摘要:全站儀集測距、測角、測坐標、放樣等多功能于一體,是測繪、施工等方面廣泛應用的一種新型測量儀器。文中闡述了全站儀的工作原理及其在實際工程中的應用。
　　關鍵詞：全站儀；建筑施工；應用
　　
　　近年來，隨著一些新技術的廣泛應用，全站儀這種具有測量無接觸、實時、自動、高精度等優越性能的儀器，已逐步被應用到一些高層、大型工程的施工測量工作中，并日益成為高層建筑施工質量控制的有效儀器。
　　1全站儀結構原理及工作原理
　　全站型電子速測儀簡稱全站儀,它是一種可以同時進行角度(水平角、豎直角)測量、距離(斜距、平距、高差)測量和數據處理,由機械、光學、電子元件組合而成的測量儀器。由于只需一次安置,儀器便可以完成測站上所有的測量工作,故被稱為“全站儀”。
　　1.1全站儀的結構原理
　　全站儀的結構原理見圖1。圖中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、數據和設置參數。以上各系統通過I/O接口接入總線與微處理機聯系起來。
　　
　　圖1光電測距示意圖
　　微處理機(CPU)是全站儀的核心部件,主要有寄存器系列(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。
　　1.2測距原理
　　欲測定A,B兩點間的距離D,安置儀器于A點,安置反射鏡于B點。儀器發射的光束由A至B,經反射鏡反射后又返回到儀器。設光速C為已知,如果光束在待測距離D上往返傳播的時間為t2D。則距離D可由下式求出:
　　
　　式中,C=C0/n,C0為真空中的光速值,其值為299792458m/s,n為大氣折射率,它與測距儀所用光源的波長,測線上的氣溫t,氣壓P和濕度e有關。測定距離的精度,主要取決于測定時間的精度,例如要求保證±lcm的測距精度,時間測定要求準確到6.7×10-11s,這是難以做到的。因此,大多采用間接測定法來測定。間接測定的方法為相位式測距。
　　由測距儀的發射系統發出一種連續的調制光波,測出該調制光波在測線上往返傳播所產生的相依移,以測定距離D。在砷化镕(GaAs)發光二極管上加了頻率為f的交變電壓(即注入交變電流)后,它發出的光強就隨注入的交變電流呈正弦變化,這種光稱為調制光。測距儀在A點發出的調制光在待測距離上傳播,經反射鏡反射后被接收器所接收,然后用相位計將發射信號與接受信號進行相位比較,由顯示器顯出調制光在待測距離往、返傳播所引起的相對位移φ。
　　l.3全站儀的主要特點
　　（1）只要一次照準反射棱鏡，即可測出水平角、垂直角和斜距，自動計算機出目標點的坐標和高程，并可記錄測量與計算數據。
　　（2）通過全站儀主機的標準通訊接口，可實現全站儀與計算機或其它外圍設備的數據通訊，從而使測量數據的獲取、管理、計算和繪圖形成一個完整的自動化測量系統。
　　（3）利用全站儀的微機處理器來控制全站儀的測量與計算，可實現氣象改正，導線測量，前、后方交會，碎部測量和施工放樣等計算任務。
　　（4）儀器內部有雙軸補償器，可自動測量儀器豎軸和水平軸的傾斜誤差，并對角度觀測值施加改正。
　　2全站儀的一般操作程序
　　儀器對中、整平一打開電源→水平度盤和垂直度盤指標的設置→設置儀器參數→進入測量模式→調焦和照準。顯示（輸出）測量結果。
　　3全站儀在施工測量各階段的應用
　　3.1進場后,復核起始數據
　　施工單位進場后，其測量的首要工作是對擬建建筑物四周的城市導線點的坐標及高程等起始數據進行復核。在此階段，可用全站儀對城市導線點進行兩測回的測角、測距，聯測數據的精度滿足測量規范的要求后，即可將其作為該工程布設建筑平面控制網的基準點和起算數據。其具體方法如下：
　　（1）選取兩城市控制網點Nl、N2。將Nl點作為測站點并在此架設全姑儀將N2點作為目標點，把棱鏡架于其上（圖2）。
　　
　　圖2坐標測量示意圖
　　（2）對全站儀進行對中、整平，并設置好儀器參數。
　　（3）將儀器照準方向的方向值設置成零度。全站儀可按要求的次數，進行多次測距和水平角的復測并顯示其平均值（圖3）。
　　
　　圖3方位角設置示意圖
　　為占地面積寬廣、體量龐大的建筑物提供起始控制數據的城市導線點之間的距離可能較遠。當兩導線點之間距離達到200～300m時，用一般光學儀器來觀測就很容易引起誤差；如果使用全站儀來觀測就方便得多，而且測量精度高。以在學校學習使用的GTS332W拓普康全站儀為例：
　　測角精度：±2″，絕對法測角，無需過零檢驗。
　　測距精度：±（2mm+2ppm*D）。
　　測程：單棱鏡3000m，三棱鏡4000m
　　高速測距：精測1.2秒
　　粗測0.7秒
　　跟蹤0.4秒
　　在可測范圍內，可以逐步建立控制網，提高測量經度。簡略如下：
　　三角網：
　　以高精度而稀疏的一等三角鎖，盡可能沿經緯線方向縱橫交叉地迅速布滿全國，形成統一的骨干大地控制網，然后在一等鎖環內逐級（或同時）布設二、三、四等三角網。
