陳朵 李行 郭世寧

摘要：隨著全國各地山水林田湖草生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目的陸續(xù)開展，依照設(shè)計(jì)在礦山危巖體清除等施工過程中，經(jīng)常需要對同一區(qū)域不同時(shí)間段的地形進(jìn)行多次測量。由于山體表面受施工影響受到破壞，在使用全站儀測量前需要重新使用GPS測設(shè)控制點(diǎn)，整個(gè)測量過程煩瑣。本文介紹一種全站儀免后視定向就能準(zhǔn)確測量未知點(diǎn)位坐標(biāo)的方法，實(shí)踐表明該方法相比常規(guī)方法更為簡便快捷，且對GPS的依賴大大降低，在類似的施工環(huán)境中可廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：山水林田湖草；全站儀；免后視定向

1.引言

在山水林田湖草生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目施工過程中，經(jīng)常需要對同一區(qū)域不同時(shí)間段的山體地形進(jìn)行多次測量，以滿足設(shè)計(jì)的要求。采用常規(guī)后視定向的方法測量目標(biāo)地物坐標(biāo)，全站儀需要架設(shè)在已知坐標(biāo)點(diǎn)位上，至少需要一個(gè)后視點(diǎn)位定向。受施工影響，上次制作的控制點(diǎn)樁很容易受到破壞，因此需要頻繁地使用GPS測設(shè)新的控制點(diǎn)，十分不便。新方法只需要將全站儀整平，以一個(gè)近似真北方向定向，然后測量巖壁面上的兩個(gè)已知點(diǎn)，可以直接測量，在內(nèi)業(yè)只需要在制圖軟件上對點(diǎn)位圖形進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，便可得到真實(shí)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。該方法不受施工和GPS信號的限制，且操作流程簡單、不需要多次使用GPS測量點(diǎn)坐標(biāo)，提高了外業(yè)工作效率。本文從介紹全站儀的相關(guān)理論出發(fā)，到結(jié)合施工應(yīng)用，最后就這種免后視定向測點(diǎn)的方法在礦山測量中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2.全站儀測量點(diǎn)位坐標(biāo)的原理及基本操作

2.1全站儀測點(diǎn)的原理

全站儀即全站性電子速測儀，是由電子測角、電子測距、電子計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)。

常規(guī)的全站儀測量點(diǎn)坐標(biāo)主要是利用電子測距和電子測角功能實(shí)現(xiàn)的，具體操作為通過旋轉(zhuǎn)全站儀的水平度盤利用電子測角功能測定以架站點(diǎn)A為端點(diǎn)、經(jīng)過后視點(diǎn)B的射線，以架站點(diǎn)A為端點(diǎn)、經(jīng)過目標(biāo)點(diǎn)C的射線兩者水平投影之間的夾角α（圖1），旋轉(zhuǎn)垂直度盤測定以架站點(diǎn)為端點(diǎn)、經(jīng)過目標(biāo)點(diǎn)的射線與水平直線之間的夾角β（圖2），再結(jié)合電子測距功能測定架站點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的直線距離S，利用夾角β和距離S兩個(gè)數(shù)值，結(jié)合三角函數(shù)便可計(jì)算出架站點(diǎn)A與目標(biāo)點(diǎn)C之間的水平投影距離L、架站點(diǎn)A與目標(biāo)點(diǎn)C的高差h，最后綜合水平夾角α、水平距離L和高程差值h，便能得到目標(biāo)點(diǎn)C相對架站點(diǎn)A在在三維空間上的準(zhǔn)確位置。

2.2全站儀測點(diǎn)的操作步驟[1]

外業(yè)使用全站儀測量點(diǎn)位坐標(biāo)，整體可分為測站設(shè)置、后視定向、觀測目標(biāo)點(diǎn)位三大步驟。具體操作步驟如下：

（1）測站設(shè)置：將全站儀架設(shè)在已知坐標(biāo)點(diǎn)位上，對中整平，在全站儀中輸入測站點(diǎn)的坐標(biāo)和儀器高度。

（2）后視定向：在后視點(diǎn)上架設(shè)好棱鏡，在全站儀里輸入后視點(diǎn)坐標(biāo)和棱鏡高度。在使用免棱鏡功能進(jìn)行后視定向時(shí)為相同的操作步驟，只需要用擋光板替換掉棱鏡，瞄準(zhǔn)的擋光板中心離地距離替換棱鏡高度即可。

（3）觀測目標(biāo)點(diǎn)位：先將物鏡大致瞄準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)方位，然后通過微調(diào)水平微動(dòng)螺旋和垂直微動(dòng)螺旋準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)，最后按鍵確認(rèn)即可自動(dòng)記錄目標(biāo)點(diǎn)位坐標(biāo)。

