工程測量中智能化全站儀的應用

文 英 巴音郭楞職業技術學院

全站儀是科技時代的產物，是智能化的測量產品，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。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。基于此，筆者重點闡述工程測量中全站儀在數字化測圖方面的應用。

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，廣泛應用于工程建設、水利工程、交通運輸等高精度測量或房屋建筑及地表變形的監測等。全站儀具有自動測角、自動測量、圖形顯示、數據存儲以及無線傳輸等多種功能。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勢。借助可編程計算器、PC 等相關輔助軟件，全站儀在工程項目測量實踐中發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備。在人工測量中，全站儀的自動技術特點非常突出。同時，隨著科技、信息技術、人工智能等領域的發展與廣泛運用，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據的傳送與儲存，全面準確地測量數據。全站儀可利用網絡技術對標定資料、標定結果進行自動校核，并能自動更新數據，使其具有開放性和完整性。全站儀還可利用計算機技術實時、準確地將測量數據傳輸到計算機終端進行數據儲存。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，可以進行遠距離、準確的測控，極大地減少了人工工作量，提高了工作速度。

1.3 全站儀的優勢

隨著智能化時代的到來，全站儀產品的開發利用以及應用范圍變得更加廣泛，這是由于全站儀功能齊全，測量結果準確度高。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雜而精確的測量環境，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備。隨著科學技術的飛速發展，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用于活動過程中，必須注意實際操作過程，并且在應用前做好充分的準備工作。在準備的過程時，需調整全站儀的結構，確保其電池性能保持正常。此外，其主要參數應根據實際情況進行設置，保證全站儀處于調平狀態。同時，做好檢測、準確測量功能的檢查工作，以保證其能夠正常啟動和運行[2]。然后進入觀測環節，使用全站儀觀測精密測量對象，并且按照實際標準操作全站儀，同時記錄精密測量得到的信息。

3 智能化全站儀的應用方法

3.1 作業組織

要想充分進行測繪、放線工作，必須根據現場的具體環境做好前期準備工作，把測繪區域的地形特點有機統一起來，對測量任務進行專業分工，以GPS測控站的布置工作為基礎，統一任務流程，保證基礎細部測量工作能達到要求。特別是在測量管道和墻體的構造時，由于GPS 技術無法完全進行準確測量和收集地區數據，因此可采用全站儀對界址及相關的參數進行系統的紀錄和分析。

3.2 整合技術

要想充分提高全站儀的測向水平和參數結構的完整性，必須把全站儀與GPS 技術相結合，使采點工作得到有效的集成，才能充分發揮出儀器的實際應用價值，使衛星的數據質量達到C6。例如，在一個新的不包含建筑物的廠區，可利用GPS 技術收集零散的數據，而在老建筑地區，需要利用全站儀收集所有的數據。

3.3 內業數據

為使整個工程的數據分析更加完美，不僅要收集和分析外部數據，還要將資料傳送到計算機，由計算機進行測試和分析，并進行相關的測繪和處理，以便對整個區域進行有效的分析和統計。同時，將所有的數據都收集起來，確保內業數據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，區分內部工作和外部工作，把樣圖打印出來，形成現場的測量工作，維護精度定位檢驗處理工序，保證對真實的坐標進行測量和分析，使整個測量水準得到了充分統一。在GPS 測量檢測點的坐標后，根據測量的長度，采用鋼尺進行測量，既能保證測量結果的準確性，又能保證誤差的合理性。

此外，在對現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性，從而維持對內業資料的處理與分析。

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確率，降低誤差的產生。

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合起來，同時根據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，必須將測點設置在控制點上，并且將其作為基礎向控制點加以傳遞。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確，才能確保測試儀的穩定性，從而保證測量的準確性。

3.7 計算三維坐標

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，在確定了基本規則后，再采用極坐標法進行測量，這樣不但精度高、計算方便，而且能在控制點上設置一個測站點，通過計算距離和角度來獲取坐標。在進行測量時，主要是針對角度、邊長等進行計算，并根據垂直角、儀器等參數對三維坐標進行精確的計算。

3.8 數字化測量

3.8.1 野外數據采集

按照結算方式采集郊區統計數據，對整體目標區域進行精準測量，根據地測人員的個人電腦進行三維坐標繪制和信息存儲。在土地測量中做好詳細記錄工作，如監測站的水平角度、主要參數、垂直角度等，收集連接函數、數量等部分的數據。在采集現場統計數據的過程中，工作人員還必須制作準確測量的稿件。但由于工作人員在稿件制作全過程中使用的軟件并不統一，這也決定了稿件制作所使用的主要參數之間存在差異。因此，工作人員在記錄統計數據時，必須嚴格執行統一的參數編制，保證統計數據的可遷移性。

