摘要:全站儀集測(cè)距、測(cè)角、測(cè)坐標(biāo)、放樣等多功能于一體,是測(cè)繪、施工等方面廣泛應(yīng)用的一種新型測(cè)量?jī)x器。文中闡述了全站儀的工作原理及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：全站儀；建筑施工；應(yīng)用
　　
　　近年來(lái)，隨著一些新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，全站儀這種具有測(cè)量無(wú)接觸、實(shí)時(shí)、自動(dòng)、高精度等優(yōu)越性能的儀器，已逐步被應(yīng)用到一些高層、大型工程的施工測(cè)量工作中，并日益成為高層建筑施工質(zhì)量控制的有效儀器。
　　1全站儀結(jié)構(gòu)原理及工作原理
　　全站型電子速測(cè)儀簡(jiǎn)稱(chēng)全站儀,它是一種可以同時(shí)進(jìn)行角度(水平角、豎直角)測(cè)量、距離(斜距、平距、高差)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理,由機(jī)械、光學(xué)、電子元件組合而成的測(cè)量?jī)x器。由于只需一次安置,儀器便可以完成測(cè)站上所有的測(cè)量工作,故被稱(chēng)為“全站儀”。
　　1.1全站儀的結(jié)構(gòu)原理
　　全站儀的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。圖中上半部分包含有測(cè)量的四大光電系統(tǒng),即水平角測(cè)量系統(tǒng)、豎直角測(cè)量系統(tǒng)、水平補(bǔ)償系統(tǒng)和測(cè)距系統(tǒng)。通過(guò)鍵盤(pán)可以輸入操作指令、數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)。以上各系統(tǒng)通過(guò)I/O接口接入總線(xiàn)與微處理機(jī)聯(lián)系起來(lái)。
　　
　　圖1光電測(cè)距示意圖
　　微處理機(jī)(CPU)是全站儀的核心部件,主要有寄存器系列(緩沖寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器)、運(yùn)算器和控制器組成。微處理機(jī)的主要功能是根據(jù)鍵盤(pán)指令啟動(dòng)儀器進(jìn)行測(cè)量工作,執(zhí)行測(cè)量過(guò)程中的檢核和數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、儲(chǔ)存等工作,保證整個(gè)光電測(cè)量工作有條不紊地進(jìn)行。輸入輸出設(shè)備是與外部設(shè)備連接的裝置(接口),輸入輸出設(shè)備使全站儀能與磁卡和微機(jī)等設(shè)備交互通信、傳輸數(shù)據(jù)。
　　1.2測(cè)距原理
　　欲測(cè)定A,B兩點(diǎn)間的距離D,安置儀器于A(yíng)點(diǎn),安置反射鏡于B點(diǎn)。儀器發(fā)射的光束由A至B,經(jīng)反射鏡反射后又返回到儀器。設(shè)光速C為已知,如果光束在待測(cè)距離D上往返傳播的時(shí)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(cè)距儀所用光源的波長(zhǎng),測(cè)線(xiàn)上的氣溫t,氣壓P和濕度e有關(guān)。測(cè)定距離的精度,主要取決于測(cè)定時(shí)間的精度,例如要求保證±lcm的測(cè)距精度,時(shí)間測(cè)定要求準(zhǔn)確到6.7×10-11s,這是難以做到的。因此,大多采用間接測(cè)定法來(lái)測(cè)定。間接測(cè)定的方法為相位式測(cè)距。
　　由測(cè)距儀的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一種連續(xù)的調(diào)制光波,測(cè)出該調(diào)制光波在測(cè)線(xiàn)上往返傳播所產(chǎn)生的相依移,以測(cè)定距離D。在砷化镕(GaAs)發(fā)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(fā)出的光強(qiáng)就隨注入的交變電流呈正弦變化,這種光稱(chēng)為調(diào)制光。測(cè)距儀在A(yíng)點(diǎn)發(fā)出的調(diào)制光在待測(cè)距離上傳播,經(jīng)反射鏡反射后被接收器所接收,然后用相位計(jì)將發(fā)射信號(hào)與接受信號(hào)進(jìn)行相位比較,由顯示器顯出調(diào)制光在待測(cè)距離往、返傳播所引起的相對(duì)位移φ。
　　l.3全站儀的主要特點(diǎn)
