smart station在水電施工測(cè)量中可行性運(yùn)用分析

向延義

【摘要】傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)技術(shù)雖然發(fā)展到今天取得重大的發(fā)展，但是仍然不能滿足各種工程對(duì)測(cè)量的需要，所有的測(cè)量作業(yè)都離不開(kāi)控制網(wǎng)的束縛。全站儀作業(yè)模式勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，易受障礙物視線和視距的影響；GPS技術(shù)存在上部必須通視的弱點(diǎn)，并且要求必須在已知點(diǎn)設(shè)立基準(zhǔn)站，作業(yè)半徑受限制的影響。為此，為了擺脫傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)模式不足和弊端，采用超站儀作業(yè)模式是非常必要的。

【關(guān)鍵詞】超站儀（smart station）；測(cè)量作業(yè)；技術(shù)；應(yīng)用

1、概述

目前測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展和測(cè)繪儀器的更新?lián)Q代的頻率是越來(lái)越快，各測(cè)繪單位也在不斷地改進(jìn)本單位的測(cè)量設(shè)備、引進(jìn)測(cè)繪新技術(shù)，不斷提高本單位的測(cè)量技術(shù)水平，以達(dá)到提高測(cè)量工作效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高測(cè)量放樣精度的目的。

再就是目前測(cè)繪市場(chǎng)對(duì)測(cè)量的技術(shù)服務(wù)要求愈來(lái)愈高，為此尋求一種高效率的作業(yè)方法以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的作業(yè)方法，已成為各測(cè)繪單位迫切的任務(wù)，超站儀（smart station）作業(yè)模式就是在這一種背景下產(chǎn)生的，并且是今后各測(cè)繪單位發(fā)展的必然趨勢(shì)。

采用

2、水電施工測(cè)量技術(shù)發(fā)展史回顧

水電施工測(cè)量放樣工作大致分經(jīng)歷四個(gè)階段，具體如下；

2.1經(jīng)緯儀（電子經(jīng)緯儀）測(cè)量作業(yè)

早期水電施工測(cè)量放樣大都采用光學(xué)經(jīng)緯儀放樣，無(wú)論進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)。作業(yè)方式是先用高精度經(jīng)緯儀進(jìn)行控制布網(wǎng)布點(diǎn)（測(cè)角、測(cè)邊、邊角、導(dǎo)線、交會(huì)等），然后再在控制點(diǎn)上采用極坐標(biāo)或者直角法進(jìn)行碎部測(cè)量作業(yè)，后來(lái)雖然出現(xiàn)電子經(jīng)緯儀，但放樣方法還是基本沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，只不過(guò)是實(shí)現(xiàn)了角度讀數(shù)電子化，減少人為讀數(shù)出錯(cuò)機(jī)會(huì)。全部測(cè)量數(shù)據(jù)采用計(jì)算器計(jì)算資料成果。

2.2測(cè)距儀（半站儀）測(cè)量作業(yè)

測(cè)距儀的出現(xiàn)減輕了繁瑣的距離測(cè)量，測(cè)距儀配合經(jīng)緯儀放樣，就是把測(cè)距頭安置在光學(xué)或者電子經(jīng)緯儀上，角度觀測(cè)仍采用經(jīng)緯儀，距離采用測(cè)距儀測(cè)距，代替了在測(cè)量作業(yè)過(guò)程中的鋼尺量距，直接采用測(cè)距儀測(cè)距，然后采用手工計(jì)算其測(cè)量成果。采用半站儀的優(yōu)點(diǎn)就是隨時(shí)可以布設(shè)施工控制點(diǎn)，但放樣方法仍同經(jīng)緯儀一樣。

2.3全站儀測(cè)量作業(yè)

后來(lái)出現(xiàn)全站儀，取代測(cè)距儀和經(jīng)緯儀（半站儀），徹底改變極坐標(biāo)放樣模式，可以說(shuō)是測(cè)量史上的一次大的革命，測(cè)量作業(yè)直接采用坐標(biāo)法進(jìn)行碎部點(diǎn)作業(yè)放樣，不但簡(jiǎn)單、方便，而且放樣精度高，作業(yè)效率高。所有觀測(cè)數(shù)據(jù)均采用電子化，測(cè)量計(jì)算成果采用機(jī)載測(cè)量程序計(jì)算。

