全站仪在山区公路测量中的应用

武汉大学
毕业论文全站仪在山区公路测量中的应用
学生姓名：XXX
学院：武汉大学测绘学院
学号：XXXXX
专业名称：XXXX
指导教师：XXX
二○一二年一月
摘要
早期的公路工程测量多采用前方交会法和钢尺法去实现定位操作，测量工作受地形等条件的影响，定位点的精度受人为因素影响，测量工作效率慢。

随着时代的变化，测量技术也在逐步提升，这就使得公路工程测量可以方便快捷的进行。

本文结合现场实践，对全站仪进行数据采集和CASIO fx-5800P计算器进行数据处理，最后完成公路测量，进行了详细论述。

通过现场实践，与早期的公路测量方法相比，具有准确、快捷、操作性强、精度高等特点。

特别在地形环境较恶劣的山区公路测量中值得提倡。

关键词：全站仪；计算器；坐标转换
目录
摘要 (I)
第一章绪论 (1)
第二章山区高速公路数据采集的原理 (2)
2.1 全站仪测量原理及作业特点 (2)
2.2 CASIO fx-5800P计算器的工作方法及特点 (3)
2.3 山区公路数据采集的方法 (4)
第三章坐标系统的转换 (5)
3.1平面坐标系统的转换 (5)
3.2 高程的转化 (8)
第四章工程实例 (9)
4.1 工程简介 (9)
4.2 数据采集与处理 (9)
4.3 桥面铺桩放样 (11)
第五章结论与建议 (14)
参考文献 (15)
第一章绪论
山区公路测量中，放样和测量是贯穿整个工程的，每一个点都是关键。

这就使得测量的任务尤为重要，数据的采集和数据处理的效率关系着工程能否在合同期内完成任务，数据的准确性也决定着工程建设的质量。

传统的测量手段是前方交会，此种放样手段需要人为估算，精度低，并且耗费人力。

随着全站仪技术的发展，全站仪的应用越来越广，已经在许多的工程建设中普及，逐步取代经纬仪以及钢尺测量等测量手段。

特别在山区的高速公路测量中，全站仪可以快捷的架设仪器，而且定后视也很方便，因此能够快速进入工作状态，提从而高作业效率。

特别在杂草树丛较多的山区，即使是GPS 也不能与其相提并论。

高速公路的精度比较高，对平面位置和高程控制的相当严格，而全站仪也正好可以实现三维坐标同时测量，定位准确，采用极坐标放样能大大加快工作效率，并且在利用极坐标之法放样时，放样的数据可以从CASIO fx-5800P计算器中得到，其操作很简单，只需要把整条公路的数据库建立好，完成编程即可实现现场计算，无需做内业，更没必要提前把坐标输入全站仪中，有时，不是什么工作都可以提前知道的，临时布置给我们测量工作者的任务难道就该推迟吗？以不变应万变，还要达到在任何状态下都是完全准备好的。

这才是一个测量工作者应该做到的最基本也是最重要的工作。

而这所有的数据完成，只需利用全站仪把其展现在实地中。

所以说全站仪和计算器的结合在山区高速公路中发挥着巨大的作用。

第二章山区高速公路数据采集的原理2.1 全站仪测量原理及作业特点
全站型电子速测仪（Electronic Tachymeter Total Station）是电子测角、电子测距等系统组成，测量结果能自动显示、计算和存储，并能与外围设备自动交换信息的多功能测量仪器，简称电子全站仪或全站仪。

