全站仪极坐标法（共6篇）
全站仪极坐标法 篇1
0 引言
随着科技的发展,全站仪在测绘中应用越来越广,且技术越来越成熟。它汇聚电子经纬仪、光电测距仪和数据记录及处理于一体,其测量距离和测量角度精度有很大提高,在野外矿区测量中,由于全站仪测设角度方便、测设距离较长,并且该仪器在一个测站点能快速进行三维坐标测量、定位和自动数据采集、处理、存储等工作,所以很受测绘人员的青睐。另外极坐标法布设灵活,只需要两个已知点,就可测设多个未知点,劳动强度低、效率高,因此全站仪极坐标法是点位测设中最常用、最灵活的一种方法。
1 极坐标法测设原理和工作步骤
如图1所示,A、B、C为已知控制点,P点为待定点,测设前先根据已知点A、B、C及待定点P的坐标,利用计算器求出A点到B点的方位角αΑΒ,A点到C点的方位角αΑC,以及A点到P点的水平距离S和方位角αΑP,然后再根据方位角求出水平角β。
全站仪极坐标法工作步骤如下:
(1)在A点安置全站仪,对中整平,初次开机设置:气温、气压、棱镜常数、对比度等;紧接着把测量模式设为“放样”。
(2)输入已知A点坐标,照准C点,输入A点到C点的方位角αΑC,转动仪器照准B点,读出数据,作为检核,使测出的数据与设计数据误差很小。
(3)输入待测点的坐标,转动仪器,屏幕上显示出当前视线方向与设计方向之间的水平夹角,当该夹角接近0度时,用制动旋钮制动仪器,转动水平微动螺旋使夹角为0°00′00″。
(4)用对讲机机指挥立尺员将棱镜立于视线方向上,按“测设”键,全站仪即测量出测站至棱镜的水平距离,并计算出该距离与设计距离的差值,在屏幕上显示出来。
(5)观测员通过对讲机将距离偏差通知持镜员,持镜员按照此距离靠近或远离仪器(一般距离为正表示需要靠近仪器,距离为负表示需要远离仪器),当偏差值不大时,在地面上做记号,打下木桩。
(6)手持小红白旗,在木桩顶端靠近仪器的一端左、右移动,当观测员从望远镜中瞄准小红白旗尖端时,在木桩的此位置做一标记A。同样手持小红白旗,在木桩远离仪器的一端左、右移动,找到另外一点做好标记B。
(7)将木桩顶端A,B两点连线,这条线即为设计方向线。在此方向线的中点位置手持棱镜测距,然后根据屏幕上显示的距离,在方向线上移动,直至d HD=0时,在此点位打上小铁钉,立棱镜点即为实际的点位。然后回到常规测量界面,定测出该点的坐标,就算这点放样完成。紧接着下一点的测量,在同一个测站上,测设多个坐标点时,重复(3)~(7)步操作即可。
2 常规物探测网测量
(1)在物探线端点架设仪器,对中整平,打开全站仪开关。设置气温、气压、棱镜常数、对比度等。
(2)按常规测量图标,点击坐标模式,输入A点坐标作为测站坐标,同时也输入测站仪器高,战标高。
(3)转动仪器用望远镜瞄准后视点,输入后视点的方位角,再转动仪器当显示的角度接近设计方位时,制动照准部,转动水平微动螺旋精确达到设计方位,此时视线方向即为设计方向。
(4)仪器观测员指挥棱镜立尺员将棱镜立于视线方向上,按“测量”键,全站仪即测量出测站至棱镜的水平距离,并计算器计算出该距离与设计距离的差值,若该差值为正,指挥棱镜立尺员向靠近仪器方向移动,若该差值为负,指挥棱镜立尺员向远离仪器方向移动,至到棱镜立尺员立的棱镜在设计方向线上且所测距离与设计距离的差值为零时,打下木桩。此点算完成。紧接着下一点的工作。
(5)至到仪器观测员看不到棱镜立尺员时,立尺员返回来在能看见仪器且在设计方向线的位置上打桩,并在木桩上立棱镜,观测员按“测量”键,全站仪即测量出此点的坐标,此点就是转站点。
(6)搬动仪器,到转站点上架设仪器,重复1-5的工作,直到整条线测完。
3 全站仪极坐标法测设物探线的一种新方法
本矿区的物探工作是1:5000激电剖面测量,工作网度为100×20米的规则网,测线方位6°,点位精度0.5米,并且在最短的时间内完成任务。本矿区有测量控制点,笔者依据设计方案在矿区布设物探网的对面控制点上架设仪器,实施放样工作。具体步骤如下(如图2所示)。
(1)依照设计图确定出物探网起点1-1的设计坐标。
(2)以1-1的设计坐标为依据,用有程序功能的计算器以设计的方位和设计的水平距离分别计算出其他点的设计坐标如:1-1、1-2、1-3、2-1,2-2、2-3、3-1、3-2、4-1、4-2等点的设计坐标。
(3)以已知控制点和设计点的坐标,分别计算出控制点到设计点的水平距离和方位,记录在笔记本上,以备放样时使用。
在C控制点上架设全站仪,对中整平,用仪器望远镜照准D点,输入C点至D点的方位角,转动仪器照准E点读出数据,作为检核,使测出的数据与设计数据误差很小时,就可以测量,否则重新照准D点,重复上面工作,直到使测出的数据与设计数据误差很小时,才能正常工作。工作时可以同时测设1线、2线、3线、4线与控制点通视的点。至于不通视的点,观测员在本子上做好标记,通知棱镜立尺员也在附近做好记号,等在控制点上测完所有通视的点后,再抽出一两天时间进行补测,至于具体点位测设,采用上述全站仪的工作步骤进行布设。在这里不再累述。
用以上的新方法,笔者认为第一天工作稍慢些,因为棱镜立尺员对这项工作不熟悉,到第二天至以后,只要棱镜立尺员记住三点一线,并且记住上山时,水平距离20米应大概跑多少步,这样就能迅速地跑到点位,观测员通过仪器照准部照准,用对讲机对话,指挥棱镜立尺员稍微前后左右移动一下,就能精确到达点位。节省时间,提高效率。用此方法在视野开阔的平原地区或地势平坦的沙漠地区效果更佳。
4 点位精度
检查点位的精度质量问题,我们在野外要抽查一部分点的,在这里为了说明问题,笔者只选取了有代表行的4个点来讨论。
从表1,表2可以看出,放样时,点位误差在0.1-0.4之间,抽点检查是点位误差在0.0-0.2之间,完全满足物探的精度要求,质量可靠。
注:从上表可以看出,ΔX为定测坐标与设计坐标在横坐标x上的偏差,ΔY为定测坐标与设计坐标在纵坐标y上的偏差,ΔS为定测坐标与设计坐标在距离上的偏差.
