全站儀自由設(shè)站的應(yīng)用及精度分析

1、<p><b>　　龍巖學(xué)院</b></p><p>　　資源工程學(xué)院畢業(yè)論文</p><p>　　題 目： 全站儀自由設(shè)站的應(yīng)用及精度分析 </p><p><b>　　資源工程學(xué)院 </b></p><p>　　全站儀自由設(shè)站的應(yīng)用及精度分析</p><

2、p>　　【摘要】 針對地形測量等工程施工放樣過程中已有控制點上不便于安置儀器的情況，提出了用全站儀自由設(shè)站法進行儀器的安置與設(shè)置后進行工程細部點位的放樣，簡述了全站儀自由設(shè)站法的原理、方法，并對全站儀自由設(shè)站法的精度進行了合理的分析，肯定全站儀自由設(shè)站法的可行性及優(yōu)越性。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】全站儀；自由設(shè)站；后方交會；方法；精度分析</p><p><b>　　

3、目錄</b></p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景1</p><p>　　1.2 研究的目的和意義1</p><p><b>　　2 全站儀1</b></p><p>　　2.1全站儀簡介1</p

4、><p>　　2.2 全站儀簡史1</p><p>　　2.3 全站儀的分類1</p><p>　　2.3.1全站儀按其外觀結(jié)構(gòu)分類1</p><p>　　2.3.2全站儀按測量功能分類1</p><p>　　2.3.3全站儀按測距儀測距分類2</p><p>　　2.4全站儀的主要特點

5、2</p><p><b>　　3 測量2</b></p><p>　　3.1全站儀測量方法2</p><p>　　3.2自由設(shè)站法測定站點點位的基本原理3</p><p>　　3.3 自由設(shè)站法定位的基本原理3</p><p>　　3.4 自由設(shè)站的解算過程4</p>&

6、lt;p><b>　　4 應(yīng)用5</b></p><p>　　4.1 全站儀自由設(shè)站法在數(shù)字化測圖中的應(yīng)用5</p><p>　　4.2自由設(shè)站在沉降觀測中的應(yīng)用6</p><p>　　5 分析自由設(shè)站法的精度8</p><p>　　6全站儀自由設(shè)站測量與RTK的對比9</p><p&

7、gt;<b>　　7結(jié)語10</b></p><p><b>　　參考文獻11</b></p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景</p><p>　　近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，全站儀也很快在測繪領(lǐng)域得到普及。當然全站儀型號

8、、廠家很多，精度不一[1]，但其特點都是一致的，就是集測角、測距于一體，同時自動化程度越來越高，瞄準目標，即可得到該點坐標。測繪人員應(yīng)充分挖掘全站儀的精確, 高效特點, 靈活處理測量中出現(xiàn)的各種問題,這就是全站儀用于控制測量[2]、碎部測量常用的工作模式，還是是野外數(shù)字成圖的主要的方法,另外全站儀也是許多大型工程施工放樣的主要工具之一。</p><p>　　1.2 研究的目的和意義</p><

9、p>　　對于野外測量工作中，地形是十分復(fù)雜多變的加上業(yè)主的時間要求，我們不能按照自己計劃來行事，當然在工作中，會碰到以下情況：1）全站儀目鏡視線被阻擋，2）設(shè)計好的控制點上在實際中并不能操作，3）選好的已知點因為各種情況不能相互看見，4）在測區(qū)中還會進行其他工程項目，會導(dǎo)致一直點移位，破壞。我們就需要這種方法：采用交會法。譬如傳統(tǒng)的后方交會法，我們需要3個方向上的椅子坐標點才可確定該點的坐標，不可避免的有遇到危險圓的可能。根據(jù)實際

10、情況，不斷的改良優(yōu)化出便捷的方法--自由設(shè)站法。</p><p><b>　　2 全站儀</b></p><p><b>　　2.1全站儀簡介</b></p><p>　　全站儀也可以稱作全站型電子測速儀，由電子經(jīng)緯儀、光電測距儀和微處理器組合而成。該儀器帶有這些功能水平角、垂直角、距離、斜距、平距、、高差測量功能。與光學(xué)