全站仪的系统结构:全站仪是集光、机、电于一体的仪器，其中轴系机械结构和望远镜光学瞄准系统与光学经纬仪相比没有大的差异。

而电子系统主要由以下三大单元构成。

（1）电子测距单元，外部称之为测距仪。

（2）电子测角及微处理单元，外部称之为电子经纬仪。

（3）电子记录单元或存储单元。

由此可知全站仪的工作原理是测距仪测距电子经纬仪测角以及存储设备自动记录计算，组合而成。

全站仪测量具有如下特点：
（1）仪器操作简单、高效。

全站仪具有现代测量工作所需的所有功能。

（2）快速安置：简单的整平和对中后，仪器一开机后便可工作。

仪器具有专门的动态角扫描系统，因此无需初始化。

关机后仍会保留水平和垂直度盘的方向值。

（3）适应性强：它们经受过全面的测试以适应各种作业条件，例如雨天、潮湿、因此它们能在苛刻的环境下完成作业任务。

（4）全站仪设有双向倾斜补偿器，可以自动对水平和竖直方向进行修正，以消除竖轴倾斜误差影响。

还可进行地球曲率改正、折光误差以及温度、气压改正。

（5）具有双向通讯功能，可将数据传输给外部计算机，也可接收外部计算机的指令和数据。

（6）可提供三维坐标，精度可以达到毫米级，甚至更高
2.2 CASIO fx-5800P计算器的工作方法及特点
fx-5800P是卡西欧公司于2006年10月引入中国市场的，是fx-4850P的升级版，其功能比fx-4850p强大实用。

其工作方法就是根据自己的需要进入不同的程序，按FILE(Prog)键即可。

图 2.1 fx-5800P
它与fx-4850P比较具有如下一些特点：
（1）内存同为28500字节，但fx-5800P为闪存，无需备用电池保持机器内的数据，只采用一节7号电池供电，即使取出电池也不会丢失闪存中的数据与程序
（2）关机现场保护功能。

在任何操作界面下，包括正在执行程序，用户都可以按键关机，机器保存关机前现场的屏幕显示与运行状态，下次开机时，机器自动恢复最近一次关机的屏幕显示与运行状态。

（3）类结构化BASIC语言，编写的程序更易于阅读。

（4）用串列存储统计数据。

（5）数学格式显示，允许按书写习惯输入与显示各种数学公式。

（6）内置128个常用的数学、物理、电子与测量公式供读者调用，公式变量可以为大小写英文、字母变量及大小写希腊字母变量，且允许使用一个字符作为下标，使公式变量更贴近其实际意义。

（7）矩阵计算。

最多可定义Mat A~Mat F六个矩阵，矩阵的阶数最大为10行x10列，可以对矩阵进行加、减、乘、行列式、转置与求逆计算。

（8）可以计算二元~五元线性方程组及一元二次与一元三次方程的数值解。

（9）数据通讯。

可以在两台fx-5800P间进行数据通讯，便于用户相互交换程序及其他数据。

2.3 山区公路数据采集的方法
正因为全站仪技术能够提供测测点三维定位结果，用它来进行放样待测点的坐标和实测待测点的高程数据是十分方便的。

测设前首先要对全站仪进行三项参数设置。

（1）仪器加常数
（2）棱镜加常数
（3）大气改正设置
架设测站仪器：将脚架均匀伸开，放上仪器，对中，初整平仪器，再对中，精平，最后再次确认测站中心点在光学对中器十字丝中央，并输入测站和后视点坐标。

架设后视点仪器：一般采用跟踪杆，对准后视点十字丝中央，让气泡居中即可。

定后视：使全站仪的目镜中的十字丝卡着后视点棱镜中央，只要最后的X、Y、H每个坐标偏差不超过2mm即可完成后视定向。

数据采集和放样：当计算测量坐标在施工坐标中的具体位置时（在检验模板偏移量时应用到的特别多），只需直接测量前视棱镜所在的位置点坐标即可。

当进行道路放线、桥桩定位时，依据设计坐标为准，进行极坐标放样，待放点做上记号时就完成任务。

第三章坐标系统的转换
3.1平面坐标系统的转换
3.1.1 施工坐标系统
在工程建筑物的总平面图设计时，设计人员为了设计和施工方便，一般采用假定坐标系统，该系统的坐标轴一般与工程建筑物的主要轴线重合或平行。

为了使工程范围内的设计坐标值均为正值，坐标原点设在总平面图的西南角。

如在水利枢纽地区通常用大坝轴线或平行线作为坐标轴；而大型桥梁工程一般用桥轴线或平行线作为坐标轴建立坐标系统。

由于设计的建筑物的平面位置均是用该假定坐标系统的坐标来表示，为了施工方便，工程测量规范规定，施工平面控制网的坐标系统应与工程设计时所采用的坐标系统相同，而我们称之为施工坐标系统。