注:ΔX为检查坐标与定测坐标在横坐标x上的偏差,ΔY为检查坐标与定测坐标在纵坐标y上的偏差,ΔS为检查坐标与定测坐标在距离上的偏差,ΔH为检查点高程与定测点高程之差值,定测坐标是以C点架设仪器测的数据,检查坐标是以D点架设仪器测的数据.
5 结论
(1)利用全站仪测设角度方便、测设距离可以较长,所以全站仪极坐标法在矿区布设点位是非常高效灵活的一种实用方法,应以推广。
(2)常规物探剖面测量与笔者所用新方法对比,可以得出:常规方法测设时,只能一条一条测设,遇到地形复杂,海拔较高,高差较大,通视困难地区时,搬站次数多,费时费力。由于搬站次数多,测量误差累计大,所测出的测点误差大,有时很难保证测量精度。用新方法时,在一个测点上架设仪器可以同时测设3-4条线,并且精度较高,减轻劳动强度,提高工作效率。
(3)通过工作验证,常规方法测设时,一天最多测设1-2条线,新方法测设时,4-5条线不成问题。当然以上验证局限于青藏高原高海拔地区,也许在其他地区效率更高。
摘要：介绍了全站仪极坐标法布设、测定点位的基本原理以及工作方法,指明了传统测设物探网方法的不足,并对点位精度问题进行了探讨,提出了一种能够满足物探网精度要求,又能加快放样速度、节省人力、提高经济效益的新方法。
关键词：全站仪,极坐标法,测定点位,物探网,点位精度
参考文献
[1]李青岳,陈永奇.工程测量学(第2版)[M].北京:测绘出版社,1995.
[2]武汉测绘科技大学《测量学》编写组.北京:测绘出版社,1991.
[3]GB/T18341-2001《地质矿产勘查测量规范》.
全站仪极坐标法 篇2
1 放线的基本原理及步骤
A、B两点为导线点, 其大地坐标已知。C点为路中线上的待放点, 其平面大地坐标可由计算得出, 这里我们视为已知。由A、B、C三点的平面大地坐标可计算出AB与AC间的夹角γ、AC的水平距离T。置仪于测站A、后视B, 椐γ和T即可放出C。
由于建筑物等障碍, A、C两点间有时不通视。这时需设置转点D, 将仪器转至D点以放出C。为此应算出新测站D的平面大地坐标。求算转点的大地坐标是放线要解决的另一个问题。
2 放线的计算问题分析
如前述, 放线要解决的计算问题包括两个:
(1) 已知A、B、C三点的平面大地坐标, 求AC与AB间夹角γ, AC的水平距离T。
设A、B、C三点的坐标为 (XA, YA) 、 (XB, YB) 、 (XC, YC) , 若求得AB边、AC边的方位角AB、AC, 则不难求得夹角γ。
令DX=XB-XA DY=YB-YA
则AB边长
AB为象限角
则方位角
由坐标北方向或南方向至已知直线的夹角为象限角。当直线位于第一、第二、第三、第四象限时其象限角分别为 R01、 R01、 R03、R04, 其四个象限角均为
与求AB方位角的方法相同, 可求得AC边的方位角AC。
夹角 γ=AC-AB (当|AC-AB|>180.0时, γ=360-|AC-AB|)
(2) 已知A、B两点的坐标 (XA, YA) 、 (XB, YB) , AB边的方位角AB, AD边与AB边的夹角β, AD边的水平距离T, 求D点的坐标 (XD, YD) 。
首先求出AD边的方位角:AD=AB+β (β在放线前进方向右为右角反之为左角, 右角为负值, 左角为正值。)
则转点D的大地坐标:XD=XA+T×COS (AD) , YD=YA+T×SIN (AD)
3 程序设计及实例
(1) 问题如图1, 已知后视点B的坐标 (X (N) =5670, Y (E) =4382) , 测站点A的坐标为 (X (N) =5500, Y (E) =4500) , 待求点C的坐标为 (X (N) =5631, Y (E) =4725) , 计算导线AB的方位角。
实地放线过程描述如下:因AC不通视, 首先设置转点D1, 从测站A点立仪器准备转点数据, D1与A点的斜距108, 夹角在放线前进方向右, 即度盘读数155°, 测站点与立镜的竖角读数为25°, 根据数据计算出D1点坐标及与A点平距、AD1的方位角等, 然后将仪器移到D1点作为测站, 将A作为后视点, 计算导线D1A的方位角。
因D1C不通视, 继续设置转点D2, 从现测站D1点立仪器准备转点数据, D2与D1点的斜距108, 夹角在放线前进方向右, 即度盘读数110°, 测站点与立镜的竖角读数为25°, 根据数据计算出D2点坐标及与D1点平距、D1D2的方位角等, 然后将仪器移到D2点作为测站, 将D1作为后视点, 计算导线D2D1的方位角, D2与C通视, 不再设置转点, 计算导线D2C方位角, 计算D2C的平距, 以最后转点D2为测站, 后视D1, 待放点C, 即D2D1～D2C的夹角。
然后在测站点D2根据算得的平距和夹角拨盘, 立反射镜, 并输入反射镜放置点与仪器之间的测量斜距及竖角, 算出反射镜与仪器之间的平距, 如果实际立镜点与测站点平距与程序计算所得平距相等即可定桩放线, 否则移动立镜点, 继续输入反射镜放置点与仪器之间的测量斜距及竖角, 算出反射镜与仪器之间的平距, 直到实际平距与计算平距相同位置。
(2) VB源程序
定义下列变量为全局变量
