全站仪的结构组成和基本操作方法

第一节 全站仪的结构组成和基本操作方法第一节 全站仪的结构组成和基本操作方法 数字化测图的关键仪器是电子全站仪。它具有功能强、精度高、用途广和使用方便、快捷等特点，备受欢迎。

目前，世界各国生产的全站仪品种、规格、型号繁多，并朝着自动化、智能化的方向发展，如增加自动调焦、自动锁定跟踪目标、激光对点、数字键、免棱镜观测、DOS操作等等。但无论哪一种规格型号，其中最主要的几种指标是：测程、测角精度、测距精度、存点数量。(图5-1)为南方测绘公司的全站仪系列产品。

各种全站仪的基本操作上略有不同。但基本原理和主要功能基本相同。本章将以拓普康电子全站仪为例，介绍全站仪的有关知识。 一、 GTS—332电子全站仪的组成

GTS—332电子全站仪由电子经纬仪、光电测距仪

和微机三部分组成，主要技术指标是：单棱鏡测程3km，测角精度±2″，测距精度（±2mm+2ppm•D），野外测量最多能存8000个点，能进行数据采集、数据文件存储并通过RS—232C串行信号接口与其它计算机进行数据通讯。全站仪的各部件名称如(图5-2)。

二、基本操作方法

全站仪的安置操作（对中、整平、瞄准等）与经纬仪基本相同，所不同的是，全站仪有一操作键盘和显示屏（图5-3），通过观测和键盘的操作，会在显示屏上显示出各种数据。

1、键盘操作

各种操作键的功能见(表5-1)。按POWER键打开电源开关后，可直接进入角度测量，如按 键或

键可进行距离测量或坐标测量，若按MENU键，将进入菜单测量模式。 操作键 表5-1 键名称功 能 POWER电源电源开关

星键1．显示屏对比度 2．十字丝照明 3．背景光 4．倾斜改正 5．设置大气改正和棱镜常数 坐标测量键坐标测量模式 距离测量键距离测量模式

ANG角度测量键角度测量模式

MENU菜单键在菜单角模式和之间切换，在菜单角模式下可设应用测量与照明调节、仪器系统误差改正

ESC退出键1． 返回测量或上一层模式

2． 从正常测量直接进入数据采集模式或放样模式 3． 也可用作为正常测量模式下的记录键 ENT确认输入键在输入值末尾按此键

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F1-F4软键（功能键）对应于显示的软键功能信息

2、显示屏显示的符号(表5-2)

显示屏 表5-2 显示内容显示内容

V（V%）垂直角（坡度显示）N北向坐标（X） HR水平角（右角）E东向坐标（Y） HL水平角（左角）Z 高程（H）

HD水平距离*EDM（电子测距）正在进行 VD高差m以米为单位

SD倾斜距离f以英尺/英寸为单位

在显示屏右边的各操作键与显示屏下方的软键（功能键）配合，将组合成各种各样的功能，并在显示屏上显示出各种信息（图5-4）。

3、角度测量模式下各功能键的功能(表5-3) 角度测量模式 表5-3

页数软键显示符号功 能 1F1置零水平角置为0°00′00″ F2锁定水平角读数锁定

F3置盘通过键盘输入数字设置水平角 F4P1↓显示第2页软键功能

2F1倾斜设置倾斜改正开或关，若选择开，则显示倾斜改正值 F2复测角度重复测量模式

F3V%垂直角度百分比坡度（%）显示 F4P2↓显示第3页软键功能

3F1H-蜂鸣仪器每转动水平角90°是否要发出蜂鸣声的设置 F2R/L水平角右/左计数方向的转换

F3竖盘垂直角显示格式（高度角/天顶距）的切换 F4P3↓显示下一页（第1页）软键功能

请操作：

4、距离测量模式下各功能键的功能(表5-4) 距离测量模式 表5-4 页数软键显示符号功 能 1F1测量启动测量

F2模式设置测距模式精测/粗测/跟踪 F3S/A设置音响模式

F4P1↓显示第2页软键功能 2F1偏心偏心测量模式 F2放样放样测量模式

F3m/f/i米、英尺或英寸单位的变换 F4P2↓显示第1页软键功能

2

请操作：

5、坐标测量模式下各功能键的功能(表5-5) 坐标测量模式 表5-5 页数软键显示符号功 能 1F1测量开始测量

F2模式设置测距模式精测/精测/跟踪 F3S/A设置音响模式

F4P1↓显示第2页软键功能 2F1镜高输入棱镜高 F2仪高输入仪器高

F3测站输入测站点（仪器站）坐标 F4P2↓显示第3页软键功能 3F1偏心偏心测量模式

F3m/f/i米、英尺或英寸单位的变换 F4P3↓显示第1页软键功能

请操作：

6、星键用于各种设置(表5-6) 星键 表5-6

键显示符号功 能 F1照明显示屏背景光开关

F2倾斜设置倾斜改正，若设置为开，则显示倾斜改正值 F3定线定线点指示器开关（仅适用于有定线点指示器类型） F4S/A显示EDM回光信号强度（信号）、大气改正值（PPM）和棱镜常数值 ▲或▼黑白调节显示屏对比度（0～9级）

