工程测量课件全站仪原理及使用

1、n附录附录 全站仪及其使用全站仪及其使用n1 全站仪概述全站仪概述n全站仪(total station)是由电子测角、光电测距、微型机及其软件组合而成的智能型光电测量仪器，其结构如图5-1所示。世界上第一台商品化的全站仪是1968年西德OPTON公司生产的Reg Elda14。 n全站仪的基本功能是测量水平角、竖直角和斜距，借助于机内固化的软件，可以组成多种测量功能，如可以计算并显示平距、高差以及镜站点的三维坐标，进行偏心测量、悬高测量、对边测量、面积计算等。全站仪具有如下特点： n(1) 三同轴望远镜三同轴望远镜n在全站仪的望远镜中，照准目标的视准轴、光电测距的红外光发射光轴和接收光轴是同轴

2、的，其光路如图所示。因此，测量时使望远镜照准目标棱镜的中心，就能同时测定水平角、垂直角和斜距。 n2 NTS-355全站仪的基本操作全站仪的基本操作n图所示是南方测绘仪器公司生产的NTS-355中文界面全站仪，它带有数字/字母键盘，其主要技术参数为：一测回方向观测中误差为5，竖盘指标自动归零补偿采用液体电子传感补偿器，补偿范围为3；在良好大气条件下的最大测量距离为2.6km(使用三块棱镜)，距离测量误差为2mm+2ppm；带有内存的程序模块可以储存3440个点的测量数据和坐标数据；仪器采用6V镍氢可充电电池供电，一个充满电的电池可供连续测量810个小时。 n1) P1页菜单nP1页菜单有“置零

3、”、“锁定”、“置盘”三个选项。n“置零”选项n将当前视线方向的水平度盘读数设置为0。n“锁定”选项n将当前水平度盘读数锁定，该选项用于将某个照准方向的水平度盘读数配置为指定的角度值。n“置盘”选项n将当前视线方向的水平度盘读数设置为输入值。n2) P2页菜单n“倾斜”选项n当仪器竖轴发生微小的倾斜时，打开倾斜补偿器可以自动改正垂直角。n一般将望远镜视准轴的水平投影方向定义为X轴，仪器横轴方向定义为Y轴，NTS-355内的倾斜补偿器只能测量出仪器竖轴在X轴方向的倾斜角度，因此，只能计算并显示垂直角观测的改正值并自动对垂直角观测值进行改正。n“V%”选项n使竖盘读数在以角度制显示或以斜率百分比(

4、也称坡度)显示间切换。n3) P3页菜单n“H-蜂鸣”选项n开关蜂鸣声。当水平度盘读数分别为0、90、180、270、1时发出蜂鸣声。n“R/L”选项n使水平盘读数在右旋和左旋水平角之间切换。右旋等价于水平度盘为顺时针注记，左旋等价于水平度盘为逆时针注记。n“竖角”选项n使竖盘读数在天顶距(竖盘0位于天顶方向)和高度角(竖盘0位于水平方向)之间切换。 n用户可以在图所示的通讯软件NTS320.exe中输入编码值，输入时，每行一个编码，格式是“编码号, 赋值”。n图中“5,HangDi”表示旱地，“50,WeiQiang”表示围墙。nNTS320.exe软件由南方测绘仪器公司免费提供，它放置在随

5、书光盘“南方公司全站仪与计算机通讯软件”文件夹下，建议读者在Windows资源管理器将其拖放到Windows桌面上，然后在桌面上双击它，就可以启动。n如果当前测量工作不是为了数字成图，则不需要为编码赋值。 日本拓普康公司的GTS-600系列全站仪徕卡公司的TPS1100系列全站仪n它具有如下特点： n1) 马达驱动与自动目标识别。在自动目标识别模式下，只需要粗略照准棱镜，仪器内置的CCD相机立即对返回信号加以分析，并通过伺服马达驱动照准部与望远镜旋转，自动照准棱镜中心进行测量，并自动进行正、倒镜观测。该观测模式对于需要进行多次重复观测的点非常有用，如可以实现对大型水坝变形点进行无人值守的连续观

