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全站仪在水文工作中的应用

2023-11-23 23 上传者：管理员

摘要：为有效分析全站仪在水文工作中的应用，通过设站原理介绍以及与其他测量仪器的比较分析，本文提出了全站仪在不同水文测验工作场景下的使用方法。同时，本文对全站仪使用过程中的注意事项进行探讨，为今后的水文测验作业提供了新的工作思路。

关键词：
全站仪
应用
智能化
水文测验
电子测量
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全站仪是一种智能化的电子测量仪器，由电子经纬仪和测距仪两部分组成，是一种由机械、光学、电子元器件及计算机组合而成的新型测量仪器。全站仪具有设站灵活、工作高效、测量精确等优点；伴随测绘技术的发展，电子全站仪已经广泛应用到水文测量工作中。为了提高水文资料的可靠性和水文情报预报的准确性，本文旨在通过不同工作场景下不同测量仪器的优劣对比，对全站仪的使用方法与技巧进行探讨，从而提高全站仪的利用价值，进一步为水文测验工作开展提供保证。

1、设站原理

设站，简单来说就是给全站仪定义一个三维坐标系，后续才能将全站仪站点作为起算坐标点，测得其他观测点与设站点的距离与方位角、竖直角关系，通过计算转换后将观测点添加至所创建的三维坐标系中。

全站仪设站的方法很多，工作中常用的一般有两种：角度定向和坐标定向。角度定向是赋予设站点一个三维坐标值，量取仪器高，给定后视的方位角（一般指北置零），从而建立唯一的坐标系。坐标定向是给定设站点和后视点的三维坐标，通过后视点的平面坐标由仪器自动计算出坐标方位角，该方位角是指测站点-后视点基线的坐标方位角，高程系则由两点的高程选用方法确定，从而建立起三维的坐标系。

坐标定向的高程确定方法有3种：“新建”是指观测后将仪器与后视点高程差值加上输入的后视点高程值作为仪器中心高程建立高程系；“旧值”是指将设站点的高程加上量取的仪器高作为仪器中心高程建立高程系，后视点高程不参与计算；“均值”是将两种方法所算出的高程值平均后作为仪器中心高程建立高程系。假设设站点A和后视点B输入的高程同为20m（其真实高差为0.6m），量取的仪器高为1.6m，测得后视点B到仪器的高差为1.0m，最终需要设定的高程就是仪器的中心高程，如图1所示。

图1 坐标定向高程计算示意图

如果选择“新建”，仪器的中心高程将会被设置为21m(20m+1m）；如果选择“旧值”，仪器的中心高程将会被设置为21.6m(20m+1.6m）；如果选择“均值”，仪器的中心高程将会被设置为两者的平均值21.3m。

2、测站地形与大断面测绘

地形测量不仅在测绘工作中占有重要地位，在水文外业观测中也需要经常开展。如水文站设立时需要测绘测站地形图，测站设立后5年或10年还需要更新修测，有些水库、河道需要定期开展地形测量，以了解其水下地形变化。

目前，常用于地形测绘的仪器有全站仪和RTK。两种仪器各有优劣：全站仪在测量时不受天气、卫星信号、基站信号、淤泥滩的限制，操作简单，精度较高，一般需2人配合工作，但是受通视条件的限制；使用RTK进行测量时不受通视条件的限制，1人即可操作，方便快捷，但是受基站信号、卫星信号的限制，高压线附近、树林、房屋边缘区域普遍信号差，精度低。因此在实际测量中，可以使用RTK施测测站周边开阔无遮挡区域，信号较为稳定，精度高。遇到一些RTK不适用的区域，可以选取适当位置施测2个固定点，一个点作为全站仪的设站点，一个作为后视点，使用坐标定向设站后施测，这样可以保证全站仪和RTK的采集点在同一坐标系中，方便后期成图。采用全站仪和RTK相结合的方式，工作效率将比传统方法提高数倍，同时能够保证测量数据的精准度。

断面测量是流量测验工作的重要组成部分，新设测站的基本水尺断面、测流断面、浮标断面、比降断面均应进行大断面测量。设立后，对于河床稳定的测站，每年汛期前复测1次；对河床不稳定的站，除每年汛前、汛后施测外，应在每次较大洪峰后加测，以了解和掌握断面的冲淤变化过程。

传统的大断面测量方式是用皮尺确定起点距，岸上部分使用水准仪施测高程，水下部分高程使用水位减去测深杆或测深仪测得的水深。随着新仪器技术的推广，断面测量的方法越来越丰富，岸上部分常用全站仪或RTK确定断面线后放样施测，水下部分可利用无人船配合RTK、测深仪或ADCP施测。

