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【摘 要】主要探讨无反射棱镜全站仪的使用原理及其测距原理，使用无反射棱镜的各种优点，还有使用无反射棱镜全站仪时应该注意的问题以及总结了无反射棱镜全站仪在建筑物倾斜测量、高程测量，铁路工程测量，桥梁检测以及地籍测量中的应用 。本文主要介绍了无反射棱镜全站仪在它具有普通全站仪所不可替代的优点，无反射棱镜全站仪在无论是在工程测量还是在地籍测量中应用肯定会更加广泛。
【关键词】无反射棱镜全站仪；注意问题；测量模式；应用；地籍测量
1.无反射棱镜全站仪的工作原理
光照射到物体表面自然会发生漫反射，无反射棱镜全站仪测距就是利用这一原理，变测量距离为测量时间。如果光以速度c在空气中传播，在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用式（1）表示[2]。
D=ct/2 （1）
式中：
D——测站点A、B两点间距离；
c——光在大气中传播的速度；
t——光往返A、B一次所需的时间。
由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，免棱镜全站仪测距方法有两种：脉冲法和相位法。免棱镜全站仪的种类繁多，但测距结构基本相似，这里以徕卡TCR系列仪器为例，介绍免棱镜全站仪的测距结构。TCR 系列的测距仪中有两个发射管，一个是用于测量反射棱镜或反射板的红外激光发射管，它发射的波长为780nm，用单棱镜可测3km，精度达到±（2mm+2×10-6D)；另一个是用于免棱镜测量的红色激光发射管，它发射的波长为670nm，不用棱镜可测80m，精度达到±（3mm+2×10-6D )。这两种测量模式的转换可通过仪器键盘上的操作控制内部光路来实现。而且，两种测距方式的不同的常数改正会自动修正到测量结果上。免棱镜测距(Reflectorless )，又称作无接触(Noncontact ) 测距，指的是全站仪发射的光束经自然表面反射后，直接测距。测距误差可分为两部分：一部分是与距离D 成正比的误差，即光速值误差，大气折射率误差和测距频率误差；另外一部分是与距离无关的误差，即测相误差、加常数误差和对中误差。周期误差有其特殊性，它与距离有关但不成比例，仪器设计和调试时可严格控制其数值，实用中如发现较大而且稳定，可以对测距成果进行改正，这里暂不顾及。故一般测距精度表达式为：
mD=±(A+B·D) （2）
式中A 为固定误差；B 为比例误差系数；D 为被测距离。
2.无反射棱镜全站仪的应用
2.1 建筑物倾斜测量
在工程中,建筑物倾斜测量的常用方法是经纬仪垂直投影法，此法在工程中较普遍,但是当人们对无法靠近或难以摆放尺子的建筑物进行倾斜测量时，该方法不适用。另外使用该方法一测站只能观测出建筑物在一个方向的倾斜量，要想观测建筑物在另外一个方向的倾斜量，还必须再搬动仪器重新观测。所以采取无反射棱镜进行建筑物倾斜测量就显得非常重要及实用了。
无反射棱镜全站仪的建筑物倾斜测量是在被测建筑物旁边建立独立坐标系，利用无反射棱镜全站仪分别观测出建筑物待测面上下两边4 个角点三维坐标，然后建立墙面坐标系，将已测4 个角点坐标通过坐标变换转化到墙面坐标系中，根据转化后的坐标就可以计算倾斜量。
（1）在建筑物周围选择合适的测站点、定向点，建立独立坐标系，在全站仪中输入测站点和定向点的坐标(其中可以将测站点设为坐标原点，测站点与定向点的连线为一坐标轴，用全站仪测出测站点和定向点的距离并将其作为定向点的坐标输入到全站仪) ，按极坐标法自动观测建筑物上、下两边4 个角点的三维坐标。
