工程测量中智能化全站仪的应用

文 英 巴音郭楞职业技术学院

全站仪是科技时代的产物，是智能化的测量产品，全站仪的使用将测量人员从繁重的测量工作中解脱出来。全站仪是指全站型电子测距仪(Electronic Total Station)，是一种集光、机、电于一体，能同时测量水平角、竖直角、距离（斜距、平距）以及高差的测量仪器系统。因安置一次仪器就可完成该检测站全部测量工作，所以称之为全站仪。基于此，笔者重点阐述工程测量中全站仪在数字化测图方面的应用。

1 全站仪概述

1.1 全站仪简析

全站仪，全称是全站型电子测距仪，是集光、机、电于一体的高度自动化的工程测量仪器，广泛应用于工程建设、水利工程、交通运输等高精度测量或房屋建筑及地表变形的监测等。全站仪具有自动测角、自动测量、图形显示、数据存储以及无线传输等多种功能。近年来，全站仪除了常用的基本测量方法外，如视角测量、距离测量、坐标测量等，还具有对角线测量、悬高测量、轴力测量以及面积换算等多种测量方法，其程序流程及功能非常丰富。全站仪在测绘、施工放样等方面具有极强的优势。借助可编程计算器、PC 等相关辅助软件，全站仪在工程项目测量实践中发挥了非凡的使用价值。

1.2 全站仪的特点

全站仪表是一种测控设备。在人工测量中，全站仪的自动技术特点非常突出。同时，随着科技、信息技术、人工智能等领域的发展与广泛运用，全站仪的智能化水平得到了极大的提高。全站仪器可以进行数据的传送与储存，全面准确地测量数据。全站仪可利用网络技术对标定资料、标定结果进行自动校核，并能自动更新数据，使其具有开放性和完整性。全站仪还可利用计算机技术实时、准确地将测量数据传输到计算机终端进行数据储存。此外，将智能化的全站仪器与测绘工程软件有机融合在一起，可以进行远距离、准确的测控，极大地减少了人工工作量，提高了工作速度。

1.3 全站仪的优势

随着智能化时代的到来，全站仪产品的开发利用以及应用范围变得更加广泛，这是由于全站仪功能齐全，测量结果准确度高。与其他检测仪器相比，智能化全站仪还具有更好的纠偏功能。智能化全站仪也适用于许多复杂而精确的测量环境，全自动实际运行水平高、偏差小，使整体工作效率大幅提高[1]。智能化全站仪可以缓解员工在操作中的压力，从而降低偏差概率。因此，智能化全站仪实际上属于微型电气设备。随着科学技术的飞速发展，其功能作用将不断完善。

2 智能全站仪的操作步骤

在将智能化全站仪应用于活动过程中，必须注意实际操作过程，并且在应用前做好充分的准备工作。在准备的过程时，需调整全站仪的结构，确保其电池性能保持正常。此外，其主要参数应根据实际情况进行设置，保证全站仪处于调平状态。同时，做好检测、准确测量功能的检查工作，以保证其能够正常启动和运行[2]。然后进入观测环节，使用全站仪观测精密测量对象，并且按照实际标准操作全站仪，同时记录精密测量得到的信息。

3 智能化全站仪的应用方法

3.1 作业组织

要想充分进行测绘、放线工作，必须根据现场的具体环境做好前期准备工作，把测绘区域的地形特点有机统一起来，对测量任务进行专业分工，以GPS测控站的布置工作为基础，统一任务流程，保证基础细部测量工作能达到要求。特别是在测量管道和墙体的构造时，由于GPS 技术无法完全进行准确测量和收集地区数据，因此可采用全站仪对界址及相关的参数进行系统的纪录和分析。

3.2 整合技术

要想充分提高全站仪的测向水平和参数结构的完整性，必须把全站仪与GPS 技术相结合，使采点工作得到有效的集成，才能充分发挥出仪器的实际应用价值，使卫星的数据质量达到C6。例如，在一个新的不包含建筑物的厂区，可利用GPS 技术收集零散的数据，而在老建筑地区，需要利用全站仪收集所有的数据。

3.3 内业数据

为使整个工程的数据分析更加完美，不仅要收集和分析外部数据，还要将资料传送到计算机，由计算机进行测试和分析，并进行相关的测绘和处理，以便对整个区域进行有效的分析和统计。同时，将所有的数据都收集起来，确保内业数据分析与计算的完整性。