岸上部分使用全站仪测量操作步骤如下：

(1）将全站仪架设在一岸断面桩零点位置对中整平，在水准点上使用棱镜架架设好棱镜，如果水准点无法通视，可利用水准仪将高程引至临时点；

(2）输入相关参数后，照准水准点（临时点）上棱镜，使用坐标定向，仪器站点x、y、z坐标任意，无需量取仪器高，后视点x、y坐标任意，高程输入水准点高程，测存水准点，高程计算时使用新值，然后调取高程传递后的测站点进行角度定向，照准另一岸的断面桩置零设定。

(3）将水平螺旋锁定，在测量过程中不能再次旋，只可利用垂直螺旋旋钮上下转动镜头，以确保断面线定位精度，指挥持镜人员左右移动至断面线，按要求施测断面转折点和水边点。

(4）导出测量数据，利用软件计算绘制断面图。

全站仪施测大断面可同时测量起点距和高程，且能保证测点处于断面线上，比传统方法更加便捷、高效。但受到视线限制无法施测堤岸的背水侧。RTK通过设定断面线放样同样能够施测大断面，并且放样的指示比全站仪更加直观，不存在视线限制，一人即可完成测量，但测量精度受到信号等因素制约。

3、水位与水尺零点高程校核

水尺零点高程测量，是水位观测的基础工作，每年汛前汛后及大洪水过后都需要进行复测和检核。水文测量规范要求，水尺零点高程用四等水准测量的方法进行测量，但传统方法劳动强度大、耗时长、计算复杂，工作效率较低。随着科技的发展，高精度免棱镜全站仪的出现，为使用三角高程测量的方法施测水尺零点高程提供了精度和技术保证。用中间设站法进行三角高程测量架站位置灵活，不需要对中和量取仪器高，则成了比较合适的选择，其示意图如图2所示。

图2 中间设站法测量水尺示意图

具体操作步骤如下：

(1）选择通视的位置架设并整平全站仪，输入相关参数，确保观测时竖直角不超过20°，在水准点上使用棱镜架架设好棱镜。

(2）先照准棱镜，使用坐标定向，仪器站点xyz坐标任意，无需量取仪器高，后视点xy坐标任意，高程输入水准点高程，测存水准点，高程计算时使用新值。然后使用免棱镜模式依次测量水尺，同一组水尺应尽量测量同一刻度值处，并在棱镜高一栏输入照准位置距零点高度，再倒镜依次测量水尺，最后再次测量水准点进行校核，若高程差超过3mm则需要重新测量（参照《水文测量规范》单站往返不符值限差±3mm）。

(3）导出测量数据，计算两次测量较差。

该方法操作简便，施测速度快，一人即可完成全部操作。安徽省水文局相关工作人员已经对此进行大量的实践，在施测距离较近、不转站的情况下，误差能够满足限差要求；但由于没有相关技术规范支撑，目前测量数据无法参与水文整编，可在水尺0点高程和水位应急观测或校核过程中使用。

4、缆道计数器率定

水文缆道是水文测站进行测流、取沙的一项重要技术装备，其测深和测距计数器的准确度直接影响着测验的精度。因此，水文缆道测验规范要求每年应对计数器进行1～2次率定与比测。

传统的缆道起点距测量方法是使用经纬仪通过平面交会法或极坐标法计算出起点距。该方法较为繁琐，需要进行相关计算，而通过全站的COGO（坐标计算）功能能够快速显示测量结果，方便高效，示意图如图3所示。

图3 全站仪校核缆道起点距示意图

具体操作步骤如下：

(1）选择通视的位置架设并整平全站仪，缆道最远点的仪器视线与断面夹角尽可能超过30°。

(2）检查全站仪气象参数及DEM参数，输入测时温度及地面平均高程。

(3）进入COGO测量程序，将缆道行车行进至断面0点位置，置零缆道计数器，瞄准行车底部使用免棱镜模式测存该点作为基点，由于风和铅鱼惯性会导致目标摇晃，不建议使用铅鱼或者浮子作为照准点。

(4）将行车行进至下一点，测存行车同一位置，选择计算功能，即可显示两点的平距、斜距和高差，记录结果并与缆道计数器进行对比分析。

(5）基点点号不动，依次更改目标点点号后进行照准测存计算。

全站仪的对边测量功能在连续施测时，默认临近的两点之间进行计算，而在缆道起点距校核时断面0点作为起算点是不动的，因此实际使用时没有COGO程序方便快捷。将铅鱼上方的浮球固定做上标记点，同样可以利用该方法施测铅鱼下降的高度，对缆道测深计数器进行比测校核。

