全站仪在井下测量中的用途.doc

河南理工大学高等职业 学院 毕业论文 全站仪在井下测量中的用途全站仪在井下测量中的用途 姓 名 刘计民 专 业 工程测量 指导教师 二 一一年六月 毕业论文原创性声明 我以诚信声明 本人呈交的毕业论文是在 指导下 开展研究工作所取得的研究成果 文中成果均系本人独立研究 得出 不包含他人研究成果 所引用他人之思路 方法 观点 认识均已在参考文献中明确标注 所引用他人之数据 图件 资料均已征得所有者同意 并且也有明确标注 对论文的完成 提供过帮助的有关人员也已在文中说明并致以谢意 论文作者 签字 签字日期 年 月 日 作者简介 我是测量 08 级的一名学生 我叫刘计民 来自测量 08 1 班 本人 为人诚恳 踏实 谦虚 自律 自信 勤学 积极主动 能吃苦耐劳 办事认真 责任心强 待人热情 真诚 具有较好的团队合作精神 我 的座右铭是 战 为之爱的 我曾经参加过以下测量实习工作 2008 年下半年 在河南理工高职学院实习校园 1 1000 平面图 成绩优 秀 2009 年上学期 在河南理工高职学院周边控制测量 数字化测图实习 成绩优秀 2009 年下学期 在上白作乡周边地籍测量实习 成绩优秀 2010 年下学期 在学校 GPS 测量实习 成绩优秀 2010 年 5 月 在焦作朱村矿进行矿井测量实习 成绩优秀 2010 年 6 月起在在某测量队实习 在河南沁阳 许昌 禹州 开封等地 进行地形地 籍测量 10 年 9 月在河北保定进行高铁测量 有一定的测量实践经验 以上实习使我熟练地掌握了水准仪 经纬仪及全站仪的基本操作 与应用 全站仪在井下测量中的用途全站仪在井下测量中的用途 姓名 刘计民 指导教师 摘 要 鉴于全站仪相对于罗盘仪等传统测量技术具有高 精度 自动化 高效益等优势 本文通过对几个工程 测量实例的实 施 对比及分析 就矿山测量中如何对全站仪技术进 行优化与应用进行了探讨 并得出了相关结论 目录 前言 1 第一章 全站仪简介 2 1 1 全站仪构成 2 1 2 全站仪使用 2 1 3 全站仪井下测量时的使用 3 第二章 应用实例 3 2 1 工程概况 3 2 2 全站仪测量的技术设计 4 2 3 全站仪测量的外业实施 4 第三章 全站仪井下测量技术的特点和优势 6 第四章 全站仪技术在实际测量工作中的对比分析 6 4 1 全站仪与对比 7 4 2 GPS 动态测量 RTK 和全站仪测量 7 4 3 GPS 在工程测量中的优化经验与思路 8 4 4 结论 8 结束语 10 致谢 11 参考文献 12 前言 全站仪是人们在角度测量自动化的过程中应用而生的 各类电子经纬仪在各 种测绘作业中起着巨大的作用 全站仪的发展经历了从组合式即光电测距仪与光学经纬仪组合 或光电测 距仪与电子经纬仪组合 到整体式即将光电测距仪的光波发射接收系统的光轴 和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪等几个阶段 最初速测仪的 距离测量是通过光学方法来实现的 我们称这种速测仪为 光学速测仪 实际上 光学速测仪 就是指带有视距丝的经纬仪 被测点的 平面位置由方向测量及光学视距来确定 而高程则是用三角测量方法来确定的 带有 视距丝 的光学速测仪 由于其快速 简易 而在短距离 100 米以 内 低精度 1 200 1 500 的测量中 如 碎部点测定中 有其优势 得到了 广泛的应用 随着电子测距技术的出现 大大地推动了速测仪的发展 用电磁波测距 仪代替光学视距经纬仪 使得测程更大 测量时间更短 精度更高 人们将距 离由电磁波测距仪测定的速测仪笼统地称之为 电子速测仪 Electronic Tachymeter 然而 随着电子测角技术的出现 这一 电子速测仪 的概念又相应地发 生了变化 根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪 半站型电子速测仪是指用光学方法测角的电子速测仪 也有称之为 测距经纬 