　　（1）只要一次照準(zhǔn)反射棱鏡，即可測(cè)出水平角、垂直角和斜距，自動(dòng)計(jì)算機(jī)出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，并可記錄測(cè)量與計(jì)算數(shù)據(jù)。
　　（2）通過(guò)全站儀主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，可實(shí)現(xiàn)全站儀與計(jì)算機(jī)或其它外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊，從而使測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取、管理、計(jì)算和繪圖形成一個(gè)完整的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。
　　（3）利用全站儀的微機(jī)處理器來(lái)控制全站儀的測(cè)量與計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)氣象改正，導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量，前、后方交會(huì)，碎部測(cè)量和施工放樣等計(jì)算任務(wù)。
　　（4）儀器內(nèi)部有雙軸補(bǔ)償器，可自動(dòng)測(cè)量?jī)x器豎軸和水平軸的傾斜誤差，并對(duì)角度觀(guān)測(cè)值施加改正。
　　2全站儀的一般操作程序
　　儀器對(duì)中、整平一打開(kāi)電源→水平度盤(pán)和垂直度盤(pán)指標(biāo)的設(shè)置→設(shè)置儀器參數(shù)→進(jìn)入測(cè)量模式→調(diào)焦和照準(zhǔn)。顯示（輸出）測(cè)量結(jié)果。
　　3全站儀在施工測(cè)量各階段的應(yīng)用
　　3.1進(jìn)場(chǎng)后,復(fù)核起始數(shù)據(jù)
　　施工單位進(jìn)場(chǎng)后，其測(cè)量的首要工作是對(duì)擬建建筑物四周的城市導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)及高程等起始數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。在此階段，可用全站儀對(duì)城市導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)進(jìn)行兩測(cè)回的測(cè)角、測(cè)距，聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)的精度滿(mǎn)足測(cè)量規(guī)范的要求后，即可將其作為該工程布設(shè)建筑平面控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)和起算數(shù)據(jù)。其具體方法如下：
　　（1）選取兩城市控制網(wǎng)點(diǎn)Nl、N2。將Nl點(diǎn)作為測(cè)站點(diǎn)并在此架設(shè)全姑儀將N2點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，把棱鏡架于其上（圖2）。
　　
　　圖2坐標(biāo)測(cè)量示意圖
　　（2）對(duì)全站儀進(jìn)行對(duì)中、整平，并設(shè)置好儀器參數(shù)。
　　（3）將儀器照準(zhǔn)方向的方向值設(shè)置成零度。全站儀可按要求的次數(shù)，進(jìn)行多次測(cè)距和水平角的復(fù)測(cè)并顯示其平均值（圖3）。
　　
　　圖3方位角設(shè)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(shù)據(jù)的城市導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)之間的距離可能較遠(yuǎn)。當(dāng)兩導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)之間距離達(dá)到200～300m時(shí)，用一般光學(xué)儀器來(lái)觀(guān)測(cè)就很容易引起誤差；如果使用全站儀來(lái)觀(guān)測(cè)就方便得多，而且測(cè)量精度高。以在學(xué)校學(xué)習(xí)使用的GTS332W拓普康全站儀為例：
　　測(cè)角精度：±2″，絕對(duì)法測(cè)角，無(wú)需過(guò)零檢驗(yàn)。
　　測(cè)距精度：±（2mm+2ppm*D）。
　　測(cè)程：?jiǎn)卫忡R3000m，三棱鏡4000m