11、經(jīng)緯儀比較該儀器帶有更先進的光電掃描度盤，能把所獲取的數(shù)據(jù)自動的存儲與記錄，使得我們在野外更少的計算與記錄增加了工作效率，減少了人為所帶來的誤差。因其一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作，所以我們稱之為全站儀。</p><p><b>　　2.2 全站儀簡史</b></p><p>　　通過對經(jīng)緯儀與水準儀實際工作中出現(xiàn)的問題不斷研究，在此之上誕生了全站儀。全站儀

12、的出現(xiàn)解決了之前測繪出現(xiàn)的大多數(shù)問題，因此測量工作被簡化了很多，并提高了工作效率。</p><p>　　全站儀的幾個階段:剛出現(xiàn)的是光學(xué)測速儀。隨著電子測距技術(shù)的出現(xiàn)，大大地推動了速測儀的發(fā)展。之后出現(xiàn)由電磁波測距儀籠統(tǒng)地稱之為“電子速測儀”。一段時間之間后 “電子速測儀”不斷優(yōu)化，進化成為半站型電子速測儀和全站型電子速測儀。</p><p>　　2.3 全站儀的分類</p>

13、<p>　　2.3.1全站儀按其外觀結(jié)構(gòu)分類</p><p>　?。?）積木型（Modular，又稱組合型）剛出現(xiàn)的全站儀儀器，和我們小孩搭的積木是差不多的，就</p><p>　　是說電子速測儀、電子經(jīng)緯儀、電子記錄器通過線路組合起來是全站儀，但是又可以把他們分開來單獨使用，各自形成一派。。</p><p>　?。?）整體型（Integral）隨著電子

14、測距儀的不斷發(fā)展，現(xiàn)代的全站儀大都把組成它的系統(tǒng)緊密相連，形成不再可分割的整體。這樣就保證了，不會應(yīng)為拆卸而帶來的誤差。其中測距儀的發(fā)射軸、接收軸和望遠鏡的視準軸為同軸結(jié)構(gòu)。這對保證較大垂直角條件下的距離測量精度非常有利。</p><p>　　2.3.2全站儀按測量功能分類</p><p>　　（1）經(jīng)典型全站儀（2）機動型全站儀（3）無合作目標性全站儀（4）智能型全站儀</p>

15、;<p>　　2.3.3全站儀按測距儀測距分類</p><p>　?。?）短距離測距全站儀（2）中測程全站（3）長測程全站儀</p><p>　　2.4全站儀的主要特點</p><p>　　主要特點：全站儀與電子計算機的結(jié)合使用，是得工作便捷。全站儀在野外工作時，對于高差的要求不是太大，只要控制在150M內(nèi)，不在需要一名使用鋼尺的人員，工作的效率大大提

16、升。全站儀帶有雙向傾斜的補償器，這樣儀器就會改正我們漏掉的水平方向和豎直方向上的誤差，避免的不必要的錯誤。③最主要的全站儀采用同軸雙速制，微動結(jié)構(gòu)，在使用時，照準更準確并方便快捷。④全站儀還具備雙路通訊功能，可以直接在野外就能導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行工作也可以直接導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)而進行校驗。有助于開發(fā)專用的程序系統(tǒng)，來提高數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。 </p><p><b>　　3 測量</b><

17、;/p><p>　　3.1全站儀測量方法</p><p><b>　　1.直接測定法</b></p><p>　　下圖（3-1）所示, 我們剛開始需要把全站儀設(shè)置在A1點上,然后觀察另一個點A2,就可在A1點上測出ai(i=1…n)的坐標，即為直接測定法。</p><p>　　圖3-1 直接測定法</p>&l

18、t;p><b>　　2.自由設(shè)站法</b></p><p>　　圖3-2 自由設(shè)站法</p><p>　　自由設(shè)站法是在點p架設(shè)儀器,,,分別照準控制點Bi(i=1…n), 求算自由設(shè)站點的坐標, 再由P點施測各細部點bi(i=1…n)坐標。</p><p>　　3.2自由設(shè)站法測定站點點位的基本原理</p><p&g

