第 1 章 全站仪概述1.1 全站仪的基本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带有“视距丝”的光学速测仪，由于其快速、简易，而在短距离（ 100 m 以内）、低精度（ 1∶ 200～1∶ 500）的测量中（如碎部点测定中）有其优势，并得到了广泛的应用电子测距技术的出现，大大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，也称之为“测距经纬仪” 这种速测仪出现较早，并且被不断改进，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，是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全站仪，即全站型电子测距仪（ 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与光学仪器相比，电子仪器将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生目前，全站仪广泛应用于各类工程项目的勘测、施工和变形监测等工作中，是测量工作的主要仪器全站仪与光学经纬仪的区别在于度盘读数及显示系统，电子经纬仪的水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用编码盘或两﹌001个相同的光栅度盘和读数传感器进行角度测量的。
根据测角精度可分为 0.5″，1″，2″，3″，5″，7″等几个等级全站仪的测角系统与传统光学经纬仪测角系统相比较，主要有两个方面的不同：（1）传统的光学度盘被绝对编码度盘或光电增量编码器所代替，用电子细分系统代替了传统的光学测微器2）由传统的观测者判读观测值及手工记录变为观测者直接读数并自动记录全站仪的测距系统与一般测距仪基本一致，只是体积更小，通常采用半导体砷化镓发光二极管作为光源不同厂家生产的不同类型及系列的全站仪，其最大测程和距离测量误差均有较大变化全站仪的记录系统又称为电子数据记录器，它是一种存储测量资料的具有特定软件的硬件设备数据记录器也有许多类型，但基本功能都一样，起着全站仪与电子计算机之间的桥梁作用它使野外记录工作实现了自动化，减少了记录计算的差错，大大提高了野外作业的效率全站仪记录系统主要有三种形式：接口式、磁卡式和内存式全站仪由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储系统等组成，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连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1.1.1 全站仪的分类20 世纪 80 年代末、 90 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，即积木式和整体式全站仪采用了光电扫描测角系统，其类型主要有编码盘测角系统、光栅盘测角系统及动态（光栅盘）测角系统等三种全站仪按其外观结构可分为两类：（1）积木型（ Modular ，又称组合型，图 1.1）早期的全站仪，大都是积木型结构，即电子速图 1.1 组合式全站仪测仪、电子经纬仪、电子记录器各是一个整体，可以分离使用，也可以通过电缆或接口把它们组合起来，形成完整的全站仪可测出002 ﹌平面距离、高差、方位角和坐标差，这些结果可自动地传输到外部存储器中其优点是能通过不同的构件进行多样组合，当个别构件损坏时，可以用其他构件代替，具有很强的灵活性早 期的全站仪都采用这种结构代表产品有日本索佳生产的REDmimi 短程测距仪加 DT2 、DT4 或 DT5 电子经纬仪等2）整体型（ Integral ，图 1.2）。
随着电子测距仪进一步的轻巧化，现代的全站仪大都把测距、测角和记录单元在光学、机械等方面设计成一个不可分割的整体，其中测距仪的发射轴、接收轴和望远镜的视准轴为同轴结构，这对保证较大垂直角条件下的距离测量精度非常有利它具备全站仪电子测角、电子测距和数据自动记录等基本功能，最显著的特征是能存储数据有的还可以运行厂家或用户自主开发的机载测量程序（如偏心测量、对边测量、悬高测量等） 代表产品有徕卡 TC 系列、拓普康 GTS-300 系列、南方 NTS-312 等图 1.2 整体式全站仪全站仪按测量功能分类，可分成四类：（1）经典型全站仪（ Classical totalstation ）经典型全站仪也称为常规全站仪，具备全站仪电子测角、电子测距和数据自动记录等基本功能，有的还可以运行厂家或用户自主开发的机载测量程序其经典代表为徕卡公司的 TC 系列全站仪2）机动型全站仪（ Motorized totalstation ）在经典全站仪的基础上安装轴系步进电机，可自动驱动全站仪照准部和望远镜的旋转在计算机的控制下，机动型系列全站仪可按计算机给定的方向值自动照准目标，并可实现自动正、倒镜测量徕卡 TCM 系列全站仪就是典型的机动型全﹌ 003站仪。