　　高速測(cè)距：精測(cè)1.2秒
　　粗測(cè)0.7秒
　　跟蹤0.4秒
　　在可測(cè)范圍內(nèi)，可以逐步建立控制網(wǎng)，提高測(cè)量經(jīng)度。簡(jiǎn)略如下：
　　三角網(wǎng)：
　　以高精度而稀疏的一等三角鎖，盡可能沿經(jīng)緯線(xiàn)方向縱橫交叉地迅速布滿(mǎn)全國(guó)，形成統(tǒng)一的骨干大地控制網(wǎng)，然后在一等鎖環(huán)內(nèi)逐級(jí)（或同時(shí)）布設(shè)二、三、四等三角網(wǎng)。
　　在此基礎(chǔ)上，可布設(shè)一、二級(jí)小三角或一、二、三級(jí)導(dǎo)線(xiàn)作為區(qū)域控制（或局部控制網(wǎng)）。
　　國(guó)家三角鎖、網(wǎng)的布設(shè)規(guī)格與精度要求：
　　

　　國(guó)家水準(zhǔn)網(wǎng)：按國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范的技術(shù)要求建立起來(lái)的高程控制網(wǎng)。
　　作用：全國(guó)范圍內(nèi)施測(cè)各種比例尺地形圖的高程控制基礎(chǔ)，以及一些科學(xué)研究如地殼垂直形變規(guī)律、各海洋平均海水面的高度變化，以及其他有關(guān)地質(zhì)和地貌的研究等。
　　由高級(jí)到低級(jí)，從整體到局部：分成四個(gè)等級(jí)，逐級(jí)控制，逐級(jí)加密
　　一等水準(zhǔn)網(wǎng)：骨干，環(huán)線(xiàn)長(zhǎng)1000-1500km
　　二等水準(zhǔn)網(wǎng)：基礎(chǔ)，環(huán)線(xiàn)長(zhǎng)500-750km
　　三、四等水準(zhǔn)網(wǎng)：為地形測(cè)圖和工程建設(shè)服務(wù)。
　　基本規(guī)定：
　　前后視距差應(yīng)小于1m,累積差應(yīng)小于3m；
　　相鄰測(cè)站上，奇站按“后前前后”觀(guān)測(cè)，偶站按“前后后前”觀(guān)測(cè)
　　同一測(cè)段的水準(zhǔn)路線(xiàn)上測(cè)站數(shù)目應(yīng)為偶數(shù)；
　　每一測(cè)段都要往、返測(cè)
　　一測(cè)段的往返測(cè)應(yīng)在不同氣象條件下進(jìn)行

　　
　　3.2通過(guò)坐標(biāo)放樣建立平面控制
　　面控制網(wǎng)是建筑物定位的基本依據(jù)，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(biāo)放樣功能可準(zhǔn)確、方便地測(cè)設(shè)出整個(gè)建筑的平面控制網(wǎng)，并進(jìn)而加密成建筑方格網(wǎng)（圖4）。其具體方法如下：
　　
　　圖4坐標(biāo)放樣測(cè)量示意圖
　　（1）根據(jù)施工圖紙，計(jì)算出各控制點(diǎn)及其它待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)。
　　（2）選取兩城市控制網(wǎng)點(diǎn)Nl、N2，其坐標(biāo)己知。把N2點(diǎn)作為測(cè)站點(diǎn)，Nl點(diǎn)作為后視點(diǎn)。把全站儀架在N2點(diǎn)上，把一臺(tái)棱鏡架在后視點(diǎn)N1，另一臺(tái)帶有測(cè)桿的棱鏡由另一名測(cè)量人員來(lái)放置，其放置的具體位置聽(tīng)從儀器操作人員的指揮。
　　（3）對(duì)全站儀進(jìn)行對(duì)中和整平，設(shè)置好儀器參數(shù)。
　　（4）進(jìn)入坐標(biāo)放樣模式，輸入測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)、儀器高、目標(biāo)高。
　　（5）進(jìn)入方位角的設(shè)置狀態(tài)，輸入后視點(diǎn)的坐標(biāo)。精確照準(zhǔn)后視點(diǎn)棱鏡中心，儀器根據(jù)測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)坐標(biāo)，將自動(dòng)完成后視點(diǎn)方位角的設(shè)備。
　　（6）再次進(jìn)入坐標(biāo)放樣模式，輸入待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)。
　　（7）旋轉(zhuǎn)儀器的照準(zhǔn)部，使所顯示的水平角讀數(shù)為零。此時(shí)，照準(zhǔn)部所照準(zhǔn)的方向即為待測(cè)點(diǎn)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(dòng)棱鏡。照準(zhǔn)帶測(cè)桿的棱鏡（待放樣點(diǎn)附近），通過(guò)對(duì)照準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量，儀器顯示出預(yù)先輸入的待放樣值與實(shí)測(cè)值之差，即顯示值=實(shí)測(cè)值-放樣值。