▲或▼亮度调节十字丝照亮度（1～9级）十字丝照明开关和显示屏背景光开关是联通的

当通过主程序运行与星键相同的功能时，则星键模式无效。 7、菜单测量

按菜单键[MENU]，仪器进入菜单模式，在此模式 下可进行数据采集、放样、存储管理、程序测量以及设置和调节工作（图5-5）： 请操作：

三、字母数字输入方法

当输入仪器高、棱镜高、测站点和后视点等有关字母与数字时，需要用键盘输入这些字符或数字。

1、利用[▲]键或[▼]键，使箭头指示要输入的条目

例如：数据采集模式输入仪器高时，可按[▲]键或[▼]键，上下移动箭头至仪器高行（图5-6），按[F1]（输入）键，箭头即变成等于（=），即可输入仪器高数值。

2、输入字符（图5-7）

①用[▲]键或 [▼]将箭头移到待输入的条目

②按[F1]（输入）键，箭头即变成等于（=）这时在底行上显示字符 ③按相应的软键，依次输入数字（或字母），最后按[ENT]确认即可。

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④若修改字符，可将箭头移动到修改的字符上并再次输入。 请操作：

四、南方带数字键的电子全站仪

近几年来，带数字键的电子全站仪开始使用，其键盘操作方法十分方便，输入数字时，就象敲电话机的号码一样。以下是几种南方测绘公司带数字键的电子全站仪： 1、南方电子全站仪NTS-350系列（图5-8） 2、南方电子全站仪NTS-550系列（图5-9） 3、南方电子全站仪NTS-660系列（图5-10） 4、NTS-660数字键的操作

NTS660操作简单，开机后直接按F1—F6各键直接进入相应的界面，根据中文提示，进行相关的测量。（图5-11） 五、进口电子全站仪简介

以下列举几个国外知名厂家的部分型号的电子全站仪，这些仪器包含许多先进的功能，如激光对中、自动调焦、跟踪测量等，供学习参考。也可以从相关网站上查询所需信息。 1、拓普康电子全站仪GTS-600系列（图5-12） 2、索佳电子全站仪SET-030R系列（图5-13） 3、徕卡电子全站仪TPS-700R系列（图5-14） 六、电子全站仪的未来发展

电子全站仪正以惊人的速度发展，集控制测量、测图、工程放样于一体，外业数据采集、数据处理和绘图相结合，操作更加方便。

南方正在研制的电子全站仪NTS-WIN（图5-15）

1.1 数字测图概念

一.数字测图概述

随着电子技术和计算机技术日新月异的发展及其在测绘领域的广泛应用，20世纪80年代产生了电子速测仪、电子数据终端，并逐步地构成了野外数据采集系统，将其与内外业机助制图系统结合，形成了一套从野外数据采集到内业制图全过程的、实现数字化和自动化的测量制图系统，人们通常称为数字化测图(简称数字测图)或机助成图。广义的数字测图主要包括：全野外数字测图(或称地面数字测图、内外一体化测图)、地图数字化成图、摄影测量和遥感数字测图。我们将主要讲解全野外数字测图技术。

二.数字测图的基本思想

传统的地形测图（白纸测图） 数字测图

数字测图的基本过程

三.数字测图必需采集的测图信息 地图图形的描述

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测量的基本工作是测定点位

数字测图时必须采集测图信息，它包括点的定位信息、连接信息和属性信息

地图图形的数据格式

栅格数据

矢量数据

四.数字测图需要解决的问题

归纳起来，数字测图所要解决的问题是：

1.使采集的图形信息和属性信息为计算机识别。

2.由计算机按照一定的要求对这些信息进行一系列的处理。

3.将经过处理的数据和文字信息转换成图形，由屏幕输出或绘图仪输出各种所需的图形。

4.按照一定的要求自动实现图形数据的应用问题。

1.2 数字测图系统

一.数字测图系统的定义

数字测图系统数字测图系统是以计算机为核心，在外连输入、输出设备硬件和软件的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、成图、处理、绘图、输出、管理的测绘系统。

二.数字测图系统的分类 按输入方法可区分为 按硬件配置可区分为

按输出成果内容可区分为

三.数字测图系统的组成及配置

数字测图系统主要由数据输入、数据处理和数据输出三部分组成。

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目前大多数数字化测图系统内容丰富，具有多种数据采集方法，具有多种功能，应用广泛。一个优秀的数字测图系统结构如下图所示。

数字测图系统所需硬件的基本配置及其联结方式如下所示

四.数字测图系统与地理信息系统的关系

地理信息系统(Geographic Informantion System 简称GIS)是在计算机软硬件支持下的与采集、存储、管理、描述及分析地球表面与空间地理分布有关的数据的空间信息系统。它已在城市规划、管理、监测、建设和决策等方面得到了广泛运用。 现阶段利用基础GIS平台建立一个应用系统，通常有以下步骤：a．周密完善的系统设计，根据实际情况，面向最终目标进行底层的工作；b．面向最终目标，利用基础GIS进行二次开发，使GIS数据得到广泛应用；c．数据的输入与更新工作。

而GIS数据的获取、更新、维护工作主要由测绘行业承担。地面数字测图就是在这种背景下发展起来的,它日益成为获取大比例尺数字地图及城市各类地理信息系统

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以及为保持其现势性所进行的空间地理信息系统数据更新的主要手段。

数字化测图主要经历了两种模式 数字测记模式

电子平板模式

GIS建立后，系统的数据要具有一定的现势性，即数据要及时反映最新现实情况。数据的更新可以采用电子平板中特有的测图功能\"掏出\"数据。测图后再利用\"掏入\"进行野外补充，从而达到测图的更新,使数据保持连续、完整和现势性。尤其是部分商用软件，如武汉中地开发的MAPSUV，不仅按照GIS要求使测图与GIS的层次对应，而且采用公共数据变换格式，并开发研制了GIS前端软件，即将原始数据按GIS的概念进行处理，使测图系统同GIS方便接轨。其示意如下：野外数字测图→数字测图系统→GIS前端软件→GIS。

