摘要:全站仪集测距、测角、测坐标、放样等多功能于一体,是测绘、施工等方面广泛应用的一种新型测量仪器。文中阐述了全站仪的工作原理及其在实际工程中的应用。
关键词：全站仪；建筑施工；应用
近年来，随着一些新技术的广泛应用，全站仪这种具有测量无接触、实时、自动、高精度等优越性能的仪器，已逐步被应用到一些高层、大型工程的施工测量工作中，并日益成为高层建筑施工质量控制的有效仪器。
1全站仪结构原理及工作原理
全站型电子速测仪简称全站仪,它是一种可以同时进行角度(水平角、竖直角)测量、距离(斜距、平距、高差)测量和数据处理,由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置,仪器便可以完成测站上所有的测量工作,故被称为“全站仪”。
1.1全站仪的结构原理
全站仪的结构原理见图1。图中上半部分包含有测量的四大光电系统,即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。
图1光电测距示意图
微处理机(CPU)是全站仪的核心部件,主要有寄存器系列(缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器)、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作,执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作,保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置(接口),输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通信、传输数据。
1.2测距原理
欲测定A,B两点间的距离D,安置仪器于A点,安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B,经反射镜反射后又返回到仪器。设光速C为已知,如果光束在待测距离D上往返传播的时间为t2D。则距离D可由下式求出:
式中,C=C0/n,C0为真空中的光速值,其值为299792458m/s,n为大气折射率,它与测距仪所用光源的波长,测线上的气温t,气压P和湿度e有关。测定距离的精度,主要取决于测定时间的精度,例如要求保证±lcm的测距精度,时间测定要求准确到6.7×10-11s,这是难以做到的。因此,大多采用间接测定法来测定。间接测定的方法为相位式测距。
由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波,测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相依移,以测定距离D。在砷化镕(GaAs)发光二极管上加了频率为f的交变电压(即注入交变电流)后,它发出的光强就随注入的交变电流呈正弦变化,这种光称为调制光。测距仪在A点发出的调制光在待测距离上传播,经反射镜反射后被接收器所接收,然后用相位计将发射信号与接受信号进行相位比较,由显示器显出调制光在待测距离往、返传播所引起的相对位移φ。
l.3全站仪的主要特点
（1）只要一次照准反射棱镜，即可测出水平角、垂直角和斜距，自动计算机出目标点的坐标和高程，并可记录测量与计算数据。
（2）通过全站仪主机的标准通讯接口，可实现全站仪与计算机或其它外围设备的数据通讯，从而使测量数据的获取、管理、计算和绘图形成一个完整的自动化测量系统。
（3）利用全站仪的微机处理器来控制全站仪的测量与计算，可实现气象改正，导线测量，前、后方交会，碎部测量和施工放样等计算任务。
（4）仪器内部有双轴补偿器，可自动测量仪器竖轴和水平轴的倾斜误差，并对角度观测值施加改正。
2全站仪的一般操作程序
仪器对中、整平一打开电源→水平度盘和垂直度盘指标的设置→设置仪器参数→进入测量模式→调焦和照准。显示（输出）测量结果。
3全站仪在施工测量各阶段的应用
3.1进场后,复核起始数据
施工单位进场后，其测量的首要工作是对拟建建筑物四周的城市导线点的坐标及高程等起始数据进行复核。在此阶段，可用全站仪对城市导线点进行两测回的测角、测距，联测数据的精度满足测量规范的要求后，即可将其作为该工程布设建筑平面控制网的基准点和起算数据。其具体方法如下：
（1）选取两城市控制网点Nl、N2。将Nl点作为测站点并在此架设全姑仪将N2点作为目标点，把棱镜架于其上（图2）。
图2坐标测量示意图
（2）对全站仪进行对中、整平，并设置好仪器参数。
（3）将仪器照准方向的方向值设置成零度。全站仪可按要求的次数，进行多次测距和水平角的复测并显示其平均值（图3）。
图3方位角设置示意图
为占地面积宽广、体量庞大的建筑物提供起始控制数据的城市导线点之间的距离可能较远。当两导线点之间距离达到200～300m时，用一般光学仪器来观测就很容易引起误差；如果使用全站仪来观测就方便得多，而且测量精度高。以在学校学习使用的GTS332W拓普康全站仪为例：
测角精度：±2″，绝对法测角，无需过零检验。
