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摘 要：随着科学技术的发展，水域面积测量不仅局限于传统的测量技术。文章从面积测量的重要性出发，主要介绍了全站仪测量水域面积的坐标和对边测量法两种，并对比分析水准仪与全站仪在水域面积测量的异同，实践表明全站仪测量水域面积优点明显。
关键词：水文测验；全站仪；大断面；测量；水准仪
中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）27－0027－02
在水文测验工作中，水域面积测量是一项基础工作，保证水域面积测量结果的科学性意义重大。水域面积测量传统测量技术有经纬仪、水准仪等，随着电子技术的快速发展，全站仪在水域面积测量中越来越广泛，诸多优点逐渐得到体现，选用全站仪测量地型复杂地区大断面势在必行。
1 全站仪测量水域面积的方法
测量水域面积的方法主要有坐标和对边测量法，坐标测量属于全站仪的基本测量，对边测量则属于高级测量。采用何种方法视具体情况而定。全站仪在设站测量前必须在全站仪内输入有关数据，如棱镜常数、气温、气压等。
1.1 坐标测量法
采用的是不完全的或者说是改进的坐标测量法，主要是指全站仪的参数设置进行了简化（棱镜常数、气温、气压等已提前输入，以下不再述及），只输入仪器高度、测站高程和测点对中杆的棱镜高度，而不输入方位角和测站坐标，因为测站方位角和测站坐标与水域面积测量无关，使其默认上次输入值，便可节省测量时间。该法还分为以下两种情况：一种是将全站仪架设在断面线上的控制点上；另一种是将全站仪架设在断面线以外的控制点上，测量效果有所不同。测量方法及步骤如下：
1.1.1 全站仪架设在断面线的控制点上
在控制点架设全站仪，严格整平后设置该全站仪的仪器高度、测站高程和测点对中杆的棱镜高度，就可以进行水域面积测量了。测量时，屏幕将显示测点至仪器的水平距离和测点高程，每测完一个点，一般要手工记录测点起点距和高程，记录的测量成果可直接应用。也可将测量结果存贮到全站仪模块内，防止数据丢失。在测量过程中，一般不要随意改变对中杆的棱镜高，如果确实需要改变棱镜高，必须在观测前通知观测者重新输入棱镜高值。
1.1.2 全站仪架设在断面线外的控制点上
测量前的准备工作如上所述，水域面积测量时屏幕将显示测点的高程，而不显示起点距，应将测量结果存贮到全站仪模块内，并手工记录断面起点桩的编号。这时需利用地形图绘制专用软件（如CASS、SCS）将全站仪内的数据传输到计算机内，通过展测点号、展高程点等操作，能在计算机上自动显示各测点的点号和高程，然后量取各测点至断面起点桩的距离，即可完成水域面积测量成果。
以上两种测量方法还可以改进，进一步提高测量高程的精度。将全站仪架设在断面线的延长线上或断面线外的非控制点上，就可以不量取仪器高度，消除测量仪器高度误差。具体方法如下：设测站时，只输入棱镜高度（此时的测站高程Z′为上次测量输入值），然后照准水准点BM（高程为Z）进行初次坐标测量，求得水准点的高程为Z1，Z与Z1有一差值，将此差值加到测站的高程Z′上，再照准水准点BM进行坐标测量，测得的水准点高程即为其真值Z。随后便可依次照准断面上各点进行坐标测量，记录和成果计算整理如上所述。测量时尽量降低棱镜高，以减少测量高程的误差。
1.2 对边测量法
采用的也是不完全的，或者说是改进的对边测量法，对边测量设站灵活，全站仪的参数不需任何设置，操作简单，在实际测量工程中非常有用。对边测量不仅适用于视线良好的情况， 也适用于待测的两点间有障碍不能通视或不便甚至不能安置仪器的情况。对边测量时全站仪无需架设在已知高程的固定点上，可架设在所测点与已知高程点的中间或一侧。
一般水文站在断面线上的一岸设有已知固定高程点，我们把它作为起点距的零点。先从固定零点（起始点）精确照准棱镜进行距离测量或坐标测量，不用记录测量结果；然后照准第一目标点进行对边测量，这时显示屏会显示出第一目标点与固定零点的水平距离、倾斜距离和高差。手工记录水平距离和高差，依次测量下一点。测量过程中要尽量保持棱镜的高度固定不变，如果因测点的地势较低，需拔高棱镜高度1 m，记录其高差时则要减去1 m，反之则要加上1 m。计算时，起点距即为所测量的水平距离，将零点的高程与各点所测的高差作代数和运算，即可求得高程。计算时如测量的高差为负值，表示测点的高程较零点的高程低，反之则高于零点的高程。有了断面上各测点的起点距和高程，就形成了水域面积成果。