虽然数字化测图数据采集与GIS数据要求有一定的差距，但是随着科技的发展和测绘工作者的努力,数字化测图必将同GIS一道取得更大成功。

1.3 数字测图的优点

大比例尺数字测图有力地冲击着传统的平板仪或经纬仪的白纸测图方法，大有取代白纸测图之势，这是因为数字测图具有诸多的优点。 点位精度高

便于成果更新

避免因图纸伸缩带来的各种误差

能以各种形式输出成果

成果的深加工利用

作为GIS的重要信息源

1.4 数字测图的基本过程

不论是测绘地形图，还是制作种类繁多的专题图、行业管理用图，只要是测绘数字图，都必须包括数据采集、数据处理和图形输出三个基本阶段。

一.数据采集

数据采集主要有以下几种方法：

1．GPS法，即通过GPS接收机采集野外碎部点的信息数据；

2．航测法，即通过航空摄影测量和遥感手段采集地形点的信息数据； 3．数字化仪法，即通过数字化仪在已有地图上采集信息数据；

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4. 大地测量仪器法，即通过全站仪、测距仪、经纬仪等大地测量仪器实现碎部点野外数据采集。

目前我国主要采用数字化仪法、航测法和大地测量仪器法采集数据。前两者主要是室内作业采集数据，大地测量仪器法是野外采集数据。 野外数据采集

原图数字化采集

航片数据采集

二.数据处理

数据处理阶段是指在数据采集以后到图形输出之前对图形数据的各种处理。数据

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处理主要包括数据传输、数据预处理、数据转换、数据计算、图形生成、图形编辑与整饰、图形信息的管理与应用等。经过数据处理后，可产生平面图形数据文件和数字地面模型文件。

数据处理是数字测图的关键阶段。在数据处理时，既有对图形数据进行交互处理，也有批处理。数字测图系统的优劣取决于数据处理的功能。

三.成果输出

输出图形是数字测图的主要目的，通过对层的控制，可以编制和输出各种专题地图（包括平面图、地籍图、地形图、管网图、带状图、规划图等），以满足不同用户的需要。

1.5 数字测图作业模式

由于软件设计的思路不同，使用的设备不同，数字测图有不同的作业模式（如下图），但可区分为数字测记模式和电子平板测绘模式。

一、主要作业模式

如上图，主要有七种作业模式，描述如下： 第一种作业模式

第二种作业模式

第三种作业模式

第四种作业模式

第五种作业模式

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第六种作业模式

第七种作业模式

二、我国数字测图主要作业模式 1．全站仪+电子手簿测图模式

2．普通经纬仪+电子手簿测图模式

3．平板仪测图+数字化仪数字化测图模式 4．旧图数字化成图模式 5．测站电子平板测图模式 6．镜站遥控电子平板测图模式 7．航测像片量测成图模式

1.6 数字测图的发展与展望

一、数字测图的发展 数字测图发展概述

我国大比例尺数字化测图系统的发展历程

二、数字测图的展望

目前要在我国全面实现数字测图还有许多困难，主要问题是资金问题、人才问题和观念问题，而不是技术问题。进口仪器(全站仪和自动绘图仪等)价格昂贵，使测绘成本提高。我国测绘技术人员对传统测绘技术掌握较好，但由于缺少进修机会，很多测绘技术人员对数字测图技术很陌生，数字测图产品的使用与管理更缺乏人才。另外在推广数字化测图过程中，一定要更新观念，应充分认识数字化测图的优点。数字测图必须突破\"图\"的概念，而突出\"数\"的概念，测量数据一定要全息保存。测量数据应全社会共享。

今后数字化测图软件的发展方向应该是一种无点号、无编码的镜站电子平板测图系统。测站上的仪器照准镜站反光镜后，自动将经处理的以三维坐标形式的数据，用无线电传输入电子平板，并展点和注记高程。这种自动化测图系统，走出了当今困扰我们的编码困难和编码机内处理麻烦的圈子，可能成为今后数字化测图的主要系统。今后数字化测图软件的界面一定很友好，操作很简单，一学就会。

第二章 数字测图系统硬件

一、目的和要求

了解全站仪的测量原理，熟练使用全站仪。

二、重点和难点

① 全站仪的测量原理 ② 全站仪的使用

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三、内容提要

① 电子计算机简介

② 全站仪的结构及其测量原理 ③ 全站仪的使用 ④ 电子速测仪的检校 ⑤ 电子手簿

⑥ 数字化仪、扫描仪、数控绘图仪和数据通信

四 、学习方法介绍

该章需要结合教学实践学习。对于全站仪的测量原理，可以参考其它更专业的书籍，获取更深入的了解。

2.1 电子计算机简介

计算机硬件

计算机硬件是指那些以物理形式存在的计算机和有关物理设备，包括处理器（亦称微处理器，CPU）、内存储器、输入设备、输出设备、总线等几部分。

计算机软件

计算机软件是共用程序的集合以及一个系统有关的计算机化的文件资料的总称。计算机软件是计算机硬件和使用者之间的接口。硬件在软件管理下才能正常工作，才能最有效地利用硬件全部的处理能力，也就是说软件的质量影响着计算机系统的总体性能。就其功能和服务对象而言，软件可划分为两大类：系统软件和应用软件。 系统软件 应用软件