　　（8）根據(jù)顯示值，指揮持棱鏡的測(cè)量人員，沿照準(zhǔn)方向移動(dòng)帶測(cè)桿的棱鏡，直到觀(guān)測(cè)屏幕上的顯示值在誤差范圍之內(nèi)。
　　（9）在測(cè)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(tǒng)的放樣工作使用經(jīng)緯儀、鋼尺、線(xiàn)墜等儀器，通過(guò)經(jīng)緯儀撥角度、定方向以及鋼尺量具來(lái)進(jìn)行。這種方式工作量大、誤差大、易出錯(cuò)。特別是在施工前期基礎(chǔ)的定位階段，還容易受地形條件的限制，對(duì)各獨(dú)立柱基的開(kāi)線(xiàn)定位使用全站儀，實(shí)是方便快捷準(zhǔn)確，減小由于場(chǎng)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(chǎn)生的誤差。在結(jié)構(gòu)施工中，用全站儀對(duì)各柱、剪力墻等位置進(jìn)行開(kāi)線(xiàn)定位，方便快捷，并能減少誤差；總之利用全站儀的坐標(biāo)放樣功能可有效地克服傳統(tǒng)放樣工作中的弊端，在測(cè)量過(guò)程中大大減少設(shè)站次數(shù)，可直接進(jìn)行放樣并省去現(xiàn)場(chǎng)的記錄工作。
　　3.3通過(guò)三角高程測(cè)距進(jìn)行高程控制
　　高程測(cè)量在整個(gè)測(cè)量工作中所占的工作量很大，同時(shí)也是測(cè)量工作的重要組成部分。利用全站儀的距離測(cè)量模式就可精確地進(jìn)行高程控制。具體方法如下：
　　（1）將全站儀架在水準(zhǔn)點(diǎn)BM1附近。
　　（2）將兩根裝有棱鏡的測(cè)桿，一根立在BMI點(diǎn)上，另一根立在需測(cè)標(biāo)高的點(diǎn)上。
　　（3）將全站儀對(duì)中、整平，進(jìn)入距離測(cè)量模式，分別測(cè)出儀器至BM1點(diǎn)的平距、斜距和高差h1及儀器至所求點(diǎn)的平距、斜距和高差h2。
　　（4）若測(cè)桿1與側(cè)桿2的高度一致，則所求點(diǎn)A的計(jì)算式為：
　　HA=BMI（高程）+h2-hl
　　如果儀器至測(cè)桿1測(cè)得為負(fù)高差，則h1前變符號(hào)為“+”。兩測(cè)桿高度不一致時(shí)，如測(cè)桿2大于測(cè)桿1一個(gè)差值，則兩桿的高差減去這一差值；否則相加。
　　（5）通過(guò)架設(shè)的水準(zhǔn)儀，可把A點(diǎn)的標(biāo)高引測(cè)到樓面上的其它位置（見(jiàn)圖5）。
　　
　　圖5高程測(cè)量示意圖
　　傳統(tǒng)的高程控制方法的缺點(diǎn)是工作量大，容易引起誤差。通過(guò)全站儀三角高程測(cè)距法進(jìn)行標(biāo)高控制，對(duì)施工作業(yè)干擾少、工作量小，引測(cè)速度快。
　　3.4進(jìn)行邊坡及附近建筑物的偏移和沉降觀(guān)測(cè)
　　大型工程的邊坡支護(hù)難度大，安全系數(shù)要求高。因此，對(duì)其進(jìn)行定期限監(jiān)測(cè)也是測(cè)量工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。其方法是：首先沿基坑四周的邊線(xiàn)每邊均勻設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：再選取兩個(gè)可以通視的基準(zhǔn)點(diǎn)，其坐標(biāo)和高程已定出（既已知三維坐標(biāo)）。通過(guò)全站儀三角高程測(cè)距法進(jìn)行標(biāo)站儀架設(shè)于其中一點(diǎn)上，另一點(diǎn)作為后視點(diǎn)，可定期測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并進(jìn)行分析比較。
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　總之，大型工程的邊坡支護(hù)難度大，安全系數(shù)要求高，為確保工程質(zhì)量，應(yīng)充分利用全站儀測(cè)量精度高、速度快、節(jié)省人工，受施工條件和外界影響小等優(yōu)點(diǎn)。特別是在大型工程中，對(duì)其定期監(jiān)測(cè)也是測(cè)量工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。