2 水准仪与全站仪测量方法对比分析
2.1 水准测量方法分析
采用水准仪测量大断面，岸上部分高程用水准仪测量前后测点的视线高差求得，测点的起点距一般采用钢尺或皮尺丈量求得。水道断面测量采用悬索、测深杆、测深锤或超声波测深仪测量水深，通过测时水位换算为河底高程。水准测量的精度主要从水准仪的仪器类型级别、水准标尺的型式、前后测点的视距长度、测量路线长度和测量限差等方面进行严格控制，如对于四等水准测量，要求仪器类型应采用不低于国内水准仪系列的S3级的水准仪，水准标尺应采用双面水准尺，每仪器站视线长度不得超过100 m，前后视距不等差不大于3 m，测段累积不大于10 m，视线高度能保证三丝读数；同时还要求各项测量限差分别为：同尺黑、红面读数差3 mm，同站黑、红面所测高差之差5 mm，左右路线转点差5 mm等等。
2.2 全站仪测量方法分析
采用全站仪测量水域面积，当河道水浅或河干时，可直接测量断面上各测点的起点距和高程；水深较大时，水道断面的测量方法如上所述，测点的起点距可直接测量求得。如以索佳（SET2110）为例，其测距的标称精度为±（2＋2×10－6×D）mm，即测距1 km有4 mm的误差，测角标称精度为2″。
根据全站仪测量高程有关文献资料可知，其测量误差主要来自以下5个方面：测距、测角、大气折光、仪器高测量和棱镜高测量误差。由于目前高精度的全站仪具有大气折光自动改正功能，仪器高和棱镜高测量误差在采用本法测量时已被消除，因此，测量误差主要受测距和测角误差影响。经分析计算，在测距不超过500 m、垂直角测量在15 °以内时，误差可控制在±5 mm以内，1 km测段的误差在±10 mm以内，达到同样测段的三等水准测量的精度要求。这个结论与文献资料的结论基本一致，认为全站仪代替水准仪进行高程测量，可达到三、四等水准测量要求，即可以使用全站仪测量大断面。
2.3 水准仪与全站仪测量方法对比分析
由于全站仪的系统误差比常规的水准仪要小，在防震、防水、防潮性能上比常规水准仪高出许多，另外，全站仪具有的自动双轴补偿系统也是常规水准仪无法比拟的，还具有大气折光改正及地球曲率改正等功能，因此要达到相同的测量精度，水准仪测量操作程序要比全站仪繁杂许多，限制条件也较多。
具体对比如下：
（1）采用水准仪测量水域面积，起点距测量要人工测量，用人、费时较多；测量高程时因受视线长度100 m、视线高度能保证三丝读数的限制，测量的距离较短，使得架设的仪器站增多；人工观读每个测点黑、红双面水准尺的4个读数，观测、计算工作量大，费时较长，容易出现错误。在障碍物多、通视条件差、地形条件变化大时测量难度更大。
（2）全站仪为电子产品，无需人工读数，操作简便，只需按一下测量键，便可完成一个测点的测量工作，大大减少了人为观测误差；起点距和高程测量能够同时进行，测量速度快，精度较高，用人较少；测量时的限制条件也较少，一次设站可连续测量断面上的多个测点，测量的距离较长，搬运仪器站较少；各测点的观测数据基本为半成品，计算工作量小，用时较少，不易出现错误。
综合以上对比分析，全站仪测量水域面积要明显优于常规水准仪。
3 应用实例
从2005年开始至今，渡头水文站每年采用全站仪测量测验河段水域面积，实现了水域面积的快速准确测量，取得了较好的应用效果，现举例如下：
（1）2006－2008年期间，在北江石角－三水段北江下游的河道演变测量及增江中、下游水面线测量、洪痕测量等项目中，采用全站仪的坐标测量法开展了水域面积和地形测量，为水利工程的选址、测站建设设计、防洪等提供了基础资料。如在断面测量时，按常规岸上部分的测量需架设水准仪，并需要派人扶水准尺；因断面宽度较大，测量起点距要用经纬仪交会法，先测量出基线长度，并使基线垂直于断面线，该法用人较多，测量程序十分繁琐。对于这种需要同时施测水域面积和地形坐标的测量，可以采用全站仪的坐标测量法，将测量数据直接存贮到全站仪模块内，利用地形图绘制专用软件，完成水域面积测量成果及地形图，测量工序少，效率高。
（2）用该法测量时，需手工依次记录水平距离（起点距）和高差，然后进行简单的代数运算，即可求得大断面上各点的高程，起点距数据无需计算，可直接使用。对边测量法的测量速度和精度，都是常规水准仪测量根本无法比拟的，从而节约了大量时间、人力和物力，减轻了劳动强度。对于这种只需要测量大断面和洪水位、枯水位的测量，适宜选择采用全站仪的对边测量法施测。
