全站仪与高等级公路测量2

全站仪与高等级公路测量
一、全站仪概况
全站仪，全称为全站型电子速测仪，它由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统组成。

具有两大特点：（1）能同时测量水平角、垂直角和测距，观测数据由电子手缚自动记录，即是电子测距测角仪。

（2）望远镜的光轴（视准轴）和测距仪的光轴是同轴的并可通过电子处理，将测量数据送给外围设备。

全站仪分为分体式和整体式两类。

分体式全站仪的照准的照准头和电子经纬仪不是一个整体进行作业时将照准头，安装在电子经纬仪上，作业结束后钟下来分开装箱，整体式全站仪，是分体式全站仪的进一步发展，照准头与电子经纬仪的望远镜组合在一起，形成一个整体，使用起来很方便。

全站仪主要部件的功能
1、望远镜：目前的全站仪基本采用望远镜光轴（视准轴）和测距光轴完全同轴的光学系统，一次照准就能同时测出距离和角度。

且望远镜能作360°自由纵转，观测不受限制，其操作如同经纬仪。

2、控制面板：为适应测回观测，一般在主机的正反两侧，均设控制面板的键盘与显示器一体化，使用时按显示器所显示的信息进行人机对话式的操作。

3、接口的双向通讯功能，在接口连接处计算机和电子手簿等外围设备时全站仪进行控制和数据交换，即全站仪可将测量数据，使输给电子手簿或计算机，也可以接受手簿和外部计算机的指令和数据，这种
数据有助于用户独立开发专用程序系统。

4、存储器：一般有机内存贮器和存贮（IC）卡两种形式机内存贮器可预先存放一部分已知数据，供测设时调用，但其容量有限，存储卡则可不受容器的限制，因可使用的多张存储卡，即使一张卡的容量满了，还可变换磁卡而不必中断测量作业。

借助于存储卡，能很方便地在全站仪与计算机、电子手簿之间进行数据的传送和交换。

全站仪的各种测量功能介绍：
1、角度测量，除能测量水平角和垂直角外，还具有零点检测，测量模式转换和各种补偿功能。

2、距离测量：除测量至反射标锐的距离外，还具有最大测程、测量模式变换，斜矩归算，距离调阅以及各种改正功能。

距离测量设正一般包括：反射棱镜举数的仪正，气象（气温和气压）的改正，求差和折光差的改正等。

3、全标值变换功能。

全站仪的各种应用程序：
全站仪：采用MS—DOS操作系统，程序运行采用了菜单式操作方式，一般机内均设带用测量计算程序，以供测量时选择使用。

1、方位角的自动设定程序，输入测站和一已知点的坐标值，照准已知点，仪器即自动将水平度盘读数安置到计算得出的方位角数值时上。

2、后方交会程序，说程序的功能通过对几个已知点观测进行后方交会，求出测站点的坐标值。

3、测站点转置程序：仪器首先存储测得的转点坐标，在转点上架设议器后，调出存储的数据，后视前一测点，继续对下一个点进行坐标测量。

4、放样程序：
根据已有的点位测站坐标可计算放样参数。

用水平角和距离或者坐标值可求出放样点位置，对不同的放样元素，可以有多种放样方法供选择，有的程序还可以同时作方位，高程放样。

5、间接测量：在不移动仪器的情况下，可测量得出其它两点心间的距离、高差、坡度和方位角等。

6、悬高测量程序：
该程序可用来测量不能直接安置棱镜的高度如大型桥梁的梁部至地面的高度，通过测量目标点正下方等点的点位，即可自动求解出说点铅直线与向上任一点的高度。

7、偏心测量程序
用来测量不能安置棱镜的目标点和测定已竣工的桥墩中心的位置。

8、间接水准测量，在三角高程中，采用全站仪进行间接水准测量测其精度要高得的。

全站仪电子速测仪的广泛应用，使得极坐标法作为施工放样的主要方法，后方交会测量放样亦成为可能，使用全站仪，不仅现场测量作业高效，而且通过电子数据处理和计算机的各种计算及绘图等，实现了测量作业的全自动化，这使全站仪得以迅速普及的原因。

二、全站仪在高等级公路测量中的应用
用全站仪测设公路中线、速度快，精度高，目前在道路工程中，已广泛采用，在测设时一般应沿路线方向布设导线控制点，然后依据导线进特中线测设。

（一）导线控制：
对于高等级的道路工程，布设的导线一般应与附近的高级控制点进行联测，构成附合导线。

联测一方面可以获得必要的起始数据一起始坐标和起始方位角，另一方面可对观测的数据进行校核，过去如果高级控制点离测区较远，联测工作就十分困难，现在使用全站仪，测距精度高，而且测程均可达到2km，联测时可将导线延长直接与高级控制点，可与之联接，增加校核。

