基于全站儀改良的萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置

周彥彤 金美岑 范帥佐 郝振煊

(1.東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

20世紀(jì)70年代起，伴隨著科技的發(fā)展，信息化時(shí)代的到來，歷史悠久的測繪科學(xué)也發(fā)生了巨大的變化——全站型電子速測儀(簡稱全站儀)得到廣泛應(yīng)用。全站儀作為集光學(xué)、機(jī)械、電子信息于一體的智能測繪儀器，使傳統(tǒng)測量技術(shù)邁入自動(dòng)化、數(shù)字化、高效率的發(fā)展新階段的同時(shí)，也帶來了一些繁瑣的操作步驟。本文在全站儀操作使用原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，針對(duì)全站儀定點(diǎn)裝置進(jìn)行改良，提出萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置，以解決全站儀定點(diǎn)操作過程中棱鏡使用的不便，大大增強(qiáng)了棱鏡的穩(wěn)定性，從而提高測量精確度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)“一次架設(shè)，多次測量”，加快了測量速度，提高使用的方便性，操作的簡便性；同時(shí)避免了二次或者多次立桿，快速定位地面的坐標(biāo)，大大提高了測量的準(zhǔn)確率和效率，減少了野外勘探測量所需的人力、物力。

1 全站儀定點(diǎn)裝置的應(yīng)用與弊端

1.1 建筑工程施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

“全站儀”全稱為“全站型電子速測儀”通稱為“電子全站儀”或“電子速測儀”。它是一種可以同時(shí)進(jìn)行近距離測量、行角度測量和數(shù)據(jù)處理，由光學(xué)、機(jī)械、電子元件等構(gòu)件有機(jī)結(jié)合起來的電子測量儀器。由于它能自動(dòng)完成外業(yè)測量中測距、測角、測高差，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、檢核，同時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，載入Windows10系統(tǒng)，將測量所得數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示、記錄、存儲(chǔ)并輸出，較完善地實(shí)現(xiàn)測量和處理過程的電子化和一體化勘測效果，因此被稱作全站儀。同時(shí)，全站儀測距發(fā)射軸、接收軸與望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸三軸共軸，適合對(duì)空間點(diǎn)及移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行測量，且內(nèi)部配有功能完備的測量應(yīng)用軟件，測量操作方便快捷。

近些年來，隨著微電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與應(yīng)用，新一代的全站儀無論是在外觀、構(gòu)造、體積和重量等方面，還是在功能、效率方面，都有了極大的革新和進(jìn)步，測繪技術(shù)的發(fā)展邁入了一個(gè)嶄新的階段。時(shí)至今日，中國仍然處于大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)期，全站儀仍然被大范圍廣泛使用。全站儀在建筑工程施工放樣中具有精準(zhǔn)度高、智能數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，自動(dòng)化測量儀器全站儀還配有撤銷鍵，可以對(duì)測量所得的豎直角以及水平角指標(biāo)差進(jìn)行撤銷，重新測量，完成測繪過程中的內(nèi)業(yè)檢核工作，提高建筑工程施工中測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度；同時(shí)全站儀與計(jì)算機(jī)相連接，可以借助計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)對(duì)全站儀的控制。

1.2 應(yīng)用弊端及創(chuàng)新思考

建筑工程施工中，使用全站儀常用作業(yè)方法是在地形圖中的已知點(diǎn)或者未知點(diǎn)上架站，利用周邊的已知標(biāo)定點(diǎn)通過邊角前方交會(huì)法或后方交會(huì)法測得架站點(diǎn)與已知標(biāo)定點(diǎn)相關(guān)的坐標(biāo)方位角及距離，最終計(jì)算出測站點(diǎn)的坐標(biāo)；隨后，再在儀器上進(jìn)行測站設(shè)置，運(yùn)用角度后視法完成一系列操作后進(jìn)行地形圖的相關(guān)測量。在測繪場地周邊有足夠的已知點(diǎn)的情況下，這種方法是具有可行性的，但是在某些不利條件下，實(shí)施起來卻相對(duì)困難，例如:假定設(shè)站點(diǎn)在河的左岸，要測量河右岸的一片地形圖，為了方便觀測，將儀器架設(shè)于河左岸，但左岸沒有已知控制點(diǎn)，在右岸也只可見控制點(diǎn)A和B，且測繪人員不易抵達(dá)兩個(gè)控制點(diǎn)。一般的方法可分為兩種，一種是將全站儀架設(shè)于右岸已知點(diǎn)上，將控制點(diǎn)傳到左岸;另一種是將儀器架設(shè)于左岸，派一名勘測員攜帶棱鏡到右岸已知點(diǎn)上，使用邊角交會(huì)法求出架站點(diǎn)坐標(biāo)。這都需要不少的時(shí)間和人力，效率不高，存在不必要的資源浪費(fèi)。