仪 这种速测仪出现较早 并且进行了不断的改进 可将光学角度读数通过 键盘输入到测距仪 对斜距进行化算 最后得出平距 高差 方向角和坐标 差 这些结果都可自动地传输到外部存储器中 全站型电子速测仪则是由电子 测角 电子测距 电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统 测 量结果能自动显示 并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器 由于全站型 电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化 所以人们也通 常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪 20 世纪八十年代末 人们根据电子测角系统和电子测距系统的发展不平衡 将全站仪分成两大类 即积木式和整体式 20 世纪九十年代以来 基本上都发展为整体式全站仪 第一章 全站仪简介 1 1 全站仪构成 概概述述 全站仪几乎可以用在所有的测量领域 电子全站仪由电源部分 测角系统 测距系统 数据处理部分 通讯接口 及显示屏 键盘等组成 同电子经纬仪 光学经纬仪相比 全站仪增加了许多特殊部件 因此而使 得全站仪具有比其它测角 测距仪器更多的功能 使用也更方便 这些特殊部 件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点 同同轴轴望望远远镜镜 全站仪的望远镜实现了视准轴 测距光波的发射 接收光轴同轴化 同轴 化的基本原理是 在望远 物镜与调焦透镜间设置分光 棱镜系统 通过该系统 实现望远镜的多功能 即既可瞄准目标 使之成像于十字丝分划板 进行角度 测量 同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的光敏二极管发射的调制 红外光在经物镜射向反光棱镜后 经同一路径反射回来 再经分光棱镜作用使 回光被光电二极管接收 为测距需要在仪器内部另设一内光路系统 通过分光 棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发射的调制红外光传也送给光电二极管 接收 进行而由内 外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间 计算实测 距离 同同轴轴性性使使得得望望远远镜镜一一次次瞄瞄准准即即可可实实现现同同时时测测定定水水平平角角 垂垂直直角角和和 斜斜距距等等全全部部基基本本测测量量要要素素的的测测定定功功能能 加加之之全全站站仪仪强强大大 便便捷捷的的数数据据 处处理理功功能能 使使全全站站仪仪使使用用极极其其方方便便 双双轴轴自自动动补补偿偿 在仪器的检验校正中已介绍了双轴自动补偿原理 作业时若全站仪纵轴倾 斜 会引起角度观测的误差 盘左 盘右观测值取中不能使之抵消 而全站仪 特有的双轴 或单轴 倾斜自动 补偿系统 可对纵轴的倾斜进行监测 并在度 盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正 某些全站仪纵轴最大倾 斜可允许至 6 也可通过将由竖轴倾斜引起的角度误差 由微处理器自动按 竖轴倾斜改正计算式计算 并加入度盘读数中加以改正 使度盘显示读数为正 确值 即所谓纵轴倾斜自动补偿 双轴自动补偿的所采用的构造 现有水平 包括 Topcon Trimble 使用一水 泡 该水泡不是从外部可以看到的 与检验校正中所描述的不是一个水泡 来 标定绝对水平面 该水泡是中间填充液体 两端是气体 在水泡的上部两侧各 放置一发光二极管 而在水泡的下部两侧各放置一光电管 用一接收发光二极 管透过水泡发出的光 而后 通过运算电路比较两二极管获得的光的强度 当 在初始位置 即绝对水平时 将运算值置零 当作业中全站仪器倾斜时 运算 电路实时计算出光强的差值 