第四节 全站仪
一、概述
全站仪，即全站型电子速测仪（Electronic Total Station），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。它在测站上除了能迅速测定水平角、竖直角和倾斜距离外，还可即时算出水平距离、高差、高程、某点三维坐标以及施工放样的有关数据等并显示于屏幕上，实现记录、存储、输出以及数据处理的自动化，使测量工作大为简化。
早期的全站仪是将光电测距仪安装于电子经纬仪上，用电缆将两者连接进行数据通信，根据测量工作需要，两者可分可合，称为积木式或分体式全站仪。目前的全站仪是将电子经纬仪、光电测距仪和微处理机融为一体，共用一个光学望远镜，仪器各部分构成一个整体，不能分离，称为整体式或集成式全站仪，它比前者性能更稳定，使用更方便，本节仅介绍整体式全站仪。
全站仪由于其使用方便，在测量工作中得到广泛应用，其品种和型号也越来越多。目前常见的有我国NTS和ETD系列，瑞士徕卡（LEICA）TPS系列，日本拓普康（TOPOCON）GTS系列、尼康（NIKON）DTM系列、索佳（SOKKIA）SET系列。近年来还研制出一种全自动全站仪，如徕卡公司生产的TCA2003全自动全站仪，又称测量机器人，可以自动识辨、照准目标，自动读数、数据处理和存储，实现无人值守、连续观测，适用于监视建筑物（如大坝等）的变形情况，使测量工作的自动化向更高领域发展。
二、补偿基本原理
全站仪是由电子经纬仪、光电测距仪、微型机及其软件组合而成的智能型光电测量仪器。其工作原理应该包括以上3个方面，但电子经纬仪测角和光电测距的基本原理已经讲述，本部分主要讲解全站仪的三轴误差及其补偿原理，这也是全站仪进行智能解算的理论基础。本质上讲，三轴误差与经纬仪的轴线误差原理一致，全站仪利用补偿器进行电算改正，提高观测数据的精度。
（一）轴系误差
1.视准轴误差
视准轴误差也就是人们常说的“c”角。它产生的原因是由于安装和调整不当，望远镜的十字丝中心偏离了正确的位置，结果是视准轴与横轴不正交，引起的测量误差，它是一个固定值；外界温度的变化也会引起视准轴位置的变化，这个变化则不是一个固定值。若令Δc为视准轴误差对水平方向观测读数的影响，则有
可见，视准轴误差对水平方向读数的影响不仅与视准轴误差c成正比，而且也与目标点的垂直角α有关。采取盘左、盘右取中数的方法能够消除视准误差对水平度盘读数的影响。
2.横轴误差
横轴误差又称水平轴倾斜误差。其主要原因是安装或调整不完善致使支承水平轴的二支架不等高，水平轴两端的直径不等也是一个原因。由于仪器存在着水平轴误差，当整平仪器时，垂直轴垂直，而水平轴不水平，这就会在水平方向引起观测误差。若令Δi为水平轴倾斜误差i对水平方向观测读数α的影响，则有
显然，Δi的大小不仅与i角的大小成正比，而且与目标点的垂直角α有关。采取盘左、盘右取中数的方法能够消除横轴倾斜误差对水平度盘读数的影响。
3.竖轴倾斜误差
仪器的竖轴偏离铅垂位置，存在一定的倾斜，这种竖轴不垂直的误差称为竖轴误差。偏离的竖轴与铅垂线之间的夹角用v来表示。产生竖轴误差的主要原因是仪器整平不完善，竖轴晃动，土质松软引起脚架下沉或因震动、湿度和风力等因素的影响而引起脚架移动。若令Δv为竖轴倾斜误差v对水平方向观测读数α的影响，则有
由式（4-33）可知，竖轴倾斜误差对水平方向值的影响不仅与竖轴倾斜角v有关，还随照准目标的垂直角α和观测目标的方位（以β表示）不同而不同。在测量工作中，采取盘左、盘右取中数的方法不能消除竖轴倾斜误差对水平角和垂直角的影响。
竖轴倾斜量可以分解为两个方向：①在望远镜的纵轴方向（X轴）的倾斜；②在与X轴垂直的横轴方向（Y轴）的倾斜，见图4-23。
图4-23 竖轴倾斜量垂直方向分解图
（a）横向倾斜；（b）纵向倾斜
纵向（X轴）倾斜将引起垂直角的误差，垂直轴纵向的倾斜将引起1∶1的垂直角误差。横向（Y轴）的倾斜影响水平角的测量。
假设：测量中发生仪器竖轴在X轴的倾斜为φX，Y轴的倾斜为φY。那么存在以下函数关系：
式中 φX——竖轴倾斜在视准轴方向（X轴）的分量；
φY——竖轴倾斜在视准轴方向 （Y 轴）的分量；
VK——仪器显示的天顶距；
V0——电子度盘测得的天顶距。
从式（4-34）可看出，水平角的误差与测得的天顶距有关。先假设Y轴的倾斜为一个定量，则水平角的误差随着望远镜的转动而变化。在天顶距接近90°（水平方向）时，根据式（4-34）可以知道水平角的误差趋近于0，就是说此时没有误差；在接近天顶（0°）但未达到天顶时，此时的误差较大。
