基于全站仪改良的万向调节快速定点装置

周彦彤 金美岑 范帅佐 郝振煊

(1.东北林业大学园林学院，黑龙江 哈尔滨 150000； 2.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

20世纪70年代起，伴随着科技的发展，信息化时代的到来，历史悠久的测绘科学也发生了巨大的变化——全站型电子速测仪(简称全站仪)得到广泛应用。全站仪作为集光学、机械、电子信息于一体的智能测绘仪器，使传统测量技术迈入自动化、数字化、高效率的发展新阶段的同时，也带来了一些繁琐的操作步骤。本文在全站仪操作使用原理的基础上进行研究，针对全站仪定点装置进行改良，提出万向调节快速定点装置，以解决全站仪定点操作过程中棱镜使用的不便，大大增强了棱镜的稳定性，从而提高测量精确度，并且能够实现“一次架设，多次测量”，加快了测量速度，提高使用的方便性，操作的简便性；同时避免了二次或者多次立杆，快速定位地面的坐标，大大提高了测量的准确率和效率，减少了野外勘探测量所需的人力、物力。

1 全站仪定点装置的应用与弊端

1.1 建筑工程施工中的应用现状

“全站仪”全称为“全站型电子速测仪”通称为“电子全站仪”或“电子速测仪”。它是一种可以同时进行近距离测量、行角度测量和数据处理，由光学、机械、电子元件等构件有机结合起来的电子测量仪器。由于它能自动完成外业测量中测距、测角、测高差，并对测量数据进行记录、检核，同时与互联网相连接，载入Windows10系统，将测量所得数据自动显示、记录、存储并输出，较完善地实现测量和处理过程的电子化和一体化勘测效果，因此被称作全站仪。同时，全站仪测距发射轴、接收轴与望远镜视准轴三轴共轴，适合对空间点及移动目标进行测量，且内部配有功能完备的测量应用软件，测量操作方便快捷。

近些年来，随着微电子技术的持续发展与应用，新一代的全站仪无论是在外观、构造、体积和重量等方面，还是在功能、效率方面，都有了极大的革新和进步，测绘技术的发展迈入了一个崭新的阶段。时至今日，中国仍然处于大规模基础设施建设时期，全站仪仍然被大范围广泛使用。全站仪在建筑工程施工放样中具有精准度高、智能数字化等优点。除此之外，自动化测量仪器全站仪还配有撤销键，可以对测量所得的竖直角以及水平角指标差进行撤销，重新测量，完成测绘过程中的内业检核工作，提高建筑工程施工中测量数据的精准度；同时全站仪与计算机相连接，可以借助计算机远程操作实现对全站仪的控制。

1.2 应用弊端及创新思考

建筑工程施工中，使用全站仪常用作业方法是在地形图中的已知点或者未知点上架站，利用周边的已知标定点通过边角前方交会法或后方交会法测得架站点与已知标定点相关的坐标方位角及距离，最终计算出测站点的坐标；随后，再在仪器上进行测站设置，运用角度后视法完成一系列操作后进行地形图的相关测量。在测绘场地周边有足够的已知点的情况下，这种方法是具有可行性的，但是在某些不利条件下，实施起来却相对困难，例如:假定设站点在河的左岸，要测量河右岸的一片地形图，为了方便观测，将仪器架设于河左岸，但左岸没有已知控制点，在右岸也只可见控制点A和B，且测绘人员不易抵达两个控制点。一般的方法可分为两种，一种是将全站仪架设于右岸已知点上，将控制点传到左岸;另一种是将仪器架设于左岸，派一名勘测员携带棱镜到右岸已知点上，使用边角交会法求出架站点坐标。这都需要不少的时间和人力，效率不高，存在不必要的资源浪费。

由此可见，为提高测量仪器定点装置在使用过程中存在的诸多不便，需针对因棱镜多次架设导致的定点操作过程繁琐、效率低下的问题进行思考，积极寻求低成本、高效率的改良途径，提高全站仪定点装置的工作效率，实现“一次定点，多次测量”的测量效果。

2 万向调节快速定点装置设计的基本特征

2.1 什么是万向调节快速定点装置

全站仪作为集各种测量功能于一体的勘测仪器系统，我们通过研究全站仪的工作原理，发现其操作过程的繁琐之处集中于棱镜的应用、架设、定点过程中，全站仪测量未知点坐标时首先将测量仪器架设在已知点，对中整平，完成测量前的准备工作，再发射激光照射于棱镜上，棱镜由于人为控制会存在一定不稳定因素，同时每架设一处棱镜仅进行一点数据的测量，效率低且精准度不高。万向调节快速定点装置将全站仪协作目标——棱镜对中杆加以改进，以解决棱镜使用中的不便，精简操作步骤以及提高测量工作的有效性及测量结果的稳定性，实现“一次架设，多次测量”，加快测量速度，达到快速且准确地定位地面的坐标的目的，大大提高了勘测效率和准确性。