其中, FANGWEI (e, s, X1, Y1, X2, Y2) 为求方位角子程序, DEG (X) 为将度分秒形式的角度化成为以度形式表示的子函数, DMS (X) 为将度形式表示的角度化为以度分秒形式表示的函数。
(3) 程序说明
在程序中, 如果测站点与待放点不通视, 程序第20行弹出对话框, 问是否设置转点, 回答”y”表示设置转点如图2, 并继续弹出对话框要求输入新转点与前一转点的测距、夹角、竖角读数, 如图3, 计算转点坐标、方位角, 并将计算出的转点作为新的测点, 将原测点作为后视坐标, 计算新的方位角。直到输入“n”, 程序转到41行执行输入待放点坐标, 作为后视坐标, 将最后一个转点作为测点计算方位角、与前一导线的夹角B、水平距离T。程序第57～58行显示结果, 59行要求输入测站点与立镜点斜距、竖角, 计算立镜点与待放点之间的实际平距是否与计算平距相同, 如果误差不超过3cm则可以结束程序, 进行放线。
(5) 流程图如图5。
4 结论
随意置仪法是一种方便灵活的曲线测设方法, 通过VB程序编制的友好界面, 可以很方便的完成随意置仪的极坐标实地放线工作。
摘要：根据测距仪或全站仪随意置仪放线的原理, 编制VB程序, 可在实地放线中利用简单、友好的界面完成随意置仪并放线的工作。
关键词：全站仪,极坐标法,VB
参考文献
全站仪坐标法在直线定线中的应用 篇3
全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器, 是集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。在外业测量过程中, 它能对测量数据实时的记录、储存、计算并显示出所需要的测量成果[1]。测量作业所需要的已知数据也可以从计算机输入全站仪, 从而使测量的外业工作高效化, 而且可以实现整个测量作业的高度自动化。
在实际施工测量中, 经常遇到直线定点的情况, 由于有些直线较长, 其间难免遇到有建筑物或树林等障碍物遮挡的情况, 使得常规直线工作难以进行。基于此种情况, 国内诸多文献对此作了许多研究, 提出了一些很好的测量方法:比如点坐标已知的情况下对直线外设站放样直线上任意点进行了探讨[2];根据极坐标的方法, 在假设角度的情况下对不通视直线段上的点的施工放样进行研究[3]。当在不通视直线段上, 两端点坐标未知, 周围无已知点, 此时要在直线段上定出中间若干点的位置, 以上方法都难以实现。本文主要针对这种情况进行探讨, 并通过间接的方法确定出中间点的位置, 在实际施工工作中能够得到较好的效果。
1直线定线的概念和方法
测量距离或者在直线放线时, 如果两点之间距离较长 (超过一个尺段长) , 会使沿直线测量距离或者直线定线时发生困难。这时需要在直线的方向上标定出若干个点, 使它们在同一直线上, 作为分段测量距离或直线放线的依据, 这项工作成为直线定线[4]。一般在两点通视的情况下可采用目估法定线和仪器 (经纬仪等) 定线。但是在不通视的情况下, 再采用上述两种方法都难以实现。本文主要介绍了全站仪坐标法直线定线, 对于不通视的情况, 能够快速实现直线定线的目的。
2全站仪坐标法直线定线
A, B两点实地位置如图1所示, 某单位要在A, B两点间进行直线定线, 但A, B被一高层建筑物遮挡, 该单位应用南方全站仪 (NTS-340) 坐标法完成了该项目的直线定线工作。
2.1坐标系中坐标反算
以C点为假定控制点, 且C点与A, B两点均通视, 假设它的坐标为 (100.000, 100.000) , 用磁北方向进行定向, 在C点架设全站仪建站 (见图2) , 先对中整平, 输入测站点的坐标 (100.000, 100.000) , 输入后视方向方位角为0.000 0, 然后旋转全站仪照准磁北方向, 进行定向 (如图3所示) 。再把全站仪分别照准A, B方向, 测得A, B两点的坐标 (如图4所示) [5]。然后应用坐标反算法计算出A, B两点间距离为DAB和假定坐标系中坐标方位角为αAB[6]。
2.2坐标系中坐标正算
将A, B两点间距离分为n+1段, 每段相对于起点的距离为D1, D2, …, Dn, 利用坐标正算出这n点坐标[6]为 (X1, Y1) , (X2, Y2) , …, (Xn, Yn) 。
2.3在A, B两点间定出n个点
同样在A点或B点架设全站仪, 对中整平, 然后输入测站点A点或B点的坐标, 以C点作为后视方向定向, 依次将这n点在实地放样出来, 并打好木桩。
2.4 A, B两点间定线
用石灰在实地把A, 1, 2, 3, …, n, B点铺设出来, A, B两点之间的直线定线工作就完成了。
2.5直线定线校核
在1点架设好全站仪, 将仪器对中整平后, 照准2点, 方向值设为0.000 0, 然后旋转全站仪, 照准2方向, 记录下该方向角度, 用同样方法在2点架设全站仪, 照准1方向, 方向值设为0.000 0, 然后旋转全站仪, 照准3方向, 同样记录下该方向角度, 依次类推, 所有放样点都测绘完后, 计算所有转折角角度之和, 当所有转折角之和在限差范围内时, 则满足要求。否则, 则要重新进行直线定线。
3全站仪坐标法直线定线的几点体会
通过本文分析和实际测量作业的验证, 得到以下结论:
