5 电子全站仪测量
5．1 电子全站仪概述
随着光电测距和电子计算机技术的发展，20世纪70年代以来，测绘界越来越多地使用一种新型的测量仪器——全站型电子速测仪，简称全站仪。这种仪器能同时测角、测距，而且还能自动显示、记录、存储数据，并能进行数据处理，可在野外直接测得点的坐标和高程。通过传输设备可把野外观测数据输入到计算机，经计算机处理后可自动绘制电子地图。需要时可由绘图仪自动绘出所需比例尺的图件，由打印机打印出所需的成果表册。这样使测绘工作的外业和内业有机地连接起来，实现了真正的数据流。
同时，电子全站仪已被广泛应用于控制测量、细部测量、施工放样、变形测量等方面的测量作业中。
电子全站仪各部分的组合框图，如图5－1所示。各部分的作用如下：电源部分有可充电式电池，供给其他各部分电源，包括望远镜十字丝和显示屏的照明；测角部分相当于电子经纬仪，可以测定水平角、竖直角和设置方位角；测距部分相当于光电测距仪，一般用红外光源，测定至目标点（设置反光棱镜或反光片）的斜距，并可归算为平距及高差；中央处理器接受输入指令，分配各种观测作业，进行测量数据的运算，如多测回取平均值、观测值的各种改正、极坐标法或交会法的坐标计算以及包括运算功能更为完备的各种软件；输入／输出部分包括键盘、显示屏和接口；从键盘可以输入操作指令、数据和设置参数，显示屏可以显示出仪器当前的工作方式（Mode）、状态、观测数据和运算结果；接口使全站仪能与磁卡、磁盘、微机交互通讯，传输数据。
图5－1 全站仪框图
5．2 电子全站仪的结构与功能
5．2．1 全站仪的结构
（a）RTS600系列
1．提手紧固螺旋；2．仪器中心；3．仪器型号；4．电池；5．水平制动螺旋；6．水平微动螺旋；7．RS232通信接口（外接电源接口）；8．基座脚螺旋；9．基座；
10．基座锁紧钮；11．圆水准器；12．按键；13．显示屏；14．长水准器；15．竖直制动螺旋；16．竖直微动螺旋；17．望远镜物镜；18．望远镜粗瞄准器；19．提手
（b）SET系列
1．提柄；2．提柄固定螺旋；3．物镜；4．光学对中器目镜；5．显示屏；6．软键；7．圆水准器；8．基座；9．脚螺旋；10．底板；11．物镜调焦环；12．望远镜目镜；13．横轴中心标志；14．存储卡护盖；
15．电源开关及照明键；16．电池盒；17．键盘；18．外接电源插口；19．强制对中基座制紧杆；20．管状罗盘插口；21．竖直制动／微动螺旋；22．平盘水准管；23．水平制动／微动螺旋；24．通讯接口
图5－2 电子全站仪
全站仪按结构一般分为分体式（组合式或积木式）和整体式两类。分体式全站仪的特点是光电测距仪和电子经纬仪既可以组合在一起使用，也可以分开使用。整体式全站仪的特点是光电测距仪和电子经纬仪共用一个望远镜，并安装在同一个外壳内，成为一个完整的整体，使用更为方便。现在，人们一般所讲的全站仪通常是指整体式的全站仪。图5－2所示为两种型号的电子全站仪：图5－2（a）所示的为我国苏州一光仪器有限公司生产RTS600系列一款全站仪；图5－2（b）所示的为日本索佳公司生产的SET系列产品。
5．2．2 全站仪的功能
全站仪按数据存储方式分为内存型和电脑型两种。内存型全站仪的所有程序都固化在仪器的存储器中，不能添加或改写，也就是说，只能使用全站仪提供的功能，无法扩充。而电脑型全站仪内置操作系统，所有程序均运行于其上，可根据实际需要添加相应程序来扩充其功能，使操作者进一步成为全站仪功能开发的设计者，更好地为工程建设服务。
全站仪除了上述的测量斜距、竖直角、水平角，自动记录、计算并显示出平距、高差、高程和坐标功能外，一般都还带有诸如施工放样、对边测量、悬高测量、面积测量、后方交会、偏心测量等一些特殊的测量功能；有的全站仪还具有免棱镜测量功能，有的全站仪还具有自动跟踪照准功能，被喻为测量机器人。另外，有的厂家还将GPS接收机与全站仪进行集成，生产出了GPS全站仪。
5．3 全站仪的操作使用
5．3．1 使用前的注意事项
