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全站儀|全站儀的使用方法及應(yīng)用
全站儀|全站儀的使用方法及應(yīng)用【簡介】
全站儀,即全站型電子速測(cè)儀(Electronic TotalStation)。是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測(cè)量儀器,是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)。因其一次安置儀器就可完成該測(cè)站上全部測(cè)量工作,所以稱之為全站儀。廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測(cè)量或變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【原理】全站儀是一種集光、機(jī)、電為一體的新型測(cè)角儀器,與光學(xué)經(jīng)緯儀比較電子經(jīng)緯儀將光學(xué)度盤換為光電掃描度盤,將人工光學(xué)測(cè)微讀數(shù)代之以自動(dòng)記錄和顯示讀數(shù),使測(cè)角操作簡單化,且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動(dòng)記錄、儲(chǔ)存、計(jì)算功能,以及數(shù)據(jù)通訊功能,進(jìn)一步提高了測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化程度。
全站儀與光學(xué)經(jīng)緯儀區(qū)別在于度盤讀數(shù)及顯示系統(tǒng),電子經(jīng)緯儀的水平度盤和豎直度盤及其讀數(shù)裝置是分別采用兩個(gè)相同的光柵度盤(或編碼盤)和讀數(shù)傳感器進(jìn)行角度測(cè)量的。根據(jù)測(cè)角精度可分為0.5″,1″,2″,3″,5″,10″等幾個(gè)等級(jí),
【簡史】
全站儀是人們?cè)诮嵌葴y(cè)量自動(dòng)化的過程中應(yīng)用而生的,各類電子經(jīng)緯儀在各種測(cè)繪作業(yè)中起著巨大的作用。
全站儀的發(fā)展經(jīng)歷了從組合式即光電測(cè)距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀組合,或光電測(cè)距儀與電子經(jīng)緯儀組合,到整體式即將光電測(cè)距儀的光波發(fā)射接收系統(tǒng)的光軸和經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸組合為同軸的整體式全站儀等幾個(gè)階段。
*初速測(cè)儀的距離測(cè)量是通過光學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)的,我們稱這種速測(cè)儀為“光學(xué)速測(cè)儀”。實(shí)際上,“光學(xué)速測(cè)儀”就是指帶有視距絲的經(jīng)緯儀,被測(cè)點(diǎn)的平面位置由方向測(cè)量及光學(xué)視距來確定,而高程則是用三角測(cè)量方法來確定的。
帶有“視距絲”的光學(xué)速測(cè)儀,由于其快速、簡易,而在短距離(100米以內(nèi))、低精度(1/200(1/500)的測(cè)量中,如碎部點(diǎn)測(cè)定中,有其優(yōu)勢(shì),得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著電子測(cè)距技術(shù)的出現(xiàn),大大地推動(dòng)了速測(cè)儀的發(fā)展。用電磁波測(cè)距儀代替光學(xué)視距經(jīng)緯儀,使得測(cè)程更大、測(cè)量時(shí)間更短、精度更高。人們將距離由電磁波測(cè)距儀測(cè)定的速測(cè)儀籠統(tǒng)地稱之為“電子速測(cè)儀”(ElectronicTachymeter)。
然而,隨著電子測(cè)角技術(shù)的出現(xiàn)。這一“電子速測(cè)儀”的概念又相應(yīng)地發(fā)生了變化,根據(jù)測(cè)角方法的不同分為半站型電子速測(cè)儀和全站型電子速測(cè)儀。半站型電子速測(cè)儀是指用光學(xué)方法測(cè)角的電子速測(cè)儀,也有稱之為“測(cè)距經(jīng)緯儀”。這種速測(cè)儀出現(xiàn)較早,并且進(jìn)行了不斷的改進(jìn),可將光學(xué)角度讀數(shù)通過鍵盤輸入到測(cè)距儀,對(duì)斜距進(jìn)行化算,*后得出平距、高差、方向角和坐標(biāo)差,這些結(jié)果都可自動(dòng)地傳輸?shù)酵獠看鎯?chǔ)器中。全站型電子速測(cè)儀則是由電子測(cè)角、電子測(cè)距、電子計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等組成的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量結(jié)果能自動(dòng)顯示,并能與外圍設(shè)備交換信息的多功能測(cè)量儀器。由于全站型電子速測(cè)儀較完善地實(shí)現(xiàn)了測(cè)量和處理過程的電子化和一體化,所以人們也通常稱之為全站型電子速測(cè)儀或簡稱全站儀。
