全站儀（Total Station）是在電磁波測距儀和電子經(jīng)緯儀進行集成設(shè)計的基礎(chǔ)上，并逐步對其功能不斷完善而形成的一種高精度測量儀器，包括電子測角、電子測距、數(shù)據(jù)計算部分和通信接口等多個組成部分。通過傳輸接口將野外采集的數(shù)據(jù)終端與計算機、繪圖機連接，配以數(shù)據(jù)處理軟件和繪圖軟件，即可實現(xiàn)測圖的自動化。全站儀，即全站型電子速測儀，由于較完善地實現(xiàn)了測量和處理過程的電子化和一體化，可以在測站上一經(jīng)觀測，自動顯示斜距、天頂距（豎直角）、水平角等觀測數(shù)據(jù)，并幾乎是在同一時間內(nèi)快速計算平距、高差和點的坐標(biāo)，廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域。全站儀可以完成角度測量、距離測量、三維坐標(biāo)測量、定位、數(shù)據(jù)采集等多種測量任務(wù)，同時，它具有自動糾正、自動補償?shù)雀呒壒δ埽稍趶?fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)高精度、快速和穩(wěn)定的測量。全站儀還可以與計算機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理和分析，從而大大提高工作效率，其主要特點包括測量精度高、速度快、操作簡單方便等。根據(jù)測角精度，全站儀可分為0.5″，1″，2″，3″，5″，7″等幾個等級。根據(jù)外觀結(jié)構(gòu)、測量功能和測距能力等方式，全站儀可以分為多個類別，被廣泛應(yīng)用于測繪、建筑、交通、水利等領(lǐng)域中的測量工作。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代全站儀也不斷進行著革新和發(fā)展，其主要向著數(shù)字化、實時化、集成化、在線化和自動化的方向進步。
歷史沿革
20世紀(jì)60年代末，測距儀與電子經(jīng)緯儀的結(jié)合，促使全站儀面世。全站儀的發(fā)展經(jīng)歷了從組合式（光電測距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀或電子經(jīng)緯儀組合）到整體式（光電測距儀的光波發(fā)射接收系統(tǒng)的光軸與經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸組合為同軸）等幾個階段。1971年，美國天寶公司宣稱生產(chǎn)了世界上第一臺全站儀，但其實在1968年，西德Opton廠已經(jīng)將電子經(jīng)緯儀與電磁波測距儀結(jié)合，設(shè)計出了名為 RegElta 14 的全站型電子速測儀。1971年，在同一展會上，瑞典 AGA 公司也展出了與 RegElta 14 功能一樣的 Geodimeter 700。
20世紀(jì)70年代，以奧普通廠（Opton）、瑞士威爾特廠（Wild Heerbrugg Ltd）、美國惠普（Hewlett－Packand）為代表的廠商生產(chǎn)、制造了第二代全站儀，第二代全站儀因集成電路和微處理器的廣泛應(yīng)用而大大增強了實用性。典型產(chǎn)品包括1977年美國惠普生產(chǎn)的HP3820A以及同年瑞士威特廠和SERCEL公司協(xié)作生產(chǎn)出的TC1全站儀。
20世紀(jì)80年代，隨著電子測角技術(shù)和數(shù)據(jù)微處理與存儲性能的提高，全站儀得到了迅速的發(fā)展。世界主要的測量儀器生產(chǎn)廠商都開始制造全站儀，進口品牌有徠卡、天寶、索佳、尼康、拓普康、賓得，國產(chǎn)品牌有南方、中海達、華測、蘇光、中緯、大地等。