不同厂家生产的全站仪，同一厂家生产的不同等级的全站仪，甚至是同一厂家生产的同一等级而不同时期生产的全站仪，其外观、结构、功能、键盘设计、操作方法和步骤等都会有所区别。因此，在操作使用某一台全站仪之前，必须认真详细地阅读使用说明书，严格按照其使用要求进行操作，并注意以下事项：
（1）仪器要由专人使用、保管，运输过程中应注意防震，存放时要注意防潮。
（2）迁站、装箱时只能握住仪器的把手，而不能握住镜筒，以免损坏仪器精度。
（3）没有滤光片时不要将仪器正对太阳，否则会损坏内部电子元件。
（4）旋转照准部时应匀速旋转，切记急速转动。
（5）不要让仪器暴晒和雨淋，在阳光下应撑伞遮阳。
（6）不用时应将电池取出保管，每月对电池充电一次和操作仪器一次。
（7）要经常保持仪器清洁和干燥。
5．3．2 全站仪的操作使用
现结合苏州一光仪器有限公司生产的RTS600系列全站仪，介绍电子全站仪进行测量的准备工作和操作方法。
1）准备工作
（1）安装内部电池
测前应检查内部电池的充电情况，如电力不足要及时充电，充电方法及时间要按使用说明书进行，不要超过规定的时间。测量前装上电池，测量结束应卸下。
（2）安置仪器
操作方法和步骤与经纬仪类似，包括对中和整平。若全站仪具备激光对中和电子整平功能，在把仪器安装到三脚架上之后，应先开机，然后选定对中／整平模式后再进行相应的操作。开机后，仪器会自动进行自检。自检通过后，屏幕显示测量的主菜单如图5－3所示。
图5－3 状态模式屏幕
（3）全站仪主要能够实现的功能
各个厂家生产的全站仪一般都能实现如图5－4所示的操作功能。
2）操作方法
（1）距离测量
距离测量的基本操作方法和步骤与光电测距仪类似，先选择测量模式（精测、粗测、跟踪），然后瞄准反射棱镜，按相应的测量键，几秒之后即显示出距离值，如图5－5所示。
（2）角度测量
角度测量的基本操作方法和步骤与经纬仪类似，全站仪都具有水平度盘自动置零和任意方位角设置功能，使测角更加方便。当瞄准某一目标，并进行水平度盘置零或方位角设置后，转动照准部瞄准另一目标时，屏幕所显示的水平角值即为它们的水平夹角或该目标的方位角，如图5－5所示。
（3）三维坐标测量
如图5－6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i、目标高v及测站点的三维坐标值（xA，yA，HA）；然后照准另一已知点设定方位角；接着再照准目标点P上的反射棱镜，按下坐标测量键，仪器就会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（xP，yP，HP），见式（5－1）。
式中：S——仪器至反射棱镜的斜距（m）；
α——仪器至反射棱镜的竖直角；
θ——仪器至反射棱镜的方位角。
图5－4 RTS600系列界面操作模式图
图5－5 距离、角度测量
图5－6 三维坐标测量
（4）三维坐标放样
如图5－7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i、目标高v以及测站点A的三维坐标值（xA，yA，HA）和待测设点P的三维坐标值（xP，yP，HP），并照准另一已知点设定方位角；然后照准竖立在待测设点P的概略位置P1处的反射棱镜。按键测量即可自动显示出水平角偏差Δβ、水平距离偏差ΔD和高程偏差ΔH。
其中最后，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。
图5－7 三维坐标放样
（5）对边测量
对边测量就是测定两目标点之间的平距和高差，如图5－8所示，即在两目标点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、P2两目标点间的平距D12和高差h12：
式中：S1、S2——仪器至两反射棱镜的斜距（m）；
α1、α2——仪器至两反射棱镜的竖直角；
β——PP1与PP2两方向间的水平夹角。