6、测。n2) 自动跟踪。在自动跟踪模式下，仪器能自动锁定目标棱镜并对移动的360棱镜进行自动跟踪测量，仪器内设的智能化软件利用CCD相机对返回信号进行分析处理，排除外界其它反射物体成像的干扰，可以保证在锁定目标暂时失锁时，也能立即恢复跟踪。n3) 镜站遥控测量。镜站可以通过操作RCS1100控制器遥控测站的全站仪进行放样测量，放样数据及测得的镜站当前坐标直接显示在RCS1100控制器中，这使得一个人进行测量成为可能。n4) 无反射棱镜测量。仪器内置有红外光和可见激光两种测距信号，当使用激光信号测距时，可以不用反射棱镜，直接照准目标测距。无棱镜测距的范围为1.5m80m，加长测程的仪器可以达到20

7、0m，测距精度3mm+2ppm。该功能对测量天花板、壁角、塔楼、隧道断面等有用。n5) 支持用户自编应用程序。仪器提供了GeoBASIC语言，它与标准BASIC语言相似，提供了数学计算、字符串管理和文件操作等功能。在使用GeoBASIC语言编程时，通过大量调用仪器提供的子程序，可以很容易编写出满足特定需要的应用程序。将编写出的应用程序装入仪器中后，应用程序将成为仪器菜单中的一部分。 n3 大比例尺数字测图大比例尺数字测图n一、大比例尺数字地形图生产方法概述一、大比例尺数字地形图生产方法概述n大比例尺数字地形图(large scale digital topographical map)是城市的

8、基本地图，它可以为与空间位置有关的城市各类GIS系统提供基础地理数据，以便这些信息系统对地理数据进行空间数据分析和管理，使更多行业的用户共享地图数据资源。n由于一个城市或地区大比例尺数字地图的建设和维护需要很大的投入和较长的时间才能完成，因此大比例尺地图数据库的建设应坚持充分考虑城市现有地图资源、经济发展水平和未来发展趋势的原则有计划、有步骤、因地制宜地实施。n通常将传统的白纸测图方法获得的地图称为图解地图(graphic topographical map)，大比例尺数字化地形图的生产方法主要有图解地图的数字化和数字测图两种。 n(1) 图解地图的数字化图解地图的数字化n可以采用手扶跟踪数字

9、化和扫描数字化两种方法进行图解地图的数字化。n图解地图数字化的方法建立大比例尺数字地图只是为了充分利用城市原有图解地图资源、尽快满足城市和工程建设对数字化地图产品需求的一种应急措施。n这样建立的数字化地图的精度不会高于作为工作底图的图解地图的精度。 1) 手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化需要的生产设备为数字化仪(digitizer)、计算机和数字化测图软件。n数字化仪由操作平板、定位标和接口装置构成，如图所示。n操作平板用来放置并固定工作底图，定位标用来操作数字化测图软件和从工作底图上采集地形特征点坐标数据，接口装置一般为标准的RS232C串行接口，它的作用是与计算机交换数据。工作前必须将数字化仪

10、与计算机的一个串行接口连接并在数字化测图软件中配置好数字化仪。 n数字化使用的工作底图必须是聚脂薄膜原图，将工作底图固定在数字化仪操作平板上，数据采集的方式是操作员应用数字化仪的定位标在工作底图上逐点采集地图上地物或地貌的特征点，将工作底图上的图形、符号、位置转换成坐标数据，并输入数字化测图软件定义的相应代码，生成数字化采集的数据文件，经过人机交互编辑，形成数字地图。n2) 扫描数字化n扫描数字化需要的生产设备为扫描仪、计算机、专用矢量化软件或数字化测图软件。n因工程大幅面扫描仪的价格较高，所以若单位无扫描仪时，也可将工作底图集中拿到专业公司扫描生成栅格图像文件(一般为TIFF、PCX、BMP

11、格式)，价格为20元/张左右，n这样扫描数字化就只需要计算机、矢量化软件或数字化测图软件就可以进行。将需要数字化的地图图像格式文件引入矢量化软件，然后对引入的图像进行定位和纠正。n数据采集的方式是操作员使用鼠标在计算机显示屏幕上跟踪地图位图上的地物或地貌的特征点，将工作底图上的图形、符号、位置转换成坐标数据，并输入矢量化软件或数字化测图软件定义的相应代码，生成数字化采集的数据文件，经过人机交互编辑，形成数字地图。n与手扶跟踪数字化方法比较，扫描数字化具有成本低、速度快、效率高的特点。 n(2) 地面数字测图地面数字测图n在没有合适的大比例尺地图的地区，当设备条件许可时，可以直接采用地面数字测图

