隨著工程技術的發展，工程測量技術越來越先進，越來越多的新型技術涌現出來，推動了工程施工的水平，本文主要研究全站儀代替水準儀在高程測量中的應用。

　　《北京科技大學學報》主要刊登礦業與環境、冶金與材料、設備與能源(冶金)、控制與決策(鋼鐵企業)等領域的最新研究成果，推動國內外學術界的交流與合作，為冶金工業類中文核心期刊。獲獎情況：全國社會科學學報優秀期刊、北京高校優秀人文社科學報名刊。

　　正如許多測繪工作者所述，由于利用水平視線進行的幾何水準測量速度慢，受地貌條件的限制，工作效率低，勞動強度大，且存在系統誤差，故順理成章地想到用三角高程測量方法來取代幾何四等水準測量。

　　1 引言

　　在各種工程的施工過程中，常常涉及到高程測量。傳統的測量方法是幾何水準測量和三角高程測量。這兩種方法雖然各有特色，但都存在著不足。水準測量是一種直接測高法，測定高差的精度是比較高的，但水準測量受地形起伏的限制，外業工作量大，施測速度比較慢。三角高程是一種間接測高法，不受地形起伏的限制，且測量速度比較快，在大比例地形圖測繪，線型工程，管網工程等工程測量中被廣泛應用，但精度低且每次測量都需量取儀器高，棱鏡高，繁瑣且增加誤差來源。因此，必須對傳統三角高程測量方法進行改進，才能提高高差精度。

　　2 全站儀的組成及測量原理

　　2.1 全站儀的組成

　　全站儀由基座部、照準部、望遠鏡，測角系統、測距系統，計算系統，鍵盤及顯示器這幾個部分組成。全站儀具有角度測量、距離(斜距、平距、高差)測量、三維坐標測量、導線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內置專用軟件后，功能還可進一步拓展。

　　2.2 全站儀測量原理

　　所謂全站儀水準法就是在待測兩點(棱鏡高度一致)中間安置全站儀，此方法既有傳統三角高程測量的優點，同時在施測的過程中不需要量儀器高和棱鏡高從而減少了高程測量的誤差來源，使這種三角高程的精度得到了提高。如圖：

　　A是高程已知的水準點，E是待測點，B，C，D是高程路線的轉點，1,2,3,4為全站儀設站位置。

　　公式中，h為兩點間的高差，△h為全站儀中心和棱鏡照準標志之間的高差，i為儀器高，v為棱鏡高。顯然，兩點的高差中已經把儀器高抵消掉了。

　　(5)式中所有中間轉點的棱鏡高也被抵消掉了，公式中除了觀測高差外，只有起點A的棱鏡高和終點E的棱鏡高。如果在觀測過程中，使起點和終點的棱鏡高度保持不變。綜上所述，用全站儀代替水準儀進行高程測量應滿足以下條件:(1)全站儀的設站次數為偶數，否則不能把轉點棱鏡高抵消掉;(2)起始點和終點的棱鏡高，應保持相等;(3)轉點上的棱鏡高在儀器搬動過程中保持不變;(4)儀器在一個測站的觀測過程中高度保持不變。

　　3 觀測實例

　　3.1 測區概況

　　測區位于蒼南張良山村，面積約為80Km2，測區內高程最低為32m，最高為361m，平均高程為67m。

　　3.2 全站儀觀測方案

　　(1)使用儀器：垂直角觀測精度為±2″，距離精度為±(3mm+2×10-6D)。該儀器可以進行自動氣象改正，自動進行垂直軸傾斜補償和指標差補償。前、后采用配套的單棱鏡、棱鏡桿、尺墊，高度相等且測量過程中保持不變。

　　(2)觀測步驟：觀測過程為“后—前—前—后”，在兩個測點中間適當位置，整平安置全站儀;盤左位置瞄準后視的標志中心，開始測量，讀取水平距離和高差;然后，盤右位置瞄準后視的標志中心，開始測量，讀取高差;取兩次高差的平均值即為后視的高差。用同樣的方法測得前視方向的水平距離和高差。以上為一個測回。變換儀器高，進行第2測回，先觀測前視高差，后觀測后視高差。

　　(3)觀測限差

　　視距一般小于200m，最長為240m，前后視距差最大為3m，兩次儀器高所測高差之差，當視距小于160m時為3mm，當視距大于160m時為5mm。往返測差值和環線的閉合差，應滿足三等水準測量的要求。

　　3.3 全站儀測量高程所需要的注意事項

　　(1)綜上所述，用全站儀代替水準儀進行高程測量應滿足以下條件：

　　1)用此精度的全站儀采用上述測量方法不能達到一、二等水準測量的精度;

　　2)當視距小于300m時，可以達到三等水準測量的精度;

　　3)當視距為500m時，能夠達到四等水準測量的精度;

