随着工程技术的发展，工程测量技术越来越先进，越来越多的新型技术涌现出来，推动了工程施工的水平，本文主要研究全站仪代替水准仪在高程测量中的应用。
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正如许多测绘工作者所述，由于利用水平视线进行的几何水准测量速度慢，受地貌条件的限制，工作效率低，劳动强度大，且存在系统误差，故顺理成章地想到用三角高程测量方法来取代几何四等水准测量。
1 引言
在各种工程的施工过程中，常常涉及到高程测量。传统的测量方法是几何水准测量和三角高程测量。这两种方法虽然各有特色，但都存在着不足。水准测量是一种直接测高法，测定高差的精度是比较高的，但水准测量受地形起伏的限制，外业工作量大，施测速度比较慢。三角高程是一种间接测高法，不受地形起伏的限制，且测量速度比较快，在大比例地形图测绘，线型工程，管网工程等工程测量中被广泛应用，但精度低且每次测量都需量取仪器高，棱镜高，繁琐且增加误差来源。因此，必须对传统三角高程测量方法进行改进，才能提高高差精度。
2 全站仪的组成及测量原理
2.1 全站仪的组成
全站仪由基座部、照准部、望远镜，测角系统、测距系统，计算系统，键盘及显示器这几个部分组成。全站仪具有角度测量、距离(斜距、平距、高差)测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途。内置专用软件后，功能还可进一步拓展。
2.2 全站仪测量原理
所谓全站仪水准法就是在待测两点(棱镜高度一致)中间安置全站仪，此方法既有传统三角高程测量的优点，同时在施测的过程中不需要量仪器高和棱镜高从而减少了高程测量的误差来源，使这种三角高程的精度得到了提高。如图：
A是高程已知的水准点，E是待测点，B，C，D是高程路线的转点，1,2,3,4为全站仪设站位置。
公式中，h为两点间的高差，△h为全站仪中心和棱镜照准标志之间的高差，i为仪器高，v为棱镜高。显然，两点的高差中已经把仪器高抵消掉了。
(5)式中所有中间转点的棱镜高也被抵消掉了，公式中除了观测高差外，只有起点A的棱镜高和终点E的棱镜高。如果在观测过程中，使起点和终点的棱镜高度保持不变。综上所述，用全站仪代替水准仪进行高程测量应满足以下条件:(1)全站仪的设站次数为偶数，否则不能把转点棱镜高抵消掉;(2)起始点和终点的棱镜高，应保持相等;(3)转点上的棱镜高在仪器搬动过程中保持不变;(4)仪器在一个测站的观测过程中高度保持不变。
3 观测实例
3.1 测区概况
测区位于苍南张良山村，面积约为80Km2，测区内高程最低为32m，最高为361m，平均高程为67m。
3.2 全站仪观测方案
(1)使用仪器：垂直角观测精度为±2″，距离精度为±(3mm+2×10-6D)。该仪器可以进行自动气象改正，自动进行垂直轴倾斜补偿和指标差补偿。前、后采用配套的单棱镜、棱镜杆、尺垫，高度相等且测量过程中保持不变。
(2)观测步骤：观测过程为“后—前—前—后”，在两个测点中间适当位置，整平安置全站仪;盘左位置瞄准后视的标志中心，开始测量，读取水平距离和高差;然后，盘右位置瞄准后视的标志中心，开始测量，读取高差;取两次高差的平均值即为后视的高差。用同样的方法测得前视方向的水平距离和高差。以上为一个测回。变换仪器高，进行第2测回，先观测前视高差，后观测后视高差。
(3)观测限差
视距一般小于200m，最长为240m，前后视距差最大为3m，两次仪器高所测高差之差，当视距小于160m时为3mm，当视距大于160m时为5mm。往返测差值和环线的闭合差，应满足三等水准测量的要求。
3.3 全站仪测量高程所需要的注意事项
(1)综上所述，用全站仪代替水准仪进行高程测量应满足以下条件：
1)用此精度的全站仪采用上述测量方法不能达到一、二等水准测量的精度;
2)当视距小于300m时，可以达到三等水准测量的精度;
3)当视距为500m时，能够达到四等水准测量的精度;
4)距离的观测误差在观测高差的误差中所占的比重，随垂直角的增大而增大;
5)垂直角的观测误差在观测高差的误差中所占的比重，随垂直角的增大而减少;
6)在坡度小于20°时，垂直角的误差是主要的。因此，要想提高观测精度，必须设法提高垂直角的精度。
(2)地球曲率和大气折光的影响
水准测量要求前后视距相等主要是为了抵消i角误差，同时也为了削弱地球曲率及大气折光的影响，用全站仪代替水准仪测量时，可以设置大气折光系数k(一般取0.12)，有仪器自动对地球曲率及大气折光的影响进行改正。如果把视距控制在200m左右，前后视距差在3m之内，影响可以忽略不计.
