全站仪

全站仪（Total Station）是一种在电磁波测距仪和电子经纬仪集成设计基础上，通过功能不断完善而形成的高精度测量仪器。它结合了电子测角、电子测距、数据计算和通信接口等多个部分，能够自动显示斜距、天顶距（竖直角）、水平角等观测数据，并快速计算平距、高差和点的坐标。全站仪广泛应用于地上大型建筑、地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

历史沿革

起源与发展

全站仪的发展始于20世纪60年代末，当时测距仪与电子经纬仪的结合促使了全站仪的面世。其发展经历了从组合式（光电测距仪与光学经纬仪或电子经纬仪组合）到整体式（光电测距仪的光波发射接收系统的光轴与经纬仪的视准轴组合为同轴）等阶段。

• 1968年：西德Opton厂将电子经纬仪与电磁波测距仪结合，设计出名为RegElta 14的全站型电子速测仪。
• 1971年：美国天宝公司宣称生产了世界上第一台全站仪，但同年瑞典AGA公司也展出了与RegElta 14功能一样的Geodimeter 700。

第二代全站仪

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）为代表的厂商生产了第二代全站仪。这些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。典型产品包括：

• 1977年：美国惠普公司生产的HP3820A。
• 1977年：瑞士威特厂和SERCEL公司协作生产出的TC1全站仪。

迅速发展

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，全站仪得到了迅速发展。世界主要的测量仪器生产厂商都开始制造全站仪，包括进口品牌如徕卡、天宝、索佳、尼康、拓普康、宾得，以及国产品牌如南方、中海达、华测、苏光、中纬、大地等。

功能丰富与完善

从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、徕卡的免棱镜激光全站仪和拓普康的自动跟踪全站仪等。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。各品牌的全站仪都成系列化，性能、价格、应用场景都有所区分，能满足不同用户的需求。

功能原理

角度测量

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测定，并将其自动转化为水平和纵向角度，以判断两点的位置和方向关系。此外，全站仪还拥有水平角设定、垂直角显示转换、角度单位转换、角度自动补偿等功能。

电子经纬仪通过电信号将度盘上的刻度值转化为数字，并显示在屏幕上，实现了测角数据的数字化处理。常用的角码转换系统有编码度盘、光栅度盘或动态光栅度盘等三种，取代了常规的光学读数法。

距离测量

全站仪具有光波测距仪的测距部，可以测定到反射镜（斜距）的距离，并根据系统型号、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。全站仪还能够进行测距方式的转换，设定高精度测量和快速测量，选择距离测量的最小分辨率和测距次数，设定测距精度和时间，并具有多种纠正功能。

全站仪测距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。根据测定时间的方式，全站仪测距分为脉冲测距法和相位测距法。脉冲测距法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；相位测距法则先测量出电磁波的相位差，再通过计算相位差乘以波长得到测量距离。

三维坐标测量

设置好测量参数后，全站仪可以直接测量某个位置的三维坐标，极大提升了测绘工作的效率。在一个已知点上放置全站仪，输入仪器高和棱镜高，再输入测站点的平面坐标和高程，以及另一个已知点（定向点或后视点）的坐标，使用机载后视定向功能进行定向。然后对目标点（前视点）上的反射棱镜进行测距，即可得到目标点的三维坐标。

其他功能

全站仪除了角度、距离和三维坐标测量等主要功能外，还拥有休眠和自动关机、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。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，具有对测量数据进一步处理和存储的功能，如自由设站、导线测量、偏心测量、悬高测量、面积测量等。

组成结构

全站仪由电子测角、电子测距、电子补偿、微机处理装置、数据处理部分、电源部分、通讯接口、显示屏和键盘等组成。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。

• 测角部分：电子经纬仪，用于测水平角、竖直角和设置方位角，自动完成角度读取。
• 测距部分：光电测距仪，用于测定两点之间的距离。
• 补偿部分：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：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。

优势特点

工作特点

• 先进的同轴双速制微动机构：使得照准更加快速准确。
• 完整的人机交互控制界面：包括键盘和显示窗口，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，操作方便。
• 双轴式倾角补偿装置：能够在横向和纵向上对其进行自动补偿，克服对坚轴倾斜误差的影响。
• 预装测量相关应用程序：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。
• 双路通视能力：将测试结果传送到电子手簿式电脑上，同时还可以接收来自于电子手簿或电脑的命令和数据。

构造特点

• 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。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。
• 键盘操作：通过键盘输入命令，按键分为硬键和软键。硬键拥有固定作用，软键的作用由菜单下所呈现的字符提示决定。
• 数据存储与通信：通过内存储器和存储卡进行数据存储和传输，内存储器相当于计算机的内存，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。

• 双轴自动补偿：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。

主要分类

按外观结构分类

• 积木式（组合式）：早期全站仪多采用积木型构造，将电子测速仪、电子经纬仪和电子记录仪作为独立单元，既可以单独应用，又可以组合在一起构成完整的全站仪。各组件之间使用电缆完成数据传输，工作完成后可以分别拆卸下来，根据作业准确度要求选择不同的测角、测距设备组合，具有良好的适应性。
• 整体式（集成式）：随着电子测距仪器体积和重量的减少，大多数新型现代全站仪将测距、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，确保测距的准确性。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。

按测量功能分类

• 经典型全站仪：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。
• 机动型全站仪：将常规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。在计算机实时监控下，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。
• 无合作目标型全站仪（免棱镜全站仪）：在无反射棱镜的条件下，可对一般目标直接测距的全站仪。对不便安置反射棱镜的目标进行测量具有明显优势。
• 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，解决依赖人工照准等重大缺陷，提高智能水平。在没有人工介入的情况下，利用相应的软件程序进行控制，可以实现对多个目标的识别、照准和测量的自动化。

按测距能力分类

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：

• 短程测距仪：测程小于3km，一般精度为±（5mm+5ppm），主要用于普通测量和城市测量。
• 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。

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。

应用领域

全站仪在各种工程领域中都发挥了极大的作用，不仅局限于测绘、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。

• 地貌测定：控制测量与地貌测定同步进行。
• 工程建设放线：通过对规划的管线、道路和建筑物进行定位，实现工程建设快速施工放样。
• 变形观测：实时动态地监控建筑物和构筑物的变形。
• 控制测量：测距部分实现导线测量和前后交会的编程，操作简便、速度快、精度高。

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。

发展趋势

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，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，其发展趋势主要有以下五个方向：

• 数字化：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，实现测绘内外业一体化。
• 实时化：使测绘仪器具备实时处理数据的功能，实时检查测量质量，提高效率，并直接根据测量成果进行后续工作。
• 集成化：现代测绘工作分工明确，各种测量相互渗透，要求全站仪在硬件上集成功能，软件具有开放性，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。
• 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。
• 自动化：全站仪将不仅是单纯的观测工具，而是相当于智能的测绘助手，越来越接近PC机桌面系统以方便用户进行开发。

全站仪未来的发展趋势是解决复杂计算问题，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。

注：词条部分内容参考文献来源^[1][2][3][4]

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