自动制图对计算机的要求

计算机是整个机助制图（包括成图与编图）过程中不可缺少的设备。自动制图对计算机提出了较高的多方面的要求。 数字计算 数据处理

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数据库管理 设备控制

2.2 全站仪的结构及其测量原理

全站仪的发展

游标经纬仪 20年代，游标盘 光学经纬仪

40年代,光电测距、激光测距仪 红外测距仪 70年代

电子经纬仪+测距仪=电子速测仪器 目标：自动化

全站型电子速测仪=全站仪 电子经纬仪+测距仪+电子记录

测量、显示、记录水平角、竖直角、水平距离、斜距、高差、高程、坐标

全站仪的概念

全站仪，即全站型电子速测仪（Electronic Total Station）。为了能准确地定义全站仪，我们首先介绍一下有关概念。

在传统的测量中，人们已经提到了“速测法”，它是指一种从仪器站同时测定某一点的平面位置和高程的方法。有时，这种方法也称作“速测术”（Tachymetry），而速测仪（Tachy-meter）就是根据速测法原理而设计的测量仪器。最初速测仪的距离测量是通过光学方法来实现的，我们称这种速测仪为“光学速测仪”。实际上，“光学速测仪”就是指带有视距丝的经纬仪，被测点的平面位置由方向测量及光学视距来确定，而高程则是用三角测量方法来确定的。带有“视距丝”的光学速测仪，由于其快速、简易，而在短距离(110米以内）、低精度（1/200(1/500)的测量中，如碎部点测定中，有其优势，得到了广泛的应用。

随着电子测距技术的出现，大大地推动了速测仪的发展。用电磁波测距仪代替光学视距经纬仪，使得测程更大、测量时间更短、精度更高。人们将距离由电磁波测距仪测定的速测仪笼统地称之为“电子速测仪”（Electronic Tachymeter）。然而，随着电子测角技术的出现。这一“电子速测仪”的概念又相应地发生了变化，根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪。半站型电子速测仪是指用光学方法测角的电子速测仪，也有称之为“测距经纬仪”。这种速测仪出现较早，并且进行了不断的改进，可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪，对斜距进行化算，最后得出平距、高差、方向角和坐标差，这些结果都可自动地传输到外部存储器中。 全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，所以人们也通常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪。

2.2.1 全站仪的基本组成

全站型电子速测仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储系统等组成，

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它本身就是一个带有特殊功能的计算机控制系统。从总体上看，全站仪由下列两大部分组成：

1)为采集数据而设置的专用设备：主要有电子测角系统、电子测距系统、数据存储系统，还有自动补偿设备等。

2)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。过程控制机包括与测量数据相联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测量过程。

八十年代末、九十年代初，人们根据电子测角系统和电子测距系统的发展不平衡，将全站仪分成两大类，即积木式和整体式。

积木式（Modular），也称组合式，它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（Integrated），也称集成式，它是指电子经纬仪和测距仪做成一个整体，无法分离。

九十年代以来，基本上都发展为整体式全站仪。随着计算机技术的不断发展与应用以及用户的特殊要求与其它工业技术的应用，全站仪出现了一个新的发展时期，出现了带内存、防水型、防爆型、电脑型等等的全站仪，使得全站仪这一最常规的测量仪器越来越满足各项测绘工作的需求，发挥更大的作用。

积木式

整合式

2.2.2 光电测距仪原理

光电测距仪的种类比较多。按其测程大小，可分为短程(3km以内)、中程(3-15km)和远程(大于15k)三种；如按载波来分，采用可见光或红外光作为载波的称为光电测距，采用微波段的无线电波作为载波的称为微波测距。光电测距仪中利用氦氖(He-Ne)气体激光器，其波长为0.6328µm的红色可见光的就是激光测距仪。它的测程长，精度也高。光电测距仪中使用的载波在电磁波红外线波段，波长一般为0.86～0.94mm的称红外测距仪。由于红外测距仪是以砷化镓(GaAS)发光二极管为载波源，发出红外线的

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强度随注人的电信号的强度而变化，因此这种发光管兼有载波源和调制器的双重功能。又由于电子线路的集成化，仪器可以做得很小，与测角设备和计算机结合，自动化程度较高。按其所用光源分，一般有 红外测距仪和激光测距仪两种；按其精度的高低，又可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，如下表。

光电测距仪精度分类表

等级 Ⅰ级 精度 |mD| ≤5mm 表达式 mD=±(a+bD) Ⅱ5mm<|mD|≤10mm 为测距中误差；a为固定误差（加常数），b为比例误差（乘级 常数）（ppm） Ⅲ10mm<|mD|≤20mm 级 1、光电测距仪的基本工作原理 光电测距仪是通过测量光波在待测距离上往、返一次所经过的时间t，间接地确定两点间距离D的一种仪器。如图2-2-21，测定两点间的距离时，在A点安置光电测距仪，在B安置反光棱镜，仪器发出的光束由A到达B，经反光棱镜反射后又返回到仪器一设光速。为已知，如果再知道光束在待测距离刀上往、返传播的时间f，则距离D就可由下式求得:

