无棱镜全站仪测距的探讨定稿

1、河河南南理理工工大大学学毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书专业班级 测绘 09-2 班 学生姓名 张红星 一、题目 无棱镜全站仪测距的探讨 二、起止日期 年 月 日至 年 月 日三、主要任务与要求 指 导 教师 职称 学 院 领导 签字（盖章）年 月 日河河南南理理工工大大学学毕业设计（论文）评阅人评语毕业设计（论文）评阅人评语题目 无棱镜全站仪测距的探讨 评 阅 人 职称 工作单位 年 月 日河南理工大学本科毕业论文3河河南南理理工工大大学学毕业设计（论文）评定书毕业设计（论文）评定书题目 无棱镜全站仪测距的探讨 指 导 教师 职称 年 月 日河河南南理理工工大大学学毕业设计（论文

2、）答辩许可证毕业设计（论文）答辩许可证答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：1、设计（论文）说明 共 页2、图纸 共 张3、指导教师意见 共 页4、评阅人意见 共 页经审查， 测绘工程 专业 09 级 2 班 张红星 同学所提交的毕业设计（论文） ，符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。 指导教师 签字（盖章）年 月 日根据审查，准予参加答辩。答辩委员会主席（组长） 签字（盖章）年 月 日河河南南理理工工大大学学毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议

3、 院（系） 专业 班 同学的毕业设计（论文）于 年 月 日进行了答辩。根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。一、毕业设计（论文）的总评语二、毕业设计（论文）的总评成绩： 三、答辩组组长签名：答辩组成员签名：答辩委员会主席： 签字（盖章）年 月 日河南理工大学本科毕业论文I摘摘 要要全站仪是全站型电子速测仪的简称，集电子经纬仪、光电测距仪和微处理器于一体，能自动记录，存储并且具备某些固定计算程序，能在一个测站点快速进行测点三维坐标数据的采集，实现了测量和数据处理过程的电子化、一体化。距离测量是

4、全站仪的两大功能之一，随着科学技术的发展，全站仪的测距方式正在不断的改进，测距精度也在逐步的提高。本文主要介绍了全站仪的测量原理；全站仪在有、无棱镜模式下的测距原理；全站仪无棱镜模式测距的应用；以及通过实验探究了有、无棱镜模式对全站仪测得点位的影响，以及无棱镜测距的性能与反射面颜色、测量距离、入射角、拐角、空隙等之间的关系，通过分析实验数据，得出了结论：有、无棱镜模式下测得相同点的点位无明显区别，并且，总结出了无棱镜模式测距的稳定性与反射面颜色、测量距离、入射角、拐角、空隙的变化关系，给出了无棱镜全站仪使用过程中的注意事项。无棱镜全站仪的诞生，代表了全站仪测距新的发展前景和希望，并以其“所瞄即

5、所测”功能广泛应用于控制测量、地形测量、工程测量和滑坡监测等测量工作中，本文的研究成果将对实际工作有一定的参考价值。关键词：全站仪 无棱镜 稳定性河南理工大学本科毕业论文IIABSTRACTTotal station is short for total station type electronic measuring instrument. A total station integrates the functions of an electronic theodolite for measuring angles ,an EDM for measuring distances, dig

6、ital data and a data recorder . And it can automatically record, store, and equipped with some fixed calculation program that can carry out measuring point 3 D coordinate data collection, implements the electronic measurement and data processing and integration. Distance measurement is one of the tw

7、o big functions of total station, with the development of science and technology, total station ranging method is increasingly improved, ranging accuracy are also gradually improve.This paper mainly introduced the principle of the total station measurement; the principle of the distance measurement

8、with prism and without prism; and through the experiments explore the modes influence on the total station measured points, and the performance and reflection prism rangefinder surface color, distance measurement, Angle of incidence, the relationship between the corners, gaps, etc, through the analy

9、sis of experiment data, the conclusion is obtained: with and without prism mode no obvious difference between measured the level of similarity, and concluded that no prism model range of stability and reflective surface color, measuring distance, Angle of incidence, the corner, and the changes of ga

10、p and without prism in the process of using total station is given.The Emergence of total station without prism is the total stations prospect and hope, and with its aim is measured by function is widely used in control surveying, topographic surveying, engineering surveying and landslide monitoring

11、 measurement, the research achievements of this paper will be of some reference value to the actual work.Key words: Total station Without prism Stability河南理工大学本科毕业论文i目目 录录1 绪论.11.1 研究目的和意义.11.2 研究现状.11.3 论文组织.22 全站仪简介.32.1 全站仪的发展简史、现状.32.2 全站仪的分类.32.3 全站仪的测量原理.42.4 全站仪的使用.52.5 全站仪常用测量功能的原理.52.5.1 三维

12、坐标测量 .52.5.2 三维坐标放样 .62.5.3 对边测量 .72.5.4 偏心测量 .72.5.5 GPS-RTK 与全站仪联合作业 .72.6 无棱镜全站仪的特殊用途.82.6.1 塔形建筑物的倾斜测量 .82.6.2 高压线弧垂高度的测量 .92.7 全站仪应用现状与维护方法.103 全站仪测距原理 .123.1 有棱镜模式的全站仪测距.123.2 无棱镜模式的全站仪测距.153.2.1 无棱镜全站仪的应用 .163.2.2 无棱镜全站仪的特点 .174 无棱镜全站仪测距性能的探讨与分析.184.1 探究全站仪在有、无棱镜模式下测得的点位有无明显区别.184.2 探究入射角度对测距

