第5章 全站仪使用

1、第五章全站仪及其使用5.1全站仪简介全站仪是全站型电子速测仪的简称，它由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统组成。全站仪通过测量斜距、竖直角、水平角，可进行平距、高差、高程及坐标值等的自动计算，并可进行距离、角度、坐标等的放样，通过内置的程序功能，还可以实现悬高测量、偏心测量和面积测量，甚至公路中线测量等。全站仪的组成原理全站仪的构造原理如图5-1所示。图中左半部分是四大光电测量系统，包括水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。前三部分相当于电子经纬仪，可以测量水平角、竖直角，并设置方位角等；测距系统相当于光电测距仪，可测量仪器与目标点之间的斜距，并自动计算平距和高差；测量部分

2、的测量结果通过总线传递至数字处理机的微处理器进行数据处理，如图5-1的右半部分。微处理器由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出设备（I/O）组成，是全站仪进行数据处理的核心部件。其主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程的检核和数据传输、处理、显示及存储等工作。输入输出部分包括键盘、显示器及数据接口。通过键盘可输入操作指令、数据并进行参数设置；显示器则可以显示当前仪器状态、工作模式、测量数据及运算结果；数据接口使全站仪可以同磁卡、磁盘、微机等外部设备相互通信，进行数据交换。图5-1全站仪的组成原理GTS-311全站仪的结构与功能全站仪的主要外部构件均由望远镜、电池、显示器及

3、键盘、水准器、制动与微动螺旋、基座、手柄等组成。不同型号全站仪的基本功能都相差不大，下面以拓普康的普及型全站仪GTS-311系列（如图5-2）为例，说明全站仪的基本结构与功能。 图5-2拓普康GTS311型全站仪1.电池镜定杆； 2.仪器高量测标志；3.水平微动螺旋；4.水平制动螺旋； 5.脚螺旋；6.基座底板 ；7.三角基座固定旋钮 ；8.圆水准器校正螺钉；9.圆水准器10.操作键； 11.管水准器； 12.竖直微动螺旋；13.竖直制动螺旋；14.望远镜目镜；15.望远镜把手； 16.望远镜调焦螺旋；17.瞄准器；18.电池锁定螺钉；19.仪器高量测标志；20.光学对中器；21.外部电源接口

4、；22.串行信号接口； 23.度盘变位螺旋护盖； 24.显示屏； 25.物镜；26.提把电池GTS-311全站仪屏幕采用4行×20列的液晶显示，操作面板如图5-3所示。 图5-3操作面板GTS-311 全站仪操作键功能说明如表5-1所示。表51 操作键功能说明操作键名称功能功能说明坐标测量模式进入坐标测量模式可进行三维坐标测量菜单键在菜单专用模式和正常模式之间切换在菜单模式下，全站仪提供了应用程序测量、数据采集等功能距离测量模式进入距离测量模式可进行距离测量、偏心测量、距离放样，可设置棱镜常数、大气改正数退出键返回测量模式或上一级菜单从正常测量模式进入数据采集模式或放样模式等用于中断

5、正在进行的操作，退回到上一级模式等角度测量模式进入角度测量模式可进行水平、竖直角测量。设置倾斜改正开关等电源开关电源接通/断开功能键对屏幕上的相应位置设定功能执行屏幕上相应位置显示的命令，输入数字及字母等，F1F4键功能见仪器操作手册全站仪的主要性能指标衡量全站仪性能的主要指标为精度（测角及测距）、测程、测距时间、程序功能、补偿范围等。表5-2列出了三种常用全站仪的主要性能指标，以供读者参考。表5-2 部分全站仪性能指标 仪 器 型 号指 标 项 目拓普康GTS-311索佳PowerSet2000徕卡TC1610分类内存型电脑型内存型放大倍率30×30×30×最短