换句话说，施工坐标系统，就是根据工程总平面图所确立的独立坐标系统，其坐标轴平行或垂直于建筑物的主轴线。

为了提高网的精度和便于放样，布设施工控制网时应尽可能将主轴线包括在控制网内使其成为控制网的一条边。

当工程施工区域较大且受地形限制时，不同区域内设计建筑物的轴线方向也不相同，此外可以根据实际情况在不同区域内布设不同的施工坐标系统。

在高速公路测量中，区域广，仅建立一个施工坐标系统是不可能的，并且即便可以也很麻烦，只有在具体情况下适当应用才是最妙的。

3.1.2 坐标换算
我们在测绘工程建筑物总平面图时一般采用的是测量坐标系统，如国家坐标系统、城市坐标系统等。

当施工控制网与测量控制网发生联系时，就需要实现两种坐标系统之间的坐标换算，以便统一坐标。

一、施工坐标换算测量坐标
如图3.1所示，设XOY为测量坐标系统，AO´B为施工坐标系统，两坐标的旋向相同；设α为施工坐标系纵轴正向Ｏ´Ａ在测量坐标系（ＸＯＹ）内的坐标方位角，或者说是测量坐标系纵轴正向OX旋转至施工坐标系纵轴正向Ｏ´Ａ
的夹角，且顺时针旋转时为正，逆时针旋转为负；设施工坐标系原点Ｏ´在测
量坐标系中的坐标为(a,b)。

我们通常称a ，b ，α为转换参数。

图3.1 测量坐标系与施工坐标系 图3.2 测量坐标系为左手系而施工坐
均为左手坐标系时的转换参数 标系均为右手坐标系时的转换参数
设P 点在测量坐标系中的坐标为（Xp ，Yp ），在施工坐标系中的坐标为（Ap ，
Bp ），通过平移转换可以得出由施工坐标换算测量坐标的关系式
Xp=a+Ap*cos α-Bp*sin α
Yp=b+Ap*sin α+Bp*cos α (3.1)
由测量坐标换算施工坐标的关系式
Ap=(Xp-a)*cos α+(Yp-b)*sin α
Bp=-(Xp-a)*sin α+(Yp-b)*cos α (3.2)
图3.3 测量坐标系与施工标 图3.4 测量坐标系为左手而施工
系均为左手坐标系时ɑ的求解 坐标系为右手坐标系时ɑ的求解
O Y p Yp
a b a B A Ap Bp o' X Xp O Y p Xp Yp a b a B A Ap Bp o X Y
o X A B o ′ P1 P2 ¦Á ¦Á12 ¦Á11
二、转换参数的求解
换算参数a,b,α一般由设计文件给出，但有些情况往往是已知两个点相应的施工坐标和测量坐标，但换算参数a,b,α却未给出，此时就涉及到了换算参数a,b,α的解算。

当换算参数a,b,α求出来后，即可进行正常的坐标换算工作。

假设已知P1点的测量坐标和施工坐标为（X1，Y1）和(A1，B1),P2点的测量坐标和施工坐标为（X2，Y2）和（A2，B2），我们准备计算其相应的转换参数a,b,α，则其计算过程如下：
(一)计算P1P2方向在测量坐标系中的坐标方位角α12和施工坐标系中的坐标方位角α11；
（二）计算换算参数α；
由图3.3可以看出α=α12-α11 （3.3）（三）计算换算参数a，b；
由（3.1）式可以求得
a=X1-A1*cosα+B1*sinα
b=Y1-A1*sinα-B1*cosα（3.4）
下列公式可做检核之用
a=X2-A2*cosα+B2*sinα
b=Y2-A2*sinα-B2*cosα（3.5）
如图3.2所示，当测量坐标系统和施工坐标系统的旋向不相同时
公式（3.1）应该变为：
Xp=a+Ap*cosα+Bp*sinα
Yp=b+Ap*sinα-Bp*cosα（3.6）
公式（3.2）改变为：
Ap=(Xp-a)*cosα+(Yp-b)*sinα
Bp=(Xp-a)*sinα-(Yp-b)*cosα（3.7）
当计算换算参数时，由图3.4可以看出，公式（3.3）改变为
α=α12+α11 （3.8）
根据求得的α，由（3.6）式可以求得：
a=X1-A1*cosɑ-B1*sinɑ
b=Y1-A1*sinɑ+B1*cosɑ（3.9）以上所述的坐标转换仅为常用的测量与施工坐标系之间的相互转换，但在公路测量中，用到最多的是测量转化为施工坐标，这样可以更方便的判断出桥梁中的某一位置在桥梁中轴线的偏向，纵向和横向皆可准确断定，特别在桥梁建设中的立柱验模、盖梁验模、挡块验模、空心薄壁墩验模中，把其功能和方便性更是体现的淋漓尽致。