2.4.GPS測(cè)量作業(yè)

目前全球定位（GPS）技術(shù)在工程測(cè)量的廣泛應(yīng)用，雖然使傳統(tǒng)的控制測(cè)量方法產(chǎn)生了根本性的變革，但仍未改變傳統(tǒng)的測(cè)量模式，“先做控制，然后碎部測(cè)量”，而且GPS技術(shù)尚有要求測(cè)站上空必須通視的致命弱點(diǎn)，即使使用GPS—RTK和GPS—RTD作業(yè)方法。在這種模式下，測(cè)量作業(yè)需要的設(shè)備多、工期長(zhǎng)、成本高。

3、傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)模式分析

3.1. 傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)程序

一般測(cè)量模式有兩種方式：一是采用全站儀常規(guī)方式布設(shè)作業(yè)范圍內(nèi)施工控制點(diǎn)，然后在已知控制點(diǎn)上采用全站儀進(jìn)行常規(guī)測(cè)量放樣作業(yè)；二是采用標(biāo)準(zhǔn)的GPS設(shè)備測(cè)定遍布整個(gè)測(cè)區(qū)（工作區(qū)域）的若干控制點(diǎn)（含部分加密控制點(diǎn)），將控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入全站儀，然后在控制點(diǎn)上安置全站儀，以另外一控制點(diǎn)作為定向點(diǎn)，并進(jìn)行測(cè)量放樣作業(yè)。

3.2.傳統(tǒng)測(cè)量模式缺陷

采用傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)模式，需要在已知控制點(diǎn)上至少安置兩次儀器，一次是施測(cè)控制網(wǎng)時(shí)需要在待測(cè)控制點(diǎn)上安置測(cè)量設(shè)備，即安置全站儀或者GPS接收機(jī)。而且必須是提前選好的控制點(diǎn)位置。然后在已知控制點(diǎn)上再次安置全站儀，進(jìn)行碎部測(cè)量作業(yè)。如在控制點(diǎn)周圍存在諸多障礙物時(shí)（臨時(shí)影響，未預(yù)先考慮），還需再次布設(shè)支導(dǎo)線或者臨時(shí)支點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。過(guò)多的儀器遷站不但增加了測(cè)量作業(yè)量，而且降低了測(cè)量放樣點(diǎn)位精度。

即使目前采用采用GPS作業(yè)模式無(wú)論靜態(tài)（一般指控制點(diǎn)作業(yè)）還是RTK（放樣點(diǎn)）作業(yè)模式 ，對(duì)選取的點(diǎn)位要求是很嚴(yán)格的，其中最主要就是能實(shí)時(shí)接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)， 并且要求選取點(diǎn)周圍無(wú)障礙物，雖然不要求通視條件，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)放樣點(diǎn)實(shí)際情況，至少應(yīng)考慮到有一個(gè)通視，以便于碎部放樣，因此也有一定的局限性。特別是在水利水電施工工地，大量的建筑構(gòu)件需要就位，周圍雖然有參考站、控制點(diǎn)，但是由于受多種因素影響，比如建筑材料堆放，機(jī)械碰撞、點(diǎn)位上空各種電纜電線等，使其無(wú)法接收到衛(wèi)星信號(hào)。即使使用RTK也無(wú)法作業(yè)，只能依靠全站儀來(lái)布設(shè)到支導(dǎo)線或者輔助點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，而對(duì)于施工隧洞更是無(wú)能為力。

若按照傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)模式施工，至少需要兩組設(shè)備，甚至兩組作業(yè)人員。按照以上作業(yè)程序，必須事先在施工區(qū)域附近選擇合適位置布設(shè)控制點(diǎn)，由于無(wú)法對(duì)后期作業(yè)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)前預(yù)測(cè)，導(dǎo)致個(gè)別控制點(diǎn)不能正常使用，（施工原因引起損壞、人為破壞和附近障礙物影響）。因而，預(yù)先制定的測(cè)量作業(yè)計(jì)劃無(wú)法正常實(shí)施，只好根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行作業(yè)修改，測(cè)量作業(yè)效率放慢，工作進(jìn)度受到影響，最終延誤工程工期。