（二）补偿原理
在测量工作中，有许多方面的因素影响着测量的精度，其中垂直轴、水平轴和视准轴的不正确安装或整置，常常是诸多误差源中最重要的因素。且减小测量误差的过程比较麻烦，容易导致操作上的错误。这就对仪器生产提出了更高的要求，即其产品应尽可能方便使用，自动减少轴系误差的影响。而补偿器就是为了这个目的应运而生的。补偿器的作用就是通过寻找仪器竖轴在X轴和Y轴方向的倾斜信息，自动地对测量值进行倾斜改正。
1.单轴补偿器
在光学经纬仪上采用单轴补偿的方法来补偿竖轴倾斜而引起的竖直度盘读数误差已很久了。光学经纬仪上一般采用簧片式补偿器、吊丝补偿器、液体补偿器。
图4-24是徕卡的摆式单轴补偿器工作原理图，当仪器倾斜的时候，将引起摆的微小摆动，这个变化通过光路引起竖直度盘影像的相应变化，垂直指标的位移与仪器的倾斜量相等，正确地改正了角度的输出，从而对仪器的倾斜起到了补偿作用。
图4-25是国内某厂采用的电容式单轴补偿器，当仪器倾斜的时候，将引起气泡的运动，从而导致电容的变化，只要测量极板间的电容变化，就可以测量仪器的倾斜量。
图4-24 摆式单轴补偿器
图4-25 电容式单轴补偿器
2.双轴补偿器
双轴补偿器的功能是仪器竖轴倾斜时能自动改正。由于竖轴倾斜对竖直度盘和水平度盘读数的影响，目前绝大部分具有双轴补偿的仪器均采用液体补偿器，如图4-26所示。
3.三轴补偿器
三轴补偿器则不仅能补偿全站仪垂直轴倾斜引起的竖直度盘和水平度盘读数误差，而且还能补偿由于水平轴倾斜误差和视准轴误差引起的水平度盘读数的影响。徕卡、宾得PTS-V2以及捷创力的Geodimeter500/600系列仪器等都使用了三轴补偿的方法。其采取的手段是用双轴补偿的方法来补偿垂直轴倾斜引起的竖直度盘和水平度盘的读数误差，用机内计算软件来改正因横轴误差和视准轴误差引起的水平度盘读数误差。
图4-26 两种液体补偿器
1—光源；2、6—物镜；3—棱镜；4—液体表面；5—封闭玻璃补偿器；7—光电二极管；8—棱镜分划板；9—液体表面；10—偏转透镜；11—成像透镜；12—分划板影像；13—线性CCD阵列；14—发光二极管
（三）全站仪度盘读数计算公式
具有三轴补偿的全站仪用下述公式计算并显示水平度盘读数：
在双轴补偿的情况下，式（4-35）变为
在单轴补偿的情况下，式（4-35）变为
式中 HZT——显示的水平度盘读数；
HZ0——电子度盘传感器测得的值；
φX——竖轴倾斜在X轴的分量；
φY——竖轴倾斜在Y轴的分量；
Vk——仪器显示的天顶距；
V0——横轴误差；
i——视准轴误差。
三、全站仪的构造及其功能
（一）基本结构
全站仪的基本结构如图4-27所示，图中上半部分包括水平角、竖直角、测距及水平补偿等光电测量系统，通过I/O接口接入总线与数字计算机联接起来，微处理机是全站仪的核心部件，它的主要功能是根据键盘指令执行测量过程中的数据检核、处理、传输、显示和存储等工作。数据存储器是测量的数据库。仪器中还提供程序存储器，以便于根据工作需要编制有关软件进行某些测量成果处理。
（二）数据存储与通信
有的全站仪将仪器的数据传输接口和外接的记录器连接起来，数据存储于外接的记录器中，基本结构如图4-28所示。大多数的全站仪内部都有一大容量内存，有的还配置储存卡来增加存储容量。仪器上还设有标准的RS-232C通信接口，用电缆与计算机的COM口连接，实现全站仪与计算机的双向数据传输。
图4-27 全站仪基本结构
（三）全站仪的功能
全站仪的功能与仪器内置的软件有关，目前一般具有下列功能。
（1）角度测量。望远镜照准目标后，自动显示视线方向的水平度盘和竖盘读数。
（2）距离测量。望远镜照准棱镜后，直接测得仪器至棱镜的倾斜距离，输入相应的竖直角可获得两者之间的水平距离。
图4-28 数据存储器的基本结构
（3）高差测量。当测定仪器至棱镜的倾斜距离或水平距离及相应的竖直角后，再输入仪器高和棱镜高，即可获得两者之间的高差。
（4）三维坐标测量与放样。根据测站点已知的平面坐标和高程，通过水平角、竖直角和距离测量，可迅速获得待测点的三维坐标。若输入待放样点的坐标值，将获得有关放样数据，进行实地放样。