19、t;　　在已x,y為坐標軸o為原點的大地坐標系,i(xi，yi)為已知控制點,P為已知的測站點,x py 原點設(shè)為P點，這里出現(xiàn)的局部坐標系我們以度盤指向零方向為x軸（就是假定坐標系）[1]。Ao 兩個坐標系X軸之間的夾角。進行i點的距離觀測S i與方向角Ai之后, 原點P的坐標(Xi，Yi)。</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　3-

20、1式中, Si為P i的水平距離, Ai為水平方向讀數(shù)。</p><p>　　利用坐標轉(zhuǎn)換原理可得:</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　3-2式中,k邊長縮放系數(shù)。令c=</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式

21、中, Xi, Yi,由3-1式計算可得, Xi Yi為已知,而Xp, Yp, c, d 均為未知, 那么怎么求未知數(shù), 之前提到的方程不可少, 所求的點是必須的再加上兩個控制點的距離和方向。當觀測兩個以上控制點時, 便存在多余觀測, 須按間接平差原理, 在VT PV = min 的條件下, 求出Xp, Yp, c, d。該計算工作均由電子手簿中的程序自動完成。</p><p>　　3.3 自由設(shè)站法定位的基本原理

22、</p><p>　　自由設(shè)站定位法為: 制點要求大于兩個1、2,、n, 架設(shè)儀器于任選的P點上(待定點)。測量P至各已知點的斜距、水平方向及高度角[1]。然后按下述思路計算:</p><p>　　（1）假定P點坐標為Xp = 0; Yp=0; 儀器橫軸高程Hp =` 0; 假定水平度盤0讀數(shù)方向為X `軸方向。</p><p>　　（2）在上述坐標系內(nèi), 利用實

23、測值計算諸已知點的坐標( X i,`Y i,`H i )`( i=1,2,,n)。</p><p>　　（3）通過點1、2、3、n這些點的待定坐標和它們的實際坐標，經(jīng)過計算擬合求得倆坐標系的換算參數(shù)：通過P點在原點P（Xp,Yp）,那么我們則定坐標系X軸方位角在大地坐標系中為A0，它的長度系數(shù)K。經(jīng)過比較它們的坐標高程，計算橫軸高程Hp。求得AM為:</p><p>　　AM=Ao+ m

24、 (3-4)</p><p>　　從以上計算思路我們能得知通過距離值和高度角加上高斯投影改正和海平面投影改正數(shù)，就可算出我么需要的點的三維坐標。求得長度比k, 應(yīng)該接近于1。它反映了原有控制點所在坐標系中的長度標準與全站儀長度標準之差異。如果k 值與1 相差太大。</p><p>　　圖3-3 自由設(shè)站法定位基本原理</p><p>　　3.4 自由設(shè)站的解算

25、過程</p><p>　　1)由全站儀測距功能得到Dpa和Dbp,再由A、B 的坐標推算出AB的方位角αab和AB間的距離Dab;</p><p>　　2)通過余弦定理得下式D²AB +D²PA -2DABDPA cos ∠A =D²BP</p><p>　　圖3-4 自由設(shè)站的點位示意</p><p><

26、b>　?。?-5）</b></p><p>　　3）由測量坐標解算得到(XP1 , YP1)</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　其中， </b></p><p><b>　?。?-7）</b></p&g

27、t;<p>　　4）按照步驟2 、3 , 通過DAB 、DBP 和正弦定理及</p><p>　　坐標解算過程, 得到</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　　(3-9)</b><

28、;/p><p>　　5）對比式3-6和式3-8的結(jié)果, 參照全站儀給出的誤差, 如果(XP1 , YP1), (XP2 , YP2)在允許范圍內(nèi),取兩者的平均值(針對僅有兩個已知點的情況)。</p><p><b>　　4 應(yīng)用</b></p><p>　　4.1 全站儀自由設(shè)站法在數(shù)字化測圖中的應(yīng)用</p><p>　?、?/p>