5、洪水调查

测量洪水痕迹高程、河道纵横断面、河道简易地形图或平面图是洪水调查中的重要工作内容。其中，重要的洪痕高程要求按照四等水准测量，其他洪痕采用五等水准测量。因此，调查时可以使用全站仪和RTK代替水准仪进行洪痕测量。

在实际调查工作中，洪痕经常出现在桥墩、悬崖等不容易采集的位置，可以利用全站仪的免棱镜功能进行测量。此外，全站仪能有效的施测断面和地形，可将洪痕测量融入断面图和地形图的测绘当中，快速标记图中洪痕位置。

具体操作步骤如下：

(1）将全站仪架设在已知点（可用RTK测出x、y、z坐标）上对中整平。

(2）输入相关参数后进行设站，选择角度定向，输入已知点的xyz坐标，量取仪器高并输入，仪器指北后设定。

(3）进入测量界面对洪痕以及周围地形进行测量，测量过程中注意棱镜方式的转换，输入正确的棱镜高。

(4）导出测量数据，利用软件成图。

综上分析，全站仪在进行洪水调查时能够将多种测量项目融为一体，提高调查效率，其洪痕施测的适用性要明显高于RTK和水准仪。

6、应急监测

SL/T 784-2019《水文应急监测技术导则》已将免棱镜全站仪列入水文应急装备基本配置中，其作为一种免接触式测绘仪器在水文应急监测中能够解决一些远距离测量难题，保障测绘人员的人身安全。例如：在特殊情况下无法近距离观测水位对遥测设备进行校核时，可在岸边安全区域架设免棱镜全站仪进行远程测定，没有遥测设备监测水位时也可将全站仪作为临时观测设备进行持续人工观测；在应急条件下、精度可控的范围内，水道地形或断面测量可利用免棱镜全站仪进行远距离、高危部位的无人立尺测量；溃口（分洪）的口门宽度是估算流量的重要参数，也是防汛部门关注的焦点，传统的测量方式是利用绳尺、塔尺等工具或用经纬仪交会法测量口门宽度，结果不精确且人员需接近口门，有一定的安全隐患，而使用免棱镜全站仪的COGO（坐标计算）程序或者对边测量程序测量口门宽度具有准确、快捷、安全等优点，在应急监测中应优先使用。

7、全站仪使用注意事项

7.1 仪器校核和保养

全站仪是精密的电子测量仪器，随着长期的使用、搬运、振动、碰撞、温度的波动、与环境等影响因素都可能造成仪器自身出现偏差，从而导致测量精度降低。因此需要定期对仪器进行开箱检查，检核仪器三轴的平行性、圆水准器与对中器，按期送到相关的法定计量检定单位进行检定。若发现问题送至仪器厂家授权的维修机构进行维修，再送到检定机构进行复检，待复检合格后方可使用。全站仪使用后应将仪器擦干，按规定放置于通风、枯燥阴凉的地方，箱内放置防霉剂。

7.2 减少或避免误差产生的方法

(1）做好仪器的现场调整

全站仪具有自动校准功能，测量前应对有关测量指标（如2C、轴系误差、指标差等）重新进行校准，并输入当地气象指标（如气温、大气压等）进行修正，通过现场调整，可以保证仪器处于良好的工作状态，减少仪器自身和气象因素带来的误差。

(2）规范操作仪器

全站仪在使用过程中需要防碰撞、防跌落、防进水，按照规范要求进行装卸、架设、整平、对中、照准、迁站等操作。测量时尽可能使用仪器原装的标准棱镜进行观测，随时观察仪器水准泡，以防触碰造成仪器倾斜产生测量误差。

8、结束语

随着科技的发展，越来越多的测量仪器运用于水文测量当中，通过上述分析，全站仪具有简捷、精确、易于操作的特点，且可以避开很多限制条件，值得推广应用于各种水文测验项目。测验仪器本身并没有绝对的优劣，在日常工作中只有选择合适仪器和测验方法才能有效地提高工作效率和测验精度。

参考文献:

[1]陈磊.全站仪在水文大断面测量中的应用[J].科技咨询导报,2014,(13):91~91.

[2]杨小明,刘辉,高峰,等.中间设站法三角高程测量水尺零点高程方法与实践[J].水文,2021,41(5):38~41.

[3]李润苗,王勇.全站仪在水文缆道率定上的应用[J].水利水电技术,2008,39(5):67~69.

[4]中华人民共和国水利部.水文应急监测技术导则:SL/T 784-2019[S].