由此可見，為提高測量儀器定點(diǎn)裝置在使用過程中存在的諸多不便，需針對(duì)因棱鏡多次架設(shè)導(dǎo)致的定點(diǎn)操作過程繁瑣、效率低下的問題進(jìn)行思考，積極尋求低成本、高效率的改良途徑，提高全站儀定點(diǎn)裝置的工作效率，實(shí)現(xiàn)“一次定點(diǎn)，多次測量”的測量效果。

2 萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置設(shè)計(jì)的基本特征

2.1 什么是萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置

全站儀作為集各種測量功能于一體的勘測儀器系統(tǒng)，我們通過研究全站儀的工作原理，發(fā)現(xiàn)其操作過程的繁瑣之處集中于棱鏡的應(yīng)用、架設(shè)、定點(diǎn)過程中，全站儀測量未知點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)首先將測量儀器架設(shè)在已知點(diǎn)，對(duì)中整平，完成測量前的準(zhǔn)備工作，再發(fā)射激光照射于棱鏡上，棱鏡由于人為控制會(huì)存在一定不穩(wěn)定因素，同時(shí)每架設(shè)一處棱鏡僅進(jìn)行一點(diǎn)數(shù)據(jù)的測量，效率低且精準(zhǔn)度不高。萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置將全站儀協(xié)作目標(biāo)——棱鏡對(duì)中桿加以改進(jìn)，以解決棱鏡使用中的不便，精簡操作步驟以及提高測量工作的有效性及測量結(jié)果的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)“一次架設(shè)，多次測量”，加快測量速度，達(dá)到快速且準(zhǔn)確地定位地面的坐標(biāo)的目的，大大提高了勘測效率和準(zhǔn)確性。

2.2 萬向調(diào)節(jié)定點(diǎn)裝置的構(gòu)件組成

全站儀定點(diǎn)裝置在使用時(shí)，一次可測量點(diǎn)較少，需多次立桿測量，增加工作強(qiáng)度。萬向調(diào)節(jié)快速頂點(diǎn)裝置針對(duì)此狀況對(duì)全站儀定點(diǎn)裝置進(jìn)行改良，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

2.3 萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置構(gòu)件連接方式

主桿頂部分別套有氣泡盤、高度旋鈕A，并插有伸縮桿A；伸縮桿A頂部套有高度旋鈕B，并插有伸縮桿B；伸縮桿B頂部通過螺紋與固定旋鈕連接。三腳架頂部具有一圓孔，內(nèi)穿有對(duì)中桿，對(duì)中桿頂部插有水平旋鈕，內(nèi)穿有中心轉(zhuǎn)桿，中心轉(zhuǎn)桿頂部通過軸與折疊萬向桿后端連接，折疊萬向桿前端通過松緊旋鈕B與連接件連接，連接件通過S掛鉤與棱鏡連接，折疊萬向桿包括主臂A、主臂B，主臂A、主臂B兩端分別通過螺栓與關(guān)節(jié)A、關(guān)節(jié)B連接，伸縮彈簧A右側(cè)穿在關(guān)節(jié)A圓孔內(nèi)，伸縮彈簧A左側(cè)通過螺栓與主臂B連接，關(guān)節(jié)B通過螺栓與輔臂A和伸縮彈簧B連接，并通過松緊旋鈕A與輔臂B連接，輔臂A、輔臂B通過螺栓分別與關(guān)節(jié)C連接，關(guān)節(jié)C下方安裝有松緊旋鈕B。

2.4 萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置的工作原理

相較于傳統(tǒng)全站儀繁瑣的操作流程，萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)“一次架設(shè)，多次測量”，還達(dá)到了高效測量，節(jié)約人力的效果。仍然假設(shè)測量駐扎點(diǎn)在河的左岸，要測量右岸一定范圍內(nèi)的地形圖，當(dāng)萬向調(diào)節(jié)的定點(diǎn)裝置配合全站儀使用時(shí)，首先，將全站儀架站于左岸合適的位置(確定架站位置安全且方便測量對(duì)面的地形)再在全站儀上輸入測站點(diǎn)三維坐標(biāo)(0,0,0)；其次，派一名測繪員去后視的已知坐標(biāo)點(diǎn)(假設(shè)是A)進(jìn)行后視，將架站點(diǎn)C水平投影至地面并在地面上標(biāo)注位置，量取測量儀器高度值并記錄(用于最終計(jì)算C點(diǎn)三維坐標(biāo));第三，測繪員到達(dá)測圖區(qū)后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)派一名測繪員攜帶萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置到達(dá)后視已知標(biāo)A點(diǎn)上，由于已知標(biāo)距離較遠(yuǎn)且不易抵達(dá)，一般情況下這個(gè)測繪員抵達(dá)指定的已知標(biāo)需要一定的時(shí)間，在這個(gè)過程中，其他的測繪員可以開始跑點(diǎn)，測站可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(注:此時(shí)采集的數(shù)據(jù)為以測站C為原點(diǎn)，測站C至A為前進(jìn)方位角的獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo));第四，當(dāng)那個(gè)司鏡員抵達(dá)已知標(biāo)后，于測站點(diǎn)上通過邊角交會(huì)法求出測站點(diǎn)北京坐標(biāo)系坐標(biāo)并記錄在數(shù)據(jù)記錄本中，同時(shí)將測量A點(diǎn)的獨(dú)立三維坐標(biāo)一并記錄下來;第五，對(duì)所得測量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算檢核。