12、方法，该方法也称为内外业一体化数字测图方法。n内外业一体化数字测图方法需要的生产设备为全站仪(或测距经纬仪)、电子手簿(或掌上电脑和笔记本电脑)、计算机和数字化测图软件。n根据所使用设备的不同，内外业一体化数字测图方法有两种实现形式。n1) 草图法：n在野外利用全站仪或电子手簿采集并记录外业数据或坐标，同时手工勾绘现场地物属性关系草图，返回室内后，下载记录数据到计算机内，将外业观测的碎部点坐标读入数字化测图系统直接展点，根据现场绘制的地物属性关系草图在显示屏幕上连线成图，经编辑和注记后成图。n2) 电子平板法：在野外用安装了数字化测图软件的笔记本电脑或掌上电脑直接与全站仪相连，现场测点，电脑实

13、时展绘所测点位，作业员根据实地情况，现场直接连线、编辑和加注记成图。 n与传统的白纸测图方法比较，内外业一体化数字测图方法创建的大比例尺数字地图具有如下特点：n1) 白纸测图方法是采用视距法测距，测距相对误差只有约1/300，而数字测图方法是采用EDM测距，测距相对误差小于1/40000，几百米的距离测量误差均在1cm左右。在通视良好、定向边较长的情况下，地形点到测站的距离可以比常规测图法长。 n2) 白纸测图方法是将控制点和碎部点坐标手工展绘在聚脂薄膜上，受人眼最小分辨距离为图上0.1mm的限制，存在展点误差。数字测图方法是采用计算机自动展点，没有展点误差。n3) 白纸测图方法先完成图根加密

14、，按坐标将控制点展绘在聚脂薄膜上，然后进行地形测图。数字测图方法可以使图根点加密和地形测图同时进行，例如采用自由设站方法，用全站仪的边角后方交会功能观测2个或2个以上的已知点，就可以精确测定出测站点的三维坐标。n4) 白纸测图方法是以一幅地形图为单元组织施测，这容易给图幅边缘测图带来困难，数字测图方法不受图幅的限制。作业小组的任务可以按照河流、道路和自然分界来划分，方便地形测图的施测，也减少了常规测图的接边问题。n5) 数字地形图便于修测。由于数字地图的碎部点精度较高且分布均匀，重要地物点相对于临近控制点的点位误差小于5cm，所以当数字地图需要修测而图内大部分控制点已遭破坏时，可以自由设站，使

15、用全站仪的边角后方交会功能观测图内已知的重要地物点就可以快速获得测站点的三维坐标。 n通过上述介绍可知，采用内外业一体化数字测图方法创建的大比例尺数字地图与采用图解地图法获得的数字地图是有差别的，但前者的设备投入经费及测图成本明显高于后者。n因此，测绘工程产品价格的规定，对于困难类别为最高的类测区，测绘1:500图解地形图的取费标准是179387.50元/km2，而测绘1:500数字地形图的取费标准是309445.12元/km2，后者比前者高出1.725倍。 n二、二、 内外业一体化数字测图内外业一体化数字测图n实现内外业一体化数字测图的关键是要选择一种成熟的、技术先进的数字测图软件。n目前，

16、市场上比较成熟的最新版本的大比例尺数字化测图软件主要下列3种：n(1) 广州南方测绘仪器公司(South)公司开发的CASS5.1；n(2) 北京威远图仪器公司(WelTop)开发的SV300；n(3) 广州开思测绘软件公司(SCS)开发的SCS GIS2000。n这些数字化测图软件一般都应用了数据库管理技术并具有GIS前端数据采集功能，其生成的数字地图可以多种格式文件输出并可以供某些GIS软件读取。它们都是在AutoCAD平台上开发的，其优点是可以充分利用AutoCAD强大的图形编辑功能。n虽然上述数字化测图软件都是在AutoCAD平台上开发的，但它们的图形数据和地形编码一般互不兼容，一个城

17、市的各测绘生产单位必须根据本市的实际和需求选择其中一种数字化测图软件来统一本市的数字化测图工作，而不宜引进多种数字化测图软件，本书只介绍CASS5.1。n（一）CASS5.1对计算机软硬件的要求对计算机软硬件的要求n(1) 建议硬件环境nCPU为Pentium133以上，内存大于等于64MB，至少64MB的硬盘剩余空间，VGA(800600)以上彩色显示器。 n(2) 软件环境nWindows95或以上版本的操作系统，安装有AutoCAD 2000、2000i或2002版本。n（二）（二）CASS5.1的操作界面的操作界面n双击安装文件在桌面上创建的CASS5.1图标，即可以启动。图是在Aut