1) 使用全站仪坐标法直线定线时, 仪器操作简单、易于理解, 在实际操作过程中较灵活, 各项数据通过全站仪内置程序自动运算, 测线定点的速度快, 和通常测量定线方法相比, 工作效率提高一半以上。
2) 因全站仪测距和测角精度比较高, 用全站仪坐标法在不通视两点间直线定线比传统目估法和经纬仪定线法进行直线定线在精度方面提高一个等级。
3) 在建筑物、构筑物和山区进行两点间的直线定线时, 该方法更为实用, 具有很大的优势。
4) 测线上转点的点位精度主要受观测边的测距误差的影响。距离测量误差主要受仪器测量精度的限制, 在天顶距较小时, 测距误差的影响较小, 随着天顶距的增大, 其误差影响也随之增大。所以测量的过程中应关注测距的精度问题。
4结语
本文讨论了如何利用全站仪坐标法进行直线定线的方法, 所给方法具有普遍性, 对各类线形工程均适应。与常规方法相比, 本文方法野外工作简单, 误差不易累积, 测设精度较高, 同时也发挥了全站仪综合使用效率, 在实际的施工工程当中有一定的推广作用。
参考文献
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[4]金为民.园林测量[M].北京:中国农业出版社, 2006.
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[7]万文利, 赵建三.全站仪在公路路线测设中的综合利用探讨[J].江西测绘, 2005 (3) :37-39.
全站仪测定三维坐标的新方法 篇4
众所周知, 全站仪三维坐标 (X, Y, Z) 测量实际就是平面二维坐标 (X, Y) 和高程H的测量, 而平面坐标 (X, Y) 的测量实际就是由平面角度α和距离S推算得到, 高程测量就是测量竖直角和斜距组成的三角高程测量。
在许多的实际工作中, 用全站仪测量目标点的三维坐标时, 无法将棱镜放到待测点上, 或者难度较大, 或者没必要每次测量都放置棱镜, 比如变形观测等, 就很难直接测量目标点的坐标。全站仪功能中普遍具有一项悬高测量功能, 该功能测量时要求将棱镜放在目标点在地面的投影点上, 但在实际操作时, 目标点在地面的投影点上也很难放置棱镜或者其投影点很难准确的确定, 这样, 测量的结果就会出现错误。这就要求我们进行新方法的研究以解决这些问题。
1 全站仪悬高测量原理
测量某些不能设置反光棱镜的目标 (如高压电线、桥梁桁架等) 的高度时, 可以利用目标上面或下面能安置棱镜的点来测定, 称为悬高测量, 或称遥测高程。
如图1所示, 测站为A, 目标T为某目标点, 在其地面上投影点上安置反光棱镜P, 量取棱镜高h1。瞄准棱镜中心, 测定斜距S及天顶距ZP。瞄准目标点T, 测定天顶距ZT。则T点距离地面的高度为:
由此可见, 悬高测量的原理很简单, 观测起来也很便捷。利用全站仪提供的该项特殊功能, 可方便地用于测定悬空线路、桥梁以及高大建筑物、构筑物的高度。值得注意的是, 要想利用悬高测量功能测出目标点的正确高度, 必须将反射棱镜恰好安置在被测目标点的天底, 否则测出的结果将是不正确的。
2 一般点的三维坐标测量
2.1 利用前方交会确定目标点P的平面坐标
如图2所示的前方交会原理图, 由测量知识可知P点的平面坐标可以用下式进行计算:
同样还可以计算出点A与点P的水平距离为:
2.2 测量任意目标点P的高程
如图3所示, A, B都为已知点, 首先在A点架设全站仪, 在B点放置棱镜分别量取两点的仪器高分别为iA, iB。P点为待测目标点。首先测得全站仪与棱镜的斜距为S, 棱镜的垂直角∠DA1B1=γ。瞄准目标点, 可以测得目标的垂直角∠DA1C=θ。这时进入全站仪的悬高测量功能界面 (REM) , 瞄准目标点, 全站仪将显示一个数值, 但我们要注意的是这个数值并不是目标的距离地面的高度, 而是棱镜点正上方的点C距离地面的高度HC, 也就是棱镜点的悬高值。我们可以通过图中的三角关系利用数学知识将P点的高程计算出来。
如图, 令CC1=△H, A1P1=S1, (2-2) 其中A1P1为点A与点P的水平距离。
故点P的高程为:HP=HC- (S*cosγ-S1) *tanθ+HB (3)
其中HB为B点的高程。根据图中数据我们可以得出HC的计算公式为:
于是可以得到:
3 实例及精度分析
3.1 实例
依据前文所提出的一般点的三维坐标测量方法以及所推导的公式, 弄清了在实际工作当中所需要采集的数据。这样我们就可以按照所提出的方法来进行测量工作, 还根据设计和工作实际设计了数据记录表格, 把所采集的数据记录在表格当中, 以备内业数据处理的需要。
在实际测量过程中我们可以发现, 在全站仪进入悬高测量界面以后, 悬高显示的测量值只与竖直角有关, 与水平角没有任何关系, 因此就可以测量任意点的高程。
3.2 精度分析
前面我们已经推导出以下几个公式: (1) 、 (2) 、 (4) 、
下面来对XP, YP, HP分别进行误差分析:
上述公式的观测值均有误差, 观测值α, β, γ, θ, S, 的误差分别为mα, mβ, mγ, mθ, mS。计算值XP, YP, HP, S1的误差分别为mXP, mYP, mHP, mS1。
由误差传播定律可以得到:
取一组观测数据来计算各个量的误差, 分别得到各量的中误差为:
计算的误差结果显示符合测量要求, 由于本方法是两点前方交会, 其误差的大小由两已知点与目标点之间的交会角来决定, 误差有可能超出要求, 这时为了更精确的来测量目标点的三维坐标, 我们可以采取三点前方交会多次观测后来计算目标点坐标的平均值, 这样就可以是精度符合测量的需求。由于公式较为复杂, 并且测量所获得的数据也很多, 那么计算量将是非常大。通过Visual C++6.0编写一个小程序来帮助我们批量计算数据, 这样可以为我们带来很大的方便。
4 应用及其总结
本文所讨论的方法在徐州市泉山北坡变形检测工作中已经得到应用。在应用的过程当中总结出有如下特点。
(1) 能有效的解决悬垂点在地面的垂直投影点不能架设棱镜时的悬高测量问题。
(2) 即使悬垂点在地面的垂直投影点能架设棱镜但在实际操作时, 很难将棱镜置于同一铅垂线上, 从而是测量结果出现系统误差。使用这种方法能消除这种系统误差, 在任何情况下都可以得到满意的结果。
(3) 由于用这种方法测量时, 目标点与全站仪点及棱镜点并不要求在同一平面内, 这样目标点是任意的, 因此通过这种方法我们可以测量我们观测范围内的所有的目标点三维坐标, 这正是这种方法的最大的优点。
(4) 由于这种方法是间接的测量出各待测量的结果, 各待测量分别是各观测值的函数, 这样由于误差的不断累计各待测量的误差都会增大, 使得测量结果的精度不是很高。在测量中, 量测仪器高是出现的误差就会比较大, 这对测量的结果的精度影响是相当大的。因此在精度要求 不是很高的测量中就可以运用这种方法。这也是这种方法所不足的地方。
(5) 不同的全站仪有不同的测距中误差和测角中误差, 这也是决定悬高测量精度高低的一个因素, 所以在实际生产中应根据要求的精度选择合适的全站仪
(6) 我们可以多选几个已知点, 进行多次观测, 计算出结果然后求平均值的方法可以是其精度提高。我们还可以在一些测量的细节问题上如观测角度时我们可以使用盘左、盘右多个方向的观测使得观测的角度值更加精确, 这样就可以减小测量过程中所带来的测量误差。
参考文献
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[2]李青岳, 陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社, 1998.
[3]马明栋.Visual C++6.0控制测量程序设计[M].内蒙古大学出版社, 2002.9.
全站仪局域轴网内坐标放样测量 篇5
在机电工程中主要用于厂房建筑工程, 大型设备基础工程平面控制网测设;用于轴网和柱网的测设则是将其当作经纬仪和测距仪来应用, 有的测量技术人员也用全站仪进行坐标放样测量放线, 测设桩位测设, 柱位测设, 也是用全站仪当经纬仪定位轴线和测距再加卷尺等辅助工具定位放线。这些方法没有最大限度的发挥全站仪的功能和作用, 要全面发挥全站仪的功能和作用, 还值得我们发些时间和精力去研究和实践。
本文介绍了一种将全站仪应用于大型建筑工程桩位放样测设, 大型厂房柱位放样测设, 大型设备基础轴线和地脚的定位和放样的一种方法, 就是在工程的规划控制线确定以后, 也就是工程场地最少确定了两个规划控制点或一个控制点一个控制方向, 规划控制点控制工程的整体定位, 而工程轴网布置和结构定位不再采用规划控制点坐标系, 而根据工程平面结构特征在工程平面内设置一个或多个局域坐标系, 工程轴网是矩形轴网布置采用直角坐标系, 选择相互垂直的适合简化坐标值计算的两条轴线作为纵横坐标轴。如果是圆形或曲线形轴网可采用极坐标系, 利用平面图上的三道尺寸很方便的计算出各轴线控制点而迅速放样布网定点, 也可以方便的计算出各结构控制点而迅速结构放线, 如桩位, 柱位, 大型基础特征点, 地脚位等等, 而且可以同时控制标高。这种局域坐标系跟施工坐标系的区别是, 施工坐标系是整个工地的测量坐标系, 而这中局域坐标系只包括轴向相同的部分轴网。因为我们平常测量采用的大多是国家坐标系或地区坐标系, 或城市坐标系, 数值比较大, 数位比较多, 利用这些数值来计算桩柱位或基础特殊点位显都比较复杂, 如果这些点位的轴向非南北或东西正向时的换算更繁杂, 采用自定义局域坐标系就方便多了, 以规划控制点 (一般为角点) 或其关联点为坐标原点, 以过原点的两相互垂直两轴线为坐标轴, 则轴网中某一点 (桩位, 柱位, 基础控制点) 的坐标值为该点到两坐标轴的垂直距离, 这两个距离可通过图示尺寸简单相加减得到, 再采用全站仪坐标放样的方法, 放出桩位, 柱位, 设备基础地脚等控制点位置, 这样就简单多了, 一是数值小, 加减计算简单;二数值简单测设时输入简单, 节省时间;三任何方位的轴线网基本不需要换算角度;因此适用快速的坐标放样方法;四是测设时可大量减少测站, 从而大大减少移动仪器的次数, 大大节省时间;五是因为中间测站少, 精确度会更高;准确放出桩位, 柱位, 设备基础地脚, 预埋件位置等等。
