周明

【摘 要】當(dāng)今社會(huì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，空間技術(shù)，和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)體系正在世界范圍內(nèi)發(fā)生一場深刻的革命。而這些變革與測繪儀器的發(fā)展密切相關(guān)。而在眾多的測繪儀器中全站儀成為令人矚目的焦點(diǎn)。全站儀是一種光機(jī)電算一體化的高新技術(shù)測量儀，測距部分有發(fā)射，接收與瞄準(zhǔn)組成共軸系統(tǒng)，測角部分由電子測角系統(tǒng)完成，是一種具有高精度，高效率，各種測量功能的外業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其大大減輕外業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文分析了全站儀的測量原理，介紹了其在測繪中的應(yīng)用，并對在城市數(shù)字測圖中的誤差進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】全站儀；測量原理；城市數(shù)字測圖；誤差

1.全站儀的測量原理

電子測距技術(shù)。

電子測距的基本原理是利用電磁波在空氣中傳播的速度為已知這一特性，測定電磁波在被測距離上往返傳播的時(shí)間來求得距離值。但是，這種直接測距的方法實(shí)現(xiàn)起來非常困難，當(dāng)我們要求較高的測量精度時(shí)，對測量時(shí)間的要求很高，這在實(shí)踐過程中是非常困難的。因此，我們在實(shí)際的測距過程中可以根據(jù)此原理采取改進(jìn)的方法進(jìn)行測距。在實(shí)際過程中主要用脈沖法：

測距使用的光源為激光器，它發(fā)射一束極窄的光脈沖射向目標(biāo)，同時(shí)輸出一電脈沖信號(hào)，打開電子門讓標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)脈沖通過并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。光脈沖被目標(biāo)反射后回到發(fā)射器，同樣產(chǎn)生一電脈沖，關(guān)閉電子門終止時(shí)標(biāo)脈沖通過。徠卡DI3000即是采用了脈沖法的測距原理，經(jīng)過技術(shù)革新，脈沖法測距的精度得到了極大地提高。實(shí)踐表明，其測量精度并不低于相位法測距的精度。基本測距原理如圖（一）所示：

電子測角技術(shù)。

電子測角，即角度測量的數(shù)字化，也就是自動(dòng)數(shù)字顯示角度測量結(jié)果，其實(shí)質(zhì)是用一套角碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)系統(tǒng)。目前，這套轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有兩類：一類是采用編碼度盤的所謂“絕對法”測角，一類是采用光柵度盤的所謂“增量法”測角。

光柵度盤測角原理。

光柵就是具有刻制成許多寬度和間隔都相等的直線條紋的光學(xué)器件，即它是由許多等間隔的透光的縫隙和不透光的刻劃線所組成。光通過光柵時(shí)會(huì)產(chǎn)生光的衍射效應(yīng)。用于透射衍射的光柵稱為透射光柵，用于反射光衍射的光柵稱為反射光柵。光柵有兩個(gè)基本參數(shù)，一是毫米長度范圍內(nèi)的條紋數(shù)，稱為條紋密度；二是相臨條紋之間的距離，稱為間距。根據(jù)測量對象不同，有長度測量用的光柵，刻在一直尺上，稱為直線光柵。另一種是用于角度測量的光柵，是在度盤徑向按等角距離刻制的輻射狀的徑向光柵。如有兩片參數(shù)相同的光柵重疊在一起，并使他們的柵縫間有較小的夾角，那么，在光照明下就會(huì)出現(xiàn)與光柵柵縫相垂直的明暗相間的條紋——莫爾條紋。

隨著分析光柵對于度盤光柵的角移，便產(chǎn)生了莫爾干涉條紋在徑向的移動(dòng)，這種移動(dòng)使得在某固定點(diǎn)上接受到的莫爾條紋的光強(qiáng)呈現(xiàn)正弦形的變化。若在該點(diǎn)上設(shè)置光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。則會(huì)輸出正弦電信號(hào)。正弦信號(hào)一周即為一個(gè)莫爾條紋寬m。這相應(yīng)于分析光柵和度盤光柵間相對移動(dòng)一個(gè)柵距d.將正弦電信號(hào)經(jīng)過放大，整形并由微分電路變成脈沖信號(hào)，則一脈沖就與一定的角度值相當(dāng)。計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)便得到角度。由此看出，光柵度盤的測角是在相對運(yùn)動(dòng)中讀出角度的變化量，因此這種測角方法屬于“增量法”的測角。