用全站仪施测，为降低对中误差和目标偏心差对观测坐标的影响，一般均采用“三联脚架法”。

由于全站仪一般具有直接测算导线点三维坐标的功能，可以按三维坐标导线测量的方法进行。

观测结束后，即以所测各导线点坐标为观测直进行平差。

如下图所示附合导线，用全站仪进行观测。

观测时先置仪器时B，观测2点坐标，再将仪器置于2点，观测3点坐标，依次观测最后得到C点的坐标观测值。

设C点的坐标观测值为X′c、Y′c，其已知坐标值为Xc、Yc，则纵、横坐标闭合差fx、fy为
fx=X′c—Xc
fy=Y′c—Yc
同样可算出导线全长闭合差：f=+
fx fy2
2
导线全长相对闭合差：K=1/∑S/f
式中，S为导线边长。

当导线全长相对闭合差不大于规范规定的容许值时，即可按下式计算各点坐标的改正值：
Vxi = -fx /∑S i
Vyi = -fx /∑S i
式中：∑S—导线全长；
∑S i —第点之前导线边长之和。

改正为各点坐标为：
Xi=Xi+Vxi
Yi= Yi+Vyi
式中：X′i、Y′i——第i点的坐标观测值
目前，理论与实践已经证明，用全站仪观测高程，如果采取对向（往返）观测，竖直角观测精度ma≤±2″，测距精度不低于（5+5×10—6D）mm，边长控制在2km之内，即可达到四等水准的限差要求。

因此，在导线测量时通常都是观测三维坐标，将高程的观测结果作为路线高程的控制，以代替路线纵断面测量中的基平测量。

二、中线测量
在用全站仪进行中线测量时，控制导线点和待测点的坐标应已知，通
视条件良好。

用全站仪测设中线的步骤如下：
（1）在Di点安置仪器，后视Di-1点；
（2）输入测站Di的坐标（X0，Y0，Z0）和后视点Di-1的坐标（Xh，Yh，Zh）；
（3）输入测点P的坐标（X，Y）；
（4）松开水平制动，转动照准部使水平角为0°00′00″；
（5）在Di到P的方向上置反射棱镜并测距，直到面板显示的距离值为0.000米时为止。

在第（3）步输入P点的坐标点，仪器在计算夹角J的同时，也计算出了Di到P点的距离D并自动存储起来。

测距时将量测到的距离d 自动与D进行比较，面板显示其差值D=d-D，当D〉0时，应向Di方向移动反射棱镜D；当D〈0时，应远离Di方向D；当D=0时，即为P点的准确位置。

（6）在中桩位置定出后，随即测出该桩的地面高程（Z坐标）。

这样纵断面测量中的中平测量就无须单独进行，大大简化了测量工作。

重复上述（3）—（6）步，测设其它中桩位置。

在测设过程中，往往需要在导线的基础上加密一些测站点，以便把中桩逐个定出。

K5+520至K6+180之间的中桩，在导线点D7和D8上均难以测设，可在D7测设结束后，于适当位置选一M点，钉桩后，测出M点的三维坐标。

仪器迁至M点上重复（1）—（6）步继续测设。

值得指出的是，采用坐标测设中桩，可视具体情况，将路线分为数段，用数台仪器同时进行测设，亦不会造成“断链”。

在用全站仪测设路线中线的同时，路线纵断面测量也随之完成，从全站仪三角高程测量的精度分析中已经说明，如果全站仪竖直角观测精度不大于2″，测距精度不低于（5+5×10 -6D）mm，边长不起过2km，观测时采用对向观测，测定高程和精度可达到四等水准的限差要求。

因此，只要满足上述条件，三维导线测量的结果完全可以代替基平测量。

由于中平测量测定中桩地面高程的精度要求为0.1M，采用全站仪测量，达到这样的精度自然毫无问题。

这样以来就使路线测量的外业工作大为减少。

尤其是在山区，水准测量相当困难的地区。

（三）用全站仪测定桥轴线长度
桥梁的中心线称为桥轴线。

桥轴线上两岸的控制桩A、B间的距离称为桥轴线长度。

由于在桥梁施工中，须把桥墩、桥台的中心位置精确地测设出来，而桥轴线长度为测设墩、台位置的依据，因此必须精确测定桥轴线的长度。

全站仪测定桥轴线长度具有便于操作、计算简单、精度高、速度快等优点，而且不受地形限制，只要两点能够通视，在仪器测程范围之内，即可获得满意结果。

目前生产的全站仪测程一般可达3—5km，测距精度一般均高于（5+5×10—6D）mm。

在条件允许的情况下，如位于干河或浅水河道上，可将仪器置于控制桩A或B上直接测定桥轴线长度或其坐标；在精确测定桥轴线长度之后，便可由A点或B点测设各桥墩、桥台的位置。