20世紀(jì)90年代開始，世界知名廠商先后推出了具有創(chuàng)新特色的全站儀，如天寶公司的全自動全站儀、徠卡（Leica）的免棱鏡激光全站儀和拓普康（Topcon）的自動跟蹤全站儀等。在這個年代，全站儀的功能進一步豐富與完善，并在測繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。世界上生產(chǎn)全站儀的廠商日益增加，并且各品牌的全站儀都成系列化，各品牌的全站儀性能、價格、應(yīng)用場景都有所區(qū)分，能滿足不同用戶的需求。
基本功能和原理
角度測量
全站儀采用電子經(jīng)緯儀的測角部進行角度測定，具備水平角和垂直角測量的能力，在角度測量時，全站儀會利用其內(nèi)部的測角部，對兩點之間的視線角度進行了測定，將其自動轉(zhuǎn)化為水平和縱向，以判斷兩點的位置和方向關(guān)系。此外，它還擁有許多的功能，例如水平角設(shè)定，垂直角顯示轉(zhuǎn)換，角度單位轉(zhuǎn)換，角度自動補償?shù)取Ｈ緝x的角度測量是靠電子經(jīng)緯儀來完成的。和光學(xué)經(jīng)緯儀的原理差不多（光學(xué)經(jīng)緯儀的水平度盤和豎直度盤及其讀數(shù)裝置分別采用編碼盤或兩個相同的光柵度盤和讀數(shù)傳感器進行角度測量），電子經(jīng)緯儀也可以使用度盤，但不同的是，它并沒有使用讀取度盤上的分劃線的方式來獲取角度值，而是將度盤上的刻度值通過電信號轉(zhuǎn)化成了數(shù)字，并將其顯示在屏幕上。電子測角將測角數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，將測量結(jié)果以數(shù)碼形式進行展示。電子測角的本質(zhì)也就是通過數(shù)字化的角碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來實現(xiàn)對角度的測量，常用的有編碼度盤、光柵度盤或動態(tài)光柵度盤等三種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，取代了常規(guī)的光學(xué)讀數(shù)法。
距離測量
全站儀具有光波測距儀的測距部，該系統(tǒng)除了可以測定到反射鏡（斜距）的距離之外，還可以依據(jù)系統(tǒng)的型號、棱鏡個數(shù)及天氣情況進行調(diào)整，以適應(yīng)各種測量目標(biāo)及工作需要。全站儀也能夠進行測距方式的轉(zhuǎn)換，根據(jù)具體情況可設(shè)定為高精度測量和快速測量，可以選擇距離測量的最小分辨率和測距次數(shù)，還可以設(shè)定測距精度和時間，并具有多種糾正功能。
全站儀測距是一種用于測量兩點之間距離的方法，具體思路是利用目標(biāo)物接收電磁波并將其反射回儀器位置，通過計算電磁波的傳輸時間以求得距離值。在測距的過程中，全站儀會向目標(biāo)物發(fā)射電磁波，目標(biāo)物接收到電磁波后，將其反射回儀器位置，儀器接收到反射回來的電磁波，并計算出電磁波從儀器到目標(biāo)物再回到儀器的時間延遲，最終根據(jù)電磁波傳播速度和時間延遲計算出儀器到目標(biāo)物的距離。根據(jù)測定時間的方式，全站儀測距分為直接測定的脈沖測距法和間接測定的相位測距法。直接測距法是指通過計算電磁波在往返傳播過程中的時間差，直接獲得測量距離。而相位測距法則是先測量出電磁波的相位差，通過計算相位差再乘以波長，最終得到測量距離。兩種測距方法各有優(yōu)劣，根據(jù)實際情況選擇適合的方法進行測量。
三維坐標(biāo)測量
設(shè)置好了測量參數(shù)之后，可以通過全站儀直接測量某個位置的三維坐標(biāo)，從而極大的提升了測繪工作的效率。在一個已知點上放置全站儀，然后輸入儀器高和棱鏡高，再把測站點的平面座標(biāo)和高程都輸入進去，再把另外一個已知的點（也就是所謂的定向點或后視點），再使用機載后視定向功能來進行定向，把水平刻度盤的讀數(shù)設(shè)置成測站到定向點的方位角，然后對目標(biāo)點（又叫前視點）上的反射棱鏡，并按下測距鍵，就可以得到目標(biāo)點的三維坐標(biāo)。