18、oCAD2000上安装CASS5.1的界面。 n它与AutoCAD2000的界面及操作方法是相同的，两者的区别在于下拉菜单及屏幕菜单的内容不同，各区的功能简介如下：n 下拉菜单区：主要的测量功能；n 屏幕菜单：绘制各类别地物，操作较频繁的地方；n 图形区：主要工作区，显示图形及其操作；n 工具栏：各种AutoCAD命令、测量功能，实质为快捷工具；n 命令提示区：命令记录区，提示用户操作。n（三）草图法数字测图（三）草图法数字测图n草图法数字测图的流程是：n外业使用全站仪测量碎部点三维坐标的同时，领图员绘制碎部点构成的地物形状和类型并记录下碎部点点号(必须与全站仪自动记录的点号一致)。n内业将全

19、站仪或电子手簿记录的碎部点三维坐标，通过CASS传输到计算机、转换成CASS坐标格式文件并展点，根据野外绘制的草图在CASS中绘制地物。n其优点是：测图时，不需要记忆繁多的地形符号编码，是一种十分实用、快速的测图方法；缺点是不直观，当草图编号有错误时，可能还需要到实地查错。n(1) 人员组织人员组织n1) 观测员1人：负责操作全站仪，观测并记录观测数据，当全站仪无内存或PC卡时，必须加配电子手簿，此时观测员还负责操作电子手簿并记录观测数据。观测中应注意经常检查零方向，与领图员核对点号。 n2) 领图员1人：负责指挥跑尺员，现场勾绘草图，要求熟悉地形图图式，以保证草图的简洁、正确，应注意经常与观

20、测员对点号(一般每测50个点就要与观测员对一次点号)。 n草图纸应有固定格式，不应随便画在几张纸上；每张草图纸应包含日期、测站、后视、测量员、绘图员信息；n当遇到搬站时，尽量换张草图纸，不方便时，应记录本草图纸内哪些点隶属哪个测站，一定要标示清楚。草图绘制，不要试图在一张纸上画足够多的内容，地物密集或复杂地物均可单独绘制一张草图，既清楚又简单。n3) 跑尺员1人：负责现场跑尺，要求对跑点必须有经验，以保证内业制图的方便，对于经验不足者，可由领图员指挥跑尺，以防引起内业制图的麻烦。n4) 内业制图员1人：对于无专业制图人员的单位，通常由领图员担负内业制图任务；对于有专业制图人员的单位，通常将外业

21、测量和内业制图人员分开，领图员只负责绘草图，内业制图员得到草图和坐标文件，即可在CASS上连线成图；这时领图员绘制的草图好坏将直接影响到内业成图的速度和质量。n(2) 数据采集设备数据采集设备n数据采集设备一般为全站仪。主流全站仪大多带有可以存储3000个以上碎部点的内存或PC卡，可直接记录观测数据。n(3) 野外采集数据传输到计算机文件保存野外采集数据传输到计算机文件保存n使用与全站仪型号匹配的通讯电缆连接全站仪与计算机的COM口，设置好全站仪的通讯参数后，执行下拉菜单“数据/读取全站仪数据”命令，弹出如图所n示的“全站仪内存数据转换”对话框。对话框操作如下： n1) 在“仪器”下拉列表中选

22、择所使用的全站仪类型，图中为选择“南方中文NTS-320系列”全站仪。n2) 设置与全站仪一致的通讯参数，包括通讯口、波特率、数据位、停止位、校验位；勾选“联机”复选框；在“CASS坐标文件”文本框中输入保存全站仪数据的文件名和路径，也可以单击其右边的“选择文件”按钮，在弹出的标准文件选择对话框中选择路径和输入文件名。n3) 单击“转换”按钮，CASS弹出对话框，操作全站仪发送数据，单击“确定”按钮，即可将发送数据保存到设定的FC.dat文件中。 n(4) 将保存的数据文件转换为将保存的数据文件转换为CASS格式的坐标文件格式格式的坐标文件格式n同样是执行下拉菜单“数据/读全站仪数据”命令，弹