6、视距/m1.31.31.7角度最小显示角度标准差双轴自动补偿范围最大测程/km单棱镜2.72.72.5三棱镜3.63.53.5测距精度测距时间（精测）/s324水准器分划值水准管/2mm/2mm/2mm圆水准/2mm/2mm/2mm使用温度 205020502050显示屏4行20列8行20列4行16列5.1.4全站仪的类型全站仪按其结构分为分体式和整体式两种。分体式全站仪由光电测距仪和电子经纬仪组合而成；整体式全站仪则将测距仪与电子经纬仪制成整体结构，使用更为方便。全站仪按数据存储方式可分为内存型与电脑型两种。内存型全站仪所有程序固化在存储器中，不能添加或改写，也就是说只能使用全站仪提供的功能

7、，无法扩充；电脑型全站仪则内置Microsoft DOS等操作系统,所有程序均运行于其上,可根据实际需要添加程序来扩充功能。全站仪按其测角精度可分为级、级、级全站仪等。目前，我国市场上主要的全站仪产品有：瑞士莱卡(Leica）公司生产的wild TC系列全站仪；日本素佳（Sokkia）公司生产的SET系列全站仪、拓普康（Topcon）公司生产的GTS系列全站仪、尼康（Nikon）公司的DIM系列全站仪、宾得（Pentax）公司的PTS系列全站仪、我国南方测绘公司生产的NTS系列全站仪等。5.2全站仪的操作与使用全站仪测量的基本原理和方法与经纬仪和光电测距仪基本上是一致的。因此，在使用全站仪进行

8、测角和量距时，都要像光学经纬仪一样，进行仪器对中、整平、瞄准和读数等步骤。在学习全站仪的操作与使用时，首先应理解测量的基本原理。例如，在使用全站仪进行坐标测量时，只有掌握了导线测量和坐标计算等内容，才能理解为什么要先照准已知后视点，设置方位角，再照准前视目标点进行坐标测量。下面以拓普康的普及型全站仪GTS-311系列（如图5-2）为例，说明全站仪的基本操作与使用。5.2.1观测前的准备工作（1）连接电源在进行测量作业前，应将充电电池充好电。拓普康GTS-311全站仪采用BT-24QW型提把电池，安装时应注意用电池锁定螺旋固定电池。（2）安置仪器全站仪的安置包括对中和整平（粗平、精平），操作过程

9、与普通经纬仪相同。全站仪一般采用光学对中器进行对中，有些全站仪具有电子水准气泡（如拓普康GTS-710），可在显示屏上直观显示气泡整平情况。（3）开机首先，按下电源开关，屏幕上首先显示仪器型号，大约2秒后，显示垂直置零指令（VOSETTURN）、当前的棱镜常数（PSM）及大气改正值（PPM），应注意二者的正确性。此时，可通过上、下箭头对应的功能健F1、 F2调节液晶显示的对比度，调节后按F4 键确认。另外，要注意右侧的电池电量显示。开机屏幕如图5-4所示。开机屏幕中第一行出现“VOSETTURN”，表示需要竖直旋转望远镜，以激活竖直角显示，如果在前一次观测中设置了水平角读数位置，则此时还需要水

10、平旋转望远镜，以激活水平度盘显示。否则，不能进行正常的测量工作。应该指出，目前多数全站仪已无需手动旋转望远镜来激活度盘显示。按上述方法激活仪器后，进入角度测量模式，此时屏幕显示如图5-5所示。图5-4开机屏幕 图5-5角度测量模式（4）字母与数字输入GTS-311全站仪没有设置字母与数字键。需要输入时，使用F1F4功能键，对应屏幕提示输入相应的字母和数字。5.2.2角度测量5.2.2.1操作步骤全站仪角度观测操作步骤如下；（1）进入测角模式，瞄准起始（后视）方向目标，将当前水平度盘读数设置为。（2）瞄准前视方向目标，屏幕上显示的读数即为观测角值。GTS-311全站仪测角时，其屏幕显示流程如图5

11、-6所示。在测角模式下，瞄准起始方向，屏幕显示如图5-6（a）；按下F1（对应OSET功能）键，屏幕提示是否确认将水平度盘读数设置为，屏幕显示如图5-6（b）；按下F3（对应YES确认）键，水平度盘读数设置为，屏幕显示如图5-6（c），其中“V：”为起始方向的垂直角读数；瞄准前视目标方向，此时水平度盘读数HR为观测水平角值，屏幕显示如图5-6（d）。图中“V： ”为前视方向的垂直角读数。图5-6角度测量的屏幕显示5.2.2.2说明（1）当屏幕中水平度盘读数标识为“HR”时，表示当前观测的是水平右角，与望远镜旋转方向无关。若需观测左角（即望远镜逆时针方向旋转时，水平度盘读数增加）时，可进入角度测