其他功能
全站儀除了有角度、距離和三維坐標(biāo)測量等主要功能外，還擁有如休眠和自動關(guān)機、顯示內(nèi)容個性化、電子水準(zhǔn)器、照明系統(tǒng)、導(dǎo)向光引導(dǎo)、數(shù)據(jù)管理等輔助功能。全站儀內(nèi)部配置有微處理器、存儲器和輸入輸出接口，可以運行復(fù)雜的應(yīng)用程序，因而具有對測量數(shù)據(jù)進一步處理和存儲的功能，例如自由設(shè)站、導(dǎo)線測量、偏心測量、懸高測量、面積測量等。
組成結(jié)構(gòu)
全站儀由電子測角、電子測距、電子補償、微機處理裝置、數(shù)據(jù)處理部分、電源部分、通訊接口、顯示屏和鍵盤等組成，它本身就是一個帶有特殊功能的計算機控制系統(tǒng)，其中微機處理裝置由微處理器、存儲器、輸入部分和輸出部分組成。全站儀內(nèi)存儲器相當(dāng)于計算機的內(nèi)存（RAM），存儲卡是一種外存儲媒體，又稱PC卡，作用相當(dāng)于計算機的磁盤。全站儀通過微處理器對從數(shù)據(jù)采集部分得到的傾斜距離、角度、誤差等信息進行處理，得到各個校正后的觀測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，在儀表的內(nèi)存中，將測量所用的程序進行固化，通過程序來實現(xiàn)測試。
其中測角部分為電子經(jīng)緯儀，用來測水平角、豎直角和設(shè)置方位角，自動完成角度讀取；測距部分為光電測距儀，用來測定兩點之間的距離；補償部分用來實現(xiàn)對豎軸傾斜系統(tǒng)引起的水平角、豎直角誤差的補償修正微型機用來接收輸入輸出指令、控制作業(yè)方式、進行數(shù)據(jù)處理等；電源為各部分供電，使其能夠進行充電和放電；輸入/輸出包括鍵盤、顯示屏和通信接口，是與外部設(shè)備連接的裝置，使全站儀能與其他設(shè)備交互通信和傳輸數(shù)據(jù)；以上各部分通過輸入輸出（I/O）接口接入總線，并連接到同一個微處理器。
特點
工作特點
構(gòu)造特點
分類
按外觀結(jié)構(gòu)分類
積木式（組合式）
早期已有的幾種類型的全站儀，多采用積木型的構(gòu)造，將電子測速儀、電子經(jīng)緯儀和電子記錄儀作為獨立的單元，既可以單獨應(yīng)用，又可以組合在一起構(gòu)成完整的全站儀。各個組件之間使用電纜來完成數(shù)據(jù)的傳輸，在完成工作之后，可以將它們分別拆卸下來，使用者就可以根據(jù)作業(yè)的準(zhǔn)確度要求來選擇不同的測角、測距設(shè)備的組合，具有良好的適應(yīng)性。
整體式（集成式）
隨著電子測距儀器的體積和重量的不斷減少，大多數(shù)新型的現(xiàn)代全站儀將測距、測角、記錄器三者有機地集成在一起，使測距儀的發(fā)射、接收軸與望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸線成為共軸結(jié)構(gòu)，從而更好地確保測距的準(zhǔn)確性。測距部和測角部共用一個光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，測距離、測角度均可實現(xiàn)一次對準(zhǔn)，操作簡便。
按測量功能分類
經(jīng)典型全站儀
經(jīng)典型全站儀也稱為常規(guī)全站儀，它具備全站儀電子測角、電子測距和數(shù)據(jù)自動記錄等基礎(chǔ)功能，有些還能夠執(zhí)行由廠商或使用者自行開發(fā)的機載測量程序。
機動型全站儀
機動型全站儀將常規(guī)的全站儀與步進電動機組合在一起，實現(xiàn)全站儀照準(zhǔn)部分及觀測系統(tǒng)的自主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。在計算機的實時監(jiān)控下，機動型全站儀能根據(jù)計算機設(shè)定的方位參數(shù)，實現(xiàn)對目標(biāo)點的自動校準(zhǔn)，并可實現(xiàn)自動正、倒鏡測量。