13、稳定性的影响.194.3 探究常见不同材质反射面对测距稳定性的影响.204.4 探究常见不同色彩反射面对测距稳定性的影响.214.5 探究网孔、间隙、距离对测距稳定性的影响.214.6 探究边缘点、拐角对测距稳定性的影响.225 结论与展望.24河南理工大学本科毕业论文ii5.1 实验探究结论总结.245.2 有、无棱镜全站仪优势与不足.245.3 无棱镜全站仪的发展前景.25致 谢.26参考文献.27河南理工大学本科毕业论文11 1 绪绪 论论21世纪，测量技术进入数字化、自动化时代，各种先进的测量理论与方法不断的应用于实践，有力的推动了测绘学科的发展。同样，在全站仪方面的重要发展是长距离免

14、棱镜全站仪的出现，自徕卡公司生产出第一台免棱镜全站仪以来，其有效测量距离由初期几十米发展到当前的一千米以上。传统全站仪测量进入了一个新的阶段，免棱镜全站仪不但具有普通全站仪的方便快捷、高精度等特点，而且采用了免棱镜测距技术，其自动化程度更高，应用范围更广。所采集的数据经过后续软件的简单处理，便可得到一个地区的大比例尺地形图、地籍图以及其他各种专题图，同时还可以建立该地区的数字化地籍图，方便快捷，提高测量的工作效率。1.11.1 研究目的和意义研究目的和意义全站仪，最常用的常规测量仪器之一，从它诞生的那天起，它便开始极大地改变着我们的作业方式。它的诞生曾为整个测绘行业带来了新的技术革命。虽然，近

15、年来由于GPS技术的速猛发展，全站仪几乎已退出了大地测量领域，但在其它一些领域中，全站仪依然扮演着首不可替代的角色，因为，它也有GPS接收机所不具备的一些优点，如：不需对天通视，价格相对较低，观测数据直观，数据处理简单，操作方便等等，因此它发展一直备受着测量工作人员的关注。1距离测量是全站仪主要功能之一，其测距方式的改进无疑是全站仪未来发展的重点，如今的城市，高楼林立，道路纵横交错，身居一处很难享受过去眼观八方的感觉了，同时也给我们基础数据的获取工作带来了很大的困难。传统的数据采集多是采用有棱镜的全站仪获取，实际进行数据采集时，很多种情况都是无法在目标处设置反射棱镜，如河流对岸等作业人员无法到

16、达的地方，这些对于常规的全站仪就难以采集到目标物的信息数据。而这些情况对于无棱镜全站仪却能方便获取，这就为无棱镜全站仪应运而生提供了新的契机。如今，无棱镜测距技术已经逐渐成熟，并越来越突显出其优越性，这项技术将成为是未来全站仪测距的主流，所以有必要对其测距性能做深入研究，掌握影响其测距稳定性的因素，以促进其在测量实践中的应用。1.21.2 研究现状研究现状随着科技的不断进步，测绘仪器设备迅速发展，新仪器不断的涌现。目前长距离免棱镜全站仪主要有徕卡1200系列、拓普康GPT-3000LN系列和天宝5600系列，具有代表的长距离免棱镜全站仪是2004年瑞士徕卡公司在市场上推出的徕卡TPS1202全

17、站仪和2005年日本拓普康公司推出的3002LN全站仪。前者采用激光免棱镜测距，在视线良好的条件下，免棱镜距可达400500米，后者采用脉冲激光测距，在视线良好的条件下，免棱镜测距可达1100米。2随着测程的增加的同时，无棱镜全站仪的测量精度也在逐步的提高，部分品牌的无棱镜全站仪已经发展到可完全替代有棱镜测量的阶段。无棱镜全站仪如今以其“所瞄即河南理工大学本科毕业论文2所测”的功能广泛应用于控制测量、地形测量、工程测量，滑坡检测等测量工作中，尤其在人们无法到达的悬崖陡壁的地形测量、地下大型工程的断面测量、建筑物的变形测量等不易或不能设置棱镜的测量中显示着其无可比拟的优点。1.31.3 论文组织

18、论文组织本文共分五个章节，第一章为绪论部分，主要介绍全站仪以及无棱镜测距技术应用的现状，了解全站仪的发展以及无棱镜测距技术的目的和意义；第二章简要介绍全站仪的发展史，测量原理、应用现状与使用维护方法；第三章通过介绍全站仪在有、无棱镜模式下的测距原理，主要介绍棱镜反射光信号的原理，棱镜常数和有、无棱镜模式下光信号传播时间的判定等；第四章通过实验探究了无棱镜全站仪测距性能与距离、入射角、反射面材质、反射面颜色的变化关系，以及网孔，拐角对无棱镜测距稳定性的影响，第五章总结出使用无棱镜全站仪测距的注意事项，分析了无棱镜全站仪的优势与不足以及发展前景。河南理工大学本科毕业论文32 2 全站仪全站仪简介简

19、介2.12.1 全站仪的发展简史、现状全站仪的发展简史、现状全站仪诞生于 20 世纪 60 年代末，是人们在角度测量自动化的过程中应运而生的。其发展大致分为两个阶段：组合式阶段即光电测距仪与经纬仪的组合的阶段；整体式阶段即光电测距仪的光波发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的阶段。3全站仪诞生以来，它便极大地改变了测量工作人员的作业方式，提高了生产、工作的效率。80 年代，随着集成电路及微型计算机处理器的出现和广泛应用，这使得全站仪的实用性得以增强；从 90 年代开始，高新技术迭出，世界知名厂商又先后先后推出了具有开创性的特色全站仪，如：天宝公司首先推出了全自动全站仪、Win 全站仪；

