3.2　测量仪器的使用

3.2.1　水准仪

水准测量所使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。水准仪按仪器精度分有DS05、DSl、DS3、DS10等四种型号。D、S分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音第一个字母；数字05、1、3、10表示该仪器的精度。

3.2.1.1　水准仪的构造

根据水准测量的原理，水准仪的主要作用是提供一条水平视线，并能照准水准尺进行读数。因此，它主要由望远镜、水准器和基座三部分构成，如图3.11所示。

3.2.1.2　水准仪的使用

水准仪在一个测站上的操作顺序为：安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平及读数。

1.安置仪器

在测站上打开三脚架，按观测者的身高调节三脚架腿的高度，使三脚架架头大致水平，如果地面比较松软则应将三脚架的三个脚尖踩实，使脚架稳定。然后将水准仪从箱中取出平稳地安放在三脚架头上，一手握住仪器，一手立即用连接螺旋将仪器连接在三脚架头上。

2.粗略整平

粗略整平即初步地整平仪器，通过调节三个脚螺旋使圆水准器气泡居中，从而使仪器的竖轴大致铅垂。在整平的过程中，气泡移动的方向与左手大拇指转动脚螺旋时的移动方向一致。如果地面较坚实，可先练习固定三脚架的两条腿，移动第三条腿使圆水准器气泡大致居中，然后再调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。

3.瞄准水准尺

（1）目镜调焦。将望远镜对着明亮的背景（如天空或白色明亮物体），转动目镜调焦螺旋，使望远镜内的十字丝像十分清晰。

（2）初步瞄准。松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上方的照门、准星瞄准水准尺，大致进行物镜调焦使在望远镜内看到水准尺像，此时立即拧紧制动螺旋。

（3）物镜调焦和精确瞄准。转动物镜调焦螺旋进行仔细调焦，使水准尺的分划像十分清晰，并注意消除视差。再转动水平微动螺旋，使十字丝的竖丝对准水准尺或靠近水准尺的一侧。

4.精确整平与读数

转动微倾螺旋，从气泡观察窗内看到符合水准器气泡两端影象严密吻合（气泡居中），此时视线即为水平视线。注意微倾螺旋转动方向与符合水准器气泡左侧影像移动的规律。

仪器精平后，应立即用十字丝的中丝在水准尺上读数。用十字丝中丝读取米、分米、厘米、估读出毫米位数字，并用铅笔记录。如图3.12所示，中丝读数为0.907m。

3.2.2　经纬仪

经纬仪按不同测角精度又分成多种等级，如DJ1、DJ2、DJ6、DJ10等。“D”和“J”为“大地测量”和“经纬仪”的汉语拼音第一个字母。后面的数字代表该仪器测量精度，如DJ6表示一测回方向观测中误差不超过±6″。在工程中常用的经纬仪有DJ2、DJ6和DJ10。DJ6型光学经纬仪适用于各种比例尺的地形图测绘和土木工程施工放样。

3.2.2.1　经纬仪的构造

DJ6型光学经纬仪主要由基座、照准部、度盘三部分组成，如图3.13所示。

1.基座部分

基座部分用于支撑基照准部，上有三个脚螺旋，其作用是整平仪器。

2.照准部

照准部是经纬仪的主要部件，照准部部分的部件有水准管、光学对中器、支架、横轴、竖直度盘、望远镜、度盘读数系统等。

3.度盘部分

DJ6光学经纬仪度盘有水平度盘和垂直度盘，均由光学玻璃制成。水平度盘沿着全圆从0°～360°顺时针刻画，最小格值一般为1°或30′。

3.2.2.2　经纬仪的使用

在进行角度测量时，应将经纬仪安置在测站（角顶点）上，然后再进行观测。经纬仪的使用包括对中、整平、瞄准、读数四个步骤。

1.对中

对中的目的是使仪器的旋转轴位于测站点的铅垂线上。

（1）用垂球对中。张开三脚架，安置在测站上，使三脚架高度适中，架头大致水平。挂上垂球，平移三脚架，使垂球尖大致对准测站点，并注意保持架头大致水平，并将脚架的脚尖踩入土中。从箱中取出经纬仪，用中心连接螺旋将其固连在三脚架上。调整脚螺旋，使圆水准器气泡居中。此时，如果垂球尖偏离测站点标志中心，稍松连接螺旋，双手扶住基座，在架头上平移仪器，使垂球尖准确对准测站点，最后旋紧连接螺旋。

（2）用光学对中器对中。张开三脚架，使架头大致水平和对中，连接经纬仪，调节光学对中器的目镜和物镜对光螺旋，使对中器分划板的小圆圈和测站点标志的影像清晰。固定一只三脚腿架，目视对中器目镜并移动其他两只腿架，使镜中小圆圈对准地面点，踩紧脚尖，若光学对中器的中心与地面点略有偏离，可转动脚螺旋，使光学对中器对准测站标志中心，此时圆水准器气泡偏离，伸缩三脚架腿，使圆水准器气泡居中，注意脚尖的位置不能移动。