12、量模式第3页，将测角方式改为左角，此时屏幕上的“HR”将变为“HL”；（2）若不将起始方向水平度盘读数设置为，则用前视方向读数减去起始方向读数仍可得水平角值；（3）在瞄准目标时，水平方向和垂直方向均应照准觇板标志中心，而非棱镜头的中心位置。（4） 若需将垂直角变换为天顶距或倾角的形式，可进入角度测量模式第3页，按操作命令“CMPS”，进行竖直角方式的切换。（5）若需观测多个测回，可使用角度测量模式第2页的操作命令“REP”，进行多测回观测，并自动求得平均角值。5.2.3距离测量使用全站仪进行距离测量，首先要注意设置正确的大气改正数与棱镜常数，否则测量结果是不可靠的。5.2.3.1大气改正数的设

13、置由光电测距仪的原理可知，全站仪光电测距结果与调制光在大气中的传播速度有关,而光传播速度与大气温度及气压是相关的。因此，应根据观测时的温度与气压对观测结果进行改正，该改正值称为大气改正数。大气改正方法如下：（1）使用公式计算并将大气改正数输入仪器拓普康GTS-311系列全站仪的标准观测条件为与1013hPa（或760mmHg）。可用下式计算大气改正数：= （5-1）式中大气改正数（）；环境大气压（mmHg）；一 环境温度（°C）。【例5-1】 在温度为20，大气压为844.55hPa（635mmHg）时观测1000m的距离，由上式可计算得大气改正数=50×10-6，上述距离

14、经过大气改正为L=1000×（1十50×10-6m=1000.050m。可见大气改正数对于距离测量结果的影响较大，必须进行改正。将上述计算的改正数输入全站仪，仪器测距时就会自动进行大气改正。输入大气改正数的方法如下：在距离测量模式下或坐标测量模式下，按命令键 “SA ”对应的功能键F3，进入“设置音响模式（SET AUDIO MODE）”，如图5-7（a）。检查当前的PPM与计算值是否相符。不符时，按下F2键（对应为PPM修改功能），进入输入大气改正数界面，如图5-7（b）。输入正确的大气改正数，按F4（ENTER）确认后，返回“设置音响模式”界面。图5-7输入大气改正数（

15、2）输入当前的环境温度与大气压值，由全站仪自动计算并储存大气改正数目前，大多数全站仪都具备自动计算并存储大气改正数的功能。在进入“音响设置模式”（图5-7（a）后，按下F3键，则进入“温度与大气压设置（TEMPPRES SET）”界面，如图 5-8（a）。按下F1键（对应为 INPUT输入功能），按顺序输入当前的环境温度与大气压值，如图 5-8（b）。输入时应注意温度和大气压的单位。图5-8输入温度与大气压值5.2.3.2棱镜常数的输入由于全站仪发射光在玻璃中的折射率比在空气中的折射率大，因而光在反射棱镜中的传播速度较慢，这导致所测的距离偏大某一数值,这一数值称为棱镜常数。棱镜常数的大小与棱镜

16、直角玻璃锥体的尺寸和玻璃的类型有关。目前大多数全站仪已经在仪器内部修正这一问题，若使用原厂棱镜时，棱镜常数一般为零；对于非原厂生产的棱镜，则需要参考说明书或向厂家咨询。另外，反射棱镜的标志中心可置于偏离基座中心30mm的位置，此时仪器的棱镜常数应设为-30mm。棱镜常数的输入方法如下：在距离测量或坐标测量模式下，进入“音响设置模式”（图5-7（a）。按下F1（对应为“PRISM”棱镜常数设置命令），进入棱镜常数设置（PRISM CONST.SET）页面，输入正确的棱镜常数，其方法与输入大气改正数相同。5.2.3.3距离测量在测距前，先检查所输入的大气改正数和棱镜常数是否正确，照准目标点反射棱镜

