射棱鏡，直接照準目標測距。無棱鏡測距的范圍為1.5m80m，加長測程的儀器可以達到20

7、0m，測距精度3mm+2ppm。該功能對測量天花板、壁角、塔樓、隧道斷面等有用。n5) 支持用戶自編應用程序。儀器提供了GeoBASIC語言，它與標準BASIC語言相似，提供了數學計算、字符串管理和文件操作等功能。在使用GeoBASIC語言編程時，通過大量調用儀器提供的子程序，可以很容易編寫出滿足特定需要的應用程序。將編寫出的應用程序裝入儀器中后，應用程序將成為儀器菜單中的一部分。 n3 大比例尺數字測圖大比例尺數字測圖n一、大比例尺數字地形圖生產方法概述一、大比例尺數字地形圖生產方法概述n大比例尺數字地形圖(large scale digital topographical map)是城市的

8、基本地圖，它可以為與空間位置有關的城市各類GIS系統(tǒng)提供基礎地理數據，以便這些信息系統(tǒng)對地理數據進行空間數據分析和管理，使更多行業(yè)的用戶共享地圖數據資源。n由于一個城市或地區(qū)大比例尺數字地圖的建設和維護需要很大的投入和較長的時間才能完成，因此大比例尺地圖數據庫的建設應堅持充分考慮城市現有地圖資源、經濟發(fā)展水平和未來發(fā)展趨勢的原則有計劃、有步驟、因地制宜地實施。n通常將傳統(tǒng)的白紙測圖方法獲得的地圖稱為圖解地圖(graphic topographical map)，大比例尺數字化地形圖的生產方法主要有圖解地圖的數字化和數字測圖兩種。 n(1) 圖解地圖的數字化圖解地圖的數字化n可以采用手扶跟蹤數字

9、化和掃描數字化兩種方法進行圖解地圖的數字化。n圖解地圖數字化的方法建立大比例尺數字地圖只是為了充分利用城市原有圖解地圖資源、盡快滿足城市和工程建設對數字化地圖產品需求的一種應急措施。n這樣建立的數字化地圖的精度不會高于作為工作底圖的圖解地圖的精度。 1) 手扶跟蹤數字化手扶跟蹤數字化需要的生產設備為數字化儀(digitizer)、計算機和數字化測圖軟件。n數字化儀由操作平板、定位標和接口裝置構成，如圖所示。n操作平板用來放置并固定工作底圖，定位標用來操作數字化測圖軟件和從工作底圖上采集地形特征點坐標數據，接口裝置一般為標準的RS232C串行接口，它的作用是與計算機交換數據。工作前必須將數字化儀

10、與計算機的一個串行接口連接并在數字化測圖軟件中配置好數字化儀。 n數字化使用的工作底圖必須是聚脂薄膜原圖，將工作底圖固定在數字化儀操作平板上，數據采集的方式是操作員應用數字化儀的定位標在工作底圖上逐點采集地圖上地物或地貌的特征點，將工作底圖上的圖形、符號、位置轉換成坐標數據，并輸入數字化測圖軟件定義的相應代碼，生成數字化采集的數據文件，經過人機交互編輯，形成數字地圖。n2) 掃描數字化n掃描數字化需要的生產設備為掃描儀、計算機、專用矢量化軟件或數字化測圖軟件。n因工程大幅面掃描儀的價格較高，所以若單位無掃描儀時，也可將工作底圖集中拿到專業(yè)公司掃描生成柵格圖像文件(一般為TIFF、PCX、BMP

11、格式)，價格為20元/張左右，n這樣掃描數字化就只需要計算機、矢量化軟件或數字化測圖軟件就可以進行。將需要數字化的地圖圖像格式文件引入矢量化軟件，然后對引入的圖像進行定位和糾正。n數據采集的方式是操作員使用鼠標在計算機顯示屏幕上跟蹤地圖位圖上的地物或地貌的特征點，將工作底圖上的圖形、符號、位置轉換成坐標數據，并輸入矢量化軟件或數字化測圖軟件定義的相應代碼，生成數字化采集的數據文件，經過人機交互編輯，形成數字地圖。n與手扶跟蹤數字化方法比較，掃描數字化具有成本低、速度快、效率高的特點。 n(2) 地面數字測圖地面數字測圖n在沒有合適的大比例尺地圖的地區(qū)，當設備條件許可時，可以直接采用地面數字測圖