3.4 精度分析

要充分贯彻全站仪器的工作要求，区分内部工作和外部工作，把样图打印出来，形成现场的测量工作，维护精度定位检验处理工序，保证对真实的坐标进行测量和分析，使整个测量水准得到了充分统一。在GPS 测量检测点的坐标后，根据测量的长度，采用钢尺进行测量，既能保证测量结果的准确性，又能保证误差的合理性。

此外，在对现场地物的管理与地勘工作进行了校正之后，必须确保辅助测试工作的系统性，从而维持对内业资料的处理与分析。

3.5 多余测量

通常情况下，多余测量在整个工程中是不可缺少的，使用多余测量可以有效提高测量的准确率，降低误差的产生。

一是进行高差和边长的测定，在放点、放线和定位的过程中，必须将高差和边长的测量结合起来，同时根据棱柱的高度来确定垂直差和斜距。

二是横向角度的测定，一般都会采用横向角度的方法来进行测量，通过观察左右拐角处的角度以提高精度，但在进行整体角度的测量时，必须采用两个顶点进行测量[3]。

3.6 碎部点测量

从某种意义上来说，在测量碎部点的过程中，必须将测点设置在控制点上，并且将其作为基础向控制点加以传递。另外，在整个测量中碎部点测量是非常重要的，也是最常用的一种。测量时必须要将全站仪和计算机相连，然后把测量结果传送到计算机上，再通过软件进行处理，才能绘制出最终的成果图。但由于各种因素的影响，在进行碎部点测量时，必须要确保测试仪的位置准确，才能确保测试仪的稳定性，从而保证测量的准确性。

3.7 计算三维坐标

一般情况下，由于测量时没有足够的控制点，所以最好的办法就是增加图根点和测站点，在确定了基本规则后，再采用极坐标法进行测量，这样不但精度高、计算方便，而且能在控制点上设置一个测站点，通过计算距离和角度来获取坐标。在进行测量时，主要是针对角度、边长等进行计算，并根据垂直角、仪器等参数对三维坐标进行精确的计算。

3.8 数字化测量

3.8.1 野外数据采集

按照结算方式采集郊区统计数据，对整体目标区域进行精准测量，根据地测人员的个人电脑进行三维坐标绘制和信息存储。在土地测量中做好详细记录工作，如监测站的水平角度、主要参数、垂直角度等，收集连接函数、数量等部分的数据。在采集现场统计数据的过程中，工作人员还必须制作准确测量的稿件。但由于工作人员在稿件制作全过程中使用的软件并不统一，这也决定了稿件制作所使用的主要参数之间存在差异。因此，工作人员在记录统计数据时，必须严格执行统一的参数编制，保证统计数据的可迁移性。

3.8.2 数据传输与处理

测量过程中得到的数据需及时进行传输，以防后续测量过程中的突发事件造成数据丢失或者损坏，进而导致前期工作功亏一篑。通过无线网络可以将随身携带的设备终端与全站仪相连，并且通过网络将采集到的数据发送到电脑上进行备份[4]。

4 全站仪在测量质量控制中的应用

4.1 DOS 操作系统

国产第一代全站仪的“大脑”是根据硬盘操作系统（Disk Operation System，DOS）操作系统开发制造的。DOS 操作系是一种基于磁盘管理的操作系统，与目前人们使用的操作系统最大的区别在于它是一种命令模式，依靠打字指令进行人机交互，并根据指令模式将命令发送给电子计算机，使计算机可以完成实际操作。由于DOS 可以立即浏览硬件配置，因此特别适用于操作嵌入式机器。初始全站仪的关键是基础数据采集，它规定了“光”“机”“电”等部件可以根据基本指令进行操控，获取的信息可以根据固定计算公式得出坐标数据，嵌入式DOS 系统控制面板是当时性价比最高的选择。

4.2 Windows CE 系统

Windows Embedded Compact（Windows CE）系统是微软公司嵌入式和移动测量平台的基础，是一个开放且可更新的32 位嵌入式操作系统，可用于各种嵌入式系统，或硬件规格较低的电子计算机系统（如内存很小、微处理器速度较慢等）。Windows CE 系统具有类似桌面的图形界面，同时具有按照Win 32 模块化设计、结构和应用程序界面的特点。对于全站仪用户来说，友好的操作面板提升了客户的体验感，并且在该系统下，其对应的编程开发环境与桌面Windows系统相同，使得大部分工程项目计算软件只需做简单改动即可移植到Windows CE 系统中。在Windows CE 时代，全站仪的应用软件得到了扩展，应用领域也得到了丰富[5]。