29、控制點已埋設(shè)但無控制點資料在已埋設(shè)的控制點上設(shè)站, 讓儀器對準北方向, 水平角歸零(相當于方位角歸零, 這樣方便作圖和改正), 進入測坐標模式后, 假設(shè)測站A 三維坐標, 連測另一控制點B(也可在測量過程中再測量該點),就可進行碎部測量, 為了檢查, 還應(yīng)閉合到另一控制點C。在我們確定的兩個控制點保證通視的情況下還能再在其中一個控制點設(shè)站, 可以假定我們設(shè)站的控制點的三維坐標, 后視另一控制點,擬定一個后視方位角, 就很夠達到進行碎步測

30、量的要求。也可以在設(shè)定測站坐標(X,Y,H)后, 測出測站點到后視點的距離L 和高差△h, 以實際方向為準, 可假設(shè)后視點的坐標為(X+L, Y, H +△h)或(X, Y+L,H +△h), 然后就可以碎部測量, 但要注意至少還要連測一個控制點, 以方便檢查圖形的方向是否確。</p><p>　　②控制點點位已定但尚未埋設(shè)在選取的控制點旁邊選取一個適合的位置暫時設(shè)點A, 設(shè)定一個虛擬的三維坐標, 對準北方向,

31、水平角歸零, 接著在附近尋找穩(wěn)定的點標注B 、C , 測出其三維坐標, 然后進行測量。在控制點坐標成果得出后, 即可與A、B、C 連測。</p><p>　　③控制點都不適宜架設(shè)儀器但是棱鏡是可以隨便放置的,只要找到能與控制點無障礙通視即可。 這是就能設(shè)置一個我們需要的坐標,安置調(diào)整好儀器 ，就能可進行碎部測量。在測量的開始, 若測站點與另一控制點通視, 可直接連測;若不通視, 可通過轉(zhuǎn)站在測量過程中連測。<

32、;/p><p>　　這四點出現(xiàn)的情況, 轉(zhuǎn)站是需要的, 原站點應(yīng)為后視點, 以便計算, 但如果測區(qū)超出儀器范圍或者單方面太長,應(yīng)該先計劃分片分布測量, 防治應(yīng)分步測量而使誤差疊加。</p><p>　　全站儀進行后方交會的優(yōu)勢: 簡便、快捷、精度高。但是全站儀在施測時需注意以下事項。</p><p>　　(1)將工作基準點盡可能地設(shè)在由已知( 基準) 點構(gòu)成的三角形的中

33、心上;</p><p>　　(2)當基準點與工作基準點位于同一圓周上時，增加一個不位于圓周上的基準點，這樣照準的基準點方向越多，測站點的精度越高;</p><p>　　(3)盡量選擇測距精度高的全站儀;</p><p>　　(4)工作基準點應(yīng)該避免設(shè)置在兩個點的連線上， 應(yīng)為在同一條直線上的兩個點角度為180°，這時交會點的精度最差。</p>

34、<p>　　4.2自由設(shè)站在沉降觀測中的應(yīng)用</p><p>　　1．以某工程為例，有三棟樓需要觀測，每棟樓布設(shè)沉降監(jiān)測點六個，監(jiān)測點布置位置圖見圖1。在沉降觀測測量前，先對將要投入觀測的兩臺天寶DINI03 自動安平水準儀( 566、550 ) 進行交叉誤差檢校，檢校完保證不存在交叉誤差或其殘余誤差遠小于i 角誤差后再進行i 角誤差的檢驗校正，最后精確測定殘余i 角值。本次觀測前測得儀器566 和5

35、50 的i 角值分別為－ 4. 04″、4. 15″。</p><p>　　圖4-1自由設(shè)站觀測法觀測路線</p><p>　　單程雙測站觀測線路見圖1。從水準基點BM1開始，基準點位于建筑西南側(cè)約七十米的距離，按一級水準路線測量要求將高程傳遞到轉(zhuǎn)點1，采用自由設(shè)站的方法觀測監(jiān)測點，即選擇既能看到后視點又能看到較多監(jiān)測點的地方架設(shè)好儀器，如需傳遞高程，則把尺墊放到與后視點距離差小于1m 的