(3)棱镜沉降、仪器沉降、棱镜倾斜的误差与水准仪测量类似，用全站仪代替水准仪进行高程测量时同样存在棱镜沉降、仪器沉降的影响，观测时必须采取一定的措施来减弱或消除。棱镜沉降主要发生在仪器的转站过程中，提高观测速度、采用往返观测的方法也可以抵消部分影响。仪器沉降主要发生在一个测回的观测过程中，在一个测站上要变换仪器高观测两个测回，第二测回和第一测回采用相反的观测次序，即“后—前—前—后”或“前—后—后—前”，可以有效的减弱仪器沉降的影响。觇标倾斜的影响与水准测量时水准尺的倾斜相似，只要仔细检验对中杆上的圆水准气泡，在立杆时保证气泡居中就可以消除此影响。
(4)竖直度盘指标差的影响
水准测量时主要存在i角误差的影响，为了消除i角误差对水准测量的影响一般要求前后视距相等。用全站仪观测时，类似的误差是竖直度盘指标差，如果只用正镜或倒镜观测，该项误差的影响不容忽视。但是只要采用正倒镜观测，就可以抵消指标差的影响。
(5)垂直轴倾斜误差的影响
全站仪能够进行垂直轴倾斜的自动补偿，并且补偿后的精度能达到0.1″，影响甚微。因此，垂直轴倾斜误差的影响可以忽略不计。
(6)垂线偏差的影响
在山区和丘陵地区用全站仪代替水准仪进行高程测量有显著的优点，但由于垂线偏差的变化较大，使得测点之间所观测的高差不等于这两点之间的正常高高差，因此，必须加一个垂线偏差改正。在平原地区，前视和后视的平均垂线偏差基本相等，故垂线偏差的影响等于零。在丘陵地区，垂线偏差的最大值为2″，在几百米左右的范围内它的变化不大，取0.2″(最大值的十分之一)，s=300m，对高差的影响为0.29mm;在山区，垂线偏差的最大值为10″，在几百米左右的范围内它的变化量也取最大值的十分之一(1″)，s=300m，则对高差的影响为1.45mm。在大山区，垂线偏差的最大值为20″，在几百米左右的范围内它的变化量也取最大值的十分之一(2″),s=300m，则对高差的影响为2.91mm。综上所述，垂线偏差对高程的影响在山区和大山区是很大的，因此，在这些地区测量时，应该适当的减小视线的长度。
3.4 观测结果
由水准路线和全站仪观测路线构成了4个独立的闭合环，各闭合环的闭合差以及往返测路线的闭合差都在规定的限差之内，说明用全站仪三角高程测量能够达到三等水准测量的精度。
用全站仪进行三角水准测量，其效率在平地上与水准仪测量相近，但是在丘陵和山区，其效率比水准测量要高许多
4 结果与分析
由于全站仪提供了高精度的角度和距离测量，因而全站仪的三角高程测量可以代替传统的水准测量进行高程控制测量或施工测量。用全站仪水准法三角高程测量代替三，四等水准测量的新方法，其优点是仪器任意置站，方便灵活：不量仪器高，棱镜高，减少误差来源，提高工作效率：测站选在中部，可以减弱大气折光的影响：由于精度提高，施测距离可达600m,在实际工作中，棱镜高度发生变化时，计算时一并考虑即可计算出待测点的实际高程。根据理论研究和大量外业实验统计表明，测距三角高程能代替三，四等水准测量，已逐步用于生产作业中，获得较高的效益。
参考文献
(1) 工程测量(测绘类) 周建郑 主编 郑洲：黄河水利出版社，2006
(2) GPS测量定位技术 周建郑 主编 北京：化学工业出版社，2004
(3) 测量学与地图学 王慧麟 主编 南京大学出版社 2004
(4) 控制测量学 孔祥元 主编 武汉大学出版社 2002