20世紀(jì)八十年代末,人們根據(jù)電子測(cè)角系統(tǒng)和電子測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)展不平衡,將全站儀分成兩大類,即積木式和整體式。
20世紀(jì)九十年代以來,基本上都發(fā)展為整體式全站儀。
【分類】
全站儀采用了光電掃描測(cè)角系統(tǒng),其類型主要有:編碼盤測(cè)角系統(tǒng)、光柵盤測(cè)角系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)(光柵盤)測(cè)角系統(tǒng)等三種。
全站儀按其外觀結(jié)構(gòu)可分為兩類:
?。?)積木型(Modular,又稱組合型)
早期的全站儀,大都是積木型結(jié)構(gòu),即電子速測(cè)儀、電子經(jīng)緯儀、電子記錄器各是一個(gè)整體,可以分離使用,也可以通過電纜或接口把它們組合起來,形成完整的全站儀。
?。?)整體性(Integral)
隨著電子測(cè)距儀進(jìn)一步的輕巧化,現(xiàn)代的全站儀大都把測(cè)距,測(cè)角和記錄單元在光學(xué)、機(jī)械等方面設(shè)計(jì)成一個(gè)不可分割的整體,其中測(cè)距儀的發(fā)射軸、接收軸和望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸為同軸結(jié)構(gòu)。這對(duì)保證較大垂直角條件下的距離測(cè)量精度非常有利。
全站儀按測(cè)量功能分類,可分成四類:
?。?)經(jīng)典型全站儀(Classical total station)
TCRP全站儀
經(jīng)典型全站儀也稱為常規(guī)全站儀,它具備全站儀電子測(cè)角、電子測(cè)距和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄等基本功能,有的還可以運(yùn)行廠家或用戶自主開發(fā)的機(jī)載測(cè)量程序。其經(jīng)典代表為徠卡公司的TC系列全站儀。
(2)機(jī)動(dòng)型全站儀(Motorized total station)
在經(jīng)典全站儀的基礎(chǔ)上安裝軸系步進(jìn)電機(jī),可自動(dòng)驅(qū)動(dòng)全站儀照準(zhǔn)部和望遠(yuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)。在計(jì)算機(jī)的在線控制下,機(jī)動(dòng)型系列全站儀可按計(jì)算機(jī)給定的方向值自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo),并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)正、倒鏡測(cè)量。徠卡TCM系列全站儀就是典型的機(jī)動(dòng)型全站儀。
?。?)無合作目標(biāo)性全站儀(Reflectorless total station)
無合作目標(biāo)型全站儀是指在無反射棱鏡的條件下,可對(duì)一般的目標(biāo)直接測(cè)距的全站儀。因此,對(duì)不便安置反射棱鏡的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,無合作目標(biāo)型全站儀具有明顯優(yōu)勢(shì)。如徠卡TCR系列全站儀,無合作目標(biāo)距離測(cè)程可達(dá)200m,可廣泛用于地籍測(cè)量,房產(chǎn)測(cè)量和施工測(cè)量等。
?。?)智能型全站儀(Robotic total station)
在機(jī)動(dòng)化全站儀的基礎(chǔ)上,儀器安裝自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與照準(zhǔn)的新功能,因此在自動(dòng)化的進(jìn)程中,全站儀進(jìn)一步克服了需要人工照準(zhǔn)目標(biāo)的重大缺陷,實(shí)現(xiàn)了全站儀的智能化。在相關(guān)軟件的控制下,智能型全站儀在無人干預(yù)的條件下可自動(dòng)完成多個(gè)目標(biāo)的識(shí)別、照準(zhǔn)與測(cè)量,因此,智能型全站儀又稱為“測(cè)量機(jī)器人”典型的代表有徠卡的TCA型全站儀等。
全世界精度*高的全站儀TCA2003
全站儀按測(cè)距儀測(cè)距分類,還可以分為三類:
(1)短距離測(cè)距全站儀
測(cè)程小于3KM,一般精度為±(5mm+5ppm),主要用于普通測(cè)量和城市測(cè)量。
?。?)中測(cè)程全站儀
測(cè)程為3-15km,一般精度為±(5mm+2ppm)-,±(2mm+2ppm)通常用于一般等級(jí)的控制測(cè)量。
(3)長測(cè)程全站儀
測(cè)程大于15km,一般精度為±(5mm+1ppm),通常用于**三角網(wǎng)及特級(jí)導(dǎo)線的測(cè)量。
【結(jié)構(gòu)】
全站儀幾乎可以用在所有的測(cè)量領(lǐng)域。電子全站儀由電源部分、測(cè)角系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理部分、通訊接口、及顯示屏、鍵盤等組成。