从而换算成倾斜的位移 将此信息传达给控制系 统 以决定自动补偿的值 自动补偿的方式初由微处理器计算后修正输出外 还有一种方式即通过步进马达驱动微型丝杆 把此轴方向上的偏移进行补正 从而使轴时刻保证绝对水平 键键盘盘 键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件 全站型仪器的键盘和 显示屏均为双面式 便于正 倒镜作业时操作 存存储储器器 全站仪存储器的作用是将实时采集的测量数据存储起来 再根据需要传送 到其它设备如计算机等中 供进一步的处理或利用 全站仪的存储器有内存储 器和存储卡两种 全站仪内存储器相当于计算机的内存 RAM 存储卡是一种外存储媒体 又称 PC 卡 作用相当于计算机的磁盘 通通讯讯接接口口 全站仪可以通过 RS 232C 通讯接口和通讯电缆将内存中存储的数据输入计 算机 或将计算机中的数据和信息经通讯电缆传输给全站仪 实现双向信息传 输 1 2 全站仪的使用 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 全站仪的基本操作与使用方法 水水平平角角测测量量 1 按角度测量键 使全站仪处于角度测量模式 照准第一个目标A 2 设置 A 方向的水平度盘读数为 0 00 00 3 照准第二个目标 B 此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹 角 距距离离测测量量 1 设置棱镜常数 测距前须将棱镜常数输入仪器中 仪器会自动对所测距离进行改正 2 设置大气改正值或气温 气压值 光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化 15 和 760mmHg 是仪器设置的一个标准值 此时的大气改正为0ppm 实测时 可输入温度和 气压值 全站仪会自动计算大气改正值 也可直接输入大气改正值 并对测 距结果进行改正 3 量仪器高 棱镜高并输入全站仪 4 距离测量 照准目标棱镜中心 按测距键 距离测量开始 测距完成时显示斜距 平 距 高差 全站仪的测距模式有精测模式 跟踪模式 粗测模式三种 精测模式是最 常用的测距模式 测量时间约2 5S 最小显示单位 1mm 跟踪模式 常用于 跟踪移动目标或放样时连续测距 最小显示一般为1cm 每次测距时间约 0 3S 粗测模式 测量时间约 0 7S 最小显示单位 1cm 或 1mm 在距离测量 或坐标测量时 可按测距模式 MODE 键选择不同的测距模式 应注意 有些型号的全站仪在距离测量时不能设定仪器高和棱镜高 显示 的高差值是全站仪横轴中心与棱镜中心的高差 坐坐标标测测量量 1 设定测站点的三维坐标 2 设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角 当 设定后视点的坐标时 全站仪会自动计算后视方向的方位角 并设定后视方向 的水平度盘读数为其方位角 3 设置棱镜常数 4 设置大气改正值或气温 气压值 5 量仪器高 棱镜高并输入全站仪 6 6 照照准准目目标标棱棱镜镜 按按坐坐标标测测量量键键 全全站站仪仪开开始始测测距距并并计计算算显显示示 测测点点的的三三维维坐坐标标 全全站站仪仪的的数数据据通通讯讯 全站仪的数据通讯是指全站仪与电子计算机之间进行的双向数据 交换 全站仪与计算机之间的数据通讯的方式主要有两种 一种是利 用全站仪配置的 PCMCIA personal computer memory card internation association 个人计算机存储卡国际协会 简称PC 卡 也称存储卡 卡进行数字通讯 特点是通用性强 各种电子产品间均 可互换使用 另一种是利用全站仪的通讯接口 通过电缆进行数据传 输 全全站站仪仪盘盘左左盘盘右右区区分分方方法法 全站仪仪器的盘左和盘右 实际上沿用老式光学经纬仪的称谓 是根据竖盘相对观测人员所处的位置而言的 观测时当竖盘在观测人 