由此可見，操作改良后的萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置配合全站儀使用時(shí)，在不動(dòng)點(diǎn)的情況下一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)折疊伸縮桿，可節(jié)約測量過程為改變棱鏡定點(diǎn)位置，反復(fù)往返于全站儀與寫作目標(biāo)之間的時(shí)間，避免了二次或者多次立桿，快速定位地面的坐標(biāo)，大大提高了效率和減少了人力。

3 萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置使用先進(jìn)性

3.1 一次定位，多次測量

萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置，在全站儀定點(diǎn)裝置的基礎(chǔ)上增設(shè)了折疊伸縮桿，實(shí)現(xiàn)了一次定位，多距離多角度測量，避免了二次或者多次立桿，快速定位地面的坐標(biāo)，解決全站儀棱鏡使用中的不便，同時(shí)由于折疊伸縮桿輕便、構(gòu)造簡單，大大增強(qiáng)了立鏡的穩(wěn)定性，從而提高測量精確度，加快了測量速度，提高使用的方便性，操作的簡便性。

3.2 擴(kuò)大測量范圍

萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置的對(duì)中桿頂部插有水平旋鈕，水平旋鈕內(nèi)穿有中心轉(zhuǎn)桿，中心轉(zhuǎn)桿頂部通過軸與折疊萬向桿后端連接，采用這種結(jié)構(gòu)能夠使所述的折疊伸縮桿以所述的中心轉(zhuǎn)桿為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)范圍測量，加大測量范圍，靈活便利。

萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置的折疊伸縮桿前端通過松緊旋鈕B與連接件連接，連接件通過S掛鉤與棱鏡連接，這種結(jié)構(gòu)能使所述的棱鏡通過折疊伸縮桿改變棱鏡的位置，其目的實(shí)現(xiàn)更大測量范圍。

3.3 操作簡便

萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置的折疊伸縮桿包括主臂A、主臂B、輔臂A、輔臂B，主臂A、主臂B兩端分別通過螺栓與關(guān)節(jié)A、關(guān)節(jié)B連接，伸縮彈簧A右側(cè)穿在關(guān)節(jié)A圓孔內(nèi)，彈簧A左側(cè)通過螺栓與主臂B連接，關(guān)節(jié)B通過螺栓與輔臂A和伸縮彈簧B連接，關(guān)節(jié)B通過松緊旋鈕A與輔臂B連接，輔臂A、輔臂B通過螺栓分別與關(guān)節(jié)C連接，關(guān)節(jié)C下方安裝有松緊旋鈕B，采用這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)兩臂伸至為一條直線時(shí)為定點(diǎn)后可測量的最大范圍，在此范圍內(nèi)，折疊伸縮桿以關(guān)節(jié)為中心進(jìn)行折疊，可實(shí)現(xiàn)任意調(diào)節(jié)棱鏡的位置，操作簡便。

3.4 易拆卸分離，方便攜帶

萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置對(duì)中桿包括主桿，主桿頂部分別套有氣泡盤、高度旋鈕，并插有伸縮桿A，伸縮桿A頂部套有高度旋鈕B，伸縮桿頂部插有伸縮桿B，伸縮桿頂部通過螺紋與固定鈕連接，由此可調(diào)節(jié)定點(diǎn)裝置至適宜高度，操作便利，同時(shí)三腳架、折疊伸縮桿及棱鏡可拆卸分離，方便攜帶。

3.5 造價(jià)低，耐腐蝕

萬向調(diào)節(jié)快速定點(diǎn)裝置的三腳架、對(duì)中標(biāo)桿、折疊伸縮桿采用不銹鋼材料，活動(dòng)關(guān)節(jié)處涂有防腐涂料，可長期用于野外施工，外觀不易腐蝕經(jīng)久耐用，重量輕方便攜帶。

4 結(jié)語

探究全站儀在工程放樣中的應(yīng)用，不僅能夠提高在建筑工程放樣時(shí)的精確度，還有利于提升工程測量的準(zhǔn)確性，便于建筑行業(yè)的從業(yè)人員工作，提高建筑行業(yè)的工作效率。

因此測量人員在建筑工程施工中，除了需要了解全站儀的內(nèi)部構(gòu)造以及使用原理，還應(yīng)自覺提高自身的專業(yè)技能，發(fā)揮自身的創(chuàng)造力和能動(dòng)性，不斷改良測量工具，以提升建筑工程測量的精準(zhǔn)度，進(jìn)一步提高工作效率，更好的為建筑工程施工服務(wù)。

注：指導(dǎo)老師：付升隆。