12、方法，該方法也稱為內外業(yè)一體化數字測圖方法。n內外業(yè)一體化數字測圖方法需要的生產設備為全站儀(或測距經緯儀)、電子手簿(或掌上電腦和筆記本電腦)、計算機和數字化測圖軟件。n根據所使用設備的不同，內外業(yè)一體化數字測圖方法有兩種實現形式。n1) 草圖法：n在野外利用全站儀或電子手簿采集并記錄外業(yè)數據或坐標，同時手工勾繪現場地物屬性關系草圖，返回室內后，下載記錄數據到計算機內，將外業(yè)觀測的碎部點坐標讀入數字化測圖系統(tǒng)直接展點，根據現場繪制的地物屬性關系草圖在顯示屏幕上連線成圖，經編輯和注記后成圖。n2) 電子平板法：在野外用安裝了數字化測圖軟件的筆記本電腦或掌上電腦直接與全站儀相連，現場測點，電腦實

13、時展繪所測點位，作業(yè)員根據實地情況，現場直接連線、編輯和加注記成圖。 n與傳統(tǒng)的白紙測圖方法比較，內外業(yè)一體化數字測圖方法創(chuàng)建的大比例尺數字地圖具有如下特點：n1) 白紙測圖方法是采用視距法測距，測距相對誤差只有約1/300，而數字測圖方法是采用EDM測距，測距相對誤差小于1/40000，幾百米的距離測量誤差均在1cm左右。在通視良好、定向邊較長的情況下，地形點到測站的距離可以比常規(guī)測圖法長。 n2) 白紙測圖方法是將控制點和碎部點坐標手工展繪在聚脂薄膜上，受人眼最小分辨距離為圖上0.1mm的限制，存在展點誤差。數字測圖方法是采用計算機自動展點，沒有展點誤差。n3) 白紙測圖方法先完成圖根加密

14、，按坐標將控制點展繪在聚脂薄膜上，然后進行地形測圖。數字測圖方法可以使圖根點加密和地形測圖同時進行，例如采用自由設站方法，用全站儀的邊角后方交會功能觀測2個或2個以上的已知點，就可以精確測定出測站點的三維坐標。n4) 白紙測圖方法是以一幅地形圖為單元組織施測，這容易給圖幅邊緣測圖帶來困難，數字測圖方法不受圖幅的限制。作業(yè)小組的任務可以按照河流、道路和自然分界來劃分，方便地形測圖的施測，也減少了常規(guī)測圖的接邊問題。n5) 數字地形圖便于修測。由于數字地圖的碎部點精度較高且分布均勻，重要地物點相對于臨近控制點的點位誤差小于5cm，所以當數字地圖需要修測而圖內大部分控制點已遭破壞時，可以自由設站，使

15、用全站儀的邊角后方交會功能觀測圖內已知的重要地物點就可以快速獲得測站點的三維坐標。 n通過上述介紹可知，采用內外業(yè)一體化數字測圖方法創(chuàng)建的大比例尺數字地圖與采用圖解地圖法獲得的數字地圖是有差別的，但前者的設備投入經費及測圖成本明顯高于后者。n因此，測繪工程產品價格的規(guī)定，對于困難類別為最高的類測區(qū)，測繪1:500圖解地形圖的取費標準是179387.50元/km2，而測繪1:500數字地形圖的取費標準是309445.12元/km2，后者比前者高出1.725倍。 n二、二、 內外業(yè)一體化數字測圖內外業(yè)一體化數字測圖n實現內外業(yè)一體化數字測圖的關鍵是要選擇一種成熟的、技術先進的數字測圖軟件。n目前，

16、市場上比較成熟的最新版本的大比例尺數字化測圖軟件主要下列3種：n(1) 廣州南方測繪儀器公司(South)公司開發(fā)的CASS5.1；n(2) 北京威遠圖儀器公司(WelTop)開發(fā)的SV300；n(3) 廣州開思測繪軟件公司(SCS)開發(fā)的SCS GIS2000。n這些數字化測圖軟件一般都應用了數據庫管理技術并具有GIS前端數據采集功能，其生成的數字地圖可以多種格式文件輸出并可以供某些GIS軟件讀取。它們都是在AutoCAD平臺上開發(fā)的，其優(yōu)點是可以充分利用AutoCAD強大的圖形編輯功能。n雖然上述數字化測圖軟件都是在AutoCAD平臺上開發(fā)的，但它們的圖形數據和地形編碼一般互不兼容，一個城

17、市的各測繪生產單位必須根據本市的實際和需求選擇其中一種數字化測圖軟件來統(tǒng)一本市的數字化測圖工作，而不宜引進多種數字化測圖軟件，本書只介紹CASS5.1。n（一）CASS5.1對計算機軟硬件的要求對計算機軟硬件的要求n(1) 建議硬件環(huán)境nCPU為Pentium133以上，內存大于等于64MB，至少64MB的硬盤剩余空間，VGA(800600)以上彩色顯示器。 n(2) 軟件環(huán)境nWindows95或以上版本的操作系統(tǒng)，安裝有AutoCAD 2000、2000i或2002版本。n（二）（二）CASS5.1的操作界面的操作界面n雙擊安裝文件在桌面上創(chuàng)建的CASS5.1圖標，即可以啟動。圖是在Aut