36、地方，無需顧及觀測監(jiān)測點的視距與水準路線視距差而挪動儀器，先嚴格按水準路線觀測把高程傳遞到下一個轉(zhuǎn)點，再按中間點觀測能看到的沉降監(jiān)測點，沉降監(jiān)測點距離設(shè)站不能超過30m。在沒有必要傳遞高程的地方轉(zhuǎn)點即當后視又當前視。觀測完所有沉降水準基監(jiān)測點后閉合到BM1點。</p><p>　　2.i 角改正數(shù)計算及其分析，由i公角計算式：</p><p><b>　?。?-1） </b

37、></p><p><b>　　變換為</b></p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　當中間點高程加上i 角改正數(shù)后，再看雙測站較差均小于雙測站較差限差，詳見表4-1 “V2”列。取雙測站平均值與常規(guī)往返測成果比較，所有差值均小于0. 29mm，詳見表1 “V3”列?？梢姴捎米杂稍O(shè)站觀測

38、再加以i 角改正同樣是可以得到高精度觀測值的。</p><p>　　表4-1 i 角改正前后較差統(tǒng)計</p><p>　　注: 表中ΔS 為中間點視距減去線路后視視距所得差值，ΔH 為i 角改正數(shù)，V1列為未改正前單程雙測站所測高程較差，V2列為改正后單程雙測站所測高程較差，V3列為改正后雙測站平均值與常規(guī)往返觀測成果較差。</p><p>　　5 分析自由設(shè)站法的

39、精度</p><p>　　如圖5-1, 在一定范圍內(nèi)選取8個點, 在福建cors下利用RTK得到各點的坐標及精度(見表5-2) .以G 1, G 2 為已知點, 分別在A, B, C 點通過自由設(shè)站, 測量P 1, P 2, P 3 點坐標. 選取之前RTK 測得A, B, C, P 1, P2, P3 點坐標作為似真值</p><p>　　圖5-1測試點分布圖</p>&l

40、t;p>　　表5-2測試點似真值</p><p>　　我們對測站坐標算法及點位精度分布規(guī)律進行驗證. 以G 1,G 2 為已知點, 分別在A, B, C 點通過自由設(shè)站利用本文的算法獲得坐標及精度, 如表5-3所示.</p><p>　　表5-3 A、B、C點自由設(shè)站結(jié)算結(jié)果</p><p>　　由圖5-2及表5-3可見, 在A, B, C 進行設(shè)站時, 開始

41、假設(shè)G 1 方向為45°方向, 得到的數(shù)據(jù)精度都在要求范圍內(nèi), 證明之前提出的觀點適用和正確。A 點距G 1, G 2 加權(quán)中心較近, 得到的數(shù)據(jù)誤差較小; B 點與C 點相比較, 雖然交會角小了很多, 但其到G 1, G 2加權(quán)中心的距離大致相等, 得到其精度及所算得的坐標與似真值較差均在同一個數(shù)量級上. 下面再對細部點坐標算法及精度分布規(guī)律進行驗證. 分別在A, B, C 測站測得P 1, P 2, P 3 點坐標及精度,

42、 如表5-4所示.</p><p>　　由圖5-2及表5-4可見, 各個測點的精度及與似真值較差主要決定于它們距G 1,G 2加權(quán)中心的距離,距離越遠, 他們較差較大. 測站點的位置不會影響到精度問題.</p><p><b>　　表5-4 測得結(jié)果</b></p><p>　　由表5-3和表5-4可見, 從各測站測量測得的細部點P1, P 2

43、, 得到的精度會比測站高A, B. 可見, 細部點精度主要和已知點的相對位置有關(guān)。測站只是個過渡手段, 當測站位置相對已知點較遠時, 細部點精度高于測站點是一定的. 優(yōu)點這就體現(xiàn)出來了.</p><p>　　6全站儀自由設(shè)站測量與RTK的對比</p><p>　　全站儀的使用條件不但可以測量距離，還可以測量坐標、高程。在全站儀工作的時候：可見光，通視。RTK的使用條件 對光線的要求不大，

