全站仪

全站仪（Total Station）是在电磁波测距仪和电子经纬仪进行集成设计的基础上，并逐步对其功能不断完善而形成的一种高精度测量仪器，^[1]包括电子测角、电子测距、数据计算部分和通信接口等多个组成部分。^[9]全站仪可以完成角度测量、距离测量、三维坐标测量、定位、数据采集等多种测量任务，^[6][7]同时，它具有自动纠正、自动补偿等高级功能，可在复杂环境下实现高精度、快速和稳定的测量。^[10]全站仪还可以与计算机连接，实现数据存储、处理和分析，从而大大提高工作效率，^[11]其主要特点包括测量精度高、速度快、操作简单方便等。^[12][13]根据外观结构、测量功能和测距能力等方式，全站仪可以分为多个类别，^[14][15]被广泛应用于测绘、建筑、交通、水利等领域中的测量工作。^[2]随着科技的发展，现代全站仪也不断进行着革新和发展，其主要向着数字化、实时化、集成化、在线化和自动化的方向进步。^[9][16]

20世纪60年代末，测距仪与电子经纬仪的结合，促使全站仪面世。^[17]1971年，美国天宝公司宣称生产了世界上第一台全站仪，但其实在1968年，西德Opton厂已经将电子经纬仪与电磁波测距仪结合，设计出了名为 RegElta 14 的全站型电子速测仪。^[18]1971年，在同一展会上，瑞典 AGA 公司也展出了与 RegElta 14 功能一样的 Geodimeter 700。^[9]

20世纪70年代，以奥普通厂（Opton）、瑞士威尔特厂（Wild Heerbrugg Ltd）、美国惠普（Hewlett－Packand）为代表的厂商生产、制造了第二代全站仪，第二代全站仪因集成电路和微处理器的广泛应用而大大增强了实用性。^[17]典型产品包括1977年美国惠普公司生产的HP3820A以及同年瑞士威特厂和SERCEL公司协作生产出的TC1全站仪。^[18][9]

20世纪80年代，随着电子测角技术和数据微处理与存储性能的提高，全站仪得到了迅速的发展。^[17]世界主要的测量仪器生产厂商都开始制造全站仪，日本厂商如索佳、尼康、拓普康和宾得等异军突起。^[18][9]

20世纪90年代开始，世界知名厂商先后推出了具有创新特色的全站仪，如天宝公司的全自动全站仪、徕卡（Leica）的免棱镜激光全站仪和拓普康（Topcon）的自动跟踪全站仪等。^[18][9]在这个年代，全站仪的功能进一步丰富与完善，并在测绘等领域得到广泛应用。世界上生产全站仪的厂商日益增加，并且各品牌的全站仪都成系列化，各品牌的全站仪性能、价格、应用场景都有所区分，能满足不同用户的需求。^[17]

全站仪采用电子经纬仪的测角部进行角度测定，具备水平角和垂直角测量的能力，在角度测量时，全站仪会利用其内部的测角部，对两点之间的视线角度进行了测定，将其自动转化为水平和纵向，以判断两点的位置和方向关系。此外，它还拥有许多的功能，例如水平角设定，垂直角显示转换，角度单位转换，角度自动补偿等。^[6][7]全站仪的角度测量是靠电子经纬仪来完成的。和光学经纬仪的原理差不多，电子经纬仪也可以使用度盘，但不同的是，它并没有使用读取度盘上的分划线的方式来获取角度值，而是将度盘上的刻度值通过电信号转化成了数字，并将其显示在屏幕上。电子测角将测角数据进行数字化处理，将测量结果以数码形式进行展示。电子测角的本质也就是通过数字化的角码转换系统来实现对角度的测量，常用的有编码度盘、光栅度盘或动态光栅度盘等三种转换系统，取代了常规的光学读数法。^[3]

全站仪具有光波测距仪的测距部，该系统除了可以测定到反射镜（斜距）的距离之外，还可以依据系统的型号、棱镜个数及天气情况进行调整，以适应各种测量目标及工作需要。全站仪也能够进行测距方式的转换，根据具体情况可设定为高精度测量和快速测量，可以选择距离测量的最小分辨率和测距次数，还可以设定测距精度和时间，并具有多种纠正功能。^[7][8]

全站仪测距是一种用于测量两点之间距离的方法，具体思路是利用目标物接收电磁波并将其反射回仪器位置，通过计算电磁波的传输时间以求得距离值。^[4]在测距的过程中，全站仪会向目标物发射电磁波，目标物接收到电磁波后，将其反射回仪器位置，仪器接收到反射回来的电磁波，并计算出电磁波从仪器到目标物再回到仪器的时间延迟，最终根据电磁波传播速度和时间延迟计算出仪器到目标物的距离。根据测定时间的方式，全站仪测距分为直接测定的脉冲测距法和间接测定的相位测距法。直接测距法是指通过计算电磁波在往返传播过程中的时间差，直接获得测量距离。而相位测距法则是先测量出电磁波的相位差，通过计算相位差再乘以波长，最终得到测量距离。两种测距方法各有优劣，根据实际情况选择适合的方法进行测量。^[5]