18、oCAD2000上安裝CASS5.1的界面。 n它與AutoCAD2000的界面及操作方法是相同的，兩者的區(qū)別在于下拉菜單及屏幕菜單的內容不同，各區(qū)的功能簡介如下：n 下拉菜單區(qū)：主要的測量功能；n 屏幕菜單：繪制各類別地物，操作較頻繁的地方；n 圖形區(qū)：主要工作區(qū)，顯示圖形及其操作；n 工具欄：各種AutoCAD命令、測量功能，實質為快捷工具；n 命令提示區(qū)：命令記錄區(qū)，提示用戶操作。n（三）草圖法數字測圖（三）草圖法數字測圖n草圖法數字測圖的流程是：n外業(yè)使用全站儀測量碎部點三維坐標的同時，領圖員繪制碎部點構成的地物形狀和類型并記錄下碎部點點號(必須與全站儀自動記錄的點號一致)。n內業(yè)將全

19、站儀或電子手簿記錄的碎部點三維坐標，通過CASS傳輸到計算機、轉換成CASS坐標格式文件并展點，根據野外繪制的草圖在CASS中繪制地物。n其優(yōu)點是：測圖時，不需要記憶繁多的地形符號編碼，是一種十分實用、快速的測圖方法；缺點是不直觀，當草圖編號有錯誤時，可能還需要到實地查錯。n(1) 人員組織人員組織n1) 觀測員1人：負責操作全站儀，觀測并記錄觀測數據，當全站儀無內存或PC卡時，必須加配電子手簿，此時觀測員還負責操作電子手簿并記錄觀測數據。觀測中應注意經常檢查零方向，與領圖員核對點號。 n2) 領圖員1人：負責指揮跑尺員，現場勾繪草圖，要求熟悉地形圖圖式，以保證草圖的簡潔、正確，應注意經常與觀

20、測員對點號(一般每測50個點就要與觀測員對一次點號)。 n草圖紙應有固定格式，不應隨便畫在幾張紙上；每張草圖紙應包含日期、測站、后視、測量員、繪圖員信息；n當遇到搬站時，盡量換張草圖紙，不方便時，應記錄本草圖紙內哪些點隸屬哪個測站，一定要標示清楚。草圖繪制，不要試圖在一張紙上畫足夠多的內容，地物密集或復雜地物均可單獨繪制一張草圖，既清楚又簡單。n3) 跑尺員1人：負責現場跑尺，要求對跑點必須有經驗，以保證內業(yè)制圖的方便，對于經驗不足者，可由領圖員指揮跑尺，以防引起內業(yè)制圖的麻煩。n4) 內業(yè)制圖員1人：對于無專業(yè)制圖人員的單位，通常由領圖員擔負內業(yè)制圖任務；對于有專業(yè)制圖人員的單位，通常將外業(yè)

21、測量和內業(yè)制圖人員分開，領圖員只負責繪草圖，內業(yè)制圖員得到草圖和坐標文件，即可在CASS上連線成圖；這時領圖員繪制的草圖好壞將直接影響到內業(yè)成圖的速度和質量。n(2) 數據采集設備數據采集設備n數據采集設備一般為全站儀。主流全站儀大多帶有可以存儲3000個以上碎部點的內存或PC卡，可直接記錄觀測數據。n(3) 野外采集數據傳輸到計算機文件保存野外采集數據傳輸到計算機文件保存n使用與全站儀型號匹配的通訊電纜連接全站儀與計算機的COM口，設置好全站儀的通訊參數后，執(zhí)行下拉菜單“數據/讀取全站儀數據”命令，彈出如圖所n示的“全站儀內存數據轉換”對話框。對話框操作如下： n1) 在“儀器”下拉列表中選

22、擇所使用的全站儀類型，圖中為選擇“南方中文NTS-320系列”全站儀。n2) 設置與全站儀一致的通訊參數，包括通訊口、波特率、數據位、停止位、校驗位；勾選“聯機”復選框；在“CASS坐標文件”文本框中輸入保存全站儀數據的文件名和路徑，也可以單擊其右邊的“選擇文件”按鈕，在彈出的標準文件選擇對話框中選擇路徑和輸入文件名。n3) 單擊“轉換”按鈕，CASS彈出對話框，操作全站儀發(fā)送數據，單擊“確定”按鈕，即可將發(fā)送數據保存到設定的FC.dat文件中。 n(4) 將保存的數據文件轉換為將保存的數據文件轉換為CASS格式的坐標文件格式格式的坐標文件格式n同樣是執(zhí)行下拉菜單“數據/讀全站儀數據”命令，彈

