仪免后视定向测量点坐标的方法探究

陈朵 李行 郭世宁

摘要：随着全国各地山水林田湖草生态修复项目的陆续开展，依照设计在矿山危岩体清除等施工过程中，经常需要对同一区域不同时间段的地形进行多次测量。由于山体表面受施工影响受到破坏，在使用全站仪测量前需要重新使用GPS测设控制点，整个测量过程烦琐。本文介绍一种全站仪免后视定向就能准确测量未知点位坐标的方法，实践表明该方法相比常规方法更为简便快捷，且对GPS的依赖大大降低，在类似的施工环境中可广泛推广应用。

关键词：山水林田湖草；全站仪；免后视定向

1.引言

在山水林田湖草生态修复项目施工过程中，经常需要对同一区域不同时间段的山体地形进行多次测量，以满足设计的要求。采用常规后视定向的方法测量目标地物坐标，全站仪需要架设在已知坐标点位上，至少需要一个后视点位定向。受施工影响，上次制作的控制点桩很容易受到破坏，因此需要频繁地使用GPS测设新的控制点，十分不便。新方法只需要将全站仪整平，以一个近似真北方向定向，然后测量岩壁面上的两个已知点，可以直接测量，在内业只需要在制图软件上对点位图形进行平移和旋转，便可得到真实的坐标数据。该方法不受施工和GPS信号的限制，且操作流程简单、不需要多次使用GPS测量点坐标，提高了外业工作效率。本文从介绍全站仪的相关理论出发，到结合施工应用，最后就这种免后视定向测点的方法在矿山测量中的应用进行探讨。

2.全站仪测量点位坐标的原理及基本操作

2.1全站仪测点的原理

全站仪即全站性电子速测仪，是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统。

常规的全站仪测量点坐标主要是利用电子测距和电子测角功能实现的，具体操作为通过旋转全站仪的水平度盘利用电子测角功能测定以架站点A为端点、经过后视点B的射线，以架站点A为端点、经过目标点C的射线两者水平投影之间的夹角α（图1），旋转垂直度盘测定以架站点为端点、经过目标点的射线与水平直线之间的夹角β（图2），再结合电子测距功能测定架站点与目标点之间的直线距离S，利用夹角β和距离S两个数值，结合三角函数便可计算出架站点A与目标点C之间的水平投影距离L、架站点A与目标点C的高差h，最后综合水平夹角α、水平距离L和高程差值h，便能得到目标点C相对架站点A在在三维空间上的准确位置。

2.2全站仪测点的操作步骤[1]

外业使用全站仪测量点位坐标，整体可分为测站设置、后视定向、观测目标点位三大步骤。具体操作步骤如下：

（1）测站设置：将全站仪架设在已知坐标点位上，对中整平，在全站仪中输入测站点的坐标和仪器高度。

（2）后视定向：在后视点上架设好棱镜，在全站仪里输入后视点坐标和棱镜高度。在使用免棱镜功能进行后视定向时为相同的操作步骤，只需要用挡光板替换掉棱镜，瞄准的挡光板中心离地距离替换棱镜高度即可。

（3）观测目标点位：先将物镜大致瞄准目标点方位，然后通过微调水平微动螺旋和垂直微动螺旋准确瞄准，最后按键确认即可自动记录目标点位坐标。

3.全站仪免后视定向测点的原理及操作步骤

全站仪免后视定向测点的方法步骤和常规的方法类似，只是省去了输入测站点坐标和后视定向这两个环节，即全站仪整平后，只输入概略的测站坐标，不进行后视定向，直接进行目标点位觀测。尤其要注意的是在观测目标点位的同时，需要对至少两个距离较远的已知点位进行精准观测。将其最终获取的目标点位坐标、展在南方Cass9.1测图软件界面上，其中点A′、B′、C′、D′、E′为发生位移的点位（图3），对比与之对应的真实平面坐标点A、B、C、D、E（图4），有以下三个显著特点：

（1）获取的坐标数据之间相对位置准确；

（2）在平面坐标系中，获取的目标点位平面坐标相比真实点位平面坐标、发生以点为中心的一定角度旋转，从而导致相比真实坐标产生不等量位移；

（3）在坐标高程方面，获取目标点位高程值相比其真实高程值的差值相等。

通过观察以上三个显著特点可以判断，全站仪免后视定向测量点坐标，主要发生点位在平面坐标上的平移和旋转，点位高程很容易通过固定的数值进行统一纠正。

假如通过常规的数学计算，恢复目标点位平移和旋转造成的数据误差需要大量的数据计算，过程十分烦琐，从工作效率上来讲也是得不偿失。但是如果将这些点位图形在计算机制图软件上直接进行恢复，进而得到准确坐标值则十分简单，以Cass9.1软件为例，结合图3和图4，具体操作如下：

（1）在软件界面统选A′、B′、C′、D′、E′5个点，再以点A′为基准点进行整体平移，使点A′与点A重合（图5）；

（2）通过角度测量工具计算线段AB与线段AB′之间的夹角γ；

（3）统选A′、B′、C′、D′、E′这5个点，以点A′为原点进行旋转，旋转角度为γ；

（4）使用主菜单“工程应用”里的“指定点生成坐标文件”功能，选中旋转后的A′、B′、C′、D′、E′这5个点，即可得到真实的平面坐标数据文件；

（5）计算已知点位A（或B）的真实坐标高程与未进行后视定向测得点A′（或B′）的坐标高程差值，将上一步得到坐标数据的高程进行统改，即得到所测点位的正确三维坐标。

4.全站仪免后视定向测点的优势和应用

全站仪免后视定向进行测点相比传统测点方法有以下几点明显优势：

（1）最大程度地降低了对GPS的依赖，同一地形不同时间段的测量施工，只需要在第一次测量时额外标记好岩壁上不受施工破坏的点位，后面几次测量工作便可以利用这些点位正常开展，不需要使用GPS。

（2）减少作业步骤，提高作业效率。避免了多次测量测站点和后视点，全站仪只需要调平即可进行观测。

该方法除了运用在矿山测量上，在一些不便通视的地籍测量、河道测量等方面也能有效的利用。例如在地籍测量中，为了方便一站观测几个重要的拐点坐标，须在一个悬空处需要架设全站仪，常规方法无法转站进行观测；再比如在一些淹膝的浑水中架设全站仪，即使测得测站点坐标也很难顺利对中；在这些恶劣环境下，该方法都能有效解决测量施工问题。

5.结论

全站仪发展到今天，已经是一种很成熟的测量工具，除了掌握它的常规操作方法，在实际施工中我们也要学会结合强大的计算机辅助制图软件解决施工中遇到的问题，在实践中不断总结思考、优化工作方法。

参考文献：

[1]国家测绘地理信息局职业技能鉴定指导中心.测绘综合能力[M].测绘出版社， 2017.