全站儀在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

楊守君

[摘要]全站儀（TS）或全站儀經(jīng)緯儀（TST）是用于測(cè)量和建筑施工的電子/光學(xué)儀器。全站儀是一個(gè)電子經(jīng)緯儀（過境），集成了電子距離測(cè)量（EDM）以讀取從儀器到特定點(diǎn)的斜距，以及車載計(jì)算機(jī)收集數(shù)據(jù)并執(zhí)行高級(jí)坐標(biāo)計(jì)算。機(jī)器人全站儀允許操作員通過遙控器遠(yuǎn)程控制儀器。由于操作員拿著后向反射器并從觀察點(diǎn)控制全站儀，因此無需助理人員。在礦山測(cè)量中應(yīng)用全站儀可以有效提高礦山測(cè)量的效率和質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]全站儀 礦山測(cè)量 應(yīng)用

全站儀主要由土地測(cè)量師和土木工程師使用，或者在地形測(cè)量中記錄特征或設(shè)置特征（如道路、礦山或邊界）。近年來，全站儀在礦山測(cè)量中有十分廣泛的應(yīng)用。

一、全站儀的功能

（一）角度測(cè)量

大多數(shù)全站儀儀器通過電光掃描儀器內(nèi)旋轉(zhuǎn)玻璃圓柱體或光盤上刻蝕的極其精確的數(shù)字條形碼來測(cè)量角度。質(zhì)量最好的全站儀能夠測(cè)量角度為0.5弧秒。廉價(jià)的“建筑級(jí)”全站儀通?？梢詼y(cè)量角度為5或10弧秒。

全站儀的電子經(jīng)緯儀部分用于測(cè)量垂直和水平角度。為了測(cè)量水平角度，可以將任何方便的方向作為參考方向。對(duì)于垂直角度測(cè)量，將垂直向上（天頂）方向作為參考方向。角度測(cè)量的準(zhǔn)確度從2到6秒不等。

（二）距離測(cè)量

測(cè)量距離是通過調(diào)制的紅外載波信號(hào)完成的，該信號(hào)由儀器光路內(nèi)的小型固態(tài)發(fā)射器產(chǎn)生，并由棱鏡反射器或被測(cè)物體反射。計(jì)算機(jī)在全站儀中讀取并解釋返回信號(hào)中的調(diào)制模式。該距離通過發(fā)射和接收多個(gè)頻率來確定，并且針對(duì)每個(gè)頻率確定針對(duì)目標(biāo)的波長(zhǎng)的整數(shù)數(shù)量。大多數(shù)全站儀都使用特制的玻璃棱鏡（測(cè)量）反射鏡作為EDM信號(hào)。一個(gè)典型的全站儀可以在高達(dá)1，500米（4，900英尺）的距離內(nèi)以約1.5毫米（0.0049英尺）+2百萬分之一的精度測(cè)量距離。無反射面的全站儀可以測(cè)量到任何物體的距離，這些物體的顏色是合理的，可以達(dá)到幾百米。

電子測(cè)距儀（EDM）是全站儀的重要組成部分。其范圍從2.8公里到4.2公里不等。測(cè)量精度從5毫米到10毫米每公里測(cè)量。它們與自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別器一起使用。測(cè)量的距離始終是從儀器到物體的傾斜距離。

（三）坐標(biāo)測(cè)量

只要能夠在兩點(diǎn)之間建立直接視線，就可以使用全站儀確定未知點(diǎn)相對(duì)于已知坐標(biāo)的坐標(biāo)。測(cè)量從全站儀到被測(cè)點(diǎn)的角度和距離，使用三角法和三角測(cè)量法計(jì)算被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于全站儀位置的坐標(biāo)（X，Y和Z或東，北和海拔）。為了確定絕對(duì)位置，全站儀需要視線觀測(cè)，并且可以在已知點(diǎn)或視線上將其設(shè)置到已知位置的兩個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)，稱為后方交會(huì)（Free Stationing）。

出于這個(gè)原因，一些全站儀也有一個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器，并且不需要直接的視線來確定坐標(biāo)。但是，GNSS測(cè)量可能需要更長(zhǎng)的占用時(shí)間，并且在垂直軸上的精度較差。