17、中心，按下距离测量键，全站仪将自动进行距离观测，并显示距离测量结果。对于GTS-311全站仪，进入距离测量模式，屏幕显示如图5-9（a），按“MEAS”键，大约4秒后，自动显示测距结果，如图5-9（b）所示。其中“HR：”表示当前水平度盘读数；“HD”水平距离观测值；“VD：”表示竖直距离，可用距离测量模式键来切换显示“SD”（斜距）或“HD”（水平距离）。另外，距离测量方式有“精测（Fine）粗测（Coarse）跟踪（Tracing）”三种，表示所测距离的精度和测距速度不同，可在第1功能页中选择“MODE”键，进入其子菜单内进行切换。图5-9距离测量模式5.2.4坐标测量全站仪具有三维坐标测

18、量功能。相对于距离测量与角度测量而言，直接测定点的三维坐标极大的方便了野外测量和内业计算工作。全站仪坐标测量的操作因仪器型号而异，但其测量原理都是相同的，读者在学习完第7章关于导线测量和坐标计算，以及第8章关于地形图的数字化测量的内容后，将会对全站仪的坐标测量有进一步的认识。5.2.4.1坐标测量原理（1）平面坐标测量原理 如图5-10（a）所示。己知地面上、两点的平面坐标，以点为测站（Station），点为后视（Backsight），点为待测坐标的目标（Target）。采用全站仪进行坐标测量时，将已知点的坐标和已知直线的坐标方位角输入全站仪，全站仪测量出水平角度和直线的水平距离后，可自动计算

19、直线的坐标方位角以及、两点间的坐标差值，从而算得点的坐标,并显示在屏幕上或自动存储在仪器中。（2）高程测量原理如图5-10（b）所示。已知测站点的高程，量取仪器高与目标点棱镜高，通过测量视线的天顶距（竖直角），根据三角高程测量原理，可算得测站点与目标点之间的高差，由仪器自动计算目标点的高程,并与平面坐标一起显示在屏幕上或自动存储在仪器中。图5-10全站仪坐标测量原理5.2.4.2坐标测量的步骤 GTS-311型全站仪三维坐标测量的步骤为（1）在一个已知点上架设仪器作为测站点，在另一个已知点和目标点上架设反射棱镜。量取仪器高和棱镜高；（2）在角度测量模式下，照准后视已知点，将后视已知方向的坐标方

20、位角设置为当前水平度盘读数。其方法是在角度测量模式下，利用HSET功能键输入水平角值。（3）按下F1（R. HT） 键进入棱镜高设置界面，如图5-11所示。按F1（INPUT）健即可输入棱镜高，再进入第二功能页设置仪器高及测站点坐标。也可在下一步直接输入仪器高及测站点坐标图5-11棱镜高设置（4）进入坐标测量模式，如图5-12（a）所示。照准目标点，按“MEAS”键，全站仪开始坐标测量。测量结果出来后，可再按F4 键进入第二功能页，直接设置或重新修改棱镜高、仪器高及测站点坐标。如果本次设置与第（3）步设置的数据不同，屏幕上将显示按新的已知数据计算的坐标和高程值，分别以（N、E、Z）表示，如图5

21、-12（b）。图5-12坐标测量模式5.2.4.3说明（1）若在测量中未输入测站点坐标，仪器则以（0，0，0） 作为默认坐标值。（2）每次关机后，测站点坐标可保留，但仪器高与棱镜高则被删除。（3）坐标测量包括“精测（Fine）/粗测（Coarse）/跟踪（Tracing）”三种模式，可根据精度要求和测量需要选择。一般在精密测量和控制测量时采用精测模式；在地形测量中采集碎部点时采用跟踪模式。（4）在坐标测量时，同样应设置正确的大气改正数与棱镜常数，其方法与距离测量相同。5.2.5坐标放样5.2.5.1坐标放样原理坐标放样就是根据设计的目标点坐标，利用全站仪提供的坐标放样功能，自动计算待定目标点与