3.8.2 數據傳輸與處理

測量過程中得到的數據需及時進行傳輸，以防后續測量過程中的突發事件造成數據丟失或者損壞，進而導致前期工作功虧一簣。通過無線網絡可以將隨身攜帶的設備終端與全站儀相連，并且通過網絡將采集到的數據發送到電腦上進行備份[4]。

4 全站儀在測量質量控制中的應用

4.1 DOS 操作系統

國產第一代全站儀的“大腦”是根據硬盤操作系統（Disk Operation System，DOS）操作系統開發制造的。DOS 操作系是一種基于磁盤管理的操作系統，與目前人們使用的操作系統最大的區別在于它是一種命令模式，依靠打字指令進行人機交互，并根據指令模式將命令發送給電子計算機，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。初始全站儀的關鍵是基礎數據采集，它規定了“光”“機”“電”等部件可以根據基本指令進行操控，獲取的信息可以根據固定計算公式得出坐標數據，嵌入式DOS 系統控制面板是當時性價比最高的選擇。

4.2 Windows CE 系統

Windows Embedded Compact（Windows CE）系統是微軟公司嵌入式和移動測量平臺的基礎，是一個開放且可更新的32 位嵌入式操作系統，可用于各種嵌入式系統，或硬件規格較低的電子計算機系統（如內存很小、微處理器速度較慢等）。Windows CE 系統具有類似桌面的圖形界面，同時具有按照Win 32 模塊化設計、結構和應用程序界面的特點。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，并且在該系統下，其對應的編程開發環境與桌面Windows系統相同，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 系統中。在Windows CE 時代，全站儀的應用軟件得到了擴展，應用領域也得到了豐富[5]。

4.3 安卓操作系統

由于不同智能操作系統的特點和成本存在一定的差異性，Android 操作系統在現階段各類工業自動化中的優勢更為顯著，其是基于Linux 內核的開源移動操作系統。Google 成立的開放手持設備聯盟（Open Handset Alliance，OHA） 持續進行領導與開發，主要設計可直接觸摸的顯示屏。安卓操作系統使用移動終端訪問普通網站，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、平板電腦等便攜設備。Android 操作系統的翻頁鍵以客戶的即時實際操作為基礎，根據觸摸輕松完成各種交互打字，適用于各種高度可定制的應用軟件。

5 全站儀在使用中存在的誤差分析

5.1 全站儀軸系誤差

與傳統的經緯儀相比，全站儀在光學原理上的優越性缺失較多，并且在實際測量中，由于軸系統的誤差較大，會嚴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鏡十字線的中心進行調節，造成了交叉點的偏離，導致全站儀的視線軸與該設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一些偏差，造成軸向偏差。在檢測軸系統的偏差時，在視準軸、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觀察，或者從度盤的右側觀察，觀察到的視角都是集中在準心的左右兩側。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部分在同一方向上旋轉，從而減少由于旋轉引起的誤差。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，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。測量誤差的出現與人類的視力有限有關，人體的視力無法達到理想的瞄準效果，造成測量的結果與實際的相差很大。此外，測量的準確性也會出現偏差，進而造成測量的偏差。在傳統的光學測量中，測量的距離、速度、空氣的折射系數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的偏差而受到影響，使其不能準確地反映出站儀表的軸系統誤差。為減小軸系偏差，可通過調整全臺儀的傾角使觀察角變為半反量，大大提高測量的準確率。但在實際應用中，觀察角的調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，首先進行高程的測量，再通過三角體的彎曲來確定其誤差。實際應用該方案時，可通過這種采用中間設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，極大地提升了現場的工作速度。

6.3 全站儀的測距誤差精度控制

在實際應用中，可以采用相位式光電技術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 結語

全站儀不僅可測量原始數據（水平角、豎直角、斜距），在計算坐標、平距、高差、方位以及坡度等方面也具有突出優勢，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，現在都可以通過全站儀進行。全站儀整個系統就像計算機硬件，通過安裝不同的軟件實現不同的作用和功能。目前尚未開發的內建軟件還有很多，期望未來的研究可以更精準、科學，以更快、更準確地服務土地測量工作。