　　4)距離的觀測誤差在觀測高差的誤差中所占的比重，隨垂直角的增大而增大;

　　5)垂直角的觀測誤差在觀測高差的誤差中所占的比重，隨垂直角的增大而減少;

　　6)在坡度小于20°時，垂直角的誤差是主要的。因此，要想提高觀測精度，必須設法提高垂直角的精度。

　　(2)地球曲率和大氣折光的影響

　　水準測量要求前后視距相等主要是為了抵消i角誤差，同時也為了削弱地球曲率及大氣折光的影響，用全站儀代替水準儀測量時，可以設置大氣折光系數k(一般取0.12)，有儀器自動對地球曲率及大氣折光的影響進行改正。如果把視距控制在200m左右，前后視距差在3m之內，影響可以忽略不計.

　　(3)棱鏡沉降、儀器沉降、棱鏡傾斜的誤差與水準儀測量類似，用全站儀代替水準儀進行高程測量時同樣存在棱鏡沉降、儀器沉降的影響，觀測時必須采取一定的措施來減弱或消除。棱鏡沉降主要發生在儀器的轉站過程中，提高觀測速度、采用往返觀測的方法也可以抵消部分影響。儀器沉降主要發生在一個測回的觀測過程中，在一個測站上要變換儀器高觀測兩個測回，第二測回和第一測回采用相反的觀測次序，即“后—前—前—后”或“前—后—后—前”，可以有效的減弱儀器沉降的影響。覘標傾斜的影響與水準測量時水準尺的傾斜相似，只要仔細檢驗對中桿上的圓水準氣泡，在立桿時保證氣泡居中就可以消除此影響。

　　(4)豎直度盤指標差的影響

　　水準測量時主要存在i角誤差的影響，為了消除i角誤差對水準測量的影響一般要求前后視距相等。用全站儀觀測時，類似的誤差是豎直度盤指標差，如果只用正鏡或倒鏡觀測，該項誤差的影響不容忽視。但是只要采用正倒鏡觀測，就可以抵消指標差的影響。

　　(5)垂直軸傾斜誤差的影響

　　全站儀能夠進行垂直軸傾斜的自動補償，并且補償后的精度能達到0.1″，影響甚微。因此，垂直軸傾斜誤差的影響可以忽略不計。

　　(6)垂線偏差的影響

　　在山區和丘陵地區用全站儀代替水準儀進行高程測量有顯著的優點，但由于垂線偏差的變化較大，使得測點之間所觀測的高差不等于這兩點之間的正常高高差，因此，必須加一個垂線偏差改正。在平原地區，前視和后視的平均垂線偏差基本相等，故垂線偏差的影響等于零。在丘陵地區，垂線偏差的最大值為2″，在幾百米左右的范圍內它的變化不大，取0.2″(最大值的十分之一)，s=300m，對高差的影響為0.29mm;在山區，垂線偏差的最大值為10″，在幾百米左右的范圍內它的變化量也取最大值的十分之一(1″)，s=300m，則對高差的影響為1.45mm。在大山區，垂線偏差的最大值為20″，在幾百米左右的范圍內它的變化量也取最大值的十分之一(2″),s=300m，則對高差的影響為2.91mm。綜上所述，垂線偏差對高程的影響在山區和大山區是很大的，因此，在這些地區測量時，應該適當的減小視線的長度。

　　3.4 觀測結果

　　由水準路線和全站儀觀測路線構成了4個獨立的閉合環，各閉合環的閉合差以及往返測路線的閉合差都在規定的限差之內，說明用全站儀三角高程測量能夠達到三等水準測量的精度。

　　用全站儀進行三角水準測量，其效率在平地上與水準儀測量相近，但是在丘陵和山區，其效率比水準測量要高許多

　　4 結果與分析

　　由于全站儀提供了高精度的角度和距離測量，因而全站儀的三角高程測量可以代替傳統的水準測量進行高程控制測量或施工測量。用全站儀水準法三角高程測量代替三，四等水準測量的新方法，其優點是儀器任意置站，方便靈活：不量儀器高，棱鏡高，減少誤差來源，提高工作效率：測站選在中部，可以減弱大氣折光的影響：由于精度提高，施測距離可達600m,在實際工作中，棱鏡高度發生變化時，計算時一并考慮即可計算出待測點的實際高程。根據理論研究和大量外業實驗統計表明，測距三角高程能代替三，四等水準測量，已逐步用于生產作業中，獲得較高的效益。

　　參考文獻

　　(1) 工程測量(測繪類) 周建鄭 主編 鄭洲：黃河水利出版社，2006

　　(2) GPS測量定位技術 周建鄭 主編 北京：化學工業出版社，2004

　　(3) 測量學與地圖學 王慧麟 主編 南京大學出版社 2004

　　(4) 控制測量學 孔祥元 主編 武漢大學出版社 2002