设置好了测量参数之后，可以通过全站仪直接测量某个位置的三维坐标，从而极大的提升了测绘工作的效率。在一个已知点上放置全站仪，然后输入仪器高和棱镜高，再把测站点的平面座标和高程都输入进去，再把另外一个已知的点（也就是所谓的定向点或后视点），再使用机载后视定向功能来进行定向，把水平刻度盘的读数设置成测站到定向点的方位角，然后对目标点（又叫前视点）上的反射棱镜，并按下测距键，就可以得到目标点的三维坐标。^[7][8]

全站仪除了有角度、距离和三维坐标测量等主要功能外，还拥有如休眠和自动关机、显示内容个性化、电子水准器、照明系统、导向光引导、数据管理等辅助功能。^[7]全站仪内部配置有微处理器、存储器和输入输出接口，可以运行复杂的应用程序，因而具有对测量数据进一步处理和存储的功能，例如自由设站、导线测量、偏心测量、悬高测量、面积测量等。^[8][19]

全站仪由电子测角、电子测距、电子补偿、微机处理装置四部分组成，它本身就是一个带有特殊功能的计算机控制系统，其中微机处理装置由微处理器、存储器、输入部分和输出部分组成。全站仪通过微处理器对从数据采集部分得到的倾斜距离、角度、误差等信息进行处理，得到各个校正后的观测数据和计算结果，在仪表的内存中，将测量所用的程序进行固化，通过程序来实现测试。^[20]

其中测角部分为电子经纬仪，用来测水平角、竖直角和设置方位角，自动完成角度读取；测距部分为光电测距仪，用来测定两点之间的距离；补偿部分用来实现对竖轴倾斜系统引起的水平角、竖直角误差的补偿修正微型机用来接收输入输出指令、控制作业方式、进行数据处理等；电源为各部分供电，使其能够进行充电和放电；输入/输出包括键盘、显示屏和通信接口，是与外部设备连接的装置，使全站仪能与其他设备交互通信和传输数据；以上各部分通过输入输出（I/O）接口接入总线，并连接到同一个微处理器。^[9][20][21]

使用了先进的同轴双速制，微动机构，使得照准更加快速准确。^[12][13]拥有一套完整可以进行人机交互的控制界面，包括了键盘和显示窗口，除了照准目标之外，其他的各种测量功能和数据都可以利用按键来完成，在仪表的两边都有控制面板，操作方便。^[12][13]安装了双轴式的倾角补偿装置，能够在横向和纵向上对其进行自动补偿，从而克服了对坚轴倾斜误差的影响。^[12][13]机器内部预装了测量相关的应用程序，可以很容易地完成三维坐标测量、放样测量、后方交会、悬高测量、对边测量等多项工作。^[12][13]拥有双路通视的能力，仪表将测试的结果传送到了电子手簿式电脑上，同时还可以接收来自于电子手簿或电脑的命令和数据。^[12][13]

同轴望远镜。在全站仪的光学测距系统中，被照射物的视准轴与光电测距系统中的红外线发出、接受光轴成一条直线。在测定过程中，只要将望远镜对着目标棱镜的中央，就可以测定出水平角，垂直角和斜距。^[10]键盘操作。在全站仪中，通过键盘来输入命令，按键可以被划分成两种类型，分别是硬键和软键。每种硬键都拥有一个或多个固定的作用，而软键的作用却是由在各种菜单下所呈现的字符提示决定，在不同的菜单界面下，软键通常拥有不一样的作用。^[10]数据存储与通信。全站仪的数据存储与通信是通过内存储器和存储卡进行，可以对采集的测量数据进行存储和传输，以便进行下一步处理。内存储器相当于计算机的内存，而存储卡是一种外存储媒体，可以通过通信接口和电缆实现信息传输。^[9]双轴自动补偿。全站仪设有双轴（或单轴）倾斜自动补偿系统，能够消除观测误差对角度观测的影响。当全站仪未精确整平时，也能自动测量出纵轴倾斜的角度值，并自动对角度观测值进行改正。^[9][10]

早期已有的几种类型的全站仪，多采用积木型的构造，将电子测速仪、电子经纬仪和电子记录仪作为独立的单元，既可以单独应用，又可以组合在一起构成完整的全站仪。^[14][15]各个组件之间使用电缆来完成数据的传输，在完成工作之后，可以将它们分别拆卸下来，使用者就可以根据作业的准确度要求来选择不同的测角、测距设备的组合，具有良好的适应性。^[22]