如果设计文件
中给出各墩、台中心的坐标，可直接利用坐标进行测设。

当桥轴线位于深水大河上时，则应建立桥梁施工控制网，以精确测定桥轴线长度和作为测设桥墩、桥台的平面控制。

用全站仪建立桥梁控制，可布设成闭合导线的形式。

无论采用导线还是边角网，均应把桥轴线两岸控制桩A、B作为网中的控制点。

施测时，用全站仪直接测出各点坐标，平差采用坐标平差法。

（四）用全站仪测设桥梁墩、台中心位置
1、直线桥墩、台中心的测设
直线桥梁的墩、台中心位于桥轴线方向上，已经知道桥轴线控制桩A、B及各墩、台中心的里程，据此可算得各墩、台至控制桩A或B的距离。

将全站仪置于控制桩A或B上，按距离将各墩、台中心在实地用桩志标出。

在标出墩、台中心位置后，再测其距离进行检核。

如果各墩、台中心给出的设计坐标，仪器可置于控制桩A或B上，亦可置于任一控制点上，利用各墩、台中心坐标进行测设。

2、曲线桥墩、台中心的测设
由于曲线桥的路线中线是曲线，而所用的梁是直的，因此路线中线与梁的中线不能完全吻合。

梁在曲线上的布置，是使各跨梁的中线联结起来，成为与路线中线基本相符的折线，这条折线称为桥梁的工作线。

墩、台中心一般就位于这条折线转折角的顶点上。

测设曲线墩、台中心，就是测设这些顶点的位置。

在桥梁设计中，梁中心线的两端并不位于路线中线上，而是向外侧移动了一段距离E，这段距离E称为偏距；相邻两跨梁中心线的交角a
称为偏角；每段折线的长度L称为桥墩中心距。

这些数据在桥梁设计时已经确定。

用全站仪测设墩、台中心位置，宜采用坐标进行测设，具体步骤如下：1、用计算中桩坐标的方法计算出各墩、台纵轴线与路线中线的交点坐标。

2、将全站仪置于任一控制点上，按坐标放样法测设出这些交点的位置。

3、从交点测设墩、台纵轴线的方向，并自交点向曲线外侧沿纵轴线测设相应的E值，即可得到墩、台的中心位置。

如果算得墩、台中心的坐标，亦可按其坐标，直接将墩、台中心标定出来。

三、高速公路中用全站仪测量道路中线、用计算机计算中线坐标源程序
高速公路设计要求严格，线路基本上是由缓和曲线大半径主曲线与直线段组成，对线路的测设用极坐标法放样能很好地满足其精度的要求，但必须解决曲线上各里程桩，坐标与国家直角坐标的统一问题，本人在实践中利用CASIO fx—4500PA计算机编出一套程序，并利用该程序在施工现场，顺利地解决了曲线上各里程桩坐标计算，并利用相关的导线点进现场放线，取得了满意的效果。

二、实用公式
交点JD的坐标XJD、YJD已在图上量出或在实地已经测定，路线导线的坐标方位角A和边长S可按坐标反算公式求得。

在选定各圆曲
线半径R和缓和曲线长度ls后，根据各桩点的里程桩号，即可算出相应的坐标值X、Y。

一、HZ点（包括路线起点）至ZH点之间的中桩坐标
此段为直线，桩点的坐标按下式
Xi=Xhz i-1+DicosA i-1,i①
Yi=yhz i-1+DisinA i-1,i
式中Ai-1,i为路线导线JDi-1—JDi的坐标方位角；Di为桩点至HZi-1点的距离，即桩点里程与HZi-1点里程之差;XHZi-1、YHZi-1为HZi-1点的坐标，由下式计算：
X HZ i-1=X JD i-1+T H i-1cosA i-1,i ②
y HZ i-1=Y JD i-1+ T H i-1sinA i-1,i
式中XJD i-1、YJD i-1为交点JD i-1的坐标；T H i-1为切线长。

ZH点为直线的终点，除可按式①计算外，亦可按下式计算：
X HZ i-1=X JD i-1+ (S i-1-T H i)cosA i-1,i③y HZ i-1=Y JD i-1+ (S i-1- T H i) sinA i-1,i
式中Si-1，i为路线导线JDi-1—JDi的边长。

二、ZH点到YH点之间的中桩坐标
此段包括第一缓和曲线及圆曲线，可先计算桩点的切线支距法坐标X、Y；
缓合曲线上桩点：
X=L-L5/40R2LS ④
y=L3/6RLS
式中：L为桩点至缓和曲线起点ZH曲线长，R为圆曲线半径；Ls为缓和曲线长度。