22、已知点的距离及偏角，利用极坐标方法来确定目标点的实地位置。坐标放样可视为坐标测量的逆过程。如在图5-10中，已知地面上两点、的位置及坐标，以及目标点的设计坐标，则可计算测站点与、两直线的坐标方位角与，由此可计算出偏角；由、点的坐标可计算两点距离。上述计算可由全站仪自动完成，采用全站仪极坐标法拨角和测距，可在实地标定目标点的位置。5.2.5.2坐标放样的步骤（1）在一个已知点上架设仪器，在另一个已知点（后视点）架设棱镜。照准后视点棱镜中心，按全站仪操作面板上的“MENU”键进入专用测量程序模式，如图 5-13（a）所示。按 F2键选择放样命令（Layout），进入放样模式（Layout mode

23、），如图5-13（b）所示。（2）可选择一个已有的放样坐标文件（按F1）；若无坐标文件可选,则直接进入放样子菜单（按F3），如图5-14（a）所示，第一项（OCC.PTINPUT）为测站点坐标和仪器高的输入命令，第二项（BACKSIGHT）为后视点坐标的输入命令；依次直接输入测站点号、坐标、高程和仪器高及后视点坐标等，如图5-14（b）。图5-13坐标放样模式图5-14输入测站坐标和仪器高（3）输入后视点坐标后，仪器自动计算后视方向的坐标方位角，屏幕显示如图5-15。此时应先照准后视点目标中心，再按下F3（YES）确认，之后返回至放样模式（图5-13）。图5-15显示后视方位角（4）在放样模式

24、中，选择F2键（LAYOUT功能键）实施放样。如图 5-16（a）所示，可以按F1（INPUT）键，输入点的编号从内存数据文件中选择放样点坐标，也可以按F3（NEZ键）直接输入放样点的坐标。输入完毕后，全站仪自动进入棱镜高设置界面（见图5-11）。在输入棱镜高后，全站仪自动计算放样点方向的水平角读数（HR）及水平距离（HD），如图5-16（b）所示。（5）放样时先按计算的水平角读数（HR）固定望远镜，即确定放样点的方向。在此方向上进行距离放样，接近放样点时，转换为精测模式，进行精确定位。其操作方法是：按屏幕提示按下F1（ANGLE）进行角度放样，屏幕显示当前水平度盘读数（HR）及其与放样角度的

25、差值（dHR），如图5-16（c）所示；旋转望远镜至水平度盘读数为放样角值，屏幕显示dHR=时，如图5-16（d）所示；按下F2（DIST）键进行距离放样，屏幕提示目前棱镜的距离（HD）及与放样距离的差值dHD，如图5-16（e）所示；前后移动棱镜位置，重新放样，直至dHD为0（或小于某一约定值），如图5-16（f）所示。此时，棱镜位置就是放样点位置；按F4（NEXT）健可进行下一个点的放样。5.2.5.3说明（1）最好在放样前将已知点和放样点的坐标，以数据文件方式存入全站仪，在放样时按点的编号来调用数据；（2）坐标放样时，根据屏幕显示的实测高程与放样高程之差（图5-16（e）中的“DZ：”）

26、，可进行高程放样；（3）由于全站仪可保留棱镜高，若放样时棱镜高不变，则不必重复输入目标棱镜高。（4）其他项操作与坐标测量相同。图5-16放样角度和距离5.3全站仪与计算机的数据通信大多数全站仪都采用RS（Recommended Standard）232标准接口与计算机进行通信。通过数据通信，既可将全站仪采集的数据传输给计算机，以方便地进行数据处理或生成数字化成果；也可将计算机中的数据以特定格式的文件形式上传至全站仪，在坐标放样时只需调出相应点号的数据即可，极大地提高了测量工作效率。全站仪与计算机的通信一般采用串行通信方式，即数据是一位一位地按顺序传递。因此，必须在全站仪与计算机上设置正确的通信