無合作目標(biāo)型全站儀（免棱鏡全站儀）
無合作目標(biāo)型全站儀是指在無反射棱鏡的條件下，可對一般的目標(biāo)直接測距的全站儀。因此，對不便安置反射棱鏡的目標(biāo)進行測量，無合作目標(biāo)型全站儀具有明顯優(yōu)勢。
智能型全站儀
智能型全站儀在機動型全站儀中引入自動對象識別與自動調(diào)光等新技術(shù)，從而使其在走向自動化的過程中，能夠有效地解決依賴人工照準(zhǔn)等重大缺陷，達到提高其智能水平的目的。在沒有人工介入的情況下，利用相應(yīng)的軟件進行控制，智能型全站儀可以實現(xiàn)對多個目標(biāo)的識別、照準(zhǔn)和測量的自動化。
按測距能力分類
全站儀利用電磁波進行測距，根據(jù)測距范圍可以分為以下三類測距儀：短程測距儀、中程測距儀和長程測距儀。短距離測距全站儀測程小于3km，一般精度為±（5mm+5ppm），主要用于普通測量和城市測量。中程測距儀測程為3~15km，測距精度一般為±(5mm + 2ppm×D)或者±(3mm + 2ppm×D)，通常用于一般等級的控制測量。長程測距儀測程大于15km，測距精度一般為(5mm+lppm×D)，通常用于國家三角網(wǎng)和特級導(dǎo)線測量。測距精度通常以±(A+B×D)的形式出現(xiàn)，其中A代表固定誤差，B為比例誤差系數(shù)，D為所測距離。
應(yīng)用領(lǐng)域
全站儀在各種工程領(lǐng)域中都發(fā)揮了極大的作用，不僅僅局限于測繪學(xué)、建筑、交通、水利、地籍和房地產(chǎn)測量等方面，還被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和構(gòu)件的安裝調(diào)試、船體設(shè)計建造、大橋水壩的變形觀測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和體育競賽等方面。
全站儀在在地貌測定中，可以控制測量與地貌測定同步進行；在工程建設(shè)的放線過程中，通過對規(guī)劃的管線、道路和建筑物進行定位，可以實現(xiàn)對工程建設(shè)進行三維坐標(biāo)快速施工放樣；在變形觀測中，能夠?qū)崟r動態(tài)地監(jiān)控建筑物和構(gòu)筑物的變形等。在控制測量中，測距部分實現(xiàn)了導(dǎo)線測量和前后交會的編程，有著操作簡便、速度快、精度高的特點。在同一個測站點，全站儀可以進行角度、距離、高差等多種測量，并能進行信息的儲存和傳遞，通過傳送裝置，可以將全站儀與計算機和繪圖機連接在一起，形成一個內(nèi)外部一體化的測量體系，大大改善了測量工作的效率。
發(fā)展趨勢
現(xiàn)代測繪學(xué)的任務(wù)不僅在于定位地理位置，還包括采集和管理地理位置屬性數(shù)據(jù)。現(xiàn)代測繪儀器應(yīng)能方便地采集、存儲、管理、轉(zhuǎn)移和使用不同屬性數(shù)據(jù)，以使數(shù)據(jù)更容易被納入GIS框架中，與屬性數(shù)據(jù)集成并進行計算機處理。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代全站儀也不斷進行著革新和發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要有五個方向。
全站儀未來的發(fā)展趨勢是解決全站儀的復(fù)雜計算問題，將需要外接設(shè)備完成的功能全部整合到儀器中，同時采用近景攝影與GPS技術(shù)提高數(shù)據(jù)采集精度，在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)用平差、成圖、編輯、打印，并實現(xiàn)自動化和智能化。
參考資料 >