44、但是必須要有衛(wèi)星信號。（2）RTK的兩臺主機不需要光學(xué)通視。</p><p>　　從測量距離上全站儀屬于短距離測量，一般最長測距也就是1.5公里左右，再遠要多次設(shè)站。RTK的測量距離一般都在10公里左右，所以在常規(guī)測量的時候，只需要基準站架設(shè)一次就可以完成測量工作。</p><p>　　由于工程大小的原因，全站儀不能一次測量完成，因此需要搬站，在搬站測量的過程中難免出現(xiàn)誤差。RTK測量的原

45、理是基準站和移動站之間進行比較即差分，或得兩著之間的精確相對位置，而不是象全站儀那樣是相臨之間的兩個點，這樣一來，RTK就沒有誤差傳播，也就沒有誤差累積了。</p><p>　　從人員上在測圖的過程中，全站儀一般需要至少3人，。RTK只須兩個人對測量有比較深的理解即可。</p><p>　　總體來說RTK非常需要衛(wèi)星信號的支持，當然信號好的地方RTK效率會比全站儀高出數(shù)倍；全站儀操作相對會

46、繁瑣寫，但是有很多的小項目就很適用，尤其是房檐下等衛(wèi)星難以接收到的地方，RTK幾乎不能取代全站儀，在實際測量中，為了達到最優(yōu)工作效率，兩種方法取長補短，相互結(jié)合才能達到最優(yōu)化。</p><p><b>　　7結(jié)語 </b></p><p>　　全站儀自由設(shè)站法不同于傳統(tǒng)的先控制、后碎部的作業(yè)模式。不論其工作效率還是精度方面都是可取的經(jīng)過多次實驗和野外工作的實踐檢驗,

47、所得的結(jié)果都能很好的滿足工作需要。它可以控制碎部同時進行, 也可以先碎部后控制, 解決了控制點不通視等諸多問題, 其作業(yè)方式靈活多變, 精度完全能達到數(shù)字化測圖要求。改革了之前傳統(tǒng)測繪方法的束縛，解除了必須有控制點的要求。，只需要選取在工作中最優(yōu)的點作為需要的控制點，得到設(shè)站點坐標就只要尋找能夠通視的兩個控制點進行后方交會，并且在最后一個交會點的方位角并進行測站設(shè)置，只需依照極坐標法進行點位放樣，這對高速鐵路及其他工程施工過程中控制點上

48、不便安置儀器時工程構(gòu)筑物的放樣非常有利，員工們很喜歡采用此方法，方法的傳播將得到廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　致謝語</b></p><p>　　本文是在陳紹杰老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助下完成的，陳老師在本文的寫作過程中，始終仔仔細細的幫助我找出行文中存在的缺陷，督促我盡力改正，幫助我開拓思路，可以說本文的形成凝聚著陳老師辛勤的汗水，在此，我謹表達我對陳老師

49、衷心的感謝和敬意。 接著，我還要感謝我的母校和資源工程學(xué)院的各位老師，感謝母校對我四年的栽培與灌溉，感謝各位老師對我的教育和鼓勵，在此祝老師們身體健康，工作順利，合家歡樂！愿母校越辦越好，人才輩出！然后，我要感謝我的同學(xué)們，謝謝一路以來有你們的陪伴，大學(xué)才如此美妙，愿我們都能早日實現(xiàn)自己的夢想，擁抱美好的未來！  由于本人的知識和能力有限，且實踐不夠，因此所寫的內(nèi)容難免有一些不足之處，忠心地希望各位老師和同學(xué)

50、能夠多多指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 楊守菊,徐常亮.全站儀自由設(shè)站的應(yīng)用及精度分析.甘肅科技[M],2008,24(19):43-45.</p><p>　　[2] 李峰.全站儀自由設(shè)站法的精度分析.現(xiàn)代測繪[M],2006,29(5):4-21.</p><p>　

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53、2015,28(6):42.</p><p>　　Application and Precision Analysis of Total Station Free Station's</p><p>　　Resource engineering institute Major in Engineering of Surveying and Mapping</p>

54、<p>　　No. 2011092515 Name: Fang Xu Supervisor: Chen ShaoJie</p><p>　　【Abstract】According to this situation that not easy place instrument at controlled point of topographical measurements and constru

55、ction loft, consider engineering detail points after placed and set this instrument by the method free place total station. outlines the total station meter free stationing law principles, methods, give a reasonable anal