23、出“全站儀內存數據轉換”對話框。在“全站儀內存文件”文本框中輸入需要轉換的數據文件名和路徑，在“CASS坐標文件”文本框中輸入轉換后保存的數據文件名和路徑(CASS自動為其加上擴展名dat)。上述兩個數據文件名和路徑都可以單擊“選擇文件”按鈕，在彈出的標準文件選擇對話框中輸入。單擊“轉換”按鈕，即完成數據文件格式轉換。n(5) 展碎部點展碎部點：分定顯示區(qū)、展野外測點點號和展高程點三步進行。n1) 定顯示區(qū)n定顯示區(qū)的作用是根據要輸入的CASS坐標數據文件中的坐標值定義繪圖區(qū)的大小，以保證所有點都可見。該命令位于下拉菜單“繪圖處理定顯示區(qū)”。n例如，執(zhí)行下拉菜單“繪圖處理定顯示區(qū)”命令，在彈出

24、的標準文件選擇對話框中，可以選擇CASS自帶的坐標數據文件“Ymsj.dat”，單擊“打開”按鈕完成定顯示區(qū)操作。n同時在命令行給出下列提示：n最小坐標(米):X=31087.315,Y=54095.471n最大坐標(米):X=31221.270,Y=54200.000n2) 展野外測點點號n展野外測點點號是將CASS坐標數據文件中點的三維坐標展繪在繪圖區(qū)，并在點位的右邊注記點號，以方便用戶結合野外繪制的草圖繪制地物。n該命令位于下拉菜單“繪圖處理展野外測點點號”，其創(chuàng)建的點位和點號對象位于“ZDH”(意為展點號)圖層，其中點位對象是AutoCAD的“Point”對象，用戶可以執(zhí)行AutoCA

25、D的Ddptype命令修改點樣式。 n例如，執(zhí)行下拉菜單“繪圖處理展野外測點點號”命令，在彈出的標準文件選擇對話框中，仍然可以選擇“Ymsj.dat”文件，單擊“打開”按鈕完成展點操作。用戶可以在繪圖區(qū)看見展繪好的碎部點點位和點號。n要說明的是，雖然沒有注記點的高程數值，但點位本身是包含高程坐標的三維空間點。n用戶可以使用AutoCAD的Id命令，打開 “節(jié)點”捕捉(nod)拾取任一碎部點來查看。如38號點的三維坐標為X = 54120.9800，Y = 31184.0100，Z = 493.3000。n3) 展高程點n展高程點的作用是將CASS坐標數據文件中點的三維坐標展繪在繪圖區(qū)，并根據用

26、戶給定的間距注記點位的高程值。n該命令位于下拉菜單“繪圖處理展高程點”，其創(chuàng)建的點位對象位于“GCD”(意為高程點)圖層，其中點位對象是半徑為0.5的實心圓。n例如，執(zhí)行下拉菜單“繪圖處理展高程點”命令，命令行提示如下：n繪圖比例尺 1:n輸入繪圖比例尺的分母值后，按回車鍵，在彈出的標準文件選擇對話框中，仍然可以選擇“Ymsj.dat”文件，單擊“打開”按鈕，命令行提示如下：n注記高程點的距離(米):n輸入了注記高程點的距離后，按回車鍵完成展高程點操作。n此時點位和高程注記對象與前面繪制的點位和點號對象重疊。n為了繪制地物的方便，用戶可以先關閉“GCD”圖層。n (6) 根據草圖繪制地物根據草

27、圖繪制地物n單擊屏幕菜單的“坐標定位”按鈕，屏幕菜單變化。n用戶可以根據野外繪制的草圖和將要繪制的地物在該菜單中選擇適當的命令。n例如，根據草圖，33、34、35號點為一幢簡單房屋的三個角點(地物編碼)，4、5、6、7、8號點為一條小路的五個點，25號點為一口水井。n1) 繪制簡單房屋的操作步驟為：單擊屏幕菜單中的“居民地”按鈕，彈出圖所示的“居民地和垣柵”對話框，選中“四點簡單房屋”，單擊“確定”按鈕，關閉對話框，命令行提示如下：n1.已知三點/ 2.已知兩點及寬度/ 3.已知四點:1n輸入點: (捕捉33號點)n輸入點: (捕捉34號點)n輸入點: (捕捉35號點)n 2) 繪制一條小路的操作步驟為：單擊屏幕菜單中的“交通設施”按鈕，在彈出的 “交通及附屬設施類”對話框中選擇“小路”，單擊“確定”按鈕，關閉對話框，根據命令行的提示分別捕捉4、5、6、7、8五個點位后按回車鍵結束指定點位操作，命令行最后提示如下：n擬合線?yn一般選擇擬合，鍵入y按回車鍵，完成小路的繪制。n3) 繪制一口水井的操作步