员的左侧时称为盘左 反之称为盘右 相对盘左和盘右而言也有称为 正镜和倒镜 以及 F1 FACE1 面和 F2 FACE2 面的 对于测量来讲 若正 反 盘左 盘右 测量后 通过测量方法有 可消除某些人为误差以及固定误差的作用 对于可定义盘左和盘右称 谓的仪器而言 给用户增加了应用仪器的可选操作界面 对测量作业 和测量结果没有影响 另外 对于靠角度确认盘左和盘右可能存在某些错觉 例如某些 连接陀螺仪的全站仪或者经纬仪 在确定盘左和盘右时显示的不一定 是对应 就是说相对 180 度角度数值而已往小向转不一定是盘左 反 正 用户记住两者的差值即可 仪器也是自动求算的 对工程测量结 果没有影响 全全站站仪仪整整平平以以及及气气泡泡校校正正 正确调平仪器的方法 1 架设 将仪器架设到稳固的三脚架上 旋紧中心螺旋 2 粗平 看圆气泡 精度相对较低 一般为 1 分 分别旋转仪 器的 3 个脚螺旋将仪器大致整平 3 精平 使仪器照准部上的管状水准器 或者称长气泡管 平行 于住意一对脚螺旋 旋转两脚螺旋使气泡居中 最好采用左拇指法 即左右手同时转动两个脚螺旋 并且两拇指移动方向相向 左手大拇 指方向与气泡管气泡移动方向相同 然后 将照准部旋转 90 旋转另外一个脚螺旋使长气泡管气泡居中 4 检验 将仪器照准部再旋转 90 若长气泡管气泡仍居中 表示已经整平 若有偏差 请重复步骤 3 正常情况下重复 1 2 次就会好了 2 1 工程概况 本文涉及的工程由某集团公司投资建造 是一个集休闲 娱乐 旅游 渡假等 功能于一体的综合项目 工程位于城郊 占地 66 7 hm2 多 属两山夹一沟地形 山地面积约占三分之二 最高处约 90 m 山上树木茂盛 地形复杂 通视困难 行走不便 为了该工程的设计和施工 需建立首级控制网 考虑到工程复杂 工期 较紧 测区通视困难 地形起伏大等因素 决定采用 GPS 测量 2 2 GPS 测量的技术设计 1 设计依据 GPS 测量的技术设计主要依据 1999 年建设部发布的行业标准 城市测量规范 1997 年建设部发布的行业标准 全球定位系统城市测量技术规 程 3 及工程测量合同有关要求制定的 2 设计精度 根据工程需要和测区情况 选择城市或工程二级 GPS 网作为 测区首级控制网 要求平均边长小于 1 km 最弱边相对中误差小于 1 10 000 GPS 接收机标称精度的固定误差 a 15 mm 比例误差系 数 b 20 10 6 3 设计基准和网形 如图 2 所示 控制网共 12 个点 其中联测已知平面控 制点 2 个 I12 I13 高程控制点 5 个 I12 I13 105 109 110 其高程由四 等水准测得 采用 3 台 GPS 接收机观测 网形布设成边连式 4 观测计划 根据 GPS 卫星的可见预报图和几何图形强度 空间位置因子 PDOP 选择最佳观测时段 卫星多于 4 颗 且分布均匀 PDOP 值小于 6 并编 排作业调度表 2 3 GPS 测量的外业实施 1 选点 GPS 测量测站点之间不要求一定通视 图形结构也比较灵活 因 此 点位选择比较方便 但考虑 GPS 测量的特殊性 并顾及后续测量 选点时应 着重考虑 每点最好与某一点通视 以便后续测量工作的使用 点周围高度角 15 以上不要有障碍物 以免信号被遮挡或吸收 点位要远离大功率无线电发射 源 高压电线等 以免电磁场对信号的干扰 点位应选在视野开阔 交通方便 有利扩展 易于保存的地方 以便观测和日后使用 选点结束后 按要求埋设标 石 并填写点之记 2 观测 根据 GPS 作业调度表的安排进行观测 采取静态相对定位 卫星 高度角 15 时段长度 45min 采样间隔 10 s 在 3 个点上同时安置 3 台接收机天 线 对中 整平 定向 量取天线高 测量气象数据 开机观察 当各项指标达 到要求时 按接收机的提示输入相关数据 则接收机自动记录 观测者填写测量手 簿 2 4 GPS 测量的数据处理 GPS 网数据处理分为基线解算和网平差两个阶段 采用随机软件完成 