（2）在建筑倾斜分析中经常要着重分析平行于和垂直于某一墙面的倾斜，为此， 进行坐标系的变换(如图1) ，取平行于墙面的为X′轴、垂直于墙面的为Y′轴，可以令点1 作为墙面坐标系的原点，以12 线作为墙面坐标系的x′轴建立墙面坐标系。将观测的坐标转换到墙面坐标系中的坐标，转换公式如下：
x■■=(x■-x■)cos?茁+(y■-y■)sin?茁y■■=(x■-x■)sin?茁+(y■-y■)cos?茁 （3）
?茁=arctan■ （4）
2.2 隧道断面测量与拱顶下沉监测
在地下铁路施工中隧道断面测量和拱顶下沉监测是非常重要的两个测量工作，在测量过程中使用无反射棱镜全站仪不但可以满足工程所要求的精度，而且可以提高作业效率。
2.2.1 用于隧道斷面
应用全站仪无棱镜技术进行线路横断面测量，可以解决山高、坡陡地段受条件限制，施测人员难以到达陡坡中间特征点上采点的难题，无需在陡坡中间立棱镜，大大节省了人力、物力、时间，加快了外业进展，提高了工作效率。
如今各个型号的全站仪均有自带的断面测量程序，在安置仪器以后，可用后方交会、自由测站或已知点设站，确定测站的三维坐标以及方位角，然后启动断面测量程序，设置好所需参数，然后转动全站仪，就可以测量所需断面上的点到仪器的距离及角度数据存储在仪器内，然后进行下一断面的测量。之后将不同断面的外业测量记录输入相应断面测量后处理软件的计算机上，软件经过计算、分析与理论断面比较等处理过程，最后输出实测及理论断面比较图形，断面面积，超、欠挖面积等参数。
2.2.2 用于拱顶下沉
拱顶沉降监测在隧道变形监测中具有重要的地位，以往拱顶沉降测量方法都具有不同程度的局限性，如水准仪——挂尺法测量，由于顶高、尺长，现场操作强度高、难度大、工作时间长，需要较多人力和物力的投入， 最重要的是其工作节拍不能与洞内的爆破施工作业相适应，因而不利于顺利进行测量作业。随着全站仪在施工与监测任务中的大量使用，采用不测量仪器高和觇标高方法测量高差，已得到了广大测量工作者的青睐，并在不同的测量工作中进行了大量的尝试。无反射棱镜全站仪测量拱顶沉降的方法， 除了不量取仪器高和棱镜高外，仪器架设的位置也不要求安放在固定点上，利用仪器中的存贮设备，避免了洞内计算和测量常数设置等工作，使测量时间大大缩短。该方法的特点在于：
（1）未知点高程数据的采集，可以快速和直接地从全站仪读数窗中获取，并同时存贮于仪器内，而后下载至机算机进行处理。
（2）不需架设棱镜，且可较自由的选择测站点，不与施工人员作业相互干扰。
（3）洞内逗留时间短，可在施工作业间歇时段内快速完成数据采集工作。
（4）劳动强度较低，配备人员少。实践证明，这是一种隧道开挖施工中测量拱顶沉降的好方法。
3.结语
综上所述，无反射棱镜全站仪以其特殊的功能在测量中起着不可替代的作用，不管是测管线净高，还是测单独建筑物的高度都是非常方便且简单的。同样，对测量建筑物角（顶点）、圆心的坐标、隧道断面等司镜员无法到达的地方时，外业简单，避免司镜员的危险而且可以有效的避免测点用棱镜对中误差的影响。内业计算方便，精度也能满足要求。另外在野外地形测量中，使用全站仪的免棱镜功能可以直接测量高差很大的陡坎等。在地籍测量中也可以使用无反射棱镜全站仪的对边测量和悬高测量的功能，进行不通视界址点的测量。既可以增加作业效率又可以减少测量工作中的危险。可以说，随着无反射棱镜全站仪被广泛使用，它的功能会在测量中起到越来越大的作用。
【参考文献】
［１］杨瑞芳，李红耀.对无棱镜测距全站仪的几点思考[J].平顶山工学院学报，2007，(7)：44-45.