例如右图:根据两规划控制桩可以看出该轴网非正南北向或东西向, 两规划控制点用于对该轴网整体控制, 再把7-A桩中心点设为局域坐标原点则该点的坐标为 (0.000, 0.000) 依次6-A桩的坐标为 (-6.000, 0.000) , 5-A桩的坐标为 (-10.000, 0.000) , 4-A桩的坐标为 (-16.000, 0) , 7-B桩的坐标为 (0.000, 10.000) , 6-C桩的坐标为 (-6.000, 10.000) 6-D桩的坐标为 (-6.000, 15.000) ;如此可很简单地算出所以桩的中心点, 再在7-A桩中心点设测站置全站仪, 按坐标放样的方法轻松测放所有桩位。同理, 在下图中也可以7-F桩中心点为局域轴网坐标系的原点, 在该点建站安置全站仪, 则测站点坐标为 (0.000, 0.000) , 以7-A点为后视点, 坐标值为 (0.000, 23.000) , 则可简单计算出6-F桩中心点坐标值为 (6.000, 0.000) , 5-F桩中心点坐标值为 (10.000, 0.000) , 7-E桩中心点坐标值为 (0.000, 4.000) , 7-D桩中心点坐标值为 (0.000, 8.000) , 6-D桩中心点坐标值为 (6.000, 8.000) , 5-D桩中心点坐标值为 (10.000, 8.000) , 以此类推;输入坐标值可很快测放出整个轴网内各个桩位。
上述计算可以看出, 利用7-F坐标控制点作为建立局域轴网坐标系原点比用7-A作为原点更方便, 所有桩点位坐标值不会出现负值, 这也使计算和输入更加方便, 所以选择坐标原点时也应予以考虑;但是在大型局域轴网中还是选择局域轴网中心位置点更为方便。
如果要将1-A桩中心点设为坐标原点, 则应以两规划控制点为依据先放出1-A桩中心点的坐标后, 即坐标原点必须为已知点。则可在该点设站, 置设全站仪, 同样可以轻松测放出所有桩位。
施测时可以局域轴网中如何一点作为测站点, 但测站点和后视点必须是局域轴网中的已知点, 即在局域轴网中的坐标值已知, 且已放样到场地上;如果要设置一个长期保持的测站点而在局域轴网内无法实现, 可以在轴网外设定属于该坐标系的两点, 如将A轴向外平移10m, 与1轴和7轴延长线得两交点, 可作为测站点和后视点;假设以1-A桩中心点为坐标原点, 可以算出该两点的坐标值为 (0.000, -10.000) , (29.000, -10.000) 。
全站仪这种高科技测量仪器, 肯定还有很多未知的测量用途和测量方法及技巧, 需要我们不断的去研究探索, 实践, 总结。提高仪器的使用价值, 提高测量工程技术人员的工作效率。
参考文献
[1]全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会编写.机电工程管理与实务[M].3版.中国建筑工业出版社出版, 2011, 4.
[2]全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会编写.建筑工程管理与实务[M].3版.中国建筑工业出版社出版, 2011, 4.
[3]杨嗣信主编.高层建筑施工手册[M].2版.中国建筑工业出版社出版, 2001, 6.
全站仪极坐标法 篇6
1 工程概况
孤独庙隧道是西 (安) 合 (肥) 西部大通道陕西境内丹凤至陕豫界高速公路DJN4 合同段的一座公路隧道, 隧道为双向三车道分离式短隧道, 设计行车速度80km/h, 行车道宽度3×3.75m, 单洞净宽14m, 净高5m, 单向坡-0.65%, 隧道位于缓和曲线上, 内设超高, 最大超高坡度渐变量为6%。孤独庙隧道虽然很短但位于超高缓和曲线上, 内设超高, 隧道超高由衬砌整体绕路基的内边缘点O点旋转, 最大超高6%, 成为隧道测量的难点。隧道施工中进行掘进掌子面放样 (开挖轮廓线炮眼放样) 、钢拱架安装检测、初支后断面测量及二衬断面测量等测量任务重, 尤其是超欠挖所带来的经济损失更是不容忽视。对此, 针对隧道施工掌子面往往跨多个断面的特点及工程的设计参数为可编程计算器 (SHARP.PC-E500 或CASIO 4800、 CASIO4850 等) 编制计算程序, 配合徕卡TCR402 型免棱镜测距全站仪来进行开挖放样、断面测量等主要日常测量工作, 在施工现场直接进行计算放样, 速度快, 精度高。徕卡TCR402 型全站仪, 测角精度为2″, 测距精度为2mm+2ppm, 免棱镜测量标称距离为80m (加强型免棱镜测量标称距离可达300m) 。
2 隧道免棱镜测量
2.1 掘进掌子面断面放样 (开挖外轮廓线放样)
(1) 传统测量方式放样
采用传统的测量方法, 需要提前计算出放样断面的轮廓点的坐标, 仪器每测一次所得测点的三维坐标并计算出激光点距设计轮廓线的偏移值, 若偏移值在允许偏差范围内, 激光点处位置即可认为是开挖轮廓线上的点, 否则修正偏移值后重测其坐标值, 重算偏移值。当掌子面凹凸不平 (掌子面不在一个断面上) 或掌子面两侧进尺桩号不一致时, 必然要增加每个点位的测量次数, 一般设为3 至6 次, 并无法准确给出点的偏移值。可以看出传统的测量放样非常麻烦, 需要多次重复测量、计算, 如果用在隧道施工现场, 速度慢, 耽误时间。
(2) 坐标反算程序的测量放样