2.2 万向调节定点装置的构件组成

全站仪定点装置在使用时，一次可测量点较少，需多次立杆测量，增加工作强度。万向调节快速顶点装置针对此状况对全站仪定点装置进行改良，其结构组成见图1。

2.3 万向调节快速定点装置构件连接方式

主杆顶部分别套有气泡盘、高度旋钮A，并插有伸缩杆A；伸缩杆A顶部套有高度旋钮B，并插有伸缩杆B；伸缩杆B顶部通过螺纹与固定旋钮连接。三脚架顶部具有一圆孔，内穿有对中杆，对中杆顶部插有水平旋钮，内穿有中心转杆，中心转杆顶部通过轴与折叠万向杆后端连接，折叠万向杆前端通过松紧旋钮B与连接件连接，连接件通过S挂钩与棱镜连接，折叠万向杆包括主臂A、主臂B，主臂A、主臂B两端分别通过螺栓与关节A、关节B连接，伸缩弹簧A右侧穿在关节A圆孔内，伸缩弹簧A左侧通过螺栓与主臂B连接，关节B通过螺栓与辅臂A和伸缩弹簧B连接，并通过松紧旋钮A与辅臂B连接，辅臂A、辅臂B通过螺栓分别与关节C连接，关节C下方安装有松紧旋钮B。

2.4 万向调节快速定点装置的工作原理

相较于传统全站仪繁琐的操作流程，万向调节快速定点装置不仅可以实现“一次架设，多次测量”，还达到了高效测量，节约人力的效果。仍然假设测量驻扎点在河的左岸，要测量右岸一定范围内的地形图，当万向调节的定点装置配合全站仪使用时，首先，将全站仪架站于左岸合适的位置(确定架站位置安全且方便测量对面的地形)再在全站仪上输入测站点三维坐标(0,0,0)；其次，派一名测绘员去后视的已知坐标点(假设是A)进行后视，将架站点C水平投影至地面并在地面上标注位置，量取测量仪器高度值并记录(用于最终计算C点三维坐标);第三，测绘员到达测图区后开始进行数据采集工作，同时派一名测绘员携带万向调节快速定点装置到达后视已知标A点上，由于已知标距离较远且不易抵达，一般情况下这个测绘员抵达指定的已知标需要一定的时间，在这个过程中，其他的测绘员可以开始跑点，测站可以开始进行数据采集(注:此时采集的数据为以测站C为原点，测站C至A为前进方位角的独立坐标系坐标);第四，当那个司镜员抵达已知标后，于测站点上通过边角交会法求出测站点北京坐标系坐标并记录在数据记录本中，同时将测量A点的独立三维坐标一并记录下来;第五，对所得测量数据进行内业计算检核。

由此可见，操作改良后的万向调节快速定点装置配合全站仪使用时，在不动点的情况下一定范围内任意调节折叠伸缩杆，可节约测量过程为改变棱镜定点位置，反复往返于全站仪与写作目标之间的时间，避免了二次或者多次立杆，快速定位地面的坐标，大大提高了效率和减少了人力。

3 万向调节快速定点装置使用先进性

3.1 一次定位，多次测量

万向调节快速定点装置，在全站仪定点装置的基础上增设了折叠伸缩杆，实现了一次定位，多距离多角度测量，避免了二次或者多次立杆，快速定位地面的坐标，解决全站仪棱镜使用中的不便，同时由于折叠伸缩杆轻便、构造简单，大大增强了立镜的稳定性，从而提高测量精确度，加快了测量速度，提高使用的方便性，操作的简便性。

3.2 扩大测量范围

万向调节快速定点装置的对中杆顶部插有水平旋钮，水平旋钮内穿有中心转杆，中心转杆顶部通过轴与折叠万向杆后端连接，采用这种结构能够使所述的折叠伸缩杆以所述的中心转杆为轴进行旋转范围测量，加大测量范围，灵活便利。

万向调节快速定点装置的折叠伸缩杆前端通过松紧旋钮B与连接件连接，连接件通过S挂钩与棱镜连接，这种结构能使所述的棱镜通过折叠伸缩杆改变棱镜的位置，其目的实现更大测量范围。

3.3 操作简便

万向调节快速定点装置的折叠伸缩杆包括主臂A、主臂B、辅臂A、辅臂B，主臂A、主臂B两端分别通过螺栓与关节A、关节B连接，伸缩弹簧A右侧穿在关节A圆孔内，弹簧A左侧通过螺栓与主臂B连接，关节B通过螺栓与辅臂A和伸缩弹簧B连接，关节B通过松紧旋钮A与辅臂B连接，辅臂A、辅臂B通过螺栓分别与关节C连接，关节C下方安装有松紧旋钮B，采用这种结构可以实现两臂伸至为一条直线时为定点后可测量的最大范围，在此范围内，折叠伸缩杆以关节为中心进行折叠，可实现任意调节棱镜的位置，操作简便。

3.4 易拆卸分离，方便携带

万向调节快速定点装置对中杆包括主杆，主杆顶部分别套有气泡盘、高度旋钮，并插有伸缩杆A，伸缩杆A顶部套有高度旋钮B，伸缩杆顶部插有伸缩杆B，伸缩杆顶部通过螺纹与固定钮连接，由此可调节定点装置至适宜高度，操作便利，同时三脚架、折叠伸缩杆及棱镜可拆卸分离，方便携带。

3.5 造价低，耐腐蚀

万向调节快速定点装置的三脚架、对中标杆、折叠伸缩杆采用不锈钢材料，活动关节处涂有防腐涂料，可长期用于野外施工，外观不易腐蚀经久耐用，重量轻方便携带。

4 结语

探究全站仪在工程放样中的应用，不仅能够提高在建筑工程放样时的精确度，还有利于提升工程测量的准确性，便于建筑行业的从业人员工作，提高建筑行业的工作效率。

因此测量人员在建筑工程施工中，除了需要了解全站仪的内部构造以及使用原理，还应自觉提高自身的专业技能，发挥自身的创造力和能动性，不断改良测量工具，以提升建筑工程测量的精准度，进一步提高工作效率，更好的为建筑工程施工服务。

注：指导老师：付升隆。