经基线 解算 质量检核 外业重测和网平差后 得到 GPS 控制点的三维坐标 见表 1 其各项精度指标符合技术设计要求 第三章 GPS 定位技术的特点和优势 全球定位系统具有性能好 精度高 应用广的特点 是迄今最好的导航定位系 统 随着全球定位系统的不断改进 硬 软件的不断完善 应用领域正在不断地拓 宽 目前已遍及国民经济各种部门 并开始逐步深入人们的日常生活 经过近 10 年我国测绘等部门的使用表明 GPS 以全天候 高精度 自动化 高效益等显著特 点 赢得广大测绘工作者的信赖 并成功地应用于大地测量 工程测量 航空摄影 测量 运载工具导航和管制 地壳运动监测 工程变形监测 资源勘察 地球动力 学等多种学科 GPS 卫星全球定位系统的全面建成和发展 必将给导航和测绘行业 带来深刻影响 第四章 GPS 定位技术在实际测量工作 中的对比分析 自 2003 年单位引进 4 套美国 TRIMBLE 天宝 5700 GPS 双频接收机 静态定位 精度 5mm 0 5ppm D 以来 笔者一直从事 GPS 的定位和测量工作 分别完成了 朝阳区温榆河河道改造工程控制测量 海淀区莲西商务楼竣工控制测量 顺义残疾 人培训中心控制和数字地形测量 燕山石化控制和数字地形测量 大安山矿区控制 和数字地形测量 天津塘沽滨海旅游度假村控制和数字地形测量 天津地铁勘察定 位 京沪高速铁路勘察定位 沈大客运专线勘察定位 外交部职工住宅楼勘察定位 等大小数十项工程的控制和测量工作 在近几年来的工程测量中 通常都是天宝 3602DR 全站仪 测量精度 2 2mm 2ppm D 和天宝 5700GPS 联合进行 两者相互配合 取长补短 弥补对方的不足 从而更有效发挥各种仪器的使用价值 全站仪测量具有精度高 速度快等优势 但是受通视条件影响较大 遇有障碍物时 需多次转点 使其优势得不到充分发挥 而 GPS 测量对通视条件则没有要求 但 由于测量数据都是通过接收卫星信号得来 只有保证仪器能够接收到足够的卫星信 号 才能保证测量成果 因此 它对仪器周边的建筑 构筑物要求较高 全站仪测 量经过几十年的发展 现在各个方面已经是十分成熟 而 GPS 测量在国内刚开始 不久 好多技术都在试验阶段 各方面都有待完善 虽然这两种测量技术广泛运用 在日常生活中 但两者在实际工程测量中应用时 在满足国家规范的同时两者之间 相对测量精度能达到多少 特别是 GPS 测量相对业已成熟的主流的全站仪测量之 间的测量误差 笔者多方查询 各方面文献均未作出相关报道 我们一直试图通过 各种方法和手段 对两种测量之间的关系进行一些研究 希望能对今后的测量工作 起到一个指导和借鉴作用 通过多年的工程实践和试验 笔者选取了几个比较有代 表性的工程实例 对 GPS 测量和全站仪测量在测量成果精度上作了一些对比 总 结和探讨 4 1 GPS 静态定位 四等 和全站仪定位工程对比 静态定位基本上都是用在测量控制上 故本研究分别是朝阳区温榆河河道改造 工程控制测量和海淀区莲西商务楼竣工控制测量的控制测量数据进行比较 主要比 较两种定位方面的坐标成果数据 具体测量数据如表 1 表 2 所示 通过以上工程 实例 可以看出现在的 GPS 静态定位 四等 和全站仪定位精度已经很接近 平 面和高程误差都能控制在 10mm 之内 测距相对误差在 7 万分之一以上 都能够满 足 3 等以下导线测量和 3 等以下水准测量的测量规范和生产要求 但是 GPS 静态 定位比全站仪定位更高速 高效 应用范围更广阔 经济效益更加明显 在市场竞 争激烈的今天 GPS 测量已经成为工程测量的首选手段 4 2 GPS 动态测量 RTK 和全站仪测量 动态测量一般用在精度要求较低的测量工程 如地形测量 勘察定位等方面 本研究选用天津塘沽滨海旅游度假村控制 沈大客运专线勘察定位和数字地形测量 和外交部职工住宅楼勘察定位成果进行比较 相关测量数据及比较结果如表 3 表 4 和表 5 所示 通过以上工程实例 可以看出 GPS 动态测量 RTK 与全站仪的平面 