如何利用全站仪测量土方

工程建设中需要测量工程量的项目很多，从勘察设计到施工期间由于地质、施工、设计变更等原因，施工区内的地形地貌变化很频繁，因此，不仅在勘察设计阶段要测量工程量，在施工前、施工过程中、竣工等阶段为控制工程进度、预算分项目经费、最后结算等都需要多次测量工程量。如果按传统的断面法、方格法等测算工程量，首先需要在待测区域建立多层次控制网点，按照工程设计资料给出的设计基线(通常是指建筑物的轴线即：洞轴线、坝轴线等)的主轴点(用以标定主轴线的点)坐标进行放样，定出基线的实际位置，在基线上根据要求或实际地形的变化情况放样出需测设的各个断面位置，然后依次在断面桩上架设仪器进行断面测量。有时由于地形变化复杂，测量一个断面往往需要多次架设仪器，而且对每个断面必须作平面高程控制，这不但增加了外业劳动强度，也降低了测量工作的效率和精度。而在大型施工过程中，施工爆破、机械开挖、常常会使控制点破坏，从而造成停工待测影响施工，也影响测量工作的进行。随着计算机技术在施工领域的发展与普及，使得测绘行业从硬件到软件都发生了革命性变化，这就为工程量的测算提供了新的手段和方法。

水利枢纽工程在施工中大量使用具有世界先进水平的施工机械设备、施工工艺和先进的测绘仪器，使得施工测量和工程量测算技术也以崭新的面貌出现在黑河工地。根据所配备的先进测量仪器，如高精度全站仪（徕卡TC1700、TCR305、托普康GTS711）、T2经纬仪配合徕卡Dir3002远距离无棱镜测距仪、高智能测绘软件构成的电子平板等的一些突出特点，总结出一些有针对性的、简单、实用、快捷的工程量测算新方法，在工程施工中取得了良好效果。

1断面法

我们设想利用施工区的平面控制点，使用全站仪或经纬仪配合测距仪远距离施测断面，在通视较好的平面控制点上，一站即可完成一项工程的全部断面测量任务。

1.1原理

全站仪或经纬仪配合测距仪都可以直接或间接获取测站的三维坐标，利用这一功能，只要将测站与基线纳入统一坐标系，经过坐标旋转，建立新的施工坐标系，在测站点架设仪器并输入测站点相对于基线的里程桩号和规化距离(轴距)，此时，所测得测点的纵、横坐标就是该点的桩号和该桩号上的横断面点相应的轴距。

(1) 建立独立的施工坐标系统

建立以基线起点为原点，基线前进方向为X坐标轴，垂线方向为Y坐标轴的施工坐标系统，如图1所示。

在该坐标系统中，X坐标表示测点沿基线方向相对于基线起点的间距即里程桩号，X为正数表示该点位于基线起点的前方，负数表示该点位于基线起点的后方。Y坐标表示测点到基线的水平距离即轴距，Y坐标为正表示该测点位于基线的右方，Y坐标为负表示该测点位于基线的左方，其绝对值所表示的轴距是相等的。而断面测量所采集的数据一般都是沿基线、基线的平行线、基线的垂直线上的特征地形变化点相对于基线起点或基线的水平距离和高差，建立了上述施工坐标系后，在该施工坐标系测得测点的三维坐标，X表示该点的桩号，Y表示轴距，H表示该点高程。

(2) 施工坐标系坐标与大地勘测坐标系坐标的换算。

在施工坐标系下进行断面测量，主要问题是将测站点的大地坐标通过坐标转换换算成施工坐标系坐标，大地勘测坐标系与施工坐标系的关系如图2所示。

图2中，XOY为大地勘测坐标系，X′Y′O′为施工坐标系。在设计资料中，基线起点或主轴点、测站点的大地坐标值、方位角是已知的或是可以推算求得的，利用这些数据通过坐标转换公式

