第三節 全站儀及其使用

一、全站儀概述

全站儀（即全站型電子測速儀）是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統。因其一次安置儀器就可完成該站點上全部測量工作，所以稱為全站儀。全站儀具有角度測量、距離（斜距、平距、高差）測量、三維坐標測量、導線測量、交匯定點測量和放樣測量等多種用途，廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監測領域。其具有如下特點：

（1）測量的距離長、時間短、精度高。

（2）能同時測角、測距并自動記錄測量數據。

（3）設有各種野外程序，能在測量現場得到歸算結果。

目前，世界上精度最高的全站儀：測角精度（一測回方向標準偏差）0.5″，測距精度1mm+1ppm。利用目標自動識別（ATR）功能，白天和黑夜（無需照明）都可以工作。全站儀已經達到令人不可置信的角度和距離測量精度，既可人工操作，也可自動操作；既可遠距離遙控運行，也可在機載應用程序下使用，可應用在精密工程測量、變形監測、幾乎是無容許限差的機械引導控制領域。

全站儀的分類很多，主要有以下幾種：

（1）按結構形式分。20世紀80年代末、90年代初，人們根據電子測角系統和電子測距系統的發展不平衡，將全站儀分為兩大類，即組合式和整體式。組合式也稱積木式，是指電子經緯儀和測距儀既可以分離也可以組合，用戶可以根據實際工作的要求，選擇測角、測距設備進行組合；整體式也稱集成式，是指將電子經緯儀和測距儀做成一個整體，無法分離。90年代以來，整體式全站儀成為主導。

（2）按數據儲存方式分，全站儀有內存型和電腦型兩種。內存型的功能擴充只能通過軟件升級來完成；電腦型的功能可以通過二次開發來實現。

（3）按測程來分，全站儀有短程、中程和遠程三種。測程小于3km的為短程，測程在3～15km的為中程，測程大于15km的為遠程。

（4）按測距精度分，全站儀有Ⅰ級（5mm）、Ⅱ級（5～10mm）和Ⅲ級（＞10mm）。

（5）按測角精度分，全站儀有0.5″、1″、2″、5″、10″等多個等級。

（6）按載波分，全站儀有微波測距儀和光學測距儀兩種。采用微波段的電磁波作為載波的稱為測距儀，采用光波作為載波的稱為光電測距儀。

二、全站儀的構造

（一）全站儀基本構造

1.全站儀的組成

全站儀由測角、測距、計算和數據存儲系統組成。圖2-35所示為我國生產的科力達KTS-442R型全站儀。科力達全站儀KTS-442R具備豐富的測量程序，同時具有數據存儲功能、參數設置功能，其功能全面，適用于各種專業測量和工程測量。其主要有以下五部分組成：

（1）電子測角系統。全站儀的電子測角系統采用了光電掃描測角系統，其類型主要有編碼盤測角系統及動態（光柵盤）測角系統三種。

（2）四大光電系統。全站儀上半部分包含有測量的四大光電系統，即水平角測量系統、豎直角測量系統、水平補償系統和測距系統。通過鍵盤可以輸入操作指令、數據并設置參數。以上各系統通過I/O接口接入總線與微處理機聯系起來。

（3）數據采集系統。全站儀主要由為采集數據而設計的專用設備 （主要由電子測角系統、電子測距系統、數據儲存系統、自動補償設備等）和過程控制機 （主要用于有序地實現上述每一專用設備的功能）組成。過程控制機包括與測量數據相連接的外圍設備及進行計算、產生指令的微處理機。只有上面兩大部分有機結合，才能真正地體現 “全站”功能，即既要自動完成數據采集，又要自動處理數據和控制整個處理過程。

（4）微處理機（CPU）。CPU是全站儀的核心部件，主要由寄存器系列（緩沖寄存器、數據寄存器、指令寄存器）、運算器和控制器組成。微處理機的主要功能是根據鍵盤指令啟動儀器進行測量工作，執行測量過程中的檢核和數據傳輸、處理、顯示、儲存等工作，保證整個光電測量工作有條不紊地進行。輸入輸出設備是與外部設備連接的裝置（接口），輸入輸出設備使全站儀能與磁卡和微機等設備交互通信、傳輸數據。

（5）照準部和基座。照準部是指水平度盤以上能繞豎軸旋轉的部分，包括望遠鏡、豎直度盤（簡稱豎盤）、光學對中器、水準管等。為了精確照準目標，還設置了水平制動、垂直制動、水平微動、垂直微動螺旋。基座起支承儀器上部以及使儀器與三腳架連接的作用，主要由軸座、腳螺旋和連接板組成。儀器的照準部插入軸座后，用軸座固定螺旋（又稱中心鎖緊螺旋）固緊；軸座固定螺旋切勿松動，以免儀器上部與基座脫離而摔壞。

2.全站儀的構造特點

同電子經緯儀、光學經緯儀相比，全站儀增加了許多特殊部件，因而使得全站儀具有比其他測角、測距儀器更多的功能，使用也更方便。其構造具有以下特點：

（1）同軸望遠鏡。全站儀的望遠鏡實現了視準軸、測距光波的反射、接收光軸同軸化。同軸性使得望遠鏡一次瞄準即可實現同時測定水平角、垂直角和斜距等全部要素的測定功能。加之全站儀強大、便捷的數據處理功能，使全站儀使用極其方便。

（2）雙軸自動補償。全站儀特有的雙軸（或單軸）傾斜自動補償系統，可對縱軸的傾斜進行監測，并在度盤讀數中對因縱軸傾斜造成的測角誤差自動加以改正。也可將由豎軸傾斜引起的角度誤差，由微處理機自動按豎軸傾斜改正計算式計算，并加入度盤讀數中加以改正，使度盤顯示讀數為正確值，即所謂縱軸傾斜自動補償。