（四）數(shù)據(jù)處理

某些型號(hào)包括內(nèi)部電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于記錄測(cè)量距離，水平角度和垂直角度，而其他型號(hào)則可將這些測(cè)量結(jié)果寫入外部數(shù)據(jù)采集器，例如手持式計(jì)算機(jī)。

將數(shù)據(jù)從全站儀下載到計(jì)算機(jī)上時(shí)，可以使用應(yīng)用軟件計(jì)算結(jié)果并生成調(diào)查區(qū)域的地圖。最新一代的全站儀也可以在測(cè)量點(diǎn)后立即在儀器的觸摸屏上顯示地圖。

該儀器配有一個(gè)內(nèi)置的微處理器。微處理器平均多個(gè)觀測(cè)值。借助測(cè)量的斜距和垂直和水平角度，當(dāng)提供儀器和目標(biāo)軸的高度時(shí)，微處理器將計(jì)算水平距離和X，Y，Z坐標(biāo)。如果提供大氣溫度和壓力，處理器能夠?qū)y(cè)量進(jìn)行溫度和壓力校正。

二、全站儀的優(yōu)點(diǎn)

以下是在礦山測(cè)量中使用全站儀的一些主要優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)工作效率極高；測(cè)量精度很高；讀取和記錄中涉及的手動(dòng)錯(cuò)誤被消除；坐標(biāo)的計(jì)算非常快速且準(zhǔn)確；自動(dòng)進(jìn)行溫度和壓力修正；計(jì)算機(jī)可用于地圖制作和繪制輪廓和橫截面；輪廓間隔和刻度可以立即改變。

但是，測(cè)量人員在使用前應(yīng)檢查儀器的工作狀態(tài)。在使用現(xiàn)場(chǎng)工作儀器之前，通過觀察指定儀器站的那些標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)來檢查其工作。

三、全站儀的組成

全站儀是一個(gè)電子傳輸和電子測(cè)距裝置（EDM）的組合。有了這個(gè)設(shè)備，人們可以確定從儀器到要測(cè)量的點(diǎn)的角度和距離。借助三角法，可以使用角度和距離來計(jì)算絕對(duì)值中被測(cè)點(diǎn)的實(shí)際位置（x，y和z或北向，東向和仰角）。

在全站儀中，望遠(yuǎn)鏡連接到用于測(cè)量望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)角度（通常相對(duì)于北方為0度）和望遠(yuǎn)鏡的傾斜角度（相對(duì)于水平為0度）的標(biāo)尺。旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，可以從刻度盤上讀取旋轉(zhuǎn)角度和傾斜角度。電子傳輸提供了一個(gè)數(shù)字讀出這些角度。全站儀的度數(shù)十分精確，并且不易因標(biāo)尺上的標(biāo)記之間的內(nèi)插或錯(cuò)誤記錄而產(chǎn)生錯(cuò)誤。讀數(shù)也是連續(xù)的，因此可以隨時(shí)檢查角度。

全站儀的另一部分即電子測(cè)距儀或EDM測(cè)量從儀器到其目標(biāo)的距離。EDM發(fā)出的紅外光束反射回本機(jī)，本機(jī)使用定時(shí)測(cè)量來計(jì)算光束行進(jìn)的距離。除少數(shù)例外，EDM要求目標(biāo)具有高度反射性，反射棱鏡通常用作目標(biāo)。反射棱鏡是一個(gè)大約10厘米的軟飲料罐直徑的圓柱形裝置。一端是玻璃蓋板，另一端是帶螺紋延長(zhǎng)部的截錐。它通常擰入桿頂部的目標(biāo)/支架；桿的尖端放置在要測(cè)量的點(diǎn)上。

四、全站儀在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

全站儀是礦山測(cè)量中使用的主要測(cè)量?jī)x器。

全站儀用于記錄隧道圍墻，天花板（靠背）和地板的絕對(duì)位置，因?yàn)榈叵碌V山的漂移被驅(qū)動(dòng)。然后將記錄的數(shù)據(jù)下載到CAD程序中，并與隧道的設(shè)計(jì)布局進(jìn)行比較。