3.全站儀免后視定向測點(diǎn)的原理及操作步驟

全站儀免后視定向測點(diǎn)的方法步驟和常規(guī)的方法類似，只是省去了輸入測站點(diǎn)坐標(biāo)和后視定向這兩個(gè)環(huán)節(jié)，即全站儀整平后，只輸入概略的測站坐標(biāo)，不進(jìn)行后視定向，直接進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)位觀測。尤其要注意的是在觀測目標(biāo)點(diǎn)位的同時(shí)，需要對至少兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的已知點(diǎn)位進(jìn)行精準(zhǔn)觀測。將其最終獲取的目標(biāo)點(diǎn)位坐標(biāo)、展在南方Cass9.1測圖軟件界面上，其中點(diǎn)A′、B′、C′、D′、E′為發(fā)生位移的點(diǎn)位（圖3），對比與之對應(yīng)的真實(shí)平面坐標(biāo)點(diǎn)A、B、C、D、E（圖4），有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)之間相對位置準(zhǔn)確；

（2）在平面坐標(biāo)系中，獲取的目標(biāo)點(diǎn)位平面坐標(biāo)相比真實(shí)點(diǎn)位平面坐標(biāo)、發(fā)生以點(diǎn)為中心的一定角度旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致相比真實(shí)坐標(biāo)產(chǎn)生不等量位移；

（3）在坐標(biāo)高程方面，獲取目標(biāo)點(diǎn)位高程值相比其真實(shí)高程值的差值相等。

通過觀察以上三個(gè)顯著特點(diǎn)可以判斷，全站儀免后視定向測量點(diǎn)坐標(biāo)，主要發(fā)生點(diǎn)位在平面坐標(biāo)上的平移和旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)位高程很容易通過固定的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)一糾正。

假如通過常規(guī)的數(shù)學(xué)計(jì)算，恢復(fù)目標(biāo)點(diǎn)位平移和旋轉(zhuǎn)造成的數(shù)據(jù)誤差需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，過程十分煩瑣，從工作效率上來講也是得不償失。但是如果將這些點(diǎn)位圖形在計(jì)算機(jī)制圖軟件上直接進(jìn)行恢復(fù)，進(jìn)而得到準(zhǔn)確坐標(biāo)值則十分簡單，以Cass9.1軟件為例，結(jié)合圖3和圖4，具體操作如下：

（1）在軟件界面統(tǒng)選A′、B′、C′、D′、E′5個(gè)點(diǎn)，再以點(diǎn)A′為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行整體平移，使點(diǎn)A′與點(diǎn)A重合（圖5）；

（2）通過角度測量工具計(jì)算線段AB與線段AB′之間的夾角γ；

（3）統(tǒng)選A′、B′、C′、D′、E′這5個(gè)點(diǎn)，以點(diǎn)A′為原點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為γ；

（4）使用主菜單“工程應(yīng)用”里的“指定點(diǎn)生成坐標(biāo)文件”功能，選中旋轉(zhuǎn)后的A′、B′、C′、D′、E′這5個(gè)點(diǎn)，即可得到真實(shí)的平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件；

（5）計(jì)算已知點(diǎn)位A（或B）的真實(shí)坐標(biāo)高程與未進(jìn)行后視定向測得點(diǎn)A′（或B′）的坐標(biāo)高程差值，將上一步得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)的高程進(jìn)行統(tǒng)改，即得到所測點(diǎn)位的正確三維坐標(biāo)。

4.全站儀免后視定向測點(diǎn)的優(yōu)勢和應(yīng)用

全站儀免后視定向進(jìn)行測點(diǎn)相比傳統(tǒng)測點(diǎn)方法有以下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢：

（1）最大程度地降低了對GPS的依賴，同一地形不同時(shí)間段的測量施工，只需要在第一次測量時(shí)額外標(biāo)記好巖壁上不受施工破壞的點(diǎn)位，后面幾次測量工作便可以利用這些點(diǎn)位正常開展，不需要使用GPS。

（2）減少作業(yè)步驟，提高作業(yè)效率。避免了多次測量測站點(diǎn)和后視點(diǎn)，全站儀只需要調(diào)平即可進(jìn)行觀測。

該方法除了運(yùn)用在礦山測量上，在一些不便通視的地籍測量、河道測量等方面也能有效的利用。例如在地籍測量中，為了方便一站觀測幾個(gè)重要的拐點(diǎn)坐標(biāo)，須在一個(gè)懸空處需要架設(shè)全站儀，常規(guī)方法無法轉(zhuǎn)站進(jìn)行觀測；再比如在一些淹膝的渾水中架設(shè)全站儀，即使測得測站點(diǎn)坐標(biāo)也很難順利對中；在這些惡劣環(huán)境下，該方法都能有效解決測量施工問題。

5.結(jié)論

全站儀發(fā)展到今天，已經(jīng)是一種很成熟的測量工具，除了掌握它的常規(guī)操作方法，在實(shí)際施工中我們也要學(xué)會結(jié)合強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助制圖軟件解決施工中遇到的問題，在實(shí)踐中不斷總結(jié)思考、優(yōu)化工作方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家測繪地理信息局職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.測繪綜合能力[M].測繪出版社， 2017.