20、徕卡公司首先推出了免棱镜激光全站仪、自动目标瞄准全站仪，并推出真正集成 GPS的全站仪；拓普康公司则推出了自动跟踪全站仪，并使用脉冲技术推出能测 1200 米的免棱镜激光全站仪，后还推出彩屏 WinCE 智能全站仪。全站仪也在与时俱进的与其它现代测量技术紧密的结合在一起。如:GPS 的实时动态定位技术与全站仪灵活的三维极坐标测量技术的完美结合，可实现大区域范围内无控制网的各种测量工作。全站仪配合丰富的数据处理软件，正在向全能型和智能化方向发展，形成具有多种功能的混合测量系统，将为测量工作提供先进的技术工具和作业手段，大大改变了传统测量工作的作业方式，为测量向现代化、自动化、数字化方向发展创造了

21、有利的条件。2.22.2 全站仪的分类全站仪的分类全站仪按其外观结构可分为两类：3（1）组合型早期的全站仪，大都是积木型结构，即电子速测仪、电子经纬仪、电子记录器各是一个整体，可以分离使用，也可以通过电缆或接口把它们组合起来，形成完整的全站仪。（2）整体型随着电子测距仪进一步的轻巧化，现代的全站仪大都把测距，测角和记录单元在光学、机械等方面设计成一个不可分割的整体，其中测距仪的发射轴、接收轴和望远镜的视准轴为同轴结构。这对保证较大垂直角条件下的距离测量精度非常有利。全站仪按测量功能分类，可分成四类：（1）经典型全站仪经典型全站仪也称为常规全站仪，它具备全站仪电子测角、电子测距和数据自动记录等基

22、本功能，有的还可以运行厂家或用户自主开发的机载测量程序。其经典代表为徕卡公司的 TC 系列全站仪。河南理工大学本科毕业论文4（2）机动型全站仪在经典全站仪的基础上安装轴系步进电机，可自动驱动全站仪照准部和望远镜的旋转。在计算机的在线控制下，机动型系列全站仪可按计算机给定的方向值自动照准目标，并可实现自动正、倒镜测量。徕卡 TCM 系列全站仪就是典型的机动型全站仪。（3）无合作目标性全站仪无合作目标型全站仪是指在无反射棱镜的条件下，可对一般的目标直接测距的全站仪。因此，对不便安置反射棱镜的目标进行测量，无合作目标型全站仪具有明显优势。如徕卡 TCR 系列全站仪，无合作目标距离测程可达 1000m

23、，可广泛用于地形测量，房产测量和施工测量等。（4）智能型全站仪在机动化全站仪的基础上，仪器安装自动目标识别与照准的新功能，因此在自动化的进程中，全站仪进一步克服了需要人工照准目标的重大缺陷，实现了全站仪的智能化。在相关软件的控制下，智能型全站仪在无人干预的条件下可自动完成多个目标的识别、照准与测量，因此，智能型全站仪又称为“测量机器人”典型的代表有徕卡的 TCA 型全站仪等。2.32.3 全站仪的测量原理全站仪的测量原理 全站仪的基本测量原理是电子测距技术、电子测角技术和测量数据的自动存储与处理技术的综合运用。4 全站仪是指能自动地测量角度和距离，并能按一定程序和格式将测量数据传送给相应的数据

24、采集器。全站仪自动化程度高、功能多、精度高，通过配置适当的接口，可使野外采集的测量数据直接进入计算机进行数据处理或进入自动化绘图系统。与传统的方法相比，省去了大量的中间人工操作环节，使劳动效率和经济效益明显提高，同时也避免了人工操作，记录等过程中差错率较高的缺陷。全站仪功能介绍：测角：光学经纬仪 电子经纬仪半站仪测距： 钢尺 电磁波测距仪 全站仪数据处理系统（1)电子测距技术 电子测距的基本原理是通过测定电磁波在待测距离两端点间往返一次的传播时间，利用电磁波在大气中的传播速度 ，来计算两点间的距离。tc河南理工大学本科毕业论文5若测定 A、B 两点间的距离 D，如图 1 所示，把全站仪安置于

25、A 点，反射镜安置于B 点，则其距离 D 可按下式计算。D图 2-1 距离测量原理示意图 （2-1）ct21D 众所周知，光传播速度约为，因此对测定时间的精度要求很高。根sm/100 . 38据测定时间方式的不同，光电测距仪又分为脉冲式测距仪和相位式测距仪。 脉冲式测距仪是通过直接测定光脉冲在测线上往返传播的时间来求得距离。但因时标脉冲计时精度一般为秒量级，故普通脉冲测距仪的距离测量精度约为米级，精810度相对较低。 相位式测距仪是测相电路测定调制光在测线上往返传播所产生的相位差，间接测得时间，从而求出距离，理论上其测距精度较高。（2）电子测角技术全站仪采用了光电扫描测角系统，其类型主要有：编

26、码度盘测角系统、光栅度盘测角系统及条码度盘测角系统三种。不管哪种测角系统，都应解决编码、识别和角度细分三方面的技术关键。（3） 测量数据的自动存储与处理技术 全站仪通过微处理器的控制，能自动完成测距、水平方向度数和天顶距度数，观测数据的显示、存储等功能。随着计算机技术的发展，全站仪越来越具有微机的概念，其操作系统不断升级，内置的应用软件也逐渐丰富，实时处理数据的能力也正在逐渐提升。全站仪的系统集成将受到软件开发者和使用者的更多关注。2.42.4 全站仪全站仪的使用的使用全站仪的使用可分为观测前的准备工作，全站仪功能的应用：全站仪除基本的角度测量、距离（斜距、平距、高差）测量外，还有其他一些功能