式中a、b——基线起点在勘测大地坐标系中的坐标；

α——两坐标系X坐标轴的正向夹角，即基线正向方向在勘测大地坐标系下的方位角。

就可以反算出各个控制点在施工坐标系中的坐标值。以所计算出的坐标作为站点的坐标值，进行断面测量。

1.2断面法的应用

使用“断面法”进行作业，首先要选定控制点，在需要挖填部位的对面，通视条件好、视野开阔、距离适当的地方进行布设，为了防止控制点丢失，便于方向检测,可以多增设几个点，保证施测要求。选定测站点并完成坐标值的转换后，在测站点安置仪器，对准后视方位配盘、检测后视坐标无误(后视方位角为施工坐标系方位角)方可进行。测量时，一种情况是原始断面测量，即立尺员依地形

变化要求选定断面。二种情况按给定的原始桩号、轴距进行测量，立尺员初步估计断面位置，再用试测法找到准确的断面位置，依次完成各个断面的测量任务。使用全站仪可根据仪器显示：X—桩号、Y—轴距、H—高程，进行指挥、计算或记录，使用经纬仪配合测距仪可按具体条件使用可编程计算器通过输入边长、水平角、垂直角，计算桩号、轴距。

计算工程量之前，先检查测量记录数据，准确无误后绘制断面图。一种方法是手工将点展绘在方格纸上，联成断面线，并将原始地面线、设计线、土石分界线等分别予以展绘，各种数据线相互叠合生成断面图。计算工程量时，采用常用的平均断面法：即假定两相邻断面间为一棱柱体，其高为两断面的中线长度，底面积为相邻两断面之平均值。棱柱体的体积如下：

式中 V——两相邻断面间体积；

S1，S2——两相邻断面面积；

L——两相邻断面间中线长度。

开挖或回填方的总体积为：

断面面积S分别用求积仪量出，代入公式(3)，求出总工程量。第二种方法是将各种数据(原始地面数据、土石分界线、收方线、竣工线等)分别输入计算机，利用AutoCAD强大的绘图功能完成断面绘制、断面面积查询，配合电子表格(Excel)利用平均断面法计算总工程量，断面图用Auto CAD输出。

2地形图法

对于地形变化复杂、通视条件差、开挖或回填区域不规则的地区，有时测量几个有限的断面很难表达出该地区实际情况，增补断面，如果通视影响就不得不频繁搬站，无形中加大了外业工作量，由于受视野的限制可能室外选定的断面对于计算工程量不一定非常合理，这时使用“断面法”就没有太大优势，因此我们使用“地形图法”。

地形图是地表的模拟图象。地形图是按一定的比例尺，用规定的符号表示地物、地貌平面位置和高程的正射投影图。“地形图法”即野外直接测定地物、特征地貌的三维坐标，依据计量要求确定测图比例，近距离现场展点现场勾绘地形图，地形图比例尺根据用途、工程部位、范围大小等选择，如主要建筑物的开挖竣工地形图选用1:200，收方图以1:500或1:200为宜，大范围的土石覆盖层开挖可选用1:1 000 。测图完毕，交付施工监理现场验图，地形图之“地物点

位置中误差、等高线高程中误差等”均符合“水利水电施工测量规范”允许精度，即可交付内业计算使用。

内业计算时，在地形图上先定出基线位置，在地形图上参考基线位置依地形变化趋势、地质情况等以满足计量要求截取横断面，依断面线量取距离与高程等断面数据，并填入相应的表格。这样即减少了外业工作量，又减少了外业的盲目性,或是断面不足而造成的补测停工，甚至影响工程计量。绘制断面图与计算工程量的方法如同上述＂断面法＂所述，但因注意所使用地形图的比例尺应不小于断面的绘图比例尺，并尽可能提高测点的点位与高程精度，加大点位密度。-

3数字化测图与工程计量一体化

随着科学技术的发展，测绘技术从硬件到软件都发生了革命性的变化，仪器自动化程度的提高、计算机技术的广泛应用、高智能测绘软件的普及这一切是我们进行一体化构思的前提。我们多次赴黄河小浪底水利枢纽参观学习，结合国内外承包商在该工程建设中采用的测量计量模式，结合黑河水利枢纽建设的配套设施及自身的特点,我们提出了使用电子平板的数字化测图和工程量计量一体化的应用构思：