误差基本上在 250mm 之内 高程误差在 50mm 之内 能够满足工程勘察初勘平面 误差 0 5 m 高程误差 5cm 详勘平面误差 0 25m 高程误差 5cm 的规范要求 同 时还能满足常规地形测量 1 500 比例尺以上地形测量的工程测量规范要求 GPS 动态测量可以很好避免全站仪测量时繁琐复杂的分级控制过程 能够很好克服测量 点之间的通视问题 能减少一半的测量人员 从而节约大量工作时间 大幅提高测 量工作效率 4 3 GPS 在工程测量中的优化经验与思路 通过对以上的测量数据对比和经验总结 我们对 GPS 测量定位技术的性能 精度和使用条件有了更进一步的了解 这对我们后续的许多工程施工提供了很好的 依据 我们可以针对不同的工程技术要求 制定不同的施测方案 在确保工程质量 的同时 最大限度降低生产成本 使单位的经济效益得到大幅提高 后来进行的大 兴黄村动车段勘察定位工程中 施工场地建筑密集 通视条件极差 我们根据设计 规定平面误差不超过 1 米 高程误差不超过 10cm 的技术要求 利用 RTK 动态定 位技术 有效克服了测量点之间通视不畅的问题 测量人员也从两个测量组减少到 一个组 五百多个钻孔定位在三天时间就全部完成 同样的工作量如果要使用常规 全站仪定位 在如此困难的施测条件下 两个测量组估计七天才能完成 团河行宫 数字地形测量工程也是利用前面的理论成果 我们因地制宜的制定出相应的施测方 案 根据场地位于交通条件极不便利的郊区且场地附近没有控制点的情况 利用 GPS 静态定位从 6 公里外把城区的控制点引测过来 然后再用 RTK 动态技术进行 数字地形测量 一个测量组两天时间就完成了 1 平方多公里的地形测量 如果用全 站仪测量 仅控制测量一项就需一个测量组工作四 五天 加上地形测量至少要花 费一周的时间 利用以上的测量结论 沈大客运专线勘察定位 外交部职工住宅楼 勘察定位等工程都在较短时间内快速 高效地完成 充分验证了上述经验总结的正 确性 4 4 结论 通过多年来对 GPS 定位技术的应用 可以总结出以下几点 1 测量成果相对精度高 质量可靠 点位范围可以方便地控制在 0 5 米之 内 并且点与点之间误差均为随机误差 不会产生累积误差 2 定位系统可以全天候作业 不受视线通视影响 3 可实时提供定位点的坐标及其点位精度 方便快捷 定位情况一目了然 4 野外作业简单 效率高 自动化程度高 大大减小了劳动强度 可节约 大量的人力物力资源 5 作业过程中的一些注意事项 a 测量定位前应该做好作业地区的星历预报分析 明确测量的最佳时段 通常 卫星数量少于 6 颗时 不宜进行作业 因为卫星数量过少 会对观测结果产生较大 影响 测量成果精度不高不说 还会给内业解算带来许多麻烦 b 静态观测时 对于空旷 无干扰的地区 至少要连续观测 30 分钟以上 对 于城市建筑密集 干扰众多地区 最少要观测 1 个小时以上 才能确保外业观测质 量 c GPS 动态测量 RTK 时一定要在初始化完成后 在卫星 fixed 固定 情况下测 量 如果在 float 浮动 情况下测量 结果差别很大 少则几十公分 多的有近十米 6 有待进一步研究之处 GPS 实时静态定位在变形测量 位移 沉降 中的应用 它和全站仪定位之间 的关系 不同的解算软件对 GPS 定位结果的影响 结束语 通过 GPS 在测量中的应用 得到如下体会 1 GPS 控制网选点灵活 布网方便 基本不受通视 网形的限制 特别是 在地形复杂 通视困难的测区 更显其优越性 但由于测区条件较差 边长较短 平均边长不到 300 m 基线相对精度较低 个别边长相对精度大于 1 10 000 因此 当精度要求较高时 应避免短边 无法避免时 要谨慎观测 2 GPS 接收机观测基本实现了自动化 智能化 且观测时间在不断减少 大大降低了作业强度 观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影 响 但由于各别点的选定受地形条件限制 造成树