　　在此基礎上，可布設一、二級小三角或一、二、三級導線作為區域控制（或局部控制網）。
　　國家三角鎖、網的布設規格與精度要求：
　　

　　國家水準網：按國家水準測量規范的技術要求建立起來的高程控制網。
　　作用：全國范圍內施測各種比例尺地形圖的高程控制基礎，以及一些科學研究如地殼垂直形變規律、各海洋平均海水面的高度變化，以及其他有關地質和地貌的研究等。
　　由高級到低級，從整體到局部：分成四個等級，逐級控制，逐級加密
　　一等水準網：骨干，環線長1000-1500km
　　二等水準網：基礎，環線長500-750km
　　三、四等水準網：為地形測圖和工程建設服務。
　　基本規定：
　　前后視距差應小于1m,累積差應小于3m；
　　相鄰測站上，奇站按“后前前后”觀測，偶站按“前后后前”觀測
　　同一測段的水準路線上測站數目應為偶數；
　　每一測段都要往、返測
　　一測段的往返測應在不同氣象條件下進行

　　
　　3.2通過坐標放樣建立平面控制
　　面控制網是建筑物定位的基本依據，其原則是整體控制局部，高精度控制低精度。使用全站儀的坐標放樣功能可準確、方便地測設出整個建筑的平面控制網，并進而加密成建筑方格網（圖4）。其具體方法如下：
　　
　　圖4坐標放樣測量示意圖
　　（1）根據施工圖紙，計算出各控制點及其它待放樣點的坐標。
　　（2）選取兩城市控制網點Nl、N2，其坐標己知。把N2點作為測站點，Nl點作為后視點。把全站儀架在N2點上，把一臺棱鏡架在后視點N1，另一臺帶有測桿的棱鏡由另一名測量人員來放置，其放置的具體位置聽從儀器操作人員的指揮。
　　（3）對全站儀進行對中和整平，設置好儀器參數。
　　（4）進入坐標放樣模式，輸入測站點的坐標、儀器高、目標高。
　　（5）進入方位角的設置狀態，輸入后視點的坐標。精確照準后視點棱鏡中心，儀器根據測站點和后視點坐標，將自動完成后視點方位角的設備。
　　（6）再次進入坐標放樣模式，輸入待放樣點的坐標。
　　（7）旋轉儀器的照準部，使所顯示的水平角讀數為零。此時，照準部所照準的方向即為待測點的方向。儀器操作人員可指揮持棱鏡的操作人員按此方向移動棱鏡。照準帶測桿的棱鏡（待放樣點附近），通過對照準點的測量，儀器顯示出預先輸入的待放樣值與實測值之差，即顯示值=實測值-放樣值。
　　（8）根據顯示值，指揮持棱鏡的測量人員，沿照準方向移動帶測桿的棱鏡，直到觀測屏幕上的顯示值在誤差范圍之內。
　　（9）在測桿指示的位置埋上刻有“十”字絲的螺栓，用水泥砂漿將螺栓固定。
　　傳統的放樣工作使用經緯儀、鋼尺、線墜等儀器，通過經緯儀撥角度、定方向以及鋼尺量具來進行。這種方式工作量大、誤差大、易出錯。特別是在施工前期基礎的定位階段，還容易受地形條件的限制，對各獨立柱基的開線定位使用全站儀，實是方便快捷準確，減小由于場地的高低不平，坑坑洼洼的地形，以往的人為拉尺定位從而產生的誤差。在結構施工中，用全站儀對各柱、剪力墻等位置進行開線定位，方便快捷，并能減少誤差；總之利用全站儀的坐標放樣功能可有效地克服傳統放樣工作中的弊端，在測量過程中大大減少設站次數，可直接進行放樣并省去現場的記錄工作。
　　3.3通過三角高程測距進行高程控制
　　高程測量在整個測量工作中所占的工作量很大，同時也是測量工作的重要組成部分。利用全站儀的距離測量模式就可精確地進行高程控制。具體方法如下：
　　（1）將全站儀架在水準點BM1附近。
　　（2）將兩根裝有棱鏡的測桿，一根立在BMI點上，另一根立在需測標高的點上。
　　（3）將全站儀對中、整平，進入距離測量模式，分別測出儀器至BM1點的平距、斜距和高差h1及儀器至所求點的平距、斜距和高差h2。
　　（4）若測桿1與側桿2的高度一致，則所求點A的計算式為：
　　HA=BMI（高程）+h2-hl
　　如果儀器至測桿1測得為負高差，則h1前變符號為“+”。兩測桿高度不一致時，如測桿2大于測桿1一個差值，則兩桿的高差減去這一差值；否則相加。
　　（5）通過架設的水準儀，可把A點的標高引測到樓面上的其它位置（見圖5）。
　　
　　圖5高程測量示意圖
　　傳統的高程控制方法的缺點是工作量大，容易引起誤差。通過全站儀三角高程測距法進行標高控制，對施工作業干擾少、工作量小，引測速度快。
　　3.4進行邊坡及附近建筑物的偏移和沉降觀測
　　大型工程的邊坡支護難度大，安全系數要求高。因此，對其進行定期限監測也是測量工作的一項重要內容。其方法是：首先沿基坑四周的邊線每邊均勻設置3個監測點：再選取兩個可以通視的基準點，其坐標和高程已定出（既已知三維坐標）。通過全站儀三角高程測距法進行標站儀架設于其中一點上，另一點作為后視點，可定期測出監測點的三維坐標，并進行分析比較。
　　4結束語
　　總之，大型工程的邊坡支護難度大，安全系數要求高，為確保工程質量，應充分利用全站儀測量精度高、速度快、節省人工，受施工條件和外界影響小等優點。特別是在大型工程中，對其定期監測也是測量工作的一項重要內容。