［２］白晓光.谈无反射棱镜全站仪[J].黑龙江生态工程职业学院学报,2007，(3)：56-57．
【关键词】无反射棱镜全站仪；注意问题；测量模式；应用；地籍测量
1.无反射棱镜全站仪的工作原理
光照射到物体表面自然会发生漫反射，无反射棱镜全站仪测距就是利用这一原理，变测量距离为测量时间。如果光以速度c在空气中传播，在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用式（1）表示[2]。
D=ct/2 （1）
式中：
D——测站点A、B两点间距离；
c——光在大气中传播的速度；
t——光往返A、B一次所需的时间。
由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，免棱镜全站仪测距方法有两种：脉冲法和相位法。免棱镜全站仪的种类繁多，但测距结构基本相似，这里以徕卡TCR系列仪器为例，介绍免棱镜全站仪的测距结构。TCR 系列的测距仪中有两个发射管，一个是用于测量反射棱镜或反射板的红外激光发射管，它发射的波长为780nm，用单棱镜可测3km，精度达到±（2mm+2×10-6D)；另一个是用于免棱镜测量的红色激光发射管，它发射的波长为670nm，不用棱镜可测80m，精度达到±（3mm+2×10-6D )。这两种测量模式的转换可通过仪器键盘上的操作控制内部光路来实现。而且，两种测距方式的不同的常数改正会自动修正到测量结果上。免棱镜测距(Reflectorless )，又称作无接触(Noncontact ) 测距，指的是全站仪发射的光束经自然表面反射后，直接测距。测距误差可分为两部分：一部分是与距离D 成正比的误差，即光速值误差，大气折射率误差和测距频率误差；另外一部分是与距离无关的误差，即测相误差、加常数误差和对中误差。周期误差有其特殊性，它与距离有关但不成比例，仪器设计和调试时可严格控制其数值，实用中如发现较大而且稳定，可以对测距成果进行改正，这里暂不顾及。故一般测距精度表达式为：
mD=±(A+B·D) （2）
式中A 为固定误差；B 为比例误差系数；D 为被测距离。
2.无反射棱镜全站仪的应用
2.1 建筑物倾斜测量
在工程中,建筑物倾斜测量的常用方法是经纬仪垂直投影法，此法在工程中较普遍,但是当人们对无法靠近或难以摆放尺子的建筑物进行倾斜测量时，该方法不适用。另外使用该方法一测站只能观测出建筑物在一个方向的倾斜量，要想观测建筑物在另外一个方向的倾斜量，还必须再搬动仪器重新观测。所以采取无反射棱镜进行建筑物倾斜测量就显得非常重要及实用了。
无反射棱镜全站仪的建筑物倾斜测量是在被测建筑物旁边建立独立坐标系，利用无反射棱镜全站仪分别观测出建筑物待测面上下两边4 个角点三维坐标，然后建立墙面坐标系，将已测4 个角点坐标通过坐标变换转化到墙面坐标系中，根据转化后的坐标就可以计算倾斜量。
（1）在建筑物周围选择合适的测站点、定向点，建立独立坐标系，在全站仪中输入测站点和定向点的坐标(其中可以将测站点设为坐标原点，测站点与定向点的连线为一坐标轴，用全站仪测出测站点和定向点的距离并将其作为定向点的坐标输入到全站仪) ，按极坐标法自动观测建筑物上、下两边4 个角点的三维坐标。
（2）在建筑倾斜分析中经常要着重分析平行于和垂直于某一墙面的倾斜，为此， 进行坐标系的变换(如图1) ，取平行于墙面的为X′轴、垂直于墙面的为Y′轴，可以令点1 作为墙面坐标系的原点，以12 线作为墙面坐标系的x′轴建立墙面坐标系。将观测的坐标转换到墙面坐标系中的坐标，转换公式如下：
