基于全站儀改良的萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置

周彥彤 金美岑 范帥佐 郝振煊

(1.東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江 哈爾濱 150000； 2.東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

20世紀70年代起，伴隨著科技的發(fā)展，信息化時代的到來，歷史悠久的測繪科學也發(fā)生了巨大的變化——全站型電子速測儀(簡稱全站儀)得到廣泛應用。全站儀作為集光學、機械、電子信息于一體的智能測繪儀器，使傳統(tǒng)測量技術邁入自動化、數(shù)字化、高效率的發(fā)展新階段的同時，也帶來了一些繁瑣的操作步驟。本文在全站儀操作使用原理的基礎上進行研究，針對全站儀定點裝置進行改良，提出萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置，以解決全站儀定點操作過程中棱鏡使用的不便，大大增強了棱鏡的穩(wěn)定性，從而提高測量精確度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)“一次架設，多次測量”，加快了測量速度，提高使用的方便性，操作的簡便性；同時避免了二次或者多次立桿，快速定位地面的坐標，大大提高了測量的準確率和效率，減少了野外勘探測量所需的人力、物力。

1 全站儀定點裝置的應用與弊端

1.1 建筑工程施工中的應用現(xiàn)狀

“全站儀”全稱為“全站型電子速測儀”通稱為“電子全站儀”或“電子速測儀”。它是一種可以同時進行近距離測量、行角度測量和數(shù)據(jù)處理，由光學、機械、電子元件等構(gòu)件有機結(jié)合起來的電子測量儀器。由于它能自動完成外業(yè)測量中測距、測角、測高差，并對測量數(shù)據(jù)進行記錄、檢核，同時與互聯(lián)網(wǎng)相連接，載入Windows10系統(tǒng)，將測量所得數(shù)據(jù)自動顯示、記錄、存儲并輸出，較完善地實現(xiàn)測量和處理過程的電子化和一體化勘測效果，因此被稱作全站儀。同時，全站儀測距發(fā)射軸、接收軸與望遠鏡視準軸三軸共軸，適合對空間點及移動目標進行測量，且內(nèi)部配有功能完備的測量應用軟件，測量操作方便快捷。

近些年來，隨著微電子技術的持續(xù)發(fā)展與應用，新一代的全站儀無論是在外觀、構(gòu)造、體積和重量等方面，還是在功能、效率方面，都有了極大的革新和進步，測繪技術的發(fā)展邁入了一個嶄新的階段。時至今日，中國仍然處于大規(guī)?；A設施建設時期，全站儀仍然被大范圍廣泛使用。全站儀在建筑工程施工放樣中具有精準度高、智能數(shù)字化等優(yōu)點。除此之外，自動化測量儀器全站儀還配有撤銷鍵，可以對測量所得的豎直角以及水平角指標差進行撤銷，重新測量，完成測繪過程中的內(nèi)業(yè)檢核工作，提高建筑工程施工中測量數(shù)據(jù)的精準度；同時全站儀與計算機相連接，可以借助計算機遠程操作實現(xiàn)對全站儀的控制。

1.2 應用弊端及創(chuàng)新思考

建筑工程施工中，使用全站儀常用作業(yè)方法是在地形圖中的已知點或者未知點上架站，利用周邊的已知標定點通過邊角前方交會法或后方交會法測得架站點與已知標定點相關的坐標方位角及距離，最終計算出測站點的坐標；隨后，再在儀器上進行測站設置，運用角度后視法完成一系列操作后進行地形圖的相關測量。在測繪場地周邊有足夠的已知點的情況下，這種方法是具有可行性的，但是在某些不利條件下，實施起來卻相對困難，例如:假定設站點在河的左岸，要測量河右岸的一片地形圖，為了方便觀測，將儀器架設于河左岸，但左岸沒有已知控制點，在右岸也只可見控制點A和B，且測繪人員不易抵達兩個控制點。一般的方法可分為兩種，一種是將全站儀架設于右岸已知點上，將控制點傳到左岸;另一種是將儀器架設于左岸，派一名勘測員攜帶棱鏡到右岸已知點上，使用邊角交會法求出架站點坐標。這都需要不少的時間和人力，效率不高，存在不必要的資源浪費。