圆曲线上桩点: x=Rsinφ+q ⑤
y=R(1-cosφ) +p
式中φ= L180/2Rπ+φ0，L为桩点至HY的曲线长，仅为圆曲线部分的长度。

缓和曲线角：β0= Ls180/2Rπ
切线增值：q=Ls/2-Ls/240R2
内移值：p=Ls/24R
然后通过坐标变换将其转换为测量坐标X、Y。

坐标变换公式为：
Xi=X ZH i+cosA i,i+1-sinA i,i+1 xi ⑥
Yi=Y ZH i+ sinA i ,i+1 cosA i,i+1 yi
在运用式⑥计算时，当曲线为左转角，应以yi=-yi代入。

三、YH点至HZ点之间的中桩坐标
此段为第二缓和曲线，仍可按式④计算切线支距法坐标，再按下式转换为测量坐标：
Xi=X HZ i-cosA i,i+1 -sinA i,i+1 xi ⑦
Yi=Y HZ i- sinA i ,i+1 - cosA i,i+1 yi
当曲线为右转角时，以yi=-yi代入。

附件CASIOfx-4500PA按里程计算曲线坐标程序
一、程序在WRT写入程序状态下输入
YQXZBJS 程序名（圆、缓曲线坐标计算）
L1：A“ZHK1”：B“X1”：C“Y1”：D“A1”：E“R”：F“L”：Z “ZZ-1:YZ+1”：G“HYK2”：H“X2”：I“Y2”：J“A2”：R“HZK3”：L“X3”：M“Y3”：N“A3”
L2：O=H+Rec（E，（J+90*Z））：P=I+W：Q=J-90*Z
L3：LbI1：〔K〕：F=0 S=K-G：Goto6：S=K-A：S≤F Lbl4：T=Sxy3/6/E/F：U=T/S×180/
L4：X= （T2+（S-Sxy5/40/E2/F2）2）:K-A≤F B+Rec(X，(D+U ×Z))▲C+W▲D+3×U×Z▲Goto5△Goto1: Lbl2
L5:Lbl 6:S≤R-A-F K>R Goto8:△T=S-F：U=T/E×180/ :O+Rec(E,(Q+U×Z))▲P+W▲Y=Q+(U+90)×Z:Y≥0 Y▲Y+360▲△Goto1: Goto7
L6:L b 1 7：S≤R-A S=R-K：Goto4：Lbl5：L+Rec（X，（N-180-Z ×U))▲M+W▲Y=N-3×U×Z:Y≥0 Y▲Y+360▲△Goto1: Lbl8:“WCJS OK”
二、程序的应用
此程序为问答式应用，同时可以在有缓和线的主曲内使用，也可以在没有缓和曲线的圆曲线内使用，只是输入的条件不同，也可以左转向角的曲线使用，也可在右转向角的曲线使用，也是输入的条件不同。

在使用此程序时，须做如下准备：
1、画出所要计算的曲线略图；
2、填写计算时所需的计算数据：
ZH点的里程、X、Y、方位角、园曲线半径、缓和曲线长、曲线转向ZHK1 X1、Y1 A1 R L 左-1 右+1
HY点：里程X Y 方位角（切线）
HYK2 X2 Y2 A2
HZ点：里程X Y 方位角（切线）
HZK3 X3 Y3 A3
2、如果没有缓和曲线，则ZH点的里程、X、Y、方位角、缓和曲线长L则都输入0，HZ点的里程、X、Y、方位角都输YZ点的里程，X、Y、方位角。

3、当程序运行时，以次按问的行式，进行回答式输入
ZHK1？直缓点里程，X1？直缓点X坐标，Y1？直缓点y坐标，
A1？直缓点的切线方位角
R?圆曲线半径L?缓和曲线长ZZ-1,YZ+1?（左转,输入-1，右转,输入1或+1)
HYK2?缓园点里程X2?缓圆x坐标Y2?缓圆y坐标,
A2?缓圆点方位角
HZK3?缓直点里程X3?缓直点x坐标Y3?缓直点y坐标A3?缓直点切线方位角
到此,所要准备的数据全部完成。

三、1、本程序可以自动判断里程桩是ZH～HY、HY～YH、YH～HZ，只要是在ZH～HZ段内，输入任一里程，即可计算出x、y、a（切线方位角），如果超出HZ点，则自动判断会跳出运算，同时告知WCJS OK（完成计算OK）。

2、本程序在计算无缓和曲线的圆曲线时，ZH点的K1、x1、y1、A1和缓曲线长L都输入0，HY点的一切数据都输入ZY点的数据，HZ 点的里程输入YZ点里程，X
3、Y3、A3输入0即可。

曲形半径R和ZZ-1、YZ-1？照常输入。