27、，但不同型号的仪器差别很大。有些全站仪可以进行自由设站，计算测站点的坐标，进行支导线的测量和计算，测站定向和极坐标测量及坐标放样，还可以进行对边测量、悬高测量、偏心测量以及面积测量、计算等。测量外业工作完成之后就需进行测量数据的传输、处理工作以及全站仪日常维护工作。2.52.5 全站仪常用测量功能的原理全站仪常用测量功能的原理河南理工大学本科毕业论文62.5.1 三维坐标测量8如图 2-2 所示将全站仪安置于测站点 A 上，选定三维坐标测量模式后，首先输入仪器高 ，目标高 ，以及测站点的三维坐标值(,，)，然后照准另一已知点 BivAxAyAH设定方位角，接着再照准目标点 P 上的反射棱镜，一

28、按坐标测量键，仪器就会按下式利用自身内存的计算程序自动计算并瞬时显示出目标点 P 的三维坐标值(,，)AxAyAH。公式示例如下：1 （2-2）coscosSxxAP （2-3）sincosSyyAP （2-4）viSHHAPsin式中： 斜距；S 竖直角； 方位角。 图 2-2 三维坐标测量 图 2-3 三维坐标放样测量 2.5.2 三维坐标放样如图 2-3 所示，将全站仪安置于测站点 A 上，选定三维坐标放样模式后，首先输入仪器高 ，目标高 ，以及测站点 A 和待测设点 P 的三维坐标值(,，) ivAxAyAH、(,，)，并照准另一已知点 B 设定方位角；然后照准竖立在待测设点 P 的概

29、pxpypH略位置 处的反射棱镜；按键测量即可自动显示出水平角偏差、水平距离偏差1P和高程偏差。即：DH （2-5）设测 （2-6）设测DDD （2-7）设测HHH其中: （2-8）viSHHAsin测BPAAB1pP河南理工大学本科毕业论文7最后，按照所显示的偏差移动反射棱镜，当仪器显示为零时即为设计的 P 点位置。2.5.3 对边测量所谓对边测量，就是测定两目标点之间的平距和高差。如图 2-4 所示，在两目标点 P1、P2上分别竖立反射棱镜，在与 P1、P2通视的任意点 P 安置全站仪后，先选定对边测量模式，然后分别照准 P1、P2上的反射棱镜进行测量，仪器就会自动按下式计算并显示出 P1

30、、P2两目标点间的平距 D12和高差 h12 （2-9）coscoscos2coscos21212222122112SSSSD （2-10）112212sinsinSSh式中 、斜距；1S2S 、竖直角；12 与 两方向间的水平夹角。1PP2PP但需指出，应用公式（2-9）计算地面点 和 间高差的前提条件是和两点1P2P1P2P间的目标高 、 应相等。否则，应按下式计算：1v2v （2-11）21112212sinsinvvSSh因此，在实际工作中，应尽量使两目标高相等；否则应在全站仪显示的高差中加入改正数 。)(21vv 图 2-4 对边测量2.5.4 偏心测量所谓全站仪偏心测量，就是反射棱

31、镜不放置在待测点的铅垂线上而是安置在与待测点相关的某处，间接地测定出待测点的三维坐标。根据给定条件的不同，目前全站仪偏心测量有下列四种常用方式：角度偏心测量、单距偏心测量、圆柱偏心测量、双距偏心测量。显然，偏心测量适合于待测点与测站点通视但其上无法安置反射棱镜的情况，当免棱镜全站仪广泛应用于实践之后，偏心测量方法的使用将会逐渐减少，本文将不作详细介绍。河南理工大学本科毕业论文82.5.5 GPS-RTK 与全站仪联合作业常规测量工作遵循“从整体到局部，先控制后碎部，分级布网，逐级控制”的原则。具体工序包括首级控制网、加密控制网、图根控制网、特征点数据采集和成图。从施工流程可以看出，完成一个测区

32、的测量工作需要数次进出作业现场。在同一测站上多次设站，导致作业效率低下，数次设站也将造成不必要的精度流失（如对中误差和定向误差增加等） 。针对上述情况，利用RTK 协同全站仪联合采集数据方式进行作业，用以克服作业过程中工序过多的弊端。简化原有的首级、加密、图根的选点、观测、计算过程，再据此进行界址、特征点数据采集的作业方式。从而达到提高作业效率，加快施工进度，减少对中误差和定向误差，保证成果质量，节省人力物力的目的。利用RTK 与全站仪联合测量的作业模式分为两个步骤：（1)利用RTK 测量图根控制点，多数文献的大量试验表明，GPS-RTK 可以满足图根控制的要求。RTK技术进行控制测量既能够实

33、时知道定位结果,又能实时知道定位精度。这样可以大大提高作业效率。（2) 利用全站仪和GPS-RTK 联合测量碎部点，这样不但能解决水平方向遮挡（全站仪）问题，也解决了上方遮挡（GPS-RTK）问题，避免了单独使用GPSRTK或全站仪作业的局限性。应该注意的是在全站仪利用GPS-RTK 所测的图根点进行设站时，要进行必要的检核，这样才可以避免GPS-RTK信号遮挡等原因造成的粗差，保证测图精度。GPS-RTK与全站仪联合作业流程图及数据流程图如图所示。 图2-6 联合作业流程图如果已知控制点离测区很远，为了加快测图进度，在RTK 组引测控制点时，全站仪组则先在测区内用假定坐标系统和高程系统进行测