由此可見，為提高測量儀器定點裝置在使用過程中存在的諸多不便，需針對因棱鏡多次架設導致的定點操作過程繁瑣、效率低下的問題進行思考，積極尋求低成本、高效率的改良途徑，提高全站儀定點裝置的工作效率，實現(xiàn)“一次定點，多次測量”的測量效果。

2 萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置設計的基本特征

2.1 什么是萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置

全站儀作為集各種測量功能于一體的勘測儀器系統(tǒng)，我們通過研究全站儀的工作原理，發(fā)現(xiàn)其操作過程的繁瑣之處集中于棱鏡的應用、架設、定點過程中，全站儀測量未知點坐標時首先將測量儀器架設在已知點，對中整平，完成測量前的準備工作，再發(fā)射激光照射于棱鏡上，棱鏡由于人為控制會存在一定不穩(wěn)定因素，同時每架設一處棱鏡僅進行一點數(shù)據(jù)的測量，效率低且精準度不高。萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置將全站儀協(xié)作目標——棱鏡對中桿加以改進，以解決棱鏡使用中的不便，精簡操作步驟以及提高測量工作的有效性及測量結(jié)果的穩(wěn)定性，實現(xiàn)“一次架設，多次測量”，加快測量速度，達到快速且準確地定位地面的坐標的目的，大大提高了勘測效率和準確性。

2.2 萬向調(diào)節(jié)定點裝置的構(gòu)件組成

全站儀定點裝置在使用時，一次可測量點較少，需多次立桿測量，增加工作強度。萬向調(diào)節(jié)快速頂點裝置針對此狀況對全站儀定點裝置進行改良，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

2.3 萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置構(gòu)件連接方式

主桿頂部分別套有氣泡盤、高度旋鈕A，并插有伸縮桿A；伸縮桿A頂部套有高度旋鈕B，并插有伸縮桿B；伸縮桿B頂部通過螺紋與固定旋鈕連接。三腳架頂部具有一圓孔，內(nèi)穿有對中桿，對中桿頂部插有水平旋鈕，內(nèi)穿有中心轉(zhuǎn)桿，中心轉(zhuǎn)桿頂部通過軸與折疊萬向桿后端連接，折疊萬向桿前端通過松緊旋鈕B與連接件連接，連接件通過S掛鉤與棱鏡連接，折疊萬向桿包括主臂A、主臂B，主臂A、主臂B兩端分別通過螺栓與關節(jié)A、關節(jié)B連接，伸縮彈簧A右側(cè)穿在關節(jié)A圓孔內(nèi)，伸縮彈簧A左側(cè)通過螺栓與主臂B連接，關節(jié)B通過螺栓與輔臂A和伸縮彈簧B連接，并通過松緊旋鈕A與輔臂B連接，輔臂A、輔臂B通過螺栓分別與關節(jié)C連接，關節(jié)C下方安裝有松緊旋鈕B。

2.4 萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置的工作原理

相較于傳統(tǒng)全站儀繁瑣的操作流程，萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置不僅可以實現(xiàn)“一次架設，多次測量”，還達到了高效測量，節(jié)約人力的效果。仍然假設測量駐扎點在河的左岸，要測量右岸一定范圍內(nèi)的地形圖，當萬向調(diào)節(jié)的定點裝置配合全站儀使用時，首先，將全站儀架站于左岸合適的位置(確定架站位置安全且方便測量對面的地形)再在全站儀上輸入測站點三維坐標(0,0,0)；其次，派一名測繪員去后視的已知坐標點(假設是A)進行后視，將架站點C水平投影至地面并在地面上標注位置，量取測量儀器高度值并記錄(用于最終計算C點三維坐標);第三，測繪員到達測圖區(qū)后開始進行數(shù)據(jù)采集工作，同時派一名測繪員攜帶萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置到達后視已知標A點上，由于已知標距離較遠且不易抵達，一般情況下這個測繪員抵達指定的已知標需要一定的時間，在這個過程中，其他的測繪員可以開始跑點，測站可以開始進行數(shù)據(jù)采集(注:此時采集的數(shù)據(jù)為以測站C為原點，測站C至A為前進方位角的獨立坐標系坐標);第四，當那個司鏡員抵達已知標后，于測站點上通過邊角交會法求出測站點北京坐標系坐標并記錄在數(shù)據(jù)記錄本中，同時將測量A點的獨立三維坐標一并記錄下來;第五，對所得測量數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)計算檢核。