但需指出，应用上述公式计算地面点P1、P2间高差的前提条件是P1、P2两点间的目标高v1、v2应相等。否则，应按下式计算：
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值（v1－v2）。
图5－8 对边测量
（6）悬高测量
悬高测量就是测定空中某点距地面的高度，如图5－9所示。把全站仪安置于适当位置并选定悬高测量模式后，把反射棱镜设立在欲测高度的目标点C的天底B（即过目标点C的铅垂线与地面的交点）处，输入反射棱镜高v；然后照准反射棱镜进行测量；再转动望远镜照准目标点C，便能实时显示出目标点C至地面的高度H。
显示的目标点高度H，由全站仪自身内的计算程序按下式计算而得：
式中：S——仪器至反射棱镜的斜距；
α1、α2——仪器至反射棱镜和目标点C的竖直角。
上面的测量原理是在反射棱镜设立在欲测高度的目标点C的天底B而且不考虑投点误差的条件下进行的。如果该条件不能保证，全站仪将无法测得C点距地面点B的正确高度；即使使用这一功能，测出的结果也是不正确的。当测量精度要求较高时，应先投点后观测。
图5－9 悬高测量
（7）面积测量
如图5－10所示，为一任意多边形，欲测定其面积，可在适当位置安置全站仪，选定面积测量模式后，按顺时针方向依次将反射棱镜竖立在多边形的各顶点上进行观测。观测完毕仪器就会瞬时显示出该多边形的面积值。其原理为：通过观测多边形各顶点的水平角βi、竖直角αi以及斜距Si，先根据下式自动计算出各顶点在测站坐标系xOy（x轴指向水平度盘的零度分划线，原点O为仪器的中心）中的坐标
图5－10 面积测量
然后，再利用下式自动计算并显示出被测n边形的面积
或
当i＝1时，yi－1＝yn，xi－1＝xn；当i＝n时，yi＋1＝y1，xi＋1＝x1。
（8）偏心测量
全站仪偏心测量是指反射棱镜不是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，间接地可测定出待测点的位置。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、圆柱偏心测量和双距偏心测量。
①角度偏心测量
如图5－11所示，将全站仪安置在某一已知点A，并照准另一已知点B进行定向；然后，将偏心点C（棱镜）设置在待测点P的左侧（或右侧），并使其到测站点A的距离与待测点P到测站点的距离相当；接着对偏心点进行测量；最后再照准待测点方向，仪器就会自动计算并显示出待测点的坐标。其计算公式如下：
图5－11 角度偏心测量
式中：S，α——仪器到偏心点C（棱镜）的斜距和竖直角；
xA，yA——已知点A的坐标；
TAB——已知边的坐标方位角；
β——未知边AP与已知边AB的水平夹角；当未知边AP在已知边AB的左侧时，上
式取“－β”。
显然，角度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。
②单距偏心测量
如图5－12所示，将全站仪安置在已知点A，并照准另一已知点B进行定向；将反射棱镜设置在待测点P的附近一适当位置C；然后输入待测点P与偏心点C间的距离d和CA 与CP的水平夹角θ，并对偏心点C进行观测，仪器就会自动显示出待测点P的坐标（xP，yP）、测站点至待测点的距离D和方位角TAP。其计算公式如下：
式中：xC，yC——偏心点C的坐标；
β——AC边与已知边AB的水平夹角。
当β和θ为右角时，式（5－13）～式（5－14）取“－β”和“－θ”代入计算。显然，单距偏心测量适合于待测点与测站点不通视的情况。
图5－12 单距偏心测量
③圆柱偏心测量
圆柱偏心测量是单距偏心测量的一种特殊情况，即待测点P为某一圆柱形物体的圆心，如图5－13所示。观测时将全站仪安置在某一已知点A，并照准另一已知点B进行定向；然后，将反射棱镜设置在圆柱体的一侧C点，且使AC与圆柱体相切；当输入圆柱体的半径R，并对偏心点C进行观测后，仪器就会自动计算并显示出待测点的坐标（xP，yP）、测站点至待测点的距离D和方位角TAP。其计算公式与单距偏心测量相同，只不过用R和90°代替d和θ。