同電子經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀相比,全站儀增加了許多特殊部件,因此而使得全站儀具有比其它測(cè)角、測(cè)距儀器更多的功能,使用也更方便。這些特殊部件構(gòu)成了全站儀在結(jié)構(gòu)方面獨(dú)樹一幟的特點(diǎn)。
1.同軸望遠(yuǎn)鏡
全站儀的望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了視準(zhǔn)軸、測(cè)距光波的發(fā)射、接收光軸同軸化。同軸化的基本原理是:在望遠(yuǎn)物鏡與調(diào)焦透鏡間設(shè)置分光棱鏡系統(tǒng),通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的多功能,即既可瞄準(zhǔn)目標(biāo),使之成像于十字絲分劃板,進(jìn)行角度測(cè)量。同時(shí)其測(cè)距部分的外光路系統(tǒng)又能使測(cè)距部分的光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光在經(jīng)物鏡射向反光棱鏡后,經(jīng)同一路徑反射回來,再經(jīng)分光棱鏡作用使回光被光電二極管接收;為測(cè)距需要在儀器內(nèi)部另設(shè)一內(nèi)光路系統(tǒng),通過分光棱鏡系統(tǒng)中的光導(dǎo)纖維將由光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光傳也送給光電二極管接收,進(jìn)行而由內(nèi)、外光路調(diào)制光的相位差間接計(jì)算光的傳播時(shí)間,計(jì)算實(shí)測(cè)距離。
同軸性使得望遠(yuǎn)鏡一次瞄準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)定水平角、垂直角和斜距等全部基本測(cè)量要素的測(cè)定功能。加之全站儀強(qiáng)大、便捷的數(shù)據(jù)處理功能,使全站儀使用極其方便。
全站儀剖視圖
2.雙軸自動(dòng)補(bǔ)償
在儀器的檢驗(yàn)校正中已介紹了雙軸自動(dòng)補(bǔ)償原理,作業(yè)時(shí)若全站儀縱軸傾斜,會(huì)引起角度觀測(cè)的誤差,盤左、盤右觀測(cè)值取中不能使之抵消。而全站儀特有的雙軸(或單軸)傾斜自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng),可對(duì)縱軸的傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè),并在度盤讀數(shù)中對(duì)因縱軸傾斜造成的測(cè)角誤差自動(dòng)加以改正(某些全站儀縱軸*大傾斜可允許至±6′)。,也可通過將由豎軸傾斜引起的角度誤差,由微處理器自動(dòng)按豎軸傾斜改正計(jì)算式計(jì)算,并加入度盤讀數(shù)中加以改正,使度盤顯示讀數(shù)為正確值,即所謂縱軸傾斜自動(dòng)補(bǔ)償。
雙軸自動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃捎玫臉?gòu)造(現(xiàn)有水平,包括Topcon,Trimble):使用一水泡(該水泡不是從外部可以看到的,與檢驗(yàn)校正中所描述的不是一個(gè)水泡)來標(biāo)定**水平面,該水泡是中間填充液體,兩端是氣體。在水泡的上部兩側(cè)各放置一發(fā)光二極管,而在水泡的下部兩側(cè)各放置一光電管,用一接收發(fā)光二極管透過水泡發(fā)出的光。而后,通過運(yùn)算電路比較兩二極管獲得的光的強(qiáng)度。當(dāng)在初始位置,即**水平時(shí),將運(yùn)算值置零。當(dāng)作業(yè)中全站儀器傾斜時(shí),運(yùn)算電路實(shí)時(shí)計(jì)算出光強(qiáng)的差值,從而換算成傾斜的位移,將此信息傳達(dá)給控制系統(tǒng),以決定自動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹?。自?dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞匠跤晌⑻幚砥饔?jì)算后修正輸出外,還有一種方式即通過步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)微型絲桿,把此軸方向上的偏移進(jìn)行補(bǔ)正,從而使軸時(shí)刻保證**水平。
3.鍵盤
鍵盤是全站儀在測(cè)量時(shí)輸入操作指令或數(shù)據(jù)的硬件,全站型儀器的鍵盤和顯示屏均為雙面式,便于正、倒鏡作業(yè)時(shí)操作。
4.存儲(chǔ)器
全站儀存儲(chǔ)器的作用是將實(shí)時(shí)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來,再根據(jù)需要傳送到其它設(shè)備如計(jì)算機(jī)等中,供進(jìn)一步的處理或利用,全站儀的存儲(chǔ)器有內(nèi)存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)卡兩種。