由此可見，操作改良后的萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置配合全站儀使用時，在不動點的情況下一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)折疊伸縮桿，可節(jié)約測量過程為改變棱鏡定點位置，反復往返于全站儀與寫作目標之間的時間，避免了二次或者多次立桿，快速定位地面的坐標，大大提高了效率和減少了人力。

3 萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置使用先進性

3.1 一次定位，多次測量

萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置，在全站儀定點裝置的基礎上增設了折疊伸縮桿，實現(xiàn)了一次定位，多距離多角度測量，避免了二次或者多次立桿，快速定位地面的坐標，解決全站儀棱鏡使用中的不便，同時由于折疊伸縮桿輕便、構(gòu)造簡單，大大增強了立鏡的穩(wěn)定性，從而提高測量精確度，加快了測量速度，提高使用的方便性，操作的簡便性。

3.2 擴大測量范圍

萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置的對中桿頂部插有水平旋鈕，水平旋鈕內(nèi)穿有中心轉(zhuǎn)桿，中心轉(zhuǎn)桿頂部通過軸與折疊萬向桿后端連接，采用這種結(jié)構(gòu)能夠使所述的折疊伸縮桿以所述的中心轉(zhuǎn)桿為軸進行旋轉(zhuǎn)范圍測量，加大測量范圍，靈活便利。

萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置的折疊伸縮桿前端通過松緊旋鈕B與連接件連接，連接件通過S掛鉤與棱鏡連接，這種結(jié)構(gòu)能使所述的棱鏡通過折疊伸縮桿改變棱鏡的位置，其目的實現(xiàn)更大測量范圍。

3.3 操作簡便

萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置的折疊伸縮桿包括主臂A、主臂B、輔臂A、輔臂B，主臂A、主臂B兩端分別通過螺栓與關節(jié)A、關節(jié)B連接，伸縮彈簧A右側(cè)穿在關節(jié)A圓孔內(nèi)，彈簧A左側(cè)通過螺栓與主臂B連接，關節(jié)B通過螺栓與輔臂A和伸縮彈簧B連接，關節(jié)B通過松緊旋鈕A與輔臂B連接，輔臂A、輔臂B通過螺栓分別與關節(jié)C連接，關節(jié)C下方安裝有松緊旋鈕B，采用這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)兩臂伸至為一條直線時為定點后可測量的最大范圍，在此范圍內(nèi)，折疊伸縮桿以關節(jié)為中心進行折疊，可實現(xiàn)任意調(diào)節(jié)棱鏡的位置，操作簡便。

3.4 易拆卸分離，方便攜帶

萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置對中桿包括主桿，主桿頂部分別套有氣泡盤、高度旋鈕，并插有伸縮桿A，伸縮桿A頂部套有高度旋鈕B，伸縮桿頂部插有伸縮桿B，伸縮桿頂部通過螺紋與固定鈕連接，由此可調(diào)節(jié)定點裝置至適宜高度，操作便利，同時三腳架、折疊伸縮桿及棱鏡可拆卸分離，方便攜帶。

3.5 造價低，耐腐蝕

萬向調(diào)節(jié)快速定點裝置的三腳架、對中標桿、折疊伸縮桿采用不銹鋼材料，活動關節(jié)處涂有防腐涂料，可長期用于野外施工，外觀不易腐蝕經(jīng)久耐用，重量輕方便攜帶。

4 結(jié)語

探究全站儀在工程放樣中的應用，不僅能夠提高在建筑工程放樣時的精確度，還有利于提升工程測量的準確性，便于建筑行業(yè)的從業(yè)人員工作，提高建筑行業(yè)的工作效率。

因此測量人員在建筑工程施工中，除了需要了解全站儀的內(nèi)部構(gòu)造以及使用原理，還應自覺提高自身的專業(yè)技能，發(fā)揮自身的創(chuàng)造力和能動性，不斷改良測量工具，以提升建筑工程測量的精準度，進一步提高工作效率，更好的為建筑工程施工服務。

注：指導老師：付升隆。