D=t2d²c/2 2.2.21

2-2-21

2、相位式光电测距仪

相位式光电测距仪就是通过测量调制光在测线上往返传播所产生的相位移，间接地测定时间t2d按式(2.2.21)求出距离D。

由光源经调制器后射出的光强随高频信号调制后，经反射镜反射后被接收器所接收，然后由相位计将发射信号(又称参考信号)与接收信号(又称测距信号)进行相位比较，并由显示器显示出调制光在被测距离上往返传播所引起的相位移φ。如果将调制波的往返测程摊平，则有如图2-2-22所示的波形。

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2-2-22

3、仪器的构造

测距仪的型号很多，但其构造及使用方法基本类似。以威特DI5为，它是一种相位式红外测距仪。在一般气象条件下，一块反射棱镜的测程为2.5km，3块棱镜达3.5km，7块棱镜可达4.5km，11块棱镜可达5km。最大测程可达7km。测距精度为3mm+2ppm。利用接合器可将T)巧的照准头安置茌该厂生产的T1、T2或T2000一等型号的经纬仪上，仪器采用砷化镓(GaAS)半导体 极管的红外荧光(波长为0.885μm、)作为光源。调制频率为f1=4.870255MHz，相应的精测尺长度为30.7692m，f2=74.927kHz，相应粗测尺长为2000m，其主要由照准头、控制器、反光镜等组成。 照准头 控制器 反射镜

4、测量距离的步骤

将测距仪和反射镜分别安置于测线两端点。反射棱镜面与入射光线方向大致垂直，照准反射镜，检查经反射镜反回的光强信号，合乎要求后即可开始测距。为避免错误和减少照准误差的影响，重新照准反射镜。每次可读取若干次读数，称为一测回。根据不同精度的要求规定测回数。最好在不同的时间段进行往返测量(精度要求不高也可单向测量)。同时应由温度计和气压计读取大气温度和气压值。所有观测结果均记入相应的记录手簿中。

2.2.3 电子测角原理

光电度盘一般分为两大类：一类是由一组排列在圆形玻璃上具有相邻的透明区域或不透明区的同心圆上刻得编码所形成编码度盘进行测角；另一类是在度盘表面上一个圆环内刻有许多均匀分布的透明和不透明等宽度间隔的辐射状栅线的光栅度盘进行测角。也有将上述二者结合起来，采用“编码与光栅相结合”的度盘进行测角。

1、编码度盘测角原理

在玻璃圆盘上刻划几个同心圆带，每一个环带表示一位二进制编码，称为码道(如下图所示）。如果再将全圆划成若干扇区，则每个扇形区有几个梯形，如果每个梯形分别以“亮”和“黑”表示“0”和“1”的信号，则该扇形可用几个二进数表示其角值。例如，用四位二进制表示角值，则全圆只能刻成24＝16个扇形，则度盘刻划值为360o/16=22.5o，如图所示，这显然是没有什么实际意义的。如果最小值为20”，则需刻成(360³60³60)/20=800个扇形区，而800≈216个码道。因为度盘直径有限，码道愈多，靠近度盘中心的扇形间隔愈小，又缺乏使用意义，故一般将度盘刻成适当的码道，再利用测微装置来达到细分角值的目的。

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2、增量式光栅度盘测角原理

均匀地刻有许多一定间隔细线的直尺或圆盘称为光栅尺或光栅盘。刻在直尺上用于直线测量的为直线光栅（如图 2-2-31(a) ），刻在圆盘上的等角距的光栅称为径向光栅（如图 2-2-31 (b) ）。设光栅的栅线（不透光区）宽度为 a ，缝隙宽度为 b ，栅距 d ＝ a ＋ b ，通常 a ＝ b ，它们都对应一角度值。在光栅度盘的上下对应位置上装上光源、计数器等，使其随照准部相对于光栅度盘转动，可由计数器累计所转动的栅距数，从而求得所转动的角度值。因为光栅度盘上没有绝对度数，只是累计移动光栅的条数计数，故称为增量式光栅度盘，其读数系统为增量式读数系统。

2-2-31(a)

增量式光栅度盘测角原理

2-2-31(b)

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增量式光栅度盘测角原理

3、动态光栅度盘测角原理

动态光栅度盘测角原理如图2-2-33所示。度盘光栅可以旋转，另有两个与度盘光栅交角为β的指标光栅S和R，S为固定光栅，位于度盘外侧；R为可动光栅，位于度盘内侧。同时，度盘上还有两个标志点a和b，S只接收a的信号，R只接收b的信号，测角时，S代表任一原方向，R随着照准部旋转，当照准目标后，R位置已定，此时启动测角系统，使度盘在马达的带动下，始终以一定的速度逆时针旋转，b点先通过R，开始计数。接着a通过S，计数停止，此时计下了RS之间的栅距（φ0）的整倍n和不是一个分划的小数Δφ0，则水平角为β=nφ0+Δφ0。事实上，每个栅格为一脉冲信号，由R、S的粗测功能可计数得n；利用R、S的精测功能可测得不足一个分划的相位差Δφ0，其精度取决于将φ0划分成多少相位差脉冲。

动态光栅度盘测角原理

动态测角除具有前两种测角方式的优点外，最大的特点在于消除了度盘刻划误差等，因此在高精度（0.5\"级）的仪器上采用。但动态测角需要马达带动度盘，因此在结构上比较复杂，耗电量也大一些。

2.3 全站仪的使用

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在这一节里，我们只是概述拓普康GTS-211D全站仪和SET系列电子速测仪的使用。具体可以参看具体仪器的使用说明书。