（3）近年来，渡头水文站完成的20多个水文分析计算报告，其野外洪、枯水调查时的大断面测量均采用全站仪施测，为准确推算洪、枯水流量和工程设计奠定了坚实的基础。
4 结束语
综上所述，利用全站仪进行水域面积测量，观测方法灵活，可自由设站，受地形、地物影响较小、数据处理精度高、速度快，能充分发挥全站仪的功能。随着全站仪的广泛应用，提高全站仪的使用范围和拓展功能，对水文测验、水文调查及水利工程施工、防洪等具有重要意义。
参考文献
1 梁中平.全站仪在面积测量中的应用［J］.科学之友，2011（06）
2 纪勇、朱曙光.全站仪断面测量任意设站测图分析［J］.黄河水利职业技术学院学报，2009（01）
The Exploration of Electronic Total Station’s Measurement in Water Area
Du Dingqiang
Abstract: With the development of science and technology, water area measurement is not limited to traditional measurement techniques. The article starts from the importance of area measurement, mainly describes two measurement methods using electronic total station to measure the coordinates and edges of water area, and through comparative analysis of level instrument and electronic total station’s similarities and differences in the water area measurement, shows that using electronic total station measuring water area has obvious advantages.
Key words: hydrological test; electronic total station; large cross－section; measurement; level instrument
关键词：水文测验；全站仪；大断面；测量；水准仪
中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）27－0027－02
在水文测验工作中，水域面积测量是一项基础工作，保证水域面积测量结果的科学性意义重大。水域面积测量传统测量技术有经纬仪、水准仪等，随着电子技术的快速发展，全站仪在水域面积测量中越来越广泛，诸多优点逐渐得到体现，选用全站仪测量地型复杂地区大断面势在必行。
1 全站仪测量水域面积的方法
测量水域面积的方法主要有坐标和对边测量法，坐标测量属于全站仪的基本测量，对边测量则属于高级测量。采用何种方法视具体情况而定。全站仪在设站测量前必须在全站仪内输入有关数据，如棱镜常数、气温、气压等。
1.1 坐标测量法
采用的是不完全的或者说是改进的坐标测量法，主要是指全站仪的参数设置进行了简化（棱镜常数、气温、气压等已提前输入，以下不再述及），只输入仪器高度、测站高程和测点对中杆的棱镜高度，而不输入方位角和测站坐标，因为测站方位角和测站坐标与水域面积测量无关，使其默认上次输入值，便可节省测量时间。该法还分为以下两种情况：一种是将全站仪架设在断面线上的控制点上；另一种是将全站仪架设在断面线以外的控制点上，测量效果有所不同。测量方法及步骤如下：
1.1.1 全站仪架设在断面线的控制点上
在控制点架设全站仪，严格整平后设置该全站仪的仪器高度、测站高程和测点对中杆的棱镜高度，就可以进行水域面积测量了。测量时，屏幕将显示测点至仪器的水平距离和测点高程，每测完一个点，一般要手工记录测点起点距和高程，记录的测量成果可直接应用。也可将测量结果存贮到全站仪模块内，防止数据丢失。在测量过程中，一般不要随意改变对中杆的棱镜高，如果确实需要改变棱镜高，必须在观测前通知观测者重新输入棱镜高值。
1.1.2 全站仪架设在断面线外的控制点上