（5）悬高测量。架空的电线或远离地面的管道，无法在其上安置棱镜，又要测定其高度时，可在待测目标之下安置棱镜，用仪器照准棱镜进行距离测量和竖直角测量，再转动望远镜照准待测点测定其竖直角，输入仪器高和棱镜高即可确定待测点的高度。
图4 29 对边测量
（6）对边测量。如图4-29所示，在测站点A上对未知点P1和P2依次测定其水平距离S1、S2和水平角θ1，以及高差hA1、hA2，则可按下式求得P1至P2的水平距离D和高差h12。
（7）自由设站。仪器设于未知点对若干个已知点测定其相应的角度、距离和高差，反求得测站点的坐标和高程。
（8）偏心测量。当待测点不能安置棱镜时，可将棱镜安置在待测点的旁边，与悬高测量相类似，测出相应的角度、距离和高差，最后确定待测点的坐标和高程。
（9）面积测量。对任一闭合多边形，测定其边界上若干点的坐标，从而求得其面积。
（10）导线测量。依次测定导线各边的边长和夹角，输入相应的方位角，经过平差计算求得各导线点的坐标并自动记录和存储。
（11）数字化测图。利用全站仪可进行数字化测图，详见第九章第七节。
四、全站仪的使用
目前国内外全站仪有多种品牌和型号，其功能和操作方法各异，使用时应认真阅读随机携带的使用手册，弄清其功能和使用方法再进行操作，现仅以日本TOPCON公司生产的GTS-222全站仪为例作简要介绍。
（一）GTS-222全站仪的构造和性能
如图4-30所示，该仪器属整体式全站仪，望远镜连同测距装置可在两支架内自由纵转，不论盘左或盘右位置，键盘和显示屏均面向观测者，以便于操作。机载电池BT-52QA嵌于仪器的支架上构成一整体。
该仪器的主要技术指标如下：
（1）测角精度：±2″。
（2）测距精度：±（2mm+2×10-6D）。
（3）测程：单棱镜3000m；三棱镜4000m。
（4）电池：机载镍氢电池BT-52QA，充满后可连续工作10h。
（5）仪器倾斜补偿范围：±3′。
（6）工作环境温度：-20～+50℃。
（二）使用方法
全站仪测量是通过键盘输入指令进行操作的，该仪器键盘和显示屏以及各按键的功能见图4-31和表4-3，按键分为硬键和软键。其中F1～F4为软键，亦称功能键，其余均为硬键，在各种模式下的功能选择都是通过F1～F44个软键来实现。该仪器通过MENU键，可令仪器在正常测量模式与菜单模式之间切换，现分述如下。
图4-30 GTS-222全站仪
1—粗瞄准器；2—望远镜调焦螺旋；3—望远镜把手；4—目镜；5—垂直制动螺旋；6—垂直微动螺旋；7—管水准器；8—键盘和显示屏；9—电池锁紧杆；10—机载电池BT 52QA；11—仪器高中心标志；12—水平微动螺旋；13—水平制动螺旋；14—外接电源接口；15—串行信号接口；16—定线点指示器；17—物镜；18—键盘和显示屏；19—圆水准器；20—圆水准器校正螺旋；21—提手固定螺旋；22—仪器高中心标志；23—光学对中器；24—整平脚螺旋；25—底板；26—基座固定钮
图4-31 键盘及显示屏
表4-3 按键功能
续表
1.正常测量模式
（1）角度测量模式。仪器对中整平后，打开电源，按ANG键，仪器进入角度测量模式。角度测量模式共有三页菜单（图4-32），通过功能键F1～F4，可按测量需要在各页菜单中选定相关功能（表4-4），即可测定水平角和竖直角。
图4-32 角度测量模式菜单
表4-4 角度测量模式
（2）距离测量模式。仪器照准棱镜时，按
进入距离测量模式并自动测距，距离测量模式共有两页菜单（图4-33），可按表4-5所列选定相关功能进行测距。
表4-5 距离测量模式
（3）坐标测量模式。当仪器照准棱镜时，按
键进入坐标测量模式，并开始坐标测量。坐标测量共有三页菜单（图4-34），各页功能见表4-6。
图4-33 距离测量模式菜单
图4-34 坐标测量模式菜单
表4-6 坐标测量模式
2.菜单模式
按MENU键进入主菜单，主菜单有4个主要模块。
（1）数据采集模式（DATA COLLECT）。该模式用于设置测站坐标、后视点坐标，进行测点坐标和高程测量，并根据用户规定的格式存储等。
（2）放样模式（LAYOUT）。该模式可根据测站点坐标、后视点坐标和放样点坐标，对放样点进行实地放样。
（3）存储管理模式（MEMORY MGR）。该模式用于文件状态查询、数据查询、文件管理、输入坐标、删除坐标、输入编码、数据传输、内存初始化等。
（4）应用测量程序（PROGRAMS）。该模式可用于对边测量、悬高测量以及面积测量等。
以上仅是粗略介绍，详细操作方法应参阅随机的使用手册。