2.3.1 仪器简介

拓普康GTS－211D电子全站仪外形 参考下图

GTS－2100系列全站仪只有10个按键，如图2-3-11所示，其名称与功能见下表。

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（5-3-2）

键 ANG 名称 坐标测量键 距离测量键 角度测量键 功能 坐标测量模式 距离测量模式 角度测量模式 在菜单模式和正常测量模式之间切换，在菜单模式下设置应用测量与调节方式 返回测量模式或上一层模式 从正常测量模式直接进入数据采集模式或放样模式 电源开关 对应于显示的软键信息 MENU 菜单 ESC 退出键 POWER F1-F4 电源键 软键（功能键）

SET系列全站仪简介

SET系列是日本索佳出产的一种把红外测距仪和电子经纬仪一体化的全站型电子速测仪系列产品，有 SET2，SET3， SET4， SET2C， SET2B等品种，其外型和功能基本相同，只是测角精度有 2”，3”，5”之分；测距精度有3mm＋2 x 10－6D、5mm＋3x10－6 D和5mm＋5x10－6D之别。仪器在正反两侧均分别安置上、下两段式液晶显示器和功能键盘，既能即时显示水平距离、高差、角度等测定数据，又能进行正、倒镜观测。由于其望远镜照准轴与测距光轴是同轴的，一次照准便可同时完成角度和距离测量，使操作十分方便。内藏的垂直度盘补偿器能敏锐地检测出主机的微小倾斜并自动给予修正；棱镜常数改正、两差和改正测距单位等均可由内部开关进行选定；有自动断电装置和自检校装置。仪器测量的距离、角度及数据能通过RS－232C标准接口被电子外业手簿SDR系列自动记录和处理。 1、仪器部件和名称

SET2C电子速测仪的各部件及其名称见下图

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2、键盘功能

键盘上共有15个键，大都是双功能键，如下图所示。

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3、工作模式与符号说明

SET2C速测仪有多种工作模式，可通过键盘操作设置。SET2C速测仪操作过程用缩写英文字符提示，各符号的意义如下：

表1 副显示窗

表2 主显示窗

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2.3.2 仪器使用

一、全站仪数据采集步骤

1、测量前的准备（SET 2C） 2、数据采集准备(托普康211D)

3、数据采集操作步骤(托普康211D) 二、角度测量

地面点的相对位置，在传统的地面测量中都是通过测量点与点之间的方位（角度）、距离和高差，根据几何图形来确定，因此地面测量的几何要素就是方位、距离和高差。 在角度开始测量前务必做三项检查： ①SET C应准确地安置在测站点上； ②垂直和水平度盘指标已设置好； ③仪器参数已设置完成。 角度测量：

①测量两方向间的水平角

②将水平角设置为所要求的角度 ③水平角复测 三、距离测量

测量距离的方法主要有两种：钢尺丈量和光波测量仪测量（全站仪测量距离的原理与此相同）。具体使用那种方法主要看现场的情况，因为现在绝大多数的测量单位都已经装备了全站仪，所以钢尺丈量就比较少用了。 四、坐标测量

地面点的高程都是相对于某一起算点的垂直距离。为了统一高程系统，必须有一个统一的高程基准面和高程起算点。从实用出发，通常是采用平均海水面为基准。各个国家都在适当的港湾海面设立验潮站，长期观测和记录海水的升降，从而得到海水面的平均位置作为高程的起算位置，地面点的海拔高程就是由此而来。

地球表面上任何一点都受到重力的作用，作用力的方向就是垂线方向。由重力位（势）相同的点所形成的面，称为重力等位面或称为水准面。等位面上任何点的垂线都与等位面正交。在地球表面上，任何点都在一定的等位面上。在小范围内，可以忽略相邻等位面的不平行性，所要测的高差就是两点等位面之间的间距。由已知高程的点通过测量得到被观测点的高程的测量通常称为水准测量，使用的仪器是水准仪和水准标尺，现在由于全站仪的使用，在地形测量中，可以同时得到一个点的大地坐标和高程值（或者是水平角、天顶距和距离），所以水准仪使用的比较少。

2.4 电子速测仪的检校

光电测距仪与其它测量仪器一样，根据规范规定需对其进行定期检验。检验的项

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目除一般测距性能的检验(包括测尺频率误差的检验、幅相误差的检验、照准误差的检验、三轴一致性的检验、反光镜误差的检验)外，更重要的是检验仪器的常数误差与周期误差，以对观测结果进行正确的改正。 一、一般测距性能的检验 (一)测尺频率误差的检验

测尺频率误差是由于元件老化，仪器受震动或其它原因，使测尺频率发生漂移而产生的测距误差。测尺频率误差应委托计量单位进行检验。 (二)幅相误差的检验

幅相误差是由于接收信号强弱不同而引起的测距误差。其检验方法是：

在良好的气候条件下，选一段长100米左右的距离，分别在两端安置仪器与反光镜，用电照难方法瞄准反光镜，调节光强旋钮，改变光强指示器指针位置，分别在测距信号指示器的绿区上、下边缘和中间位置测距，其差值即为幅相误差。 (三)照准误差的检验

照准误差也叫光相误差，是由于砷化镓发光二极管发射的光束，其各部分的相位不均匀，形成不等相光束而引起的测距误差。

检验方法：(1)在良好的气候条件下，选一段长50—100米的距离，分别在两端架设仪器和反光镜。(2)首先照准反光镜中心测距，读取一组数，然后光强旋钮不动，分别向照准反光镜的上、下、左、右移动，每移动30\"或1￠的位置测距一次，读数，并记录光强指示器指针的格值与水平角和垂直角，将不同的读数与反光镜中心的读数进行比较，其差值即为光相误差，也可绘制等相位曲线图。 (四)三轴一致性的检验