经过仔细的研究、探索, 隧道测量工程师曹海波编写了坐标反算程序, 输入测点的三维坐标, 程序可以求出此点的桩号和偏移值, 一般可以利用钢卷尺量取偏移值直接定点, 偏移值过大可以根据结果修正测点, 重测一次并定点, 最多也不超过两次, 大大提高了测量的效率, 节省了时间。
为使仪器与掌子面距离不至于太远, 需不断延伸加密临时导线点, 为保证测量结果的精确, 临时导线点要满足二等导线要求, 导线点高程要满足四等水准要求。
仪器建站后, 首先瞄准掌子面 (仅用激光点对准—激光与望远镜同轴) 外边缘任意一点, 测出此点的三维坐标, 调用计算器中的计算程序, 将测量的结果输入计算器中, 由计算器直接算出此点距外轮廓线最近点的距离。
2.2 断面测量
断面测量主要有:钢拱架安装检查、初期支护施工断面检测、隧道二衬施工前后的断面检测) 。隧道的断面检测可以采用专用的隧道断面仪来检查, 也可以利用全站仪免棱镜测量来进行检查。
(1) 隧道断面仪检查断面
隧道断面仪是在所测断面内的中线位置安设仪器 (可以为任意位置, 一般为求简单减少后期数据处理难度, 常安设在隧道中线上) , 输入仪器站点的三维坐标 (仪器安设点的坐标及高程由全站仪及水准仪完成) , 确定断面方向 (在断面的左右两侧各设置一个点, 这两点与仪器安设点在同一断面上) , 然后启动断面测量程序, 设置好有测点间隔角度等关参数后, 仪器在司服马达的驱动下照准布于隧道轴线法线的竖直平面旋转一周, 同时按设置间隔距离测取仪器到各测点的距离及角度, 并存储于仪器内存或PC卡上, 即完成一个断面的外业测量工作;如果需要测量多个断面, 必须有全站仪及水准仪进行配合, 首先计算并放出拟测量断面的中线点位置, 及其断面上的两个点, 水准仪测量出中线点的高程, 方可利用隧道断面仪进行测量, 费时费力, 特别不方便, 仅适用于隧道抽检。
(2) 全站仪结合反算程序检查断面
相比之下, 全站仪的具有很大优势, 第一, 具有隧道断面仪的功能, 可以将全站仪安设于断面内的任何一点, 利用司服马达或手动拨角, 代替隧道断面仪进行断面测量, 并且直接得到测点的三维坐标, 不用换算, 直接可以建立隧道断面的数字模型;第二, 全站仪配合自编的程序进行施工中隧道的断面检查, 可以方便的检查任何一个点, 并且可以给出准确的桩号, 考虑超高影响, 现场可以给出结果, 因此具有无可比拟的优势。第三, 全站仪和水准配合可以完成施工测量的所用工作, 省去购买隧道断面仪的高昂费用, 而隧道断面仪必须有全站仪和水准仪的配合才能工作。例如, 莱卡TCR402 型全站仪具有免棱镜测量功能, 可以直接得到断面上的任何一个点的三维坐标, 通过后期处理将不同断面的点绘制成图, 完成断面检测。
3 坐标反算程序的编制思路
3.1 现流行软件的缺陷
为了顺利的进行孤独庙隧道的施工, 项目部钱购买了一款与徕卡TCR402 配套使用的隧道断面测量后处理软件, 隧道断面后处理软件的主要功能之一是通过测量断面与标准断面的比较、计算给出隧道断面的超欠挖值, 并对应给出详细的图形 (见图1) 。但软件有一个缺陷, 如果隧道位于超高缓和段, 隧道的每一个断面都在绕旋转中心旋转, 直至到规定的超过断面, 这样处理超过缓和段上的断面数据时, 需要给出旋转后的断面, 否则就得不到正确得结果, 软件中没有将标准断面自动绕旋转中心旋转得功能, 只能通过手工计算并输入旋转后的标准断面, 然后软件才能完成标准断面与测量断面的比较, 如此一来, 计算并输入标准断面工作量很大, 短时间内不可能完成, 更不用说现场给出结果了, 并且只能测量给定的断面, 如果所测的坐标点不在此断面上, 一样得不出正确得结果。此问题极具代表性, 现市场上流行的隧道断面处理软件大多在万元以上, 必须有高性能计算机才可运行, 且很少有考虑上述极端情况的处理软件, 隧道断面仪所带的配套软件也无此功能。
3.2 自编软件的功能特点
仔细分析研究了软件的功能与局限后, 针对孤独庙隧道的设计特点, 提出了解决方案, 利用可编程的计算器编制专用的小程序, 输入测量点的三维坐标, 计算器直接计算出此点的超欠挖值, 现场调整放样或指导施工, 后期可将此程序移植到计算机中, 通过文件的读写操作, 直接将每一点的数据储存入电脑, 然后利用Auto CAD绘制成图, 或直接将每一点的计算结果输入Auto CAD绘制成图, 利用Auto CAD的面积测量功能得到上述的图形及参数 (见图2) 。利用可编程计算器很好的解决这一问题, 方便携带, 程序还可以移植到PC中将功能扩展。
3.3已知坐标反求桩号程序思路
已知:设计交点的坐标及设计图纸给出的平面曲线要素, 现场免棱镜测量得到轮廓附近的任意点三维坐标B (X, Y, H) , 求解B点的中桩坐标和偏移值。
(1) 编程总体设想
为方便以后的维护和程序移植, 此程序采用模块化编制, 共分成四大程序模块:数据定义模块、坐标反算模块、中桩坐标计算模块和高程计算模块。各模块的基本功能如下:
(2) 数据定义模块
顾名思义, 数据定义模块是定义程序中所用到的常数和变量, 主要是定义常数。
(3) 坐标反算模块
利用已知的设计资料及测点的三维坐标, 计算测点所在的横断面桩号。
(4) 中桩坐标计算模块
根据设计资料, 通过交点坐标及方位角, 编写计算本标段 (或全线) 范围内任意桩号中桩坐标的程序, 只要输入中桩桩号, 便可计算此点的坐标。
