第三节 全站仪及其使用

一、全站仪概述

全站仪（即全站型电子测速仪）是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。因其一次安置仪器就可完成该站点上全部测量工作，所以称为全站仪。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、交汇定点测量和放样测量等多种用途，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。其具有如下特点：

（1）测量的距离长、时间短、精度高。

（2）能同时测角、测距并自动记录测量数据。

（3）设有各种野外程序，能在测量现场得到归算结果。

目前，世界上精度最高的全站仪：测角精度（一测回方向标准偏差）0.5″，测距精度1mm+1ppm。利用目标自动识别（ATR）功能，白天和黑夜（无需照明）都可以工作。全站仪已经达到令人不可置信的角度和距离测量精度，既可人工操作，也可自动操作；既可远距离遥控运行，也可在机载应用程序下使用，可应用在精密工程测量、变形监测、几乎是无容许限差的机械引导控制领域。

全站仪的分类很多，主要有以下几种：

（1）按结构形式分。20世纪80年代末、90年代初，人们根据电子测角系统和电子测距系统的发展不平衡，将全站仪分为两大类，即组合式和整体式。组合式也称积木式，是指电子经纬仪和测距仪既可以分离也可以组合，用户可以根据实际工作的要求，选择测角、测距设备进行组合；整体式也称集成式，是指将电子经纬仪和测距仪做成一个整体，无法分离。90年代以来，整体式全站仪成为主导。

（2）按数据储存方式分，全站仪有内存型和电脑型两种。内存型的功能扩充只能通过软件升级来完成；电脑型的功能可以通过二次开发来实现。

（3）按测程来分，全站仪有短程、中程和远程三种。测程小于3km的为短程，测程在3～15km的为中程，测程大于15km的为远程。

（4）按测距精度分，全站仪有Ⅰ级（5mm）、Ⅱ级（5～10mm）和Ⅲ级（＞10mm）。

（5）按测角精度分，全站仪有0.5″、1″、2″、5″、10″等多个等级。

（6）按载波分，全站仪有微波测距仪和光学测距仪两种。采用微波段的电磁波作为载波的称为测距仪，采用光波作为载波的称为光电测距仪。

二、全站仪的构造

（一）全站仪基本构造

1.全站仪的组成

全站仪由测角、测距、计算和数据存储系统组成。图2-35所示为我国生产的科力达KTS-442R型全站仪。科力达全站仪KTS-442R具备丰富的测量程序，同时具有数据存储功能、参数设置功能，其功能全面，适用于各种专业测量和工程测量。其主要有以下五部分组成：

（1）电子测角系统。全站仪的电子测角系统采用了光电扫描测角系统，其类型主要有编码盘测角系统及动态（光栅盘）测角系统三种。

（2）四大光电系统。全站仪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、数据并设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。

（3）数据采集系统。全站仪主要由为采集数据而设计的专用设备 （主要由电子测角系统、电子测距系统、数据储存系统、自动补偿设备等）和过程控制机 （主要用于有序地实现上述每一专用设备的功能）组成。过程控制机包括与测量数据相连接的外围设备及进行计算、产生指令的微处理机。只有上面两大部分有机结合，才能真正地体现 “全站”功能，即既要自动完成数据采集，又要自动处理数据和控制整个处理过程。

（4）微处理机（CPU）。CPU是全站仪的核心部件，主要由寄存器系列（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。

（5）照准部和基座。照准部是指水平度盘以上能绕竖轴旋转的部分，包括望远镜、竖直度盘（简称竖盘）、光学对中器、水准管等。为了精确照准目标，还设置了水平制动、垂直制动、水平微动、垂直微动螺旋。基座起支承仪器上部以及使仪器与三脚架连接的作用，主要由轴座、脚螺旋和连接板组成。仪器的照准部插入轴座后，用轴座固定螺旋（又称中心锁紧螺旋）固紧；轴座固定螺旋切勿松动，以免仪器上部与基座脱离而摔坏。

2.全站仪的构造特点

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，因而使得全站仪具有比其他测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便。其构造具有以下特点：

（1）同轴望远镜。全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的反射、接收光轴同轴化。同轴性使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部要素的测定功能。加之全站仪强大、便捷的数据处理功能，使全站仪使用极其方便。