我们选用了北京威远图公司的SV300数字化成图软件，该软件是在AutoCAD 软件平台上二次开发而成的专业测绘软件，具有MICSOFTWindows的高度交互式图形界面，具有很强的数据处理能力，它能根据数字地形数据自动绘制地形图、断面图和计算土方量。

3.1地形测量

地形测量是利用带有内存的全站仪在野外测定棱镜的位置获取三维坐标，利用便携式计算机现场绘制地形图。或是利用随机内存存贮全部原始数据，然后将采集的数据传输到计算机，形成“地形数据．DAT”坐标文件，内业根据野外草图绘制地形图。也可以采用其他测量方法，如全站仪＋电子手簿，旧地形图数字化等。

3.2工程量计算

计量软件的作用是通过施工前的地形图，土石分界，收方计量时测的收方地形图（或竣工地形图），按照给定的桩号切剖原始地面线、土石分界线或竣工线，从而按工程需要绘制断面图，计算工程量。数字化测图与工程计量一体化数据流程如图3。

工程量计量计算的常用方法如下：

(1) 采用“平均断面法”，利用软件的“绘制断面”功能，鼠标点取截线，指定地形数据文件，设定比例和网格间距，自动剖取、绘制断面图。断面面积使用AutoCAD的查询面积功能，自动计算断面面积。工程总量用上述公式(3)进行计算。另外在圆曲线段，考虑到施工区所在位置的不同，断面间距L根据平均半径加权计算,可以较好的解决圆曲线段断面间距计算得问题。

(2) “利用地形图计算工程量”采用与积分运算类似方法，利用同一区域范围内不同时间的地形图进行计算，利用“场地平整”思路计算两个不同地形面之间的工程量（即测定场地方格网的高程，给定一个标高，按照棱柱体进行计算），然后将施工前和施工后各算一次土方量，两者相减即为本工程的净工程量。设定平场高程时，一定要低于本高程的最低高程，两者的平场高程要相同，计算边界要相同。提高土石方计算精度的方法有：(1)测定数字地形图时，提高点位精度及采集密度。(2)缩短等分间距。“数字化测图与工程计量一体化”充分利用了计算机和测图软件的计算功能,使土石方计算实现了计算机辅助自动化处理，从使用情况来看与人工绘制断面图、求积仪计量面积的结果基本一致，与手工计算工程量差值在3%以内，满足工程量计量的要求。

4工程应用

以上所述工程量测算方法在黑河工地已被广泛使用，如坝基开挖、坝肩削坡、2＃滑坡体开挖等大面积区域的工程量测算我们多采用“断面法”，对于心墙混凝土浇筑、三洞（导流泄洪洞、引水洞、溢洪洞）进出口开挖、回填等工程量测算多采用“地形图”法，“数字化测图与工程量计量一体化”主要应用于大坝坝体的砂卵石和粘土填筑工程量测算等，而且这些方法也适用于其他土建工程项目，比如“断面法”可以广泛应用于铁路或公路线路施工中所必须的纵、横断面测量工作，“地形图法”可应用于土建工程的各种特殊地形地物及地基处理等，“数字化测图与工程量计量一体化”可以应用于大范围的土石覆盖层开挖、填充或建筑场地平整等等。尤其是“数字化测图与工程量计量一体化”更具有深远的意义，它使工程量测算从惯用的绘断面、求积仪转量的手工模式转化为计算机自动计量模式，是一个质的飞跃。而且更加快了测算速度(根据测算人力节省一半以上，速度可以提高2倍以上)，提高了精度(克服了绘图误差，图纸变形误差，求积仪转量误差等)。当然每一种方法的用法也不是绝对的,更多情况下都是几种方法混合交叉使用，决定使用何种方法也都是根据具体实际情况,判断什么方法更节省人力、物力，什么方法计算出的工程量更接近于实际情况而灵活使用的。通过实践证明，这些方法也真正起到了快捷、高效、准确，即加快了计量及支付工作，又减少了合同纠纷，在土建工程中具有一定的推广价值。