34、图，外业结束后，参照RTK所测控制点坐标利用数字成图软件中坐标转换功能进行坐标转换。这样就打破“先控制、后碎部”的原则，为外业工作节约了时间。GPS-RTK与全站仪联合作业，达到了优势互补、简化程序、减少误差、提高效率、保证质量、节省人力和物力等目的，在目前不失为一种行之有效的作业模式。2.62.6 无棱镜全站仪的特殊用途无棱镜全站仪的特殊用途控制点资料GPS 卫星基站（GPS 接收机）电台图根控制流动站流动站碎部点数据数据处理碎部点数据绘制地形图河南理工大学本科毕业论文92.6.1 塔形建筑物的倾斜测量12塔形建筑物在工程竣工及变形监测时，均要对建筑物主体实施倾斜测量，以求整体或分层的倾斜率

35、、倾斜方向及倾斜速度等。倾斜观测的关键是测定建构物顶部中心相对于底部中心或者各层上层中心相对于下层中心的水平位移矢量。塔形建构物常具多变的外形，通常又位于复杂密集的各类建筑物及设备之间，塔顶及塔体外部多不可或不便攀登，除极个别塔体内预留有竖向观测通道外多为刚性实体。如果采用一般的测量仪器测量，则观测和计算很不方便。如果用无棱镜全站仪，则十分方便，如图所示，在地面上适当的位置 A 点架设仪器，选择另一适当的位置 B点作为后视点。假定 A 点坐标后，先测量塔形建筑物在地面上同高度的 C、D 点和建筑物上面的 F、G 点的坐标，再测定 B 点的坐标。然后把仪器架在 B 点上，后视 A 点，用同样的方

36、法测量建筑物与地面上的交点 E 和建筑物上与 F、G 点同高度的点 H 的坐标，用测量建筑物高度的测量方法，测量 C、D、E 与 F、G、H 点的高差，然后用三点求圆心坐标的数学公式，分别求出 C、D、E 地面上三点和同一层 F、G、H 三点圆心的坐标。也可以把同一层上三点坐标输入到 AutoCAD 软件中，用微机分别求出同一层上三点圆心坐标。这样再求出某一层中心点与建筑物地面上中心点的偏移量，就可以求出该层到地面的倾斜值。FGHABEDC图 2-7 倾斜观测示意图2.6.2 高压线弧垂高度的测量在架设高压线时，经常要考虑高压线弧垂与地面或水面之间的安全高度。另外，在规划设计时，也要考虑高压线

37、弧垂与设计建筑物房顶之间的安全距离，这样也需要测量高压线弧垂与地面之间的高度。现在分别讨论弧垂下面是可立棱镜的普通地面和不能立棱镜的水面两种情况。（1）当弧垂下面是可立棱镜的普通地面，把全站仪架在与高压线大致垂直的一边，先用免棱镜功能测量仪器与弧垂之间的垂距和平距把全站仪水平方向制动，再把1H1D棱镜放在弧垂的下边，用全站仪测量与棱镜之间的平距，指挥司镜人员，使2D河南理工大学本科毕业论文10=。这样，地面棱镜的位置就是所求弧垂点在地面点的投影位置。再测出全站仪1D2D与棱镜的垂距，量出棱镜高，则该弧垂的高度为：2H3H （2-12）321-HHHH式中，为正时，用正号带入，为负时，用负号带入

38、。2H2H（2) 当高压线下面是水面时，同样，把全站仪架在与高压线大致垂直的位置，先用免棱镜功能测出全站仪与弧垂的垂距，再把棱镜的对中杆底部与水面相切，再测1H出全站仪与棱镜的垂距，量出棱镜高，因为同一水面上的高程相等，则弧垂与2H3H水面高度的计算方法为： （2-13）321-HHHH式中，为正时，用正号带入，为负时，用负号带入。2H2H通过以上实例可知，用无棱镜全站仪的特殊功能，可以很方便地测出高压线弧垂的净高，对单独测量某一建筑物的高度更是方便。同样，对测量某一建筑物的角(顶)点、圆心的坐标，外业简单避免了司镜人员爬高的危险和被测点用棱镜对中误差的影响，内业计算也十分方便，精度也能满足要

39、求。另外，在野外测量地形图时，使用全站仪的免棱镜功能，可以直接测量高差很大的陡坎或开挖面的碎部点，只要把全站仪内的棱镜高设为零即可。这样，可以避免司镜人员站立在陡坎边沿测量的危险性。可以说，随着无棱镜全站仪被广泛应用，它的某些特殊功能会在工程测量中发挥出越来越大的作用。2.72.7 全站仪应用现状与维护方法全站仪应用现状与维护方法应用现状：全站仪发展至今，在信息获取工作中一直充当着重要的角色。虽然，近年来，一些新的数据采集技术在不断的涌现，如:GPS 技术、航空摄影测量技术以及三维激光扫描技术等等，但是，在一些传统的测量领域(工程测量，矿山测量等)中，全站仪依然扮演着不可替代的角色。因为它具有

40、其他现代技术所不具备的一些优点：精度相对较高，方便灵活，快捷，数据直观，价格相对低廉等等。也正是因为这些特点，全站仪一直深受人们的青睐，其发展也备受人们的关注。市场的需求，为全站仪的发展提供了无穷的动力，使其不断的向更高端发展。4维护方法：由于全站仪是高精密的测量仪器，在使用维护时应注意以下几点：保管时:1、仪器箱内应保持干燥，要防潮防水并及时更换干燥剂。仪器必须放置专门架上或固定位置。2、仪器长期不用时，应以一月左右定期取出通风防霉并通电驱潮，以保持仪器良河南理工大学本科毕业论文11好的工作状态。3、仪器放置要整齐，不得倒置。使用时:1、开工前应检查仪器箱背带及提手是否牢固。2、在太阳光照射