（3）鍵盤。鍵盤是全站儀在測量時輸入操作指令或數據的硬件，全站儀的豎盤和顯示屏均為雙面式，便于正鏡、倒鏡作業時操作。

（4）存儲器。存儲器的作用是將實時采集的測量數據存儲起來，再根據需要傳送到其他設備（如計算機等）中，供進一步的處理或使用，全站儀的存儲器有內存儲器和存儲卡兩種。

全站儀內存儲器相當于計算機的內存（RAM），存儲卡是一種外存儲媒體，又稱PC卡，作用相當于計算機的硬盤。

（二）反射棱鏡

全站儀在進行距離測量等作業時，需在目標處放置反射棱鏡。反射棱鏡有單棱鏡組、三棱鏡組，可通過基座連接器將棱鏡組與基座連接,再安置到三腳架上，也可直接安置在對中桿上。棱鏡組由用戶根據作業需要自行配置。

棱鏡組的配置可參照圖2-36所示。

（三）數據通信

全站儀通信是指全站儀和計算機之間的數據交換。目前,全站儀與計算機的通信主要有兩種方式：一種是利用全站儀原配置的PCMCIA卡；另一種是利用全站儀的輸出接口，通過電纜傳輸數據。

（1）PCMCIA卡。簡稱PC卡，PC機內存卡國際聯合會（PCMCIA）確定的標準計算機設備的一種配件,目的在于提高不同計算機型以及其他電子產品之間的互換性,目前已成為便捷式計算機的擴充標準。

在設有PC卡接口的全站儀上,只要插入PC卡,全站儀測量的數據將按規定格式記錄到PC卡上,與之直接通信。

（2）電纜傳輸。通信的另一種方式是全站儀將測量或處理的數據，通過電纜直接傳輸到電子手簿和電子平板系統。由于全站儀每次傳輸的數據量不大，所以幾乎所有的全站儀都采用串行通信方式。串行通信方式是數據依次一位一位地傳遞,每一位數據占用一個固定的時間長度,只需一條線傳輸。

最常用的串行通信接口是由電子工業協會（EIA）規定的RS-232C標準接口，每一針的傳輸功能都有標準規定,傳輸測量數據最常用的只有三條傳輸線,即發送數據線、接收數據線和底線,其余的線供控制傳輸用。

（3）幾種常用全站儀數據通信。徠卡（Leica）全站儀設有數據接口，配專用5針插頭，賓得（Pentax）、索佳（Sokkia）、拓普康（Topcon）全站儀都配6針接口。

三、全站儀的使用

（一）安置儀器

全站儀的安置與經緯儀相同。測量之前請再次檢查確認儀器已精確整平、電池已充足電、垂直度盤指標已設置好，儀器參數已按觀測條件設置好。完成了測量前的準備工作后,便可進行測量模式下的測量工作。

（二）水平角測量

測量方法與經緯儀基本相同。儀器操作步驟如下：

（1）按角度測量鍵，使全站儀處于角度測量模式，照準第一個目標A。

（2）設置A方向的水平度盤讀數為0°00′00″。

（3）照準第二個目標B，此時顯示的水平度盤讀數即為兩方向間的水平夾角。

（三）距離測量

進行距離測量之前請檢查儀器已正確地安置在測站點上，電池已充足電，度盤指標已設置好，儀器參數已按觀測條件設置好，測距模式已正確設置，已準確照準棱鏡中心，返回信號強度適宜測量。根據要求可以測量斜距、平距、高差等。儀器操作步驟如下：

（1）設置棱鏡常數。測距前須將棱鏡常數輸入儀器，儀器會自動對所測距離進行改正。

（2）設置大氣改正值、氣壓值。光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化，15℃和1標準大氣壓（atm）是儀器設置的一個標準值，此時的大氣改正值為0ppm。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值）并對測距結果進行自動改正。

（3）量儀器高、棱鏡高并輸入儀器。

（4）距離測量。照準目標棱鏡中心，按測距鍵，距離測量開始，測距完成時顯示斜距、平距、高差。全站儀的測距模式分為精測模式、跟蹤模式、粗測模式三種，精測模式是最常用的測距模式，測量時間約2.5s，最小顯示單位1mm；跟蹤模式常用于跟蹤移動目標或放樣時連續測距，最小顯示一般為1cm，每次測距時間為0.3s；粗測模式測量時間為0.7s，最小顯示單位1cm或1mm，可按測距模式（MODE）鍵選擇不同的測距模式。

注意：有些型號的全站儀不能設定儀器高和棱鏡高，顯示的高差值是全站儀橫軸中心與棱鏡中心的高差。

（四）坐標測量

測量被測點的三維坐標。進行坐標測量之前請檢查儀器已正確地安置在測站點上，電池已充足電，度盤指標已設置好，儀器參數已按觀測條件設置好，大氣改正數、棱鏡常數改正數和測距模式已正確設置，已準確照準棱鏡中心，返回信號強度適宜測量。

如圖2-37所示，在預先輸入儀器高和目標高后，根據測站點的坐標，設置后視點方位角，便可直接測定目標點的三維坐標。儀器操作步驟如下：

（1）設定測站點的三維坐標。

（2）設定后視點的坐標或設定后視方向的水平度盤讀數為其方位角。后視方位角可通過輸入測站點和后視點坐標后，照準后視點進行設置。當設定后視點的坐標時，全站儀會自動計算后視方向的方位角，并設定后視方向的水平度盤讀數為其方位角。

（3）設置棱鏡常數。

（4）設置大氣改正值或氣溫、氣壓值。

（5）量儀器高、棱鏡高并輸入儀器。

（6）照準目標棱鏡，按坐標測量鍵，全站儀開始測距并計算顯示測點的三維坐標。