全站儀內(nèi)存儲(chǔ)器相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存(RAM),存儲(chǔ)卡是一種外存儲(chǔ)媒體,又稱PC卡,作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的磁盤。
5.通訊接口
全站儀可以通過BS—232C通訊接口和通訊電纜將內(nèi)存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī),或?qū)⒂?jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)和信息經(jīng)通訊電纜傳輸給全站儀,實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸。
【使用】
全站儀具有角度測(cè)量、距離(斜距、平距、高差)測(cè)量、三維坐標(biāo)測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量、交會(huì)定點(diǎn)測(cè)量和放樣測(cè)量等多種用途。內(nèi)置專用軟件后,功能還可進(jìn)一步拓展。
全站儀的基本操作與使用方法 :
1)水平角測(cè)量
?。?)按角度測(cè)量鍵,使全站儀處于角度測(cè)量模式,照準(zhǔn)**個(gè)目標(biāo)A。
(2)設(shè)置A方向的水平度盤讀數(shù)為0°00′00〃。
(3)照準(zhǔn)**個(gè)目標(biāo)B,此時(shí)顯示的水平度盤讀數(shù)即為兩方向間的水平夾角。
2)距離測(cè)量
(1)設(shè)置棱鏡常數(shù)
測(cè)距前須將棱鏡常數(shù)輸入儀器中,儀器會(huì)自動(dòng)對(duì)所測(cè)距離進(jìn)行改正。
?。?)設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值
光在大氣中的傳播速度會(huì)隨大氣的溫度和氣壓而變化,15℃和760mmHg是儀器設(shè)置的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值,此時(shí)的大氣改正為0ppm。實(shí)測(cè)時(shí),可輸入溫度和氣壓值,全站儀會(huì)自動(dòng)計(jì)算大氣改正值(也可直接輸入大氣改正值),并對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行改正。
(3)量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。
(4)距離測(cè)量
照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡中心,按測(cè)距鍵,距離測(cè)量開始,測(cè)距完成時(shí)顯示斜距、平距、高差。
全站儀的測(cè)距模式有精測(cè)模式、跟蹤模式、粗測(cè)模式三種。精測(cè)模式是*常用的測(cè)距模式,測(cè)量時(shí)間約2.5S,*小顯示單位1mm;跟蹤模式,常用于跟蹤移動(dòng)目標(biāo)或放樣時(shí)連續(xù)測(cè)距,*小顯示一般為1cm,每次測(cè)距時(shí)間約0.3S;粗測(cè)模式,測(cè)量時(shí)間約0.7S,*小顯示單位1cm或1mm。在距離測(cè)量或坐標(biāo)測(cè)量時(shí),可按測(cè)距模式(MODE)鍵選擇不同的測(cè)距模式。
應(yīng)注意,有些型號(hào)的全站儀在距離測(cè)量時(shí)不能設(shè)定儀器高和棱鏡高,顯示的高差值是全站儀橫軸中心與棱鏡中心的高差。
3)坐標(biāo)測(cè)量
?。?)設(shè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
?。?)設(shè)定后視點(diǎn)的坐標(biāo)或設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。當(dāng)設(shè)定后視點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí),全站儀會(huì)自動(dòng)計(jì)算后視方向的方位角,并設(shè)定后視方向的水平度盤讀數(shù)為其方位角。
?。?)設(shè)置棱鏡常數(shù)。
?。?)設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值。
(5)量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。
?。?)照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡,按坐標(biāo)測(cè)量鍵,全站儀開始測(cè)距并計(jì)算顯示測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
全站儀的數(shù)據(jù)通訊