三轴是指测距仪光束发射光轴、接收光轴及经纬仪望远镜视准轴。当测距仪与经纬仪同轴时，该项检验是指子轴—致性的检验，当测距仪与经纬仪异轴时，是指三轴平行性的检验。

检验方法：在离测距仪100处安置反光镜，用望远镜十字丝中心照准反光镜中心(即光照准)，启动测距仪开关，信号表指示信号的强度。这时应以光电照准的方法寻找最大的信号指示。如果信号表指示与“光学照准”时没有明显变化，则说明三轴平行性正确。如果有明显增大，则说叫光束发射光轴、接收光轴与望远镜视准轴之间不平行。

(五)反光镜误差的检验

反光镜误差是由于棱镜的入射面和反射面不标准所引起。检验方法为：在良好的气候条件下，距离测距仪约300米处设置反光镜，在相同的条件下，测记每块和每组棱镜光强信号指针位置(光强旋钮位置应保持不变)和距离，从而判定反光镜的误差。 二、仪器常数误差的检验 三、周期误差的检验

由仪器内部电信号串扰为主引起的测距误差称为周期误差，它依一定的距离呈周期重复出现。周期误差的检验方法可参考有关光电测距方面的书籍，这里不再详述。

2.4.1 仪器常数误差的检验

对于相位式光电测距仪，顾及大气中的光速c=c0/n及仪器加常数k，测距的基本公式为：

为了求出它们对测距成果的影响，可对上式求全微分

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根据误差传播定律，顾及λ=c0/nf，可得测距中误差为：

由上式可知，测距误差可分为两部分：一部分是由频率中误差每mf,真空中光速值的中误差mc0和大气折射中误差mn引起的测距中议差，它与被测距离D成正比，一般称为比例误差；—部分是由测相中误差mφ和仪器加常数的中误差mk引起的测距中误差，它与距离无关，一般称为固定误差。上式可以缩写成为

mD2=A'2+B'2D2

也可以写成如下的经验公式

mD=±(A+B²D)

式中A为固定误差，B为比例误差。

工厂中标出的仪器精度称仪器的标称精度，如±(5mm+5′10-6D)，或者±(5mm+5′ppm³D)。对于精密测距而言，测距的必须精确求得固定误差与比例误误差，以对距离进行仪器常数的改正。

六段比较法是测定测距仪加、乘常数的常用方法，可在基线场进行。或预先精确测定某一测线长度，用被检验的测距仪测得的距离与基线长度比较，从而求很仪器的测距仪改正值。

加常数的测定

观测方法：在基线场精确测定在同一直线L的六段长度，如下图，按全组合法组成21段距离作为真值S1，用测距仪测量上述21段距离得S1'，计算差值：

Δi=Si-Si'

Si'为观测值，k为乘常数，c为加常数，v为改正数，则误差方程式为:

，d为自定义常数，li=Si-Si，写成矩阵的形式为:

'

，根据最小二乘原则，即可求得

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对其精度进行评定。

2.5 电子手簿

数字测图系统中，用于野外测量数据的采集与存储的设备习惯上称为电子手簿。目前，电子手簿主要有3种类型:仪器内藏的可置换的存储模块(或插入卡)、仪器的专用电子记录器(电子手簿)、以袖珍机或便携机为依托的电子手簿。目前我国使用最多的是以通用的袖珍机(如PC一l50O、PC一E5O0等)和掌上电脑为载体，由测绘人员自行开发编制的电子手簿。这类电子手簿价格低廉，功能齐全，使用方便。

目前电子手簿记录的定位信息，很少直接记录原始的观测数据(水平角、竖角、距离、觇高等)，通常利用电子手簿的解算功能，将观测数据转换为三维坐标(X，y，H汇以固定格式进行记录，供内业数据处理使用。目前的电子手簿通常具有丰富的扩展功能，可接收并处理多种测量方法得到的数据，可进行测量平差汁算，面积土方量算，计算放样数据，还可控制绘图仪展点及绘制草图。 5.展示 6.打印

7.绘图 8.其他

NFSB-一级菜单如下:

1.准备 2.控制

3.测 4.量

选择键入相应的数字，进大二级菜单。

选择1，手簿做一些准备工作，即输入已知数据(X，Y，H)及其编码，输入西南角坐标，对各键定义功能，调阅演示数据和图形数据等。 选择2，可进行控制测量记录。其二级菜单如下:

1.导线 5.后交

控

3.前交 制

4.方向线

交

2.边长交

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再按相应的数字键，进行某种图根控制测量。随后按照提示操作，输入已知点点号及有关测量信息，计算测定点坐标，并自动记人电子手簿。 选择3，进入碎部点测量，其二级菜单如下:

1.视距 2.丈距 3.方向线交

5.用3030

8.全站仪

6.集中测„α 9.速测仪 7.集中测„D

4.测距极坐标法

这里每一次都要利用经纬仪(光学或电子的)获得观测值，故简称测。按相应的数字键，调用某一碎部点测量功能，随后按照提示操作。如选择l进人使用光学经纬仪按视距极坐标法测点。首先提示输入测站点号、定向点号、定向点起始值、检查点点号、仪器高、觇镜高(照准高j和地物代码等基础数据。然后按提示输入水平角确4距、天顶距，随后待测点坐标被计算出来并作3秒钟显示，并存人手簿记录下来。本点工作结束后，手簿仍处于视距极坐标法功能状态，点号自动加l，迸人下一待测点，从觇镜高提示输入。若输入内容不变，可直接按回车键。如欲使用其它功能项，可用BREAK健中断。