2.整平

整平的目的是使仪器竖轴在铅垂位置，而水平度盘在水平位置。

3.瞄准

（1）转动照准部，使望远镜对向明亮处，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰。

（2）松开照准部制动螺旋，用望远镜上的粗瞄准器对准目标，使其位于视场内，固定望远镜制动螺旋和照准部制动螺旋。

（3）转动物镜对光螺旋，使目标影像清晰；旋转望远镜微动螺旋，使目标像的高低适中；旋转照准部微动螺旋，使目标像被十字丝的单根竖丝平分，或被双根竖丝夹在中间。

（4）眼睛微微左右移动，检查有无视差，如果有，转动物镜对光螺旋予以消除。

4.读数

读数时要先调节反光镜，使读数窗明亮，旋转显微镜调焦螺旋，使分划线的数字清晰，然后读数。测竖直角时注意调节罗盘水准气泡微动螺旋，使气泡居中后再读数，估读至0.1′（即6″的整倍数）。

3.2.3　全站仪

全站型电子速测仪简称全站仪，它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置，仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故称为“全站仪”。它具有功能强、精度高、用途广和使用方便、快捷的特点。

3.2.3.1　全站仪的构造

全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通信接口、及显示屏、键盘等组成，见图3.14。根据测角精度可分为0.5″、1″、2″、3″、5″、10″等几个等级。

3.2.3.2　全站仪的使用

全站仪具有角度测量、距离（斜距、平距、高差）测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途。内置专用软件后，功能还可进一步拓展。全站仪的基本操作与经纬基本相同，测量方法有碎部点采集、施工放样。

1.测前的准备工作

（1）安置仪器。将全站仪连接到三脚架上，对中并整平。多数全站仪有双轴补偿功能，所以仪器整平后，在观测过程中，既使气泡稍有偏离，对观测也无影响。

（2）开机。按POWER或ON键，开机后仪器进行自检，自检结束后进入测量状态。有的全站仪自检结束后，需设置水平度盘、竖盘指标，设置水平度盘指标的方法是旋转照准部，听到鸣响即设置完成；设置竖盘指标的方法是纵转望远镜，听到鸣响即设置完成。设置完成后，显示窗才能显示水平度盘与竖直度盘的读数。

2.水平角测量

（1）按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目标A。

（2）设置A方向的水平度盘读数为0°00′00″。

（3）照准第2个目标B，此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。

3.距离测量

（1）设置棱镜常数。

（2）设置大气改正值或气温、气压值。

（3）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。

（4）距离测量。照准目标棱镜中心，按测距键，距离测量开始，测距完成时显示斜距、平距、高差。

照准目标棱镜中心，按测距键，距离测量开始，测距完成时显示斜距、平距、高差。全站仪的测距模式有精测模式、跟踪模式、粗测模式三种。精测模式是最常用的测距模式，测量时间约2.5s，最小显示单位1mm；跟踪模式，常用于跟踪移动目标或放样时连续测距，最小显示一般为1cm，每次测距时间约0.3s；粗测模式，测量时间约0.7s，最小显示单位为1cm或1mm。在距离测量或坐标测量时，可按测距模式（MODE）键选择不同的测距模式。

应注意，有些型号的全站仪在距离测量时不能设定仪器高和棱镜高，显示的高差值是全站仪横轴中心与棱镜中心的高差。

4.坐标测量

（1）设定测站点的三维坐标。

（2）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。当设定后视点的坐标时，全站仪会自动计算后视方向的方位角，并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。

（3）设置棱镜常数。

（4）设置大气改正值或气温、气压值。

（5）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。

（6）照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。

5.施工放样

（1）选择坐标文件，调用内存的测站点、后视点的三维坐标或直接输入坐标。

（2）调用或输入放样点的坐标，先在待放样点的大致位置立棱镜开始放样，测出当前棱镜位置的坐标。

（3）将当前坐标与放样点的坐标比较，计算出其差值，显示出距离差值dD和角度差值dHR或纵横向差值Δx、Δy。

（4）根据显示的距离差值dD和角度差值dHR或纵横向差值Δx、Δy，找到放样点位。

3.2.3.3　GPS定位系统的认识

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机（待测点）的具体位置。广泛应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

1.GPS系统的组成

GPS由三个独立的部分组成，即空间部分、地面支撑系统、用户设备部分。

（1）空间部分。GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。此外，还有3颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

（2）地面控制系统。地面控制系统由主控站、监测站、地面天线组成。主控制站位于美国科罗拉多州春田市，地面控制站负责收集由卫星传回之信息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。

（3）用户设备部分。用户设备部分即GPS信号接收机，一般由主机、天线和电源组成。接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。

2.特点

GPS系统的特点：GPS卫星的数目较多，且分布均匀，具有全球、全天候定位，定位精度高，观测时间短，测站间无需通视，仪器操作简便，可提供全球统一的三维地心坐标，功能多、应用广泛等。