测量前的准备工作如上所述，水域面积测量时屏幕将显示测点的高程，而不显示起点距，应将测量结果存贮到全站仪模块内，并手工记录断面起点桩的编号。这时需利用地形图绘制专用软件（如CASS、SCS）将全站仪内的数据传输到计算机内，通过展测点号、展高程点等操作，能在计算机上自动显示各测点的点号和高程，然后量取各测点至断面起点桩的距离，即可完成水域面积测量成果。
以上两种测量方法还可以改进，进一步提高测量高程的精度。将全站仪架设在断面线的延长线上或断面线外的非控制点上，就可以不量取仪器高度，消除测量仪器高度误差。具体方法如下：设测站时，只输入棱镜高度（此时的测站高程Z′为上次测量输入值），然后照准水准点BM（高程为Z）进行初次坐标测量，求得水准点的高程为Z1，Z与Z1有一差值，将此差值加到测站的高程Z′上，再照准水准点BM进行坐标测量，测得的水准点高程即为其真值Z。随后便可依次照准断面上各点进行坐标测量，记录和成果计算整理如上所述。测量时尽量降低棱镜高，以减少测量高程的误差。
1.2 对边测量法
采用的也是不完全的，或者说是改进的对边测量法，对边测量设站灵活，全站仪的参数不需任何设置，操作简单，在实际测量工程中非常有用。对边测量不仅适用于视线良好的情况， 也适用于待测的两点间有障碍不能通视或不便甚至不能安置仪器的情况。对边测量时全站仪无需架设在已知高程的固定点上，可架设在所测点与已知高程点的中间或一侧。
一般水文站在断面线上的一岸设有已知固定高程点，我们把它作为起点距的零点。先从固定零点（起始点）精确照准棱镜进行距离测量或坐标测量，不用记录测量结果；然后照准第一目标点进行对边测量，这时显示屏会显示出第一目标点与固定零点的水平距离、倾斜距离和高差。手工记录水平距离和高差，依次测量下一点。测量过程中要尽量保持棱镜的高度固定不变，如果因测点的地势较低，需拔高棱镜高度1 m，记录其高差时则要减去1 m，反之则要加上1 m。计算时，起点距即为所测量的水平距离，将零点的高程与各点所测的高差作代数和运算，即可求得高程。计算时如测量的高差为负值，表示测点的高程较零点的高程低，反之则高于零点的高程。有了断面上各测点的起点距和高程，就形成了水域面积成果。
2 水准仪与全站仪测量方法对比分析
2.1 水准测量方法分析
采用水准仪测量大断面，岸上部分高程用水准仪测量前后测点的视线高差求得，测点的起点距一般采用钢尺或皮尺丈量求得。水道断面测量采用悬索、测深杆、测深锤或超声波测深仪测量水深，通过测时水位换算为河底高程。水准测量的精度主要从水准仪的仪器类型级别、水准标尺的型式、前后测点的视距长度、测量路线长度和测量限差等方面进行严格控制，如对于四等水准测量，要求仪器类型应采用不低于国内水准仪系列的S3级的水准仪，水准标尺应采用双面水准尺，每仪器站视线长度不得超过100 m，前后视距不等差不大于3 m，测段累积不大于10 m，视线高度能保证三丝读数；同时还要求各项测量限差分别为：同尺黑、红面读数差3 mm，同站黑、红面所测高差之差5 mm，左右路线转点差5 mm等等。
2.2 全站仪测量方法分析
采用全站仪测量水域面积，当河道水浅或河干时，可直接测量断面上各测点的起点距和高程；水深较大时，水道断面的测量方法如上所述，测点的起点距可直接测量求得。如以索佳（SET2110）为例，其测距的标称精度为±（2＋2×10－6×D）mm，即测距1 km有4 mm的误差，测角标称精度为2″。
根据全站仪测量高程有关文献资料可知，其测量误差主要来自以下5个方面：测距、测角、大气折光、仪器高测量和棱镜高测量误差。由于目前高精度的全站仪具有大气折光自动改正功能，仪器高和棱镜高测量误差在采用本法测量时已被消除，因此，测量误差主要受测距和测角误差影响。经分析计算，在测距不超过500 m、垂直角测量在15 °以内时，误差可控制在±5 mm以内，1 km测段的误差在±10 mm以内，达到同样测段的三等水准测量的精度要求。这个结论与文献资料的结论基本一致，认为全站仪代替水准仪进行高程测量，可达到三、四等水准测量要求，即可以使用全站仪测量大断面。
2.3 水准仪与全站仪测量方法对比分析
由于全站仪的系统误差比常规的水准仪要小，在防震、防水、防潮性能上比常规水准仪高出许多，另外，全站仪具有的自动双轴补偿系统也是常规水准仪无法比拟的，还具有大气折光改正及地球曲率改正等功能，因此要达到相同的测量精度，水准仪测量操作程序要比全站仪繁杂许多，限制条件也较多。
具体对比如下：