4、超站儀的建立

4.1.超站儀的概念及組成

超站儀，其英文為Smartstation，其意為聰明的駐地（站），就是將SmartAntenna安裝于TPS1200/1200+全站儀上，Smartstation操作員可以全方位的操縱進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。其坐標(biāo)位置可由RTK測(cè)定，放樣點(diǎn)由全站儀作業(yè)，操作簡(jiǎn)單，使用方便，可以安置到任何便利的地方（只要對(duì)天視就行）。如下圖

4.2.超站儀的突出性能分析

擺脫了傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)方式，可以于任何時(shí)間、在任何地區(qū)以精密動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位的方法進(jìn)行施工測(cè)量，而不需做測(cè)量控制點(diǎn)，也不需要基準(zhǔn)點(diǎn)或參考站?？朔薌PS要求測(cè)站上空必須通視的弱點(diǎn)，可以在施工區(qū)域便利的地方照常進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)。只需觀測(cè)1～2秒鐘即可獲得測(cè)站點(diǎn)在全國(guó)統(tǒng)一坐標(biāo)系下當(dāng)?shù)馗咚蛊矫嬷苯亲鴺?biāo)系的坐標(biāo)值和水準(zhǔn)高程值。在一般觀測(cè)條件下，觀測(cè)1～2秒鐘的點(diǎn)位中誤差不大于±30cm，高程中誤差不大于±45cm；在比較適宜的條件下，觀測(cè)1～2秒鐘的點(diǎn)位中誤差不大于±20cm，高程中誤差不大于±30cm。 觀測(cè)10分鐘以上，點(diǎn)位中誤差不大于±10cm，高程中誤差不大于±15cm，隨機(jī)軟件豐富，自動(dòng)記錄，直接解算高斯平面坐標(biāo)和高程，也不需要用全站儀把這些點(diǎn)連接起來(lái)。僅需少量作業(yè)人員，在smartstation站自動(dòng)重新計(jì)算，作業(yè)效率高，作業(yè)精度高，干擾少，快速、靈活、方便，可以節(jié)省大量的作業(yè)時(shí)間，避免繁瑣的導(dǎo)線測(cè)量，更快、更好的為工程施工服務(wù)。

1.超站儀的適用范圍

超站儀的使用范圍包括水利水電工程各等級(jí)控制測(cè)量，江河湖海水域測(cè)量，地形地籍測(cè)量、地質(zhì)物探，資源災(zāi)害等測(cè)量。

2.使用超站儀必須的條件

雖然超站儀操作方便，效率高，但是也有一定的局限性，任何新技術(shù)的出現(xiàn)都有一定的不足之處，因此安置超站儀（smartstation）的地方，必須“對(duì)天通視），并且周圍附近無(wú)影響接收衛(wèi)星信號(hào)的設(shè)施，這一點(diǎn)特別強(qiáng)調(diào)一下。再就是作業(yè)區(qū)域以外必須設(shè)有參考站。

5、超站儀作業(yè)流程

6、超站儀的作業(yè)方法

在需要的位置架設(shè)SmartStation，按下GPS鍵并保持平穩(wěn)，在基線50km的范圍內(nèi)只需很短時(shí)間即可得到厘米級(jí)精度的RTK位置信息，使用SmartStation完成測(cè)量準(zhǔn)備工作，通過(guò)GPS鎖定位置，然后用全站儀進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，在smartstation所安置的點(diǎn)上，水平度盤的設(shè)置定向則有全站儀通過(guò)另一個(gè)點(diǎn)（多個(gè)點(diǎn)）來(lái)進(jìn)行的，所用的這些點(diǎn)均符合定向點(diǎn)的基本要求，具體方法有三種。

6.1利用一個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行定向

在P1點(diǎn)安置超站儀，用RTK測(cè)定P1點(diǎn)位置，后視P2點(diǎn)（已知并且坐標(biāo)已經(jīng)存儲(chǔ)smartstation，通過(guò)smartstation計(jì)算P1-P2坐標(biāo)方位角后進(jìn)行定向，完畢后進(jìn)行測(cè)量放樣。對(duì)于P2點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其坐標(biāo)可采用RTK測(cè)定或者用其他方式確定。