在具体的工程建设中，大多数情况下都是在设计文件中已知了α，即测量坐标系的方位角，而且建立的坐标系多是以构造物的中心建立的独立坐标系，不受任何地形条件和桥梁的复杂程度约束。

在此，更是体现其方便、快捷、高效率、高质量等特点。

这要归功于全站仪采集数据的方便性和计算器处理数据的专一性，才使得坐标转换在工程建设中占据很重要的地位。

3.2 高程的转化
高程的转换则依据实测的高程与设计的高程作比较，控制好施工中构筑物的高程，把其转化到施工的高度，即混凝土面的标高。

第四章工程实例
2009年我单位在张花高速工程项目中，所有的测量由全站仪采集相关数据，以CASIO fx-5800P计算器作为主要辅助工具去处理数据，进行本标段的公路测量任务。

4.1 工程简介
湖南省高速公路网张家界至花垣高速公路项目路线起于张家界市阳湖坪镇，顺接常张高速公路，经吉首大学边缘，跨省道S306、张清公路及省道S228，经三家馆、在鸭坪跨澧水、到达青坪、经羊峰，于哈尼宫上游1.2km跨越施河，到抚志，再于海螺电站上游约1km跨越猛洞河，经泽家以南，沿钟灵山工业园边缘，跨酉水，绕过保靖县城东南梅花乡规划区，沿国道209布线到复兴镇跨花垣河，沿花垣规划区西面边缘经卡地至排楼，与吉茶高速公路相接。

本合同段为19合同段，位于永顺县内，起点桩号K77+700，终点桩号K83+000，合同段全长5. 3Km。

路线在K79+440-K80+432.7段设置抚志服务区。

此段内有6座桥，现就第2座桥（那必3号桥）做具体分析，那必3号桥起始桩号为k78+414.86，终点桩号为k78+674.14，共14X4=56根桩，每个横向方向4根桩，当然也就有4个立柱，2个盖梁，18对垫石及支座，18片空心板。

现主要以那必3号桥的立柱验模和空心板顶放样（也可称作桥面铺桩放样）为研究对象,本标段的桥梁，在其横方向上的4个立柱是一条直线，其方向与道路前进方向的切线垂直，其高程系统是1956年黄海高程系统。

4.2 数据采集与处理
在桥梁的测量中，数据采集占很大一部分测量任务，而数据采集和数据处理基本上是要同步的，公路测量中很多数据都要求现场实地得出，特别在验模中，有很大的体现，在此就以那必3号桥10#墩的3#立柱为研究对象，所有坐标单位为米。

在公路测量中，建立的坐标系大多是测量坐标转换到施工坐标，下面我们探讨的是以每个立柱的中心点为测量坐标系的原点，同时立柱的中心点也是施工坐标系的原点，具体建立的坐标系是以道路前进方向为X轴，左右方向为Y轴，至于前面提到的转换参数，由于是同一方向建立的，所以转换参数中的α值就为0，至于转换参数a，b，因为建立的是测量转换施工，所以a，b就为结果。