41、下观测仪器，应给仪器打伞，并带上遮阳罩，以免影响观测精度。在杂乱环境下测量，仪器要有专人守护。当仪器架设在光滑的表面时，要用细绳（或细铅丝）将三脚架三个脚联起来，以防滑倒。3、当测站之间距离较远，搬站时应将仪器卸下，装箱提走。行走前要检查仪器箱是否锁好，检查安全带是否系好。当测站之间距离较近，搬站时可将仪器连同三脚架一起靠在肩上，但仪器要尽量保持直立放置。4、搬站之前，应检查仪器与脚架的连接是否牢固，搬运时，应把制动螺旋略微关住，使仪器在搬站过程中不致晃动。5、仪器任何部分发生故障，不勉强使用，应立即检修，否则会加剧仪器的损坏程度。6、在潮湿环境中工作，作业结束，要用软布擦干仪器表面的水分及灰

42、尘后装箱。回到办公室后立即开箱取出仪器放于干燥处，彻底凉干后再装箱内。电池的维护:全站仪的电池是全站仪最重要的部件之一，现在全站仪所配备的电池一般为 NiMH(镍氢电池)和 NiCd(镍镉电池)。电池的好坏、电量的多少决定了外业时间的长短，因此，使用时应注意一下几点：1、建议在电源打开期间不要将电池取出，因为此时存储数据可能会丢失，因此请在电源关闭后再装入或取出电池。2、可充电邀可以反复充电使用，但是如果在电池还存有剩余电量的状态下充电，则会缩短电池的工作时间，此时，电池的电压可通过刷新予以复原，从而改善作业时间，充足电的电池放电时间约需 8h。3、不要连续进行充电或放电，否则会损坏电池和充电

43、器，如有必要进行充电或放电，则应在停止充电约 30min 后再使用充电器。4、不要在电池刚充电后就进行充电或放电，有时这样会造成电池损坏。5、超过规定的充电时问会缩短电池的使用寿命，应尽量避免。6、电池剩余容量显示级别与当前的测量模式有关。在角度测量的模式下，电池剩余容量够用，并不能够保证电池在距离测量模式下也能用，因为距离测量模式耗电高于角度测量模式，当从角度模式转换为距离模式时，由于电池容量不足，有时会中止测距。总之，只有在日常的工作中，我们一定要注意全站仪的使用和维护，注意全站仪电池的充、放电。才能延长全站仪的使用寿命，使全站仪的功效发挥到最大。河南理工大学本科毕业论文123 3 全站仪

44、测距原理全站仪测距原理3.13.1 有棱镜模式的全站仪测距有棱镜模式的全站仪测距1、测距基本原理在利用反射棱镜作为反射物进行测距时，反射棱镜接收全站仪发出的光信号，并将其反射回去。全站仪发出光信号，并接收从反射棱镜反射回来的光信号，计算光信号的相位移等，从而间接求得光通过的时间，利用 2-1 式最后测出全站仪到反射棱镜的距离。2、反射棱镜的原理反射棱镜的工作原理实际上是光的反射定律和折射定律。光在相同介质中发生反射时，其反射角和入射角相等；光由一种介质垂直两介质平面入射到另一种介质时，不会发生折射。实际应用的棱镜如图 3-1 所示，棱镜尾部的结构为三面正交（如图 3-2 的 A），在棱镜的实物

45、加工时，磨去 A 中的三个棱角，将此三面体与带镜面的圆柱结合，便可得到图 3-1 的反射棱镜。 图 3-1 棱镜示意图图 3-2 棱镜底部构造图A河南理工大学本科毕业论文13 图 3-3 信号反射示意图BCR1R2光信号反射原理图 4：直角三角形为反射棱镜尾部结构的一个断面，其中一角度为90 度，B 面和 C 面相互垂直。入射光 R1 入射到面 B 面上，其反射光再反射到面 C 上，最后经过 C 面反射，根据光的反射定律可知角度之间有以下关系： （3-1）， （3-2）90则得出： （3-3）90 （3-4）180 即得到 R1 和 R2 是平行的。就是说反射棱镜能够将光按照原路径反射去。3、

46、常数改正加常数由于测距仪的距离起算中心与测距仪的安置中心不一致，以至于发射棱镜的等效反射面与棱镜安置中兴不一致，使测得的距离与实际距离有一个固定的差数，称为加常数（APC）。当测距仪与反射棱镜构成一套固定的设备后，加常数为一固定值，可以设置在仪器中，使其自动改正。一般以“棱镜常数”的名义设置加常数，并且，加常数改正值与测量距离的长短无关。但在仪器的使用过程中，此常数可能会发生变化，因此也需要定时进行检定，必要时，应对观测结果加以改正。乘常数无论是脉冲式测距仪或是相位式测距仪，对光调制的频率设计和成品的检验校正都应有正确的数值。在仪器使用过程中，由于电子元件的老化等原因，实际的调制频率与设计的标