6.2采用未知點(diǎn)進(jìn)行定向

采用未知點(diǎn)進(jìn)行定向時(shí)，應(yīng)分為兩步，第一步在P1點(diǎn)安置超站儀，用RTK測(cè)定P1點(diǎn)位置，在P1點(diǎn)觀測(cè)P2點(diǎn)的角度和距離，由于P2點(diǎn)的坐標(biāo)未知，所以在P1點(diǎn)所觀測(cè)的所有碎部控制點(diǎn)坐標(biāo)均為相對(duì)坐標(biāo)。第二步是在P2點(diǎn)安置超站儀，并同樣用RTK測(cè)定其坐標(biāo)，通過(guò)smartstation自動(dòng)解算P1→P2及P2→P1的坐標(biāo)方位角，并對(duì)所有在P1點(diǎn)觀測(cè)的碎部控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行更正。然后在P2點(diǎn)以P1點(diǎn)作為后視在進(jìn)行碎部控制點(diǎn)測(cè)量作業(yè)。

采用這一種方法進(jìn)行作業(yè)時(shí)，P2點(diǎn)隨時(shí)隨地可以去測(cè)定，但是只能適用于快速布設(shè)局部碎部控點(diǎn)，不能用于施工放樣作業(yè)。

6.3高程傳遞

安置超站儀的位置高程除了采用RTK測(cè)定外，還可以由觀測(cè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)（高程點(diǎn)）來(lái)計(jì)算其設(shè)站高程，當(dāng)然高程計(jì)算均由smartstation自動(dòng)完成，但是必須采用全站儀觀測(cè)測(cè)站點(diǎn)到水準(zhǔn)點(diǎn)（高程點(diǎn)）距離.并可采用同樣的方法測(cè)其水準(zhǔn)點(diǎn)（高程點(diǎn)）平面點(diǎn)位

7、超站儀數(shù)據(jù)處理

超站儀數(shù)據(jù)處理分為兩個(gè)方面，如在測(cè)區(qū)附近存在參考站能發(fā)送TTK數(shù)據(jù)，則可用smartstation的RTK功能。如果在偏遠(yuǎn)的測(cè)區(qū)內(nèi)參考站無(wú)法發(fā)送RTK數(shù)據(jù)，則可用后處理軟件的方式計(jì)算smartstation的位置。數(shù)據(jù)記錄由smartstation/smartAntenna所采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)代替RTK。應(yīng)用徠卡辦公軟件LGO從遠(yuǎn)端參考站下載數(shù)據(jù)，并通過(guò)與參考站之間基線向量的后處理來(lái)確定smartstation的坐標(biāo)，從而重新計(jì)算所有用超站儀測(cè)量的碎部點(diǎn)坐標(biāo)。數(shù)據(jù)處理具體流程如下。

8、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析來(lái)看，徠卡超站儀的確有很多非常獨(dú)特的地方，可以給施工測(cè)量帶來(lái)非常理想的效果。一般情況下，水電施工測(cè)量不可能有比較好的控制點(diǎn)，即使有也是距離比較遠(yuǎn)的，并且保護(hù)情況不佳。用一般的測(cè)量方法只能是先做靜態(tài)（如果要求比較高）或RTK，把控制點(diǎn)固定下來(lái)，再用全站儀進(jìn)行測(cè)量。現(xiàn)在采用超站儀，只要一步到位進(jìn)行測(cè)量用GPS進(jìn)行定位，下面的全站儀就可以直接進(jìn)行測(cè)量。這樣我們一邊進(jìn)行施工測(cè)量一邊可以用GPS做靜態(tài)，提高控制點(diǎn)的精度。節(jié)省了原來(lái)做靜態(tài)的時(shí)間。因此，從目前現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)水平看，采用smartstation新技術(shù)條件已經(jīng)成熟，應(yīng)盡快實(shí)施，這樣做可以節(jié)省測(cè)量作業(yè)時(shí)間和資金投入，提高測(cè)量工作效率，增加測(cè)量資金收益。