編碼度盤測角原理。編碼度盤類似于普通光學(xué)度盤的玻璃碼盤，在此平面上分著若干寬度相同的同心圓環(huán)，而每一圓環(huán)又被刻制成若干等長的透光和不透光區(qū)，這種圓環(huán)稱為編碼度盤的“碼道”。每條碼道代表一個(gè)二進(jìn)制的數(shù)位，有里到外，位數(shù)由高到低。在碼道數(shù)目一定的條件下，整個(gè)編碼盤可以分成數(shù)目一定，面積相等的扇形區(qū)，稱為編碼盤碼區(qū)。處于同一碼區(qū)內(nèi)的各碼道的透光區(qū)與不透光區(qū)的排列，構(gòu)成編碼盤的一個(gè)編碼，這一碼區(qū)所顯示的角度范圍，稱為編碼度盤的角度分辨率。為了讀取各碼區(qū)的編碼數(shù)，需要編碼度盤的碼道一測設(shè)置光源。而在對應(yīng)的碼盤另一側(cè)設(shè)置光電探測器。每一檢測器對應(yīng)一個(gè)光源。碼盤上的發(fā)光二極管和碼盤下的光敏二極管組成測角的讀定標(biāo)志。把碼盤的透光和不透光，由光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。以透光表示“1”，不透光表示“o”。這樣碼盤上每一格就對應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過譯碼即成十進(jìn)制數(shù)，從而能顯示一個(gè)度盤上讀出的方位或角度數(shù)值。因此，編碼度盤的測角方式為絕對法測角。

2.全站儀與RTK在城市測量中的應(yīng)用

為能夠滿足城市測量的需求，以及在短時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)任務(wù)，使用RTK+全站儀可以滿足這些需求，并且能夠保持更好的精度。城市中高等級控制點(diǎn)距離遠(yuǎn)、不通視，普通等級點(diǎn)城市中破壞大、測量過程中通視不方便（車、人容易阻擋視線）。完全利用全站儀耗時(shí)間、耗人力，無法快速測量。利用RTK+全站儀的方法可以很好的解決這些問題。在測區(qū)范圍內(nèi)利用RTK布設(shè)控制點(diǎn)、在RTK不容易到達(dá)或局限性較大的地方可在附近布設(shè)控制點(diǎn)在利用全站儀進(jìn)行測量，這樣可以快速完成各種測量任務(wù)切精度也可保證。在西北民族大學(xué)的測量任務(wù)中，由于測區(qū)地形復(fù)雜、控制點(diǎn)離測區(qū)較遠(yuǎn)、恢復(fù)點(diǎn)附近高層建筑物多。使用了該方法進(jìn)行樓點(diǎn)位恢復(fù)作業(yè)。在通過RTK測量中在受干擾較大的點(diǎn)位上，采取在其附近布設(shè)控制點(diǎn)然后利用全站儀進(jìn)行了點(diǎn)位恢復(fù)，在開闊區(qū)域附近直接利用RTK進(jìn)行了點(diǎn)位的恢復(fù)。然后又直接利用全站儀布導(dǎo)線在放點(diǎn)的方法進(jìn)行了作業(yè)。在完成測量任務(wù)后對少數(shù)點(diǎn)利用靜態(tài)GPS接受機(jī)進(jìn)行了長大60分鐘的復(fù)測，結(jié)果表明利用RTK+全站儀的方法所放點(diǎn)位精度優(yōu)于全站儀布導(dǎo)線放點(diǎn)位的精度。

3.全站儀在測圖點(diǎn)位中誤差分析測角誤差分析

檢驗(yàn)合格的全站儀水平角觀測的誤差來源主要有：

儀器本身的誤差（系統(tǒng)誤差）。這種誤差一般可采用適當(dāng)?shù)挠^測方法來消除或減低其影響，但在全站儀測圖中對角度的觀測都是半測回，因此，這里還是要考慮其對測角精度的影響。

在今后的若干年內(nèi)，儀器的開發(fā)和使用將主要表現(xiàn)在軟件技術(shù)中。在來全站儀的發(fā)展可能將有以下突破。（1）儀器采集數(shù)據(jù)的能力將加強(qiáng)。（2）儀器的自我診斷和改正能力將進(jìn)一步完善，觀測數(shù)據(jù)的精度將進(jìn)一步提高。（3）儀器的實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的能力將提高，內(nèi)置應(yīng)用程序?qū)⒃龆?。?）系統(tǒng)集成將受到開發(fā)者和使用者的關(guān)注。（5）儀器間的數(shù)據(jù)直接交換和共享將成為現(xiàn)實(shí)，內(nèi)業(yè)工作將更多的在觀測的同時(shí)予以完成。

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