(5) 高程计算模块
根据坐标反算程序求得的断面中心桩号, 编程计算出此断面的中心高程, 并根据标准断面的二衬轮廓, 根据圆心高程及相对坐标, 编程实现求解轮廓任何一点的高程, 此时主要注意横断面的超高横坡对轮廓面上的高程影响, 判断P点所在的圆区域, 计算圆心 (旋转后坐标可利用坐标旋转求得) 与P连线的长度L, L-R值便是此点的超欠挖量, 正值为超挖, 负值为欠挖。隧道开挖断面及其它断面检测只需改变半径R即可 (见图3) 。
3.4 坐标反算算法-迭代法
上述的三个程序模块中坐标计算、高程计算都很好实现, 测量教材及测量工具书中都有大篇幅详细的解说, 也有大量的程序可以参考, 在此不再多罗嗦, 仅将坐标反算程序的算法做简单介绍, 起到抛砖引玉的作用, 供大家参考。
首先如图4 所示, 已知一条直线a及其方位角, A、P为直线a上的任意两点, B点的坐标已知, 求B点的垂足C到A点的距离和BC的长度, 数学三角函数可以直接求解, 那么如何采用迭代计算来实现呢?思路如下, 先过P点做AP的法线, B点与此法线有一段距离JL, 我们可以将P点沿直线a向A点移动, 直到距离小于某一规定值, 如JL<0.001, 此时认为P点与C点重合, P点就是我们所要求的C点。
同样在缓和曲线上任选一点A为起始点, 可以选择缓和曲线的起点或终点, 以方便计算, 计算该点的坐标和切线方位角, 通过坐标反算求起始点A与计算点B的方位角和距离, 给出估计的B点对应桩号P, 过P点做缓和曲线的切线和法线, B点距此法线有一个距离JL, 若将P点沿缓和曲线向A点靠拢, 通过计算JL (见图4) , 当该距离小于某一数值, 如0.001m, 既认为P点桩号就是B点对应的桩号;若JL大于规定值, 则让P点桩号Kp减少一个△, 求出对应该桩号Kp` 的缓和曲线上的点的坐标赋值给P, 重新进行上述计算, 直至距离小于某一规定值 (如<0.001mm) , 则给出P点的里程Kp与BP的距离即可。已知坐标求解桩号的程序流程图, (如图5) 。
4 编程配合全站仪免棱镜测距技术优点
4.1 测量速度快
掘进放样、断面测量等每一断面均可在几分钟内完成。
4.2 准确、方便
一是测设定点精度准确。其精度可依工程所需而定, 可达几毫米的精度。二是特别方便, 程序编制时将本标段的平纵曲线要素输入, 随时可以计算任意断面的坐标、高程, 相当于将纵横断面图纸及任意点位的测量资料一手在握, 省去携带大量资料的痛苦, 方便的完成隧道放样, 另外桥梁的高开挖边坡也可以用反算程序计算桩号及距中桩距离, 可以快速放出高边坡的开挖边线。
4.3 设站灵活
可以在不同的现场条件下选择最佳位置设站, 减少其它工序对测量的干扰, 反之也减少了测量对其它工序的干扰。
4.4 与其它工序平行作业
传统开挖轮廓线放样一般在出碴完后进行, 往往占用数十分钟的时间, 而采用全站仪放样, 尤其是通风效果好时, 可将仪器安置在边墙附近, 装碴的同时便可完成碴堆以上开挖轮廓线放样与坑道断面扫描, 装碴完成后抢用其它工序准备工作的几分钟完成剩余测量工作。或装碴快完成时, 边装碴边测量, 实现零分钟测量。
4.5 适应性强, 实现“傻瓜”放样
因全站仪是现场测量隧道的任意点坐标, 输入计算器, 由计算器算出偏差, 而且设计隧道上的任何点都可以在编程中加以考虑, 也就不再存在曲线隧道、曲墙断面放样、工作面不规则等种种不便, 使各式各样的线路走向、断面形状问题统一交给计算机处理。我们关心的是如何去准确测量点的三维坐标, 选择测量点的位置, 让计算机去关心具体一个点位于直线与曲线、直墙与曲墙的问题。这样任何一个会操作全站仪的测工, 均可独立完成放样工作, 降低了隧道测量对人员的要求, 一定程度上缓解企业的高素质测量工程师紧缺的局面, 实现了“傻瓜”放样。
5 结束语
总之, 计算机编程技术配合全站仪免棱镜测距技术的出现, 使传统隧道工程测量不易、不能解决的问题得到很好的解决, 可以准确、快速、灵活的测量, 有望建立隧道表面数字模型, 准确快速绘制任意里程断面图, 为施工决策提供数据基础, 减少浪费, 减少返工, 为整个工程提供基础保证。虽然目前此类功能齐全 (无棱镜测距、司服马达等) 的全站仪价格略偏高, 但综合整个工程来考虑, 还是减少了工程造价。随着长测程无棱镜测距硬件研制、生产技术的进一步发展, 硬件价格的下降, 以及懂计算机技术的跨学科测量人员的积极参与, 开发出完备的软件系统, 这一技术必将在隧道施工放样中得到普及, 取代传统的测量放样、断面测量测等, 特别是长大隧道更应将其作为首选测量技术。
摘要：本文介绍了已知点的坐标求解桩号的程序, 用迭代法解决了缓和曲线段的桩号反算难题, 并将其用到隧道测量施工中, 配合全站仪的免棱镜测量功能, 快速准确、方便灵活的进行隧道施工放样及断面测量等。指出测量软件配合全站仪进行测量是今后施工测量的发展方向。
关键词：坐标反算,全站仪免棱镜测量,迭代算法,隧道施工
参考文献
[1]钟孝顺, 聂让.测量学[M].北京:人民交通出版社, 1999.
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