测距精度：±（2mm+2ppm*D）。
测程：单棱镜3000m，三棱镜4000m
高速测距：精测1.2秒
粗测0.7秒
跟踪0.4秒
在可测范围内，可以逐步建立控制网，提高测量经度。简略如下：
三角网：
以高精度而稀疏的一等三角锁，尽可能沿经纬线方向纵横交叉地迅速布满全国，形成统一的骨干大地控制网，然后在一等锁环内逐级（或同时）布设二、三、四等三角网。
在此基础上，可布设一、二级小三角或一、二、三级导线作为区域控制（或局部控制网）。
国家三角锁、网的布设规格与精度要求：
国家水准网：按国家水准测量规范的技术要求建立起来的高程控制网。
作用：全国范围内施测各种比例尺地形图的高程控制基础，以及一些科学研究如地壳垂直形变规律、各海洋平均海水面的高度变化，以及其他有关地质和地貌的研究等。
由高级到低级，从整体到局部：分成四个等级，逐级控制，逐级加密
一等水准网：骨干，环线长1000-1500km
二等水准网：基础，环线长500-750km
三、四等水准网：为地形测图和工程建设服务。
基本规定：
前后视距差应小于1m,累积差应小于3m；
相邻测站上，奇站按“后前前后”观测，偶站按“前后后前”观测
同一测段的水准路线上测站数目应为偶数；
每一测段都要往、返测
一测段的往返测应在不同气象条件下进行
3.2通过坐标放样建立平面控制
面控制网是建筑物定位的基本依据，其原则是整体控制局部，高精度控制低精度。使用全站仪的坐标放样功能可准确、方便地测设出整个建筑的平面控制网，并进而加密成建筑方格网（图4）。其具体方法如下：
图4坐标放样测量示意图
（1）根据施工图纸，计算出各控制点及其它待放样点的坐标。
（2）选取两城市控制网点Nl、N2，其坐标己知。把N2点作为测站点，Nl点作为后视点。把全站仪架在N2点上，把一台棱镜架在后视点N1，另一台带有测杆的棱镜由另一名测量人员来放置，其放置的具体位置听从仪器操作人员的指挥。
（3）对全站仪进行对中和整平，设置好仪器参数。
（4）进入坐标放样模式，输入测站点的坐标、仪器高、目标高。
（5）进入方位角的设置状态，输入后视点的坐标。精确照准后视点棱镜中心，仪器根据测站点和后视点坐标，将自动完成后视点方位角的设备。
（6）再次进入坐标放样模式，输入待放样点的坐标。
（7）旋转仪器的照准部，使所显示的水平角读数为零。此时，照准部所照准的方向即为待测点的方向。仪器操作人员可指挥持棱镜的操作人员按此方向移动棱镜。照准带测杆的棱镜（待放样点附近），通过对照准点的测量，仪器显示出预先输入的待放样值与实测值之差，即显示值=实测值-放样值。
（8）根据显示值，指挥持棱镜的测量人员，沿照准方向移动带测杆的棱镜，直到观测屏幕上的显示值在误差范围之内。
（9）在测杆指示的位置埋上刻有“十”字丝的螺栓，用水泥砂浆将螺栓固定。
传统的放样工作使用经纬仪、钢尺、线坠等仪器，通过经纬仪拨角度、定方向以及钢尺量具来进行。这种方式工作量大、误差大、易出错。特别是在施工前期基础的定位阶段，还容易受地形条件的限制，对各独立柱基的开线定位使用全站仪，实是方便快捷准确，减小由于场地的高低不平，坑坑洼洼的地形，以往的人为拉尺定位从而产生的误差。在结构施工中，用全站仪对各柱、剪力墙等位置进行开线定位，方便快捷，并能减少误差；总之利用全站仪的坐标放样功能可有效地克服传统放样工作中的弊端，在测量过程中大大减少设站次数，可直接进行放样并省去现场的记录工作。
3.3通过三角高程测距进行高程控制
高程测量在整个测量工作中所占的工作量很大，同时也是测量工作的重要组成部分。利用全站仪的距离测量模式就可精确地进行高程控制。具体方法如下：
（1）将全站仪架在水准点BM1附近。
（2）将两根装有棱镜的测杆，一根立在BMI点上，另一根立在需测标高的点上。
（3）将全站仪对中、整平，进入距离测量模式，分别测出仪器至BM1点的平距、斜距和高差h1及仪器至所求点的平距、斜距和高差h2。
（4）若测杆1与侧杆2的高度一致，则所求点A的计算式为：
HA=BMI（高程）+h2-hl
如果仪器至测杆1测得为负高差，则h1前变符号为“+”。两测杆高度不一致时，如测杆2大于测杆1一个差值，则两杆的高差减去这一差值；否则相加。
（5）通过架设的水准仪，可把A点的标高引测到楼面上的其它位置（见图5）。
图5高程测量示意图
传统的高程控制方法的缺点是工作量大，容易引起误差。通过全站仪三角高程测距法进行标高控制，对施工作业干扰少、工作量小，引测速度快。
3.4进行边坡及附近建筑物的偏移和沉降观测
大型工程的边坡支护难度大，安全系数要求高。因此，对其进行定期限监测也是测量工作的一项重要内容。其方法是：首先沿基坑四周的边线每边均匀设置3个监测点：再选取两个可以通视的基准点，其坐标和高程已定出（既已知三维坐标）。通过全站仪三角高程测距法进行标站仪架设于其中一点上，另一点作为后视点，可定期测出监测点的三维坐标，并进行分析比较。
4结束语
总之，大型工程的边坡支护难度大，安全系数要求高，为确保工程质量，应充分利用全站仪测量精度高、速度快、节省人工，受施工条件和外界影响小等优点。特别是在大型工程中，对其定期监测也是测量工作的一项重要内容。