3）无合作目标型全站仪（ Reflector lesstotalstation ）无合作目标型全站仪是指在无反射棱镜的条件下，可对一般的目标直接测距的全站仪因此，对不便安置反射棱镜的目标进行测量，无合作目标型全站仪具有明显优势如徕卡 TCR 系列全站仪，无合作目标距离测程可达 1 000 m ，可广泛用于地籍测量、房产测量和施工测量等4）智能型全站仪 （Robotic totalstation ）在自动化全站仪的基础上，仪器安装自动目标识别与照准的新功能，因此在自动化的进程中，全站仪进一步克服了需要人工照准目标的重大缺陷， 实现了全站仪的智能化在相关软件的控制下，智能型全站仪在无人干预的条件下可自动完成多个目标的识别、照准与测量 因此， 智能型全站仪又称为 “测量机器人” ，典型的代表有徕卡的 TS60 型全站仪等（图 1.3）全站仪按测距仪测程分类，还可以分为三类：图 1.3 徕卡 TS60 智能全站仪（1）短距离测距全站仪测程小于 3 km，一般精度为 ±（5 mm+5 ppm ）（1 ppm=10 6），主要用于普通测量和城市测量2）中测程全站仪测程为 3～15 km ，一般精度为 ±（5 mm+2 ppm ），±（2 mm+2 ppm ），通常用于一般等级的控制测量。
3）长测程全站仪测程大于 15 km ，一般精度为 ±（5 mm+1 ppm ），通常用于国家三角网及特级导线的测量20 世纪 90 年代以来， 全站仪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他工业技术的应用，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1.1.2 全站仪的结构全站仪几乎可以用在所有的测量领域电子全站仪由电源部分、测角系统、测004 ﹌距系统、数据处理部分、通信接口及显示屏、键盘等组成（图 1.4）同电子经纬仪、光学经纬仪相比，全站仪增加了许多特殊部件，因此全站仪具有比其他测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便这些特殊部件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点图 1.4 全站仪结构原理1. 同轴望远镜全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴同轴化同轴化的基本原理是：在望远物镜与调焦透镜间设置分光棱镜系统，通过该系统实现望远镜的多功能，可瞄准目标，使之成像于十字丝分划板，进行角度测量，同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的光敏二极管发射的调制红外光在经物镜射向反光棱镜后，经同一路径反射回来，再经分光棱镜作用使回光被光电二极管接收；为测距需要，在仪器内部另设一内光路系统，通过分光棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发射的调制红外光也传送给光电二极管接收，进而由内、外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间，计算实测距离。
同轴性使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部基本测量要素的测定功能，加之全站仪强大、便捷的数据处理功能，使全站仪使用极其方便2. 双轴自动补偿器作业时若全站仪纵轴倾斜，会引起角度观测的误差，盘左、盘右观测值取中不能使之抵消而全站仪特有的双轴（或单轴）倾斜自动补偿系统，可对纵轴的倾斜进行监测，并在度盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正（某些全站仪纵轴最大倾斜可允许至 ± 6′）也可通过将竖轴倾斜引起角度误差， 由微处理器自动﹌ 005按竖轴倾斜改正计算式计算，并加入度盘读数中加以改正，使度盘显示读数为正确值，即所谓纵轴倾斜自动补偿双轴自动补偿所采用的构造（包括 Topcon ，Trimble ）：使用一水泡（该水泡不是从外部可以看到的，与检验校正中所描述的不是一个水泡）来标定绝对水平面，该水泡中间填充液体，两端是气体在水泡的上部两侧各放置一发光二极管，而在水泡的下部两侧各放置一光电管，用于接收发光二极管透过水泡发出的光通过运算电路比较两二极管获得的光的强度当其处在初始位置，即绝对水平时，将运算值置零当作业中全站仪器倾斜时，运算电路实时计算出光强的差值，从而换算成倾斜的位移，将此信息传达给控制系统，以决定自动补偿的值。
自动补偿的方式除由微处理器计算后修正输出外，还有一种方式即通过步进电动机驱动微型丝杆，对此轴方向上的偏移进行补正，从而使轴时刻保持绝对水平3. 键盘键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站型仪器的键盘和显示屏均为双面式，便于正、倒镜作业时操作4. 存储器全站仪存储器的作用是将实时采集的测量数据存储起来，再根据需要传送到其他设备如计算机等中，供进一步处理或利用全站仪的存储器有内存储器和存储卡两种全站仪内存储器相当于计算机的内存（ RAM ），存储卡是一种外存储媒体，又称 。