27、参数，才能实现安全可靠的数据通信。下面介绍全站仪的几个主要通信参数。5.3.1波特率波特率是指每秒数据传送的位数，是衡量传输通道频宽的指标。如数据传送的速率为每秒120个字符，而每个字符含10位（bit），则传送的波特率为10×120=1200波特/秒。全站仪通信的波特率一般在5038400之间。在通信时，计算机应与全站仪设置相同的波特率。5.3.2校验位也称为奇偶性校验位，是检验数据传输是否正确的一种方法。它采用检测所有高电平总数的方法来检验数据是否无误，通常可选择下列几种方式：（1）无校验。不检查奇偶性。（2）偶校验（Even）。如果所有的高电平位（二进制）总数是偶数，则校验位为

28、0；如果高电平总数是奇数，则校验位是l。（3）奇校验（Odd）。如果所有高电平位（二进制）总数是奇数，则校验位为O；如果高电平总数是偶数，则校验位是1。在进行数据通信时，全站仪与计算机应设置相同的校验方式。5.3.3停止位处于最后一个数据位或校验位之后，用来表示该字符的结束，其数值为1或2。5.3.4回答方式如果两个设备间传输多个数据块（每块含个字节）时，就要求接收设备能够控制数据传输。当接收设备能够接收数据时，可通知发送器发送数据；若不能，则通知发送器中止数据发送，称之为回答方式。全站仪通常采用的回答方式为：XONXOFF 信号。当内部数据缓冲器已满时，接收器发出XOFF信号，发送器即中止传

29、输数据，当发送器收到XON信号时，再恢复数据传送。应该指出，需在计算机上安装专门的数据通信软件后，才能进行全站仪与计算机之间的数据通信。在进行数据通信之前，应用专用通信电缆连接计算机和全站仪，并设置相同的通信参数，具体方法可参照全站仪的操作说明书。5.4全站仪的使用维护与检验全站仪是一种价格较昂贵的精密光电仪器，使用操作不当会导致仪器损坏或者观测数据出错与数据丢失。因此，使用全站仪时必须严格遵循其操作规程，正确熟练地进行仪器操作。5.4.1仪器使用注意事项（1）新购置的仪器在首次使用前，应认真阅读仪器使用说明书，对照仪器学习操作方法，包括角度、距离、坐标测量和坐标放样等基本内容。同时，了解全站

30、仪具有的其它辅助功能，如对边测量、悬高测量、交会计算等，以便在需要时利用这些功能，充分发挥全站仪测量的工作效益。（2）在全站仪使用中，应注意仪器对于测量环境的限制要求。在较高温度下作业时，应注意采取防晒降温措施；不可将物镜直接对准阳光，以免损坏仪器内部元件；应避免仪器被雨水淋湿；在潮湿的环境下使用时，应注意用布擦干仪器，在仪器完全晾干后才可装箱。（3）在提拿全站仪时，应抓住仪器的提手，并托住仪器的基座，决不能提拿仪器的望远镜筒，否则会造成仪器固定部件变形。仪器在搬站时，应尽可能装箱搬运，不要固定在脚架上直接搬站。（4）一般情况下，仪器环境温度的突变（如在很热的箱内刚取出时）会造成仪器与棱镜测程

31、降低及测量数据的不稳定。此时需要将仪器露天放置一会，才可恢复正常工作。（5）清洁仪器镜头时，应用专门的镜头纸或镜头布轻轻擦拭；仪器装箱时，应注意按箱内指示图正确放置仪器，并旋紧制动螺旋。应该特别强调，在仪器使用期间，操作者不可离开仪器，以免发生意外。5.4.2电池使用注意事项全站仪的电池是仪器的重要部件，在使用时应注意以下几点：（1）各种全站仪必须使用指定规格的电池及充电器。例如GTS-311全站仪，采用的是BT-24QW型带把电池和BC-5型充电器；（2）电池在首次使用时，必须按规定的时间一次充足电。仪器较长时间不用时，应将电池拆下。使用前最好先充、放电34次，再充足电。（3）应尽量在常温下充电，避免在过热、过冷、潮湿的环境中充电；电池在未用完之前，尽量不要频繁反复充电，否则会影响电池的使用寿命；（4）在野外测量时，若不需要测距和测量坐标时，应将仪器置于