調(diào)查方定期安裝控制站。它們是在鉆入墻壁或背面的孔中成對(duì)安裝的小型鋼塞。對(duì)于墻壁站，兩個(gè)插頭安裝在相對(duì)的墻壁上，形成垂直于漂移的線。對(duì)于后站，后部安裝兩個(gè)插頭，形成一條平行于漂移線。一組插頭可用于通過交叉和切除處理測(cè)量插塞來定位設(shè)置在漂移或隧道中的全站儀。

全站儀安裝在三腳架上，并通過操作調(diào)平螺釘進(jìn)行校平。在小范圍內(nèi)，儀器可以自行調(diào)整到水平位置。然后使用板載鍵索引垂直和水平參考方向。可以為距離、溫度和壓力（FPS或SI）設(shè)置所需的單位。測(cè)量員可以選擇精細(xì)、粗糙、單個(gè)或重復(fù)測(cè)量模式。

當(dāng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，測(cè)量水平和垂直角度以及傾斜距離，并通過按下適當(dāng)?shù)逆I將它們與點(diǎn)號(hào)一起記錄下來。儀器和目標(biāo)的高度可以在用膠帶測(cè)量后鍵入。然后處理器計(jì)算關(guān)于點(diǎn)的各種信息并顯示在屏幕上。

這些信息也存儲(chǔ)在電子筆記本中。在一天結(jié)束時(shí)或電子筆記本已滿時(shí)，存儲(chǔ)的信息將下載到計(jì)算機(jī)。下載到計(jì)算機(jī)的點(diǎn)數(shù)據(jù)可用于進(jìn)一步處理。AutoCad有自動(dòng)民用和自動(dòng)繪圖儀等軟件，可用于繪制任何指定間隔的輪廓，并繪制任何指定線的橫截面。

全站儀在礦山測(cè)量中不僅用于收集調(diào)查，還用于設(shè)計(jì)。在水管桿上（通常是外側(cè)）使用棱鏡，測(cè)量員可以通過簡(jiǎn)單地指向棱鏡來確定使用儀器需要放置釘?shù)奈恢靡约耙呀?jīng)保存在存儲(chǔ)卡/設(shè)備上的設(shè)計(jì)。大多數(shù)全站儀都具有設(shè)置功能，可以使用加載的設(shè)計(jì)信息來確定棱鏡所在的位置，并參考設(shè)計(jì)線，并提供有關(guān)棱鏡位置的偏移和里程的信息（因此可以告知棱桿需要的位置被移動(dòng)到正確的位置）。

全站儀可以為礦山測(cè)量提供以下功能：測(cè)量水平和垂直角度；電子距離測(cè)量（EDM）；以電子方式存儲(chǔ)收集的數(shù)據(jù)；針對(duì)不同任務(wù)的內(nèi)置程序/附加組件；協(xié)助設(shè)計(jì)；協(xié)助確定坐標(biāo)幾何；收集面積計(jì)算數(shù)據(jù)；進(jìn)行基本/慢速激光掃描操作。

在礦山測(cè)量過程中，全站的微處理器單元處理收集的數(shù)據(jù)以計(jì)算：測(cè)量的多個(gè)角度的平均值；測(cè)量的多個(gè)距離的平均值；水平距離；任意兩點(diǎn)之間的距離；物體和物體間的仰角；觀察點(diǎn)的所有三個(gè)坐標(biāo)；在全站儀中收集和處理的數(shù)據(jù)可以下載到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。全站儀是一款緊湊型儀器，重量為50到55N.一個(gè)人可以輕松攜帶到現(xiàn)場(chǎng)。市場(chǎng)上有各種不同精度，角度測(cè)量和不同測(cè)量范圍的全站儀。

五、結(jié)語

綜上所述，全站儀比傳統(tǒng)的礦山測(cè)量工具有更突出的精度和效率優(yōu)勢(shì)。在礦山測(cè)量中使用全站儀將進(jìn)一步提升測(cè)量的效率和質(zhì)量，從而為采礦產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造更好的效益。