随着电子测距仪器的体积和重量的不断减少，大多数新型的现代全站仪将测距、测角、记录器三者有机地集成在一起，使测距仪的发射、接收轴与望远镜的视准轴线成为共轴结构，从而更好地确保测距的准确性。^[14][15]测距部和测角部共用一个光学望远镜，测距离、测角度均可实现一次对准，操作简便。^[23]

经典型全站仪也称为常规全站仪，它具备全站仪电子测角、电子测距和数据自动记录等基础功能，有些还能够执行由厂商或使用者自行开发的机载测量程序。^[14][15]

机动型全站仪将常规的全站仪与步进电动机组合在一起，实现全站仪照准部分及观测系统的自主旋转驱动。在计算机的实时监控下，机动型全站仪能根据计算机设定的方位参数，实现对目标点的自动校准，并可实现自动正、倒镜测量。^[14][15]

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。^[14][15]

智能型全站仪在机动型全站仪中引入自动对象识别与自动调光等新技术，从而使其在走向自动化的过程中，能够有效地解决依赖人工照准等重大缺陷，达到提高其智能水平的目的。^[23]在没有人工介入的情况下，利用相应的软件程序进行控制，智能型全站仪可以实现对多个目标的识别、照准和测量的自动化。^[14][15]

全站仪利用电磁波进行测距，根据测距范围可以分为以下三类测距仪：短程测距仪、中程测距仪和长程测距仪。短程测距仪测程小于3km，测距精度一般为±(5mm + 5ppm×D)，用于普通工程测量和城市测量。中程测距仪测程为3~15km，测距精度一般为±(5mm + 2ppm×D)或者±(3mm + 2ppm×D)，通常用于一般等级的控制测量。长程测距仪测程大于15km，测距精度一般为(5mm+lppm×D)，通常用于国家三角网和特级导线测量。^[24]测距精度通常以±(A+B×D)的形式出现，其中A代表固定误差，B为比例误差系数，D为所测距离。^[14]

全站仪在各种工程领域中都发挥了极大的作用，不仅仅局限于测绘、建筑、交通、水利、地籍和房地产测量等方面，还被广泛应用于大规模的工业生产设备和构件的安装调试、船体设计建造、大桥水坝的变形观测、地质灾害监测和体育竞赛等方面。^[2]

全站仪在在地貌测定中，可以控制测量与地貌测定同步进行；在工程建设的放线过程中，通过对规划的管线、道路和建筑物进行定位，可以实现对工程建设进行三维坐标快速施工放样；在变形观测中，能够实时动态地监控建筑物和构筑物的变形等。在控制测量中，测距部分实现了导线测量和前后交会的编程，有着操作简便、速度快、精度高的特点。在同一个测站点，全站仪可以进行角度、距离、高差等多种测量，并能进行信息的储存和传递，通过传送装置，可以将全站仪与计算机和绘图机连接在一起，形成一个内外部一体化的测量体系，大大改善了测量工作的效率。^[2][25]

现代测绘学的任务不仅在于定位地理位置，还包括采集和管理地理位置属性数据。现代测绘仪器应能方便地采集、存储、管理、转移和使用不同属性数据，以使数据更容易被纳入GIS框架中，与属性数据集成并进行计算机处理。随着科技的发展，现代全站仪也不断进行着革新和发展，其发展趋势主要有五个方向。^[9][16]

数字化。数字化要求全站仪可以输出可被计算机直接处理、传递和交换的数字表示的地理数据，这是全站仪实现测绘内外业一体化的基础。^[9][16]实时化。使测绘仪器具备实时处理数据的功能，这可以帮助实时检查测量的质量，提高效率；另一方面可以直接根据测量成果进行后续工作。^[9][16]集成化。现代测绘工作的一个显著特点是分工明确，各种测量相互渗透，这就要求全站仪在硬件上集成功能，软件则具有开放性，方便各种仪器采集的数据进行交换和共享，提高测绘工作的效率和进度。^[9][16]在线化。全站仪在线处理测量数据以提高测量精度和效率，并及时更新GIS数据库以保持数据的时效性。^[9][16]自动化。自动化则将使全站仪不仅是单纯的观测工具，而是相当于智能的测绘助手，并越来越接近PC机桌面系统以方便用户进行开发。^[16]

全站仪未来的发展趋势是解决全站仪的复杂计算问题，将需要外接设备完成的功能全部整合到仪器中，同时采用近景摄影与GPS技术提高数据采集精度，在数据处理过程中应用平差、成图、编辑、打印，并实现自动化和智能化。^[16]