图5－13 圆柱偏心测量
④双距偏心测量
双距偏心测量是利用专制的两点式觇牌（两觇牌的间距为一定值f），如图5－14所示，将全站仪安置在某一已知点A，并照准另一已知点B进行定向；然后将两点式觇牌对准待测点P（无须正交），分别测量D和C，并输入C点到待测点P的距离g，仪器便可计算并显示出待测点P的坐标（xP，yP）或测站点至待测点的距离D和方位角TAP。其计算公式如下：
D点的坐标为
C点的坐标为
D、C间的平距k和方位角TDC为
C、P之平距d为
P点的坐标为
测站点至待测点的距离D和方位角TAP为
式中：βC，βD——AC边和AD边与已知边AB的水平夹角。
当未知边AC和AD边在已知边AB的左侧时，式（5－15）、式（5－16）取“－βC”和“－βD”代入计算。
图5－14 双距偏心测量
（9）后方交会测量
将全站仪安置在未知点上，选定后方交会模式后，输入已知点的坐标；然后分别照准附近的两已知点进行测量，即可得到两已知点在测站坐标系xOy中的坐标；再通过坐标转换公式联立转换参数（当已知点多于两个时，则按最小二乘法间接平差求解）；最后通过坐标转换公式求得未知点在测量坐标系中的坐标。以上计算工作，由全站仪自动完成。
5．4 电子全站仪的检校
5．4．1 概述
全站仪同其他测量仪器一样，要定期地到有关鉴定部门进行检验校正。此外，在电子全站仪经过运输、长期存放、受到强烈振动或怀疑受到损伤时，也应对仪器进行检校。在对仪器进行检校之前，应进行外观质量检查：仪器外部有无碰损、各光学零部件有无损坏及霉点、成像是否清晰、各制动及微动螺旋是否有效、各接口是否可以正常接通和断开、键盘的按键操作是否正常等。仪器检校项目主要有以下三个方面：
（1）光电测距部分的检验与校正
测距部分的检验项目及方法应遵照《中华人民共和国国家计量检定规程 光电测距仪》（JJG703—2003）进行，主要有发射、接收、照准三轴关系正确性检验、周期误差检验、仪器常数检验、精测频率检验和测程检验等。
（2）电子测角部分的检验与校正
测角部分的检验项目及方法应遵照《中华人民共和国国家计量检定规程 全站型电子速测仪》（JJG100—2003）进行，主要有照准部水准管轴垂直于仪器竖轴的检验与校正，望远镜的视准轴垂直于横轴的检验与校正，横轴垂直于仪器竖轴的检验与校正，竖盘指标差的检验与校正等。
（3）系统误差补偿的检验与校正
目前许多全站仪自身提供了对竖轴误差、视准轴误差、竖直角零基准的补偿功能，对其补偿的范围和精度也要进行相应的检校。
5．4．2 全站仪的检校
全站仪的检验与校正一般按下述步骤进行：
1）照准部水准器的检验与校正
与普通经纬仪照准部水准器检校相同，即水准管轴垂直于竖轴的检校。
2）圆水准器的检验与校正
照准部水准器校正后，使用照准部水准器仔细地整平仪器，检查圆水准气泡的位置，若气泡偏离中心，则转动其校正螺旋，使气泡居中。注意应使三个校正螺旋的松紧程度相同。
3）十字丝竖丝与横轴垂直的检验与校正
十字丝竖丝与横轴垂直的检查方法与普通经纬仪的此项检查相同。
校正方法：旋开望远镜分划板校正盖，用校正针轻微地松开垂直和水平方向的校正螺旋，将一小塑料片或木片垫在校正螺旋顶部的一端作为缓冲器，轻轻地敲动塑料片或木片，使分划板微微地转动，使照准点返回偏离十字丝量的一半，即使十字丝竖丝垂直于水平轴。最后以同样的程度旋紧校正螺旋丝。
4）十字丝位置的检验与校正
在距离仪器50～100 m处，设置一清晰目标，精确整平仪器。打开开关设置竖直和水平度盘指标，盘左照准目标，读取水平角a1和竖直度盘读数b1，用盘右再照准同一目标，读取水平角a2和竖直度盘读数b2。计算a2－a1，此差值在180°±20″以内；计算b2＋b1，此和值在360°±20″以内，说明十字丝位置正确，否则应校正。