47、准频率可能会有微小的差别，其影响与所测距离的长度成正比。因此需要定时（一般为每隔一年）进行测距仪检定，可以得到改正距离用的比例系数，称为测距仪的乘常数（）。另外，影响光速的大气折射率为光的波长，气温 ，气压Rnt的函数。对于某一型号的测距仪波长为一定值，因此，根据距离测量时的气温和p河南理工大学本科毕业论文14气压，可以计算距离的气象改正数 A。距离的气象改正值与距离的长度成正比，因此，测距仪的气象改正系数相当于另一个“乘常数”。棱镜常数由于空气的折射率近似等于 1.0，而玻璃的折射率大约等于 1.5；根据公式： （3-5）式中： 为光在 物质中传播速度；vi为光在空气中的传播速度；c为 物质

48、折射率；ni可知光通过玻璃时的速度比通过空气时的速度要小。用全站仪测量仪器到反射棱镜之间的距离时，脉冲式的仪器通过内部的传感装置计算出测距信号从发射出到接收到之间的时间差，之后取固定光速值与时间差值的乘积的一半作为显示的距离测量值，根据光通过玻璃时的速度比通过空气时的速度要小，则测量显示的距离比实际的距离要长。相位式测距方式是通过测得相位差，推算出时间差，不同的传输介质会影响光信号的相位，因此，棱镜常数也取决于玻璃的折射率和棱镜的厚度（光通过的长度）。假设反射棱镜顶点在测点的铅直线上，那么棱镜（玻璃材料）折射率的改正值就是棱镜常数。又因为棱镜的加常数通常为一固定值，可以设置在仪器中，使其自动改

49、正，所以一般也以“棱镜常数”的名义设置加常数。实际应用中由于安装固定的需要，棱镜的顶点位置不在测点的铅垂线上，所以，计算时应加以考虑。总之，在每次使用全站仪之前，都需作必要的系统参数设置，棱镜常数就是其一。具体设置棱镜常数时还取决于棱镜类型以及测距模式，两者一旦选定则相应的仪器测距时的运算法则就确定下来了，当一种棱镜不适合某种形式时就不能把它作为目标测量。比如用的是 TCR 仪器在“RLSHORT”无反射棱镜短距离测量模式下。就不能选择圆棱镜作为目标，在这种模式下利用目标棱镜观测就会出现错误。如下图所示，如果不考虑棱镜加常数。EDM 信号计算的距离就是全站仪到 D 点的距离。将这个值进行改正后

50、再加上 BD(即棱镜加常数)得到的就是全站仪到目标点的APC真实距离。全站仪配套棱镜在出厂时都有其固定的棱镜常数值，因此配套使用时只需要保持仪器原有系统设置就可，但如果使用的是不配套的棱镜，首先就要确认两棱镜类型是否一样，即保证两棱镜竖轴情况一致后，再预先设置与其相应的棱镜常数。13以徕卡 GPR1 棱镜为例，其棱镜加常数()值是，而配套出厂仪器内棱APCmm34镜常数改正值()设置为 0mm。如果使用其他类型的棱镜，就需要进行棱镜常数改APC正，如某棱镜加常数，则应为。对于反射片。则mmAPC40APCmm60APC是。APCmm34iincv 河南理工大学本科毕业论文15由此可知在一般情况

51、下的计算公式为： =当前使用棱镜 全站仪配套棱镜。APCAPCAPC ADBCEDM 信号棱镜杆竖轴棱镜横轴图 3-4 棱镜示意图 （3-6）ABACnBDAC 为棱镜的镜深；BD 为棱镜加常数()；APC根据相关理论，棱镜常数未改正所引起的测距误差会间接的形成测角误差，从而导致目标点的坐标偏移误差,试想如果在实际测量工作中测距，测角都存在一定的系统误差的话，随着系统的误差的积累，势必会造成整个测量成果不同程度的坐标移位，其后果就是按照工程精度要求进行重测或者对成果进行误差改正，不管采取何种方式补救，工作量都很大，虽然棱镜常数的改正数往往只有几个厘米，好似不会引起很大的误差，但在多次支点测量的

52、情况下，误差的传播会导致目标点坐标误差越来越大，最终导致测量任务的失败。因此了解全站仪及有关棱镜的构造和工作原理是掌握并正确使用仪器的关键。3.23.2 无棱镜模式的全站仪测距无棱镜模式的全站仪测距无棱镜测距，又叫作无接触测距，指的是测距仪光束径经自然表面漫反射后直接测距。其测距原理与有棱镜相似。20 世纪 90 年代初，徕卡 DIOR3000 系列测距仪已经具备无棱镜测距功能，1998 年徕卡公司又推出了 TCR3007001100 系列无棱镜测距全站仪，开创了整体式全站仪具有两种测距功能的先河，代表了无棱镜测距全站仪新的发展前景和希望。传统的测距仪大都用发光管（LED）作为信号源，新型测距

53、仪的信号源为激光管，这样可以提高发射功率，保证无棱镜测距时的测程和测距精度。相位法河南理工大学本科毕业论文16测距用的测量光束很细，因此能准确地分辨出非常近的相邻点。脉冲式无反射棱镜测距不需要很强的激光功率，但其精度较低。此外，现在大多数无反射棱镜全站仪使用同轴测距仪，这种设计降低了对仪器中心偏移量修正的需要，是分体式全站仪所无法比拟的。但有的一体化全站仪也有一些偏移，例如伪同轴的测距仪设计为发射信号与视准轴同轴，接收光路有一定的偏移，距离解算时再改正偏移量。3.2.1 无棱镜全站仪的应用无棱镜全站仪发展至今，对于控制、地形和工程测量都具有重要作用，例如对于人们无法攀登的悬崖陡壁的地形测量、地