4.3 安卓操作系统

由于不同智能操作系统的特点和成本存在一定的差异性，Android 操作系统在现阶段各类工业自动化中的优势更为显著，其是基于Linux 内核的开源移动操作系统。Google 成立的开放手持设备联盟（Open Handset Alliance，OHA） 持续进行领导与开发，主要设计可直接触摸的显示屏。安卓操作系统使用移动终端访问普通网站，由于移动终端宽度的限制，访问者会左右滑动，以便能够使用智能、平板电脑等便携设备。Android 操作系统的翻页键以客户的即时实际操作为基础，根据触摸轻松完成各种交互打字，适用于各种高度可定制的应用软件。

5 全站仪在使用中存在的误差分析

5.1 全站仪轴系误差

与传统的经纬仪相比，全站仪在光学原理上的优越性缺失较多，并且在实际测量中，由于轴系统的误差较大，会严重影响整个测量的精度。因此，必须对造成这种偏差的因素进行研究。首先，因为全站仪在安装时没有对望远镜十字线的中心进行调节，造成了交叉点的偏离，导致全站仪的视线轴与该设备的横向轴不能交叉，造成了误差。其次，受到周围气温的影响，测量仪的定位轴线可能会出现一些偏差，造成轴向偏差。在检测轴系统的偏差时，在视准轴、横轴和垂直轴等位置的校正中存在着位置不精确的问题，造成了横向偏差。

5.2 全站仪度盘误差

全站仪表的偏差主要是由被观察对象的竖向角造成的，而且垂直角越大，造成的刻度偏差越大，反之，竖向角越小，造成的刻度偏差越小。不管是从度盘的左侧观察，或者从度盘的右侧观察，观察到的视角都是集中在准心的左右两侧。为了解决这个问题，在实际测量中，可以获得左右两个测量值的平均，并且保证扫描板和校准部分在同一方向上旋转，从而减少由于旋转引起的误差。在纵向观察时，通过对纵向轴线和电子扫描仪的角度进行校正，可以使半测回角度的偏差得以实现，减小了纵向上的刻度偏差。在全站仪器测量误差中，最常用的误差有周期性误差和加、乘常数误差。

5.3 全站仪测距误差

在采用全站仪器进行距离测量时，一般采用两个点的高度差异作为距离的方法。测量误差的出现与人类的视力有限有关，人体的视力无法达到理想的瞄准效果，造成测量的结果与实际的相差很大。此外，测量的准确性也会出现偏差，进而造成测量的偏差。在传统的光学测量中，测量的距离、速度、空气的折射系数等因素是引起测量误差的主要原因。

6 提高全站仪测量精度的控制措施

6.1 全站仪的轴系误差精度控制

在水利工程中，全站仪所获取的实时资料往往会因为轴坐标的偏差而受到影响，使其不能准确地反映出站仪表的轴系统误差。为减小轴系偏差，可通过调整全台仪的倾角使观察角变为半反量，大大提高测量的准确率。但在实际应用中，观察角的调整会受到仪表出厂时的测量精度的制约，造成横向和纵向轴线的偏差。

6.2 全站仪的度盘误差精度控制

通常可利用三角型高程来实现对全站仪度盘误差的精确控制。而在三角高程的精确控制上，则以实际案例为基础，首先进行高程的测量，再通过三角体的弯曲来确定其误差。实际应用该方案时，可通过这种采用中间设置全站仪工程实例计算方法，使其在不受限于地势条件下，仅需安装一台全站仪即可完成，极大地提升了现场的工作速度。

6.3 全站仪的测距误差精度控制

在实际应用中，可以采用相位式光电技术进行全站仪测距误差的精度控制。这种精度控制可以针对人眼的分辨度与观测能力以及所处的观测环境条件的限制，且很难用公式加以计算等问题，来提高测距误差的精度控制，继而通过多次取平均值进行测量，以最大程度地减小全站仪的测距误差，从而提高测距误差的精度控制。

7 结语

全站仪不仅可测量原始数据（水平角、竖直角、斜距），在计算坐标、平距、高差、方位以及坡度等方面也具有突出优势，例如运算速度更快、图文并茂、程序更实用等。过去需要使用计算机进行运算的工作，现在都可以通过全站仪进行。全站仪整个系统就像计算机硬件，通过安装不同的软件实现不同的作用和功能。目前尚未开发的内建软件还有很多，期望未来的研究可以更精准、科学，以更快、更准确地服务土地测量工作。