当测定了一批碎部点后，有些必要的点可用勘长或计算的方法求得其坐标。 选择4，迸人碎部点量算。其二级菜单如下:

1.直角坐标法 2.连续折线法

5.边长与直线交会 变形边长交会

8.求对称点坐标 9.高程内插

3.依线等距定点法 6.求直线交会

4.求点到直线的垂足 7.求两直线移动后交点

通过菜单选择进人某一量算方法，冉按提示输入起算点号、勘丈距离、计算信息、编码等，即可计算出量算点坐标并记录下来。

2.6 数字化仪、扫描仪、数控绘图仪和数据通信

一、数字化仪 1、定义

从图纸上获取数据的过程称为图数转换或模数转换，也称数字化（如下图所示）。实现这种转换的仪器称为数字化仪。

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2、分类

①按自动化程度：手扶跟踪式、半自动跟踪式和自动扫描式数字化仪 ②按数据格式：矢量式和栅格式数字化仪

③按数字化台面形状：平台式和滚筒式数字化仪 二、扫描仪（如下图所示）

1、扫描类型

Lineart(二值)：线划图 Grayscale(灰度)：彩色图 2、数据格式

Lineart(二值)：Tiff,BMP等

Grayscale(灰度)：Tiff及JPEG等 3、分辨率

一般扫描线划图选用分辨率大于等于400dpi的，扫描图象则选用分辨率大于等于300dpi的。 三、数控绘图仪 1、概述 数控绘图仪（如下图所示）是机助成图系统常用的图形输出设备。数控绘图仪（亦

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称自动绘图仪，简称绘图仪）的基本功能是将计算机绘制的数字地图实现数－图的转换。数控绘图仪近年来发展异常迅速，它已成为一种重要的工具。它不仅在测绘行业，而且在飞机、造船、建筑等各工业部门以及气象、地理等各专用部门都有广泛应用。

2、分类

①按外形：滚筒式绘图仪和平台式（平板式）绘图仪；

②按驱动方式：步进电机绘图仪、伺服电机绘图仪和平面电机绘图仪； ③按绘图效果：笔式、光学式、静电式、喷墨式等；

④按绘图方式：矢量式绘图仪、栅格式绘图仪、打印机绘图仪等。 3、性能指标 ①精度

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②速度和加速度 ③分辨率 ④幅面

四、数据通信

2.6.1 数据通信

野外数字测图时，如果采用数字测记式测图模式，则必然涉及到两个问题：一个是将全站仪采集的数据自动记录在电子手簿中，另一个是将电子手簿中存储的数据向计算机传输。如果用电子平板测图模式，则涉及到全站仪和便携机之间数据的相互传输问题，和计算机与计算机之间的数据传输问题。这就是数据通信技术问题。 一、数据通信方式 ①单工方式

在单工方式下，只允许在规定的方向上传输数据，而不允许向相反方向传输数据。

②半双工方式

通信双方中，每一方都具备发送和接收功能，但当一方是发送单元时，另一方必须是接收单元。

③全双工方式 在全双工方式下，任何时刻都允许在两个方向上传输数据。即发送数据单元在发送数据的同时也可以接收，而接收单元在接收的同时也可以发送数据。

数据通信中，数据信号难免会遇到各种干扰。因此，发送单元发出的信息到了接收

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单元可能就会出现差错，尽管其出现差错的可能性很小，但一旦出现差错，所产生的影响则可能是巨大的。这就需要检测这种差错。 二、校验位 校验位，又称奇偶校验位，是指数据传输时接在每个7位二进制数据信息后面发送的第八位，它是一种检查传输数据正确与否的方法。即将1个二进制数（校验位）加到发送的二进制信息串后，让所有二进制数（包括校验位）的总和总保持是奇数或是偶数，以便在接收单元检核传输的数据是否有误。

校验位通常有五种校验方式：无校验、偶校验、奇校验、标记校验、空号校验。 ①无校验 ②偶校验 ③奇校验 ④标记校验 ⑤空号校验

三、数据信息的传输方式

数据传输有串行传输和并行传输两种方式。他们的概念与队列行进的一路纵队和几路纵队是类似的。 1、串行传输

2、并行传输

3、串行与并行传输的比较 4、同步传输与异步传输

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5、有无应答的数据传输 四、数据传输速度

数据传输速度（也叫波特率）的快慢，用位/秒（b/s）表示，即每秒钟传输数据的位数。

例：如果数据传送的速率为120个字符/s，而每个字符又包含10位（起始位1位，数据位7位，校验位1位，停止位1位），则波特率为1200(b/s)。 五、全站仪通信参数设置

以下设置参数中根据实际情况有些可以不予设置。 ①确认全站仪数据是存放到内存中还是传输到外设，如果是传输到外设，就需设置打开RS-232C串口。

②设置全站仪测量方式，一般为“水平角、天顶距、斜距”测量方式。 ③设置全站仪边长观测方式，一般在“精测、粗测、跟踪”中选择“精测” 或“跟踪”模式。

④设置全站仪测量边长的观测次数，一般为1次。

⑤设置全站仪通信参数的波特率：有1200，2400，4800，„„等。 ⑥设置通信参数的校验方式：有N(无)，O(奇)，E(偶)等。

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