54、下大型工程的断面测量、建筑物的变形测量等，采用无棱镜全站仪测量可以大大节约时间，提高劳动效率。尤其是用边角后方交会的方法在地下工程中布设临时控制点，可以将控制点布设洞壁上，避免了掌子头放样控制点的破坏。目前，国内外无棱镜测距技术正在飞速发展，无棱镜全站仪的功能也不断完善，使得无棱镜全站仪的应用领域越来越广阔。对无棱镜全站仪应用方法的研究成果也不断出现，并被应用到实际的工程中。在地表测定跑尺员难以到达的测点的三维数据，如在水利工程中对施测悬崖陡峭的坝址地区、桥梁断面以及一些滩涂等人员难以到达或难以通行地区的数字化地形图有巨大的帮助。无棱镜全站仪在建筑物高度和土石方等测量中也得到了广泛的应用，因为

55、它可以不使用棱镜以及其他的辅助工具来进行操作，另一方面也对一些重要的建筑起到了一定的保护作用。此外，有的仪器还提供了可见激光的无反射棱镜方式。可见激光光束可以作为指向器使用，即可根据光斑的位置确定测量位置，因此没有必要总是通过望远镜寻找目标，这也为全站仪在室内测量的应用扩展了空间。它的应用领域值得我们深入研究。世界主要测绘仪器生产商都推出了具有无棱镜测距功能的全站仪，并且无棱镜测程在逐渐的增加，如今已发展到千米甚至更远的超长测距范围。表 3-1 主要无棱镜全站仪现状仪器型号生产商无棱镜测距测程无棱镜测距精度Trimble5600天宝公司200m（灰色）600m(白色)1033(6DmmR110

56、SET日本索佳85m(白墙)1025(6Dmm)1035(6DmmGPT-3100N日本拓普康250m(漫反射)有超长测距模式(3-25m)10(mm(25m)1025(6DmmTCRA/TCR徕卡公司80m优于 3mm河南理工大学本科毕业论文173.2.2 无反射棱镜全站仪的特点无反射棱镜全站仪把无反射棱镜测距融合进了传统的全站仪，具备双重的功能，实现了“所瞄即所测”。同以往的全站仪相比，无反射棱镜测距仪具有以下特点：（1）效率高，使用范围广。无反射棱镜全站仪最大的优势就在于不需要接触被测点就可以获得被测点的三维坐标，省去了“跑杆”作业员的奔波之苦，作业强度和危险性大大降低，也对一些重要建筑

57、起到了一定的保护作用。此外，一些全站仪还提供了可见激光的无反射棱镜方式，可见激光光束可以作为指向器使用，即可根据光斑的位置确定测量位置，这给全站仪在室内测量的应用扩展了空间。利用这一特性，可以轻易完成建筑物表面测量，房间空间测量及航空摄影测量中的图根点测量。（2）测距速度快。反射棱镜全站仪的测距速度一般在 1s 左右，比一般全站仪的测距速度快几倍，减轻了作业人员的工作强度，提高了工作效率。14河南理工大学本科毕业论文184 无棱镜全站仪测距性能的探讨与分析无棱镜全站仪测距性能的探讨与分析在实际测量中，全站仪的各种测距常数随时间和环境的的变化而变化，不同厂家不同型号的仪器，其各种测程的大小和变化

58、情况都不尽相同。加、乘常数是全站仪测距的重要系统误差。有棱镜的模式下，与全站仪配套的目标棱镜的鉴定方法和技术要求在规范中都有详细的规定，由测绘计量单位在基线场作定期检测，联合求解各种测距常数给以测距改正可得到满意的结果。而无棱镜模式的测距性能不仅与激光的特性有关，还与被测物体的反射特性有关，不同的反射面会影响免棱镜模式下的全站仪的测量精度，实际工程中对精度要求不高的一般测量工作（如地形图的测绘）对上述误差一般予以忽略。但随着免棱镜全站仪在各种精密工程测量及变形监测中的广泛应用，免棱镜全站仪测距的精度要求也逐渐提高，因此，有必要对免棱镜的测距稳定性进行分析研究，本文用拓普康的GPT-3100N全

59、站仪进行了如下测试，并对实验数据进行分析。实验数据处理方法：从概率统计和测量平差的观点讲，观测值均方误差并不反映观测值的精度，但是却可以很好的反映观测值的离散程度，离散程度即可表示观测结果的稳定性，在EXCEL表格中分别用函数SQRT(VAR(NUM1:NUM2)、AVERAGE(NUM1:NUM2)函数计算出观测值均方差、观测值均值，用于分析观测结果。4.14.1 探究全站仪在有、无棱镜模式下测得的点位有无明显区别探究全站仪在有、无棱镜模式下测得的点位有无明显区别1、方案设计：在空旷的实验场地，摆设全站仪 A 与棱镜 B、C，如图所示，首先在有棱镜模式下观测，观测一个测回，分别读取水平方向值

60、、天顶距和斜距，将处理过后的数据填写于表 4-1；再将全站仪设置为无棱镜测量模式，在测站，目标点没有变动的的情况下，同样观测一个测回，分别读取水平方向值、天顶距和斜距，将处理过后的数据填写于表 4-2。由于全站仪点位坐标的计算原理是利用边长，角度的极坐标的计算方法，所以只需对水平角度、天定距、边长的测量结果进对比分析即可。方案示意图如下：21ACB图 4-1探究对点位影响实验示意图河南理工大学本科毕业论文192、实验数据表 4-1 有棱镜模式测量结果竖盘水平方向位置读数水平角值天顶距斜距（m） A-B0 00 0089 59 0523.047A-C左113 06 00113 06 0090 0