（1）采用水准仪测量水域面积，起点距测量要人工测量，用人、费时较多；测量高程时因受视线长度100 m、视线高度能保证三丝读数的限制，测量的距离较短，使得架设的仪器站增多；人工观读每个测点黑、红双面水准尺的4个读数，观测、计算工作量大，费时较长，容易出现错误。在障碍物多、通视条件差、地形条件变化大时测量难度更大。
（2）全站仪为电子产品，无需人工读数，操作简便，只需按一下测量键，便可完成一个测点的测量工作，大大减少了人为观测误差；起点距和高程测量能够同时进行，测量速度快，精度较高，用人较少；测量时的限制条件也较少，一次设站可连续测量断面上的多个测点，测量的距离较长，搬运仪器站较少；各测点的观测数据基本为半成品，计算工作量小，用时较少，不易出现错误。
综合以上对比分析，全站仪测量水域面积要明显优于常规水准仪。
3 应用实例
从2005年开始至今，渡头水文站每年采用全站仪测量测验河段水域面积，实现了水域面积的快速准确测量，取得了较好的应用效果，现举例如下：
（1）2006－2008年期间，在北江石角－三水段北江下游的河道演变测量及增江中、下游水面线测量、洪痕测量等项目中，采用全站仪的坐标测量法开展了水域面积和地形测量，为水利工程的选址、测站建设设计、防洪等提供了基础资料。如在断面测量时，按常规岸上部分的测量需架设水准仪，并需要派人扶水准尺；因断面宽度较大，测量起点距要用经纬仪交会法，先测量出基线长度，并使基线垂直于断面线，该法用人较多，测量程序十分繁琐。对于这种需要同时施测水域面积和地形坐标的测量，可以采用全站仪的坐标测量法，将测量数据直接存贮到全站仪模块内，利用地形图绘制专用软件，完成水域面积测量成果及地形图，测量工序少，效率高。
（2）用该法测量时，需手工依次记录水平距离（起点距）和高差，然后进行简单的代数运算，即可求得大断面上各点的高程，起点距数据无需计算，可直接使用。对边测量法的测量速度和精度，都是常规水准仪测量根本无法比拟的，从而节约了大量时间、人力和物力，减轻了劳动强度。对于这种只需要测量大断面和洪水位、枯水位的测量，适宜选择采用全站仪的对边测量法施测。
（3）近年来，渡头水文站完成的20多个水文分析计算报告，其野外洪、枯水调查时的大断面测量均采用全站仪施测，为准确推算洪、枯水流量和工程设计奠定了坚实的基础。
4 结束语
综上所述，利用全站仪进行水域面积测量，观测方法灵活，可自由设站，受地形、地物影响较小、数据处理精度高、速度快，能充分发挥全站仪的功能。随着全站仪的广泛应用，提高全站仪的使用范围和拓展功能，对水文测验、水文调查及水利工程施工、防洪等具有重要意义。
参考文献
1 梁中平.全站仪在面积测量中的应用［J］.科学之友，2011（06）
2 纪勇、朱曙光.全站仪断面测量任意设站测图分析［J］.黄河水利职业技术学院学报，2009（01）
The Exploration of Electronic Total Station’s Measurement in Water Area
Du Dingqiang
Abstract: With the development of science and technology, water area measurement is not limited to traditional measurement techniques. The article starts from the importance of area measurement, mainly describes two measurement methods using electronic total station to measure the coordinates and edges of water area, and through comparative analysis of level instrument and electronic total station’s similarities and differences in the water area measurement, shows that using electronic total station measuring water area has obvious advantages.
Key words: hydrological test; electronic total station; large cross－section; measurement; level instrument