校正方法：先计算正确的水平角和竖直度盘读数A和B，A＝（a2＋a1）／2＋90°，B＝（b2 －b1）／2＋180°。仍在盘右位置照准原目标，用水平和竖直微动螺旋，将显示的角值调整为上述计算值。观察目标已偏离十字丝，旋下分划板盖的固定螺丝，取下分划板盖，用左右分划板校正螺旋，向着中心移动竖丝，再使目标位于竖丝上；然后用上下校正螺丝，再使目标置于水平丝上。注意：要将竖丝移向右（或左），先轻轻地旋松左（或右）校正螺丝，然后以同样的程度旋紧右（或左）校正螺丝。水平丝上（下）移动，也是先松后紧。重复检校，直至十字丝照准目标；最后旋上分划板校正盖。
5）测距轴与视准轴同轴的检查
（1）将仪器和棱镜面对面地安置在相距约2 m的地方，如图5－15所示。使全站仪处于开机状态。
图5－15 测距轴与视准轴同轴的检查
（2）通过目镜照准棱镜并调焦，将十字丝瞄准棱镜中心。
（3）设置为测距或音响模式。
（4）将望远镜顺时针旋转调焦到无穷远，通过目镜可以观测到一个红色光点（闪烁），如果十字丝与光点在竖直和水平方向上的偏差均不超过光点直径的五分之一，则不需校正。若上述偏差超过五分之一，再检查仍如此，应交专业人员修理。
6）光学对中器的检校
整平仪器：将光学对中器十字丝中心精确地对准测点（地面标志），转动照准部180°，若测点仍位于十字丝中心，则无需校正。若偏离中心，则按下述步骤进行校正。
校正方法：用脚螺旋校正偏离量的一半，旋松光学对中器的调焦环，用四个校正螺丝校正剩余一半的偏差，致使十字丝中心精确地与测点吻合。另外，当测点看上去有一绿色（灰色）区域时，轻轻地松开上（下）校正螺丝，以同样程度固紧下（上）螺丝；若测点看上去位于绿线（灰线）上，应轻轻地旋转右（左）螺丝，以同样程度固紧左（右）螺丝。
7）距离加常数的测定
如索佳SET全站仪，出厂前的距离加常数c已检校至0。然而距离加常数会变化，故应定期地进行测定，然后用以改正所测的距离。
检查方法：在一平坦场地上，选择相距100 m的两点A和B，C点为AB之中点间，如图5－16所示。
图5－16 距离加常数的测定
在A点设置仪器，B点安置棱镜，注意要确保棱镜高度与仪器物镜中心高度相同。若地面不平，用一台水准仪测定A、B、C三点上的仪器物镜中心和棱镜高度相同。精确测定A、B之间的距离10次。将仪器移至C点，精确测定CA和CB间的距离各10次，分别计算出各点之间的平均距离AB、CA和CB，用下述公式计算距离加常数c：
对c值测定若干次，若绝大多数都不超过±3 mm，取若干次的平均值作为距离加常数；否则，应与厂商联系。注意：若有棱镜常数，由上式计算结果应为仪器加常数与棱镜常数之和。
另外，仪器使用前最好按照使用说明书中的“距离测量检查流程图”检查电源、反射信号、显示状况等基本情况。
本章小结
全站型电子速测仪（简称全站仪）是一种能同时测角、测距，而且还能自动显示、记录、存储数据，并能进行数据处理，可在野外直接测得点的坐标和高程的光电仪器。它被广泛应用于控制测量、细部测量、施工放样、变形测量等方面的测量作业中。
全站仪按结构一般分为分体式（组合式或积木式）和整体式两类；按数据存储方式分为内存型和电脑型两种。
全站仪通过测量斜距、竖直角、水平角，自动记录、计算并显示出平距、高差、高程和坐标功能外，一般都还带有诸如坐标放样、对边测量、悬高测量、面积测量、后方交会、偏心测量等一些特殊的测量功能；有的全站仪具有免棱镜测量功能，有的全站仪则具有自动跟踪照准功能，被喻为测量机器人；还将GPS接收机与全站仪进行集成，生产出了GPS全站仪，即超站仪。
习题与思考题
1．简述全站仪的基本结构和组成。
2．简述全站仪的基本功能。
3．简述全站仪三维坐标测量的基本原理。
4．简述全站仪三维坐标放样的基本原理。
5．简述全站仪对边测量的基本原理。
6．简述全站仪悬高测量的基本原理。
7．简述全站仪面积测量的基本原理。
8．简述全站仪偏心测量的基本原理。
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