（2）双轴自动补偿。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。也可将由竖轴倾斜引起的角度误差，由微处理机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。

（3）键盘。键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站仪的竖盘和显示屏均为双面式，便于正镜、倒镜作业时操作。

（4）存储器。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他设备（如计算机等）中，供进一步的处理或使用，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硬盘。

（二）反射棱镜

全站仪在进行距离测量等作业时，需在目标处放置反射棱镜。反射棱镜有单棱镜组、三棱镜组，可通过基座连接器将棱镜组与基座连接,再安置到三脚架上，也可直接安置在对中杆上。棱镜组由用户根据作业需要自行配置。

棱镜组的配置可参照图2-36所示。

（三）数据通信

全站仪通信是指全站仪和计算机之间的数据交换。目前,全站仪与计算机的通信主要有两种方式：一种是利用全站仪原配置的PCMCIA卡；另一种是利用全站仪的输出接口，通过电缆传输数据。

（1）PCMCIA卡。简称PC卡，PC机内存卡国际联合会（PCMCIA）确定的标准计算机设备的一种配件,目的在于提高不同计算机型以及其他电子产品之间的互换性,目前已成为便捷式计算机的扩充标准。

在设有PC卡接口的全站仪上,只要插入PC卡,全站仪测量的数据将按规定格式记录到PC卡上,与之直接通信。

（2）电缆传输。通信的另一种方式是全站仪将测量或处理的数据，通过电缆直接传输到电子手簿和电子平板系统。由于全站仪每次传输的数据量不大，所以几乎所有的全站仪都采用串行通信方式。串行通信方式是数据依次一位一位地传递,每一位数据占用一个固定的时间长度,只需一条线传输。

最常用的串行通信接口是由电子工业协会（EIA）规定的RS-232C标准接口，每一针的传输功能都有标准规定,传输测量数据最常用的只有三条传输线,即发送数据线、接收数据线和底线,其余的线供控制传输用。

（3）几种常用全站仪数据通信。徕卡（Leica）全站仪设有数据接口，配专用5针插头，宾得（Pentax）、索佳（Sokkia）、拓普康（Topcon）全站仪都配6针接口。

三、全站仪的使用

（一）安置仪器

全站仪的安置与经纬仪相同。测量之前请再次检查确认仪器已精确整平、电池已充足电、垂直度盘指标已设置好，仪器参数已按观测条件设置好。完成了测量前的准备工作后,便可进行测量模式下的测量工作。

（二）水平角测量

测量方法与经纬仪基本相同。仪器操作步骤如下：

（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。

（三）距离测量

进行距离测量之前请检查仪器已正确地安置在测站点上，电池已充足电，度盘指标已设置好，仪器参数已按观测条件设置好，测距模式已正确设置，已准确照准棱镜中心，返回信号强度适宜测量。根据要求可以测量斜距、平距、高差等。仪器操作步骤如下：

（1）设置棱镜常数。测距前须将棱镜常数输入仪器，仪器会自动对所测距离进行改正。

（2）设置大气改正值、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1标准大气压（atm）是仪器设置的一个标准值，此时的大气改正值为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）并对测距结果进行自动改正。

（3）量仪器高、棱镜高并输入仪器。

（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。全站仪的测距模式分为精测模式、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，每次测距时间为0.3s；粗测模式测量时间为0.7s，最小显示单位1cm或1mm，可按测距模式（MODE）键选择不同的测距模式。

注意：有些型号的全站仪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。

（四）坐标测量

测量被测点的三维坐标。进行坐标测量之前请检查仪器已正确地安置在测站点上，电池已充足电，度盘指标已设置好，仪器参数已按观测条件设置好，大气改正数、棱镜常数改正数和测距模式已正确设置，已准确照准棱镜中心，返回信号强度适宜测量。

如图2-37所示，在预先输入仪器高和目标高后，根据测站点的坐标，设置后视点方位角，便可直接测定目标点的三维坐标。仪器操作步骤如下：

（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。后视方位角可通过输入测站点和后视点坐标后，照准后视点进行设置。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、棱镜高并输入仪器。

（6）照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。