23、出“全站仪内存数据转换”对话框。在“全站仪内存文件”文本框中输入需要转换的数据文件名和路径，在“CASS坐标文件”文本框中输入转换后保存的数据文件名和路径(CASS自动为其加上扩展名dat)。上述两个数据文件名和路径都可以单击“选择文件”按钮，在弹出的标准文件选择对话框中输入。单击“转换”按钮，即完成数据文件格式转换。n(5) 展碎部点展碎部点：分定显示区、展野外测点点号和展高程点三步进行。n1) 定显示区n定显示区的作用是根据要输入的CASS坐标数据文件中的坐标值定义绘图区的大小，以保证所有点都可见。该命令位于下拉菜单“绘图处理定显示区”。n例如，执行下拉菜单“绘图处理定显示区”命令，在弹出

24、的标准文件选择对话框中，可以选择CASS自带的坐标数据文件“Ymsj.dat”，单击“打开”按钮完成定显示区操作。n同时在命令行给出下列提示：n最小坐标(米):X=31087.315,Y=54095.471n最大坐标(米):X=31221.270,Y=54200.000n2) 展野外测点点号n展野外测点点号是将CASS坐标数据文件中点的三维坐标展绘在绘图区，并在点位的右边注记点号，以方便用户结合野外绘制的草图绘制地物。n该命令位于下拉菜单“绘图处理展野外测点点号”，其创建的点位和点号对象位于“ZDH”(意为展点号)图层，其中点位对象是AutoCAD的“Point”对象，用户可以执行AutoCA

25、D的Ddptype命令修改点样式。 n例如，执行下拉菜单“绘图处理展野外测点点号”命令，在弹出的标准文件选择对话框中，仍然可以选择“Ymsj.dat”文件，单击“打开”按钮完成展点操作。用户可以在绘图区看见展绘好的碎部点点位和点号。n要说明的是，虽然没有注记点的高程数值，但点位本身是包含高程坐标的三维空间点。n用户可以使用AutoCAD的Id命令，打开 “节点”捕捉(nod)拾取任一碎部点来查看。如38号点的三维坐标为X = 54120.9800，Y = 31184.0100，Z = 493.3000。n3) 展高程点n展高程点的作用是将CASS坐标数据文件中点的三维坐标展绘在绘图区，并根据用

26、户给定的间距注记点位的高程值。n该命令位于下拉菜单“绘图处理展高程点”，其创建的点位对象位于“GCD”(意为高程点)图层，其中点位对象是半径为0.5的实心圆。n例如，执行下拉菜单“绘图处理展高程点”命令，命令行提示如下：n绘图比例尺 1:n输入绘图比例尺的分母值后，按回车键，在弹出的标准文件选择对话框中，仍然可以选择“Ymsj.dat”文件，单击“打开”按钮，命令行提示如下：n注记高程点的距离(米):n输入了注记高程点的距离后，按回车键完成展高程点操作。n此时点位和高程注记对象与前面绘制的点位和点号对象重叠。n为了绘制地物的方便，用户可以先关闭“GCD”图层。n (6) 根据草图绘制地物根据草

27、图绘制地物n单击屏幕菜单的“坐标定位”按钮，屏幕菜单变化。n用户可以根据野外绘制的草图和将要绘制的地物在该菜单中选择适当的命令。n例如，根据草图，33、34、35号点为一幢简单房屋的三个角点(地物编码)，4、5、6、7、8号点为一条小路的五个点，25号点为一口水井。n1) 绘制简单房屋的操作步骤为：单击屏幕菜单中的“居民地”按钮，弹出图所示的“居民地和垣栅”对话框，选中“四点简单房屋”，单击“确定”按钮，关闭对话框，命令行提示如下：n1.已知三点/ 2.已知两点及宽度/ 3.已知四点:1n输入点: (捕捉33号点)n输入点: (捕捉34号点)n输入点: (捕捉35号点)n 2) 绘制一条小路的操作步骤为：单击屏幕菜单中的“交通设施”按钮，在弹出的 “交通及附属设施类”对话框中选择“小路”，单击“确定”按钮，关闭对话框，根据命令行的提示分别捕捉4、5、6、7、8五个点位后按回车键结束指定点位操作，命令行最后提示如下：n拟合线?yn一般选择拟合，键入y按回车键，完成小路的绘制。n3) 绘制一口水井的操作步