此处以△x代替a以△y代替b，因测量坐标系原点与施工坐标系原点相同，所以在理想状态下，△x与△y的值为0，也即立柱没有一点偏差。

每次在立柱模板上记录3个点的坐标，这3个点把其平均分为3份，从而减少误差。

测前须知：10#墩桩号为K78+614.5
10#墩10-3立柱所在的测量坐标系方位角为223º13´27´´
转换参数α为0
10-3#立柱中心坐标为X=3199087.716，Y=538316.855
10-3立柱顶设计标高H=497.558
△x与△y允许误差为±10mm
架设仪器、定后视、数据采集与处理：
表4.1 10-3立柱第Ⅰ次验模结果
表4.2 10-3立柱第Ⅱ次验模结果
结论：需要调整，前进方向57mm，道路右侧28mm
表4.3 10-3立柱第Ⅲ次验模结果
表4.3 10-3立柱第Ⅳ次验模结果
结论：需要调整，前进方向23mm，道路右侧17mm
表4.3 10-3立柱第Ⅴ次验模结果
结论：本次数据符合设计与规范要求。

通过对以上数据的分析可知，调整的尺度不均匀，导致多次调整后才达到规范要求。

这种情况比较特殊，一般调整3次就可合乎要求。

至于高程，立柱模板顶设计标高必定比立柱设计标高要高，求得模板顶高程平均值为499.251，所以浇筑混凝土面即模板顶下499.251-497.558=1.693即可。

这就是公路工程测量，需要的是所有数据现场计算。

所以这就需要有敏捷的思维和熟练掌握计算器编程以及对全站仪技术的深入了解并应用于实践，这才是根本所在。

4.3 桥面铺桩放样
桥面铺桩放样就是在空心板上面的定位测量，此处就以那必3号桥右幅为例做具体说明。

在右侧的1m、11.75m处放样，放样的具体位置如图（4.1）所示,放样数据如表4.4所示。

公路测量中，放样离不开全站仪，而放样的数据要借着CASIO fx-5800P计算器计算所得。

测前须知：测站点号19-6，坐标为X=3199235.522，Y=538453.367，H=502.929，后视点号19-7，坐标X=3199121.941，Y=538211.861，H=474.040，△h值单位为mm，△h允许误差为±5mm，其余数据单位均为m。

其右侧1m 处放样数据如下：
图4.1 桥面铺桩放样示例
表4.4 桥面铺桩放样数据
表4.4就是在桥面右侧1米处的铺桩放样数据，其11.75米处数据计算方法和一米处的方法一样，在此不做过多描述。

铺桩放样其关键就在于数据的计算。

这个工程实例放样完成，其平面位置不是研究的主要对象，重要部分在于对高程的处理，根据上面高程数据可以看出，有一部分高程超过所允许的偏差，接下来就该处理高程了。

当△h 为正值时说明此处位置较高，需要把垫石（图k78+414.86 k78+433.5 k78+444.5 k78+455.5 k78+473.5
4.1中的空心板下面的黑色正方体）磨的低一点，这个比较浪费功夫，至于△h 为负值时，可以在垫石上面垫钢板，或者差值少的话不予处理，只要上面多浇筑一些混凝土就可以解决问题。

当遇到那种低的比较离谱时（△h≤-50mm）就需要重新浇筑垫石，这样会大大影响工程的进度，所以要严格杜绝此种状况发生。

第五章结论与建议
全站仪在山区高速公路测量中表现出其独特性，实现数据自动化，不再需要人为估读，提高了测量的精度，它作为划时代的产物，提高了工程生产的速度，进而也加快了社会的发展，不得不说这是人类的智慧所在，全站仪结合CASIO fx-5800P计算器服务高速公路测量，实现了数据采集与处理同步进行，大大加快作业速度，所有数据都现场完成，这也是其优越性。

个人认为，在山区难免会遇到视线被障碍物影响，此时就需要架设随意测站，以往只能采用后方交会法得到随意测站点的坐标。

而如果能把全站仪与GPS组合成一台仪器，这样实现了全站仪随意架设测站，其测站点坐标就可容易得到，这样将会有事半功倍的成效。

或许在将来的某一天，测绘的前景就是这番景象。

参考文献
【1】王军德，郭红霞，许云燕.工程测量学.郑州测绘学校，2009 【2】张正禄，李广云，潘国荣等，工程测量学.武汉大学出版社，2005 【3】覃辉，fx-5800P与fx-4850P程序语言的对比及特点说明，2006。