x■■=(x■-x■)cos?茁+(y■-y■)sin?茁y■■=(x■-x■)sin?茁+(y■-y■)cos?茁 （3）
?茁=arctan■ （4）
2.2 隧道断面测量与拱顶下沉监测
在地下铁路施工中隧道断面测量和拱顶下沉监测是非常重要的两个测量工作，在测量过程中使用无反射棱镜全站仪不但可以满足工程所要求的精度，而且可以提高作业效率。
2.2.1 用于隧道斷面
应用全站仪无棱镜技术进行线路横断面测量，可以解决山高、坡陡地段受条件限制，施测人员难以到达陡坡中间特征点上采点的难题，无需在陡坡中间立棱镜，大大节省了人力、物力、时间，加快了外业进展，提高了工作效率。
如今各个型号的全站仪均有自带的断面测量程序，在安置仪器以后，可用后方交会、自由测站或已知点设站，确定测站的三维坐标以及方位角，然后启动断面测量程序，设置好所需参数，然后转动全站仪，就可以测量所需断面上的点到仪器的距离及角度数据存储在仪器内，然后进行下一断面的测量。之后将不同断面的外业测量记录输入相应断面测量后处理软件的计算机上，软件经过计算、分析与理论断面比较等处理过程，最后输出实测及理论断面比较图形，断面面积，超、欠挖面积等参数。
2.2.2 用于拱顶下沉
拱顶沉降监测在隧道变形监测中具有重要的地位，以往拱顶沉降测量方法都具有不同程度的局限性，如水准仪——挂尺法测量，由于顶高、尺长，现场操作强度高、难度大、工作时间长，需要较多人力和物力的投入， 最重要的是其工作节拍不能与洞内的爆破施工作业相适应，因而不利于顺利进行测量作业。随着全站仪在施工与监测任务中的大量使用，采用不测量仪器高和觇标高方法测量高差，已得到了广大测量工作者的青睐，并在不同的测量工作中进行了大量的尝试。无反射棱镜全站仪测量拱顶沉降的方法， 除了不量取仪器高和棱镜高外，仪器架设的位置也不要求安放在固定点上，利用仪器中的存贮设备，避免了洞内计算和测量常数设置等工作，使测量时间大大缩短。该方法的特点在于：
（1）未知点高程数据的采集，可以快速和直接地从全站仪读数窗中获取，并同时存贮于仪器内，而后下载至机算机进行处理。
（2）不需架设棱镜，且可较自由的选择测站点，不与施工人员作业相互干扰。
（3）洞内逗留时间短，可在施工作业间歇时段内快速完成数据采集工作。
（4）劳动强度较低，配备人员少。实践证明，这是一种隧道开挖施工中测量拱顶沉降的好方法。
3.结语
综上所述，无反射棱镜全站仪以其特殊的功能在测量中起着不可替代的作用，不管是测管线净高，还是测单独建筑物的高度都是非常方便且简单的。同样，对测量建筑物角（顶点）、圆心的坐标、隧道断面等司镜员无法到达的地方时，外业简单，避免司镜员的危险而且可以有效的避免测点用棱镜对中误差的影响。内业计算方便，精度也能满足要求。另外在野外地形测量中，使用全站仪的免棱镜功能可以直接测量高差很大的陡坎等。在地籍测量中也可以使用无反射棱镜全站仪的对边测量和悬高测量的功能，进行不通视界址点的测量。既可以增加作业效率又可以减少测量工作中的危险。可以说，随着无反射棱镜全站仪被广泛使用，它的功能会在测量中起到越来越大的作用。
【参考文献】
［１］杨瑞芳，李红耀.对无棱镜测距全站仪的几点思考[J].平顶山工学院学报，2007，(7)：44-45.
［２］白晓光.谈无反射棱镜全站仪[J].黑龙江生态工程职业学院学报,2007，(3)：56-57．