全站儀的的數(shù)據(jù)通訊是指全站儀與電子計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行的雙向數(shù)據(jù)交換。全站儀與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊的方式主要有兩種,一種是利用全站儀配置的PCMCIA(personalcomputer memory card internationassociation,個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)卡國際協(xié)會(huì),簡稱PC卡,也稱存儲(chǔ)卡)卡進(jìn)行數(shù)字通訊,特點(diǎn)是通用性強(qiáng),各種電子產(chǎn)品間均可互換使用;另一種是利用全站儀的通訊接口,通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
【檢驗(yàn)】
(1)照準(zhǔn)部水準(zhǔn)軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗(yàn)和校正檢驗(yàn)時(shí)先將儀器大致整平,轉(zhuǎn)動(dòng)照準(zhǔn)部使其水準(zhǔn)管與任意兩個(gè)腳螺旋的連線平行,調(diào)整腳螺旋使氣泡居中,然后將照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)180度,若氣泡仍然居中則說明條件滿足,否則應(yīng)進(jìn)行校正。
校正的目的是使水準(zhǔn)管軸垂直于豎軸.即用校正針撥動(dòng)水準(zhǔn)管一端的校正螺釘,使氣泡向正中間位置退回一半.為使豎軸豎直,再用腳螺旋使氣泡居中即可.此項(xiàng)檢驗(yàn)與校正必須反復(fù)進(jìn)行,直到滿足條件為止。
?。?)十字絲豎絲應(yīng)垂直于橫軸的檢驗(yàn)和校正
檢驗(yàn)時(shí)用十字絲豎絲瞄準(zhǔn)一清晰小點(diǎn),使望遠(yuǎn)鏡繞橫軸上下轉(zhuǎn)動(dòng),如果小點(diǎn)始終在豎絲上移動(dòng)則條件滿足.否則需要進(jìn)行校正.
校正時(shí)松開四個(gè)壓環(huán)螺釘(裝有十字絲環(huán)的目鏡用壓環(huán)和四個(gè)壓環(huán)螺釘與望遠(yuǎn)鏡筒相連接。轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡筒使小點(diǎn)始終在十字絲豎絲上移動(dòng),校好后將壓環(huán)螺釘旋緊。
(3)視準(zhǔn)軸應(yīng)垂直于橫軸的檢驗(yàn)和校正選擇一水平位置的目標(biāo),盤左盤右觀測(cè)之,取它們的讀數(shù)(顧及常數(shù)180度)即得兩倍的c(c=1/2(ɑ左-ɑ右)
?。?)橫軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗(yàn)和校正選擇較高墻壁近處安置儀器。以盤左位置瞄準(zhǔn)墻壁高處一點(diǎn)p(仰角*好大于30度),放平望遠(yuǎn)鏡在墻上定出一點(diǎn)m1。倒轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡,盤右再瞄準(zhǔn)p點(diǎn),又放平望遠(yuǎn)鏡在墻上定出另一點(diǎn)m2。如果m1與m2重合,則條件滿足,否則需要校正。校正時(shí),瞄準(zhǔn)m1、m2的中點(diǎn)m,固定照準(zhǔn)部,向上轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡,此時(shí)十字絲交點(diǎn)將不對(duì)準(zhǔn)p點(diǎn)。抬高或降低橫軸的一端,使十字絲的交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)p點(diǎn)。此項(xiàng)檢驗(yàn)也要反復(fù)進(jìn)行,直到條件滿足為止。以上四項(xiàng)檢驗(yàn)校正,以一、三、四項(xiàng)*為重要,在觀測(cè)期間*好經(jīng)常進(jìn)行。每項(xiàng)檢驗(yàn)完畢后必須旋緊有關(guān)的校正螺釘。
【前景】
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用以及用戶的特殊要求與其它工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用,全站儀出現(xiàn)了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期,出現(xiàn)了帶內(nèi)存、防水型、防爆型、電腦型等等的全站儀。
目前,世界上*高精度的全站儀:測(cè)角精度(一測(cè)回方向標(biāo)準(zhǔn)偏差)0.52,測(cè)距精度1mm+1ppm。利用ATR功能,白天和黑夜(無需照明)都可以工作。全站儀已經(jīng)達(dá)到令人不可致信的角度和距離測(cè)量精度,既可人工操作也可自動(dòng)操作,既可遠(yuǎn)距離遙控運(yùn)行也可在機(jī)載應(yīng)用程序控制下使用,可使用在精密工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、幾乎是無容許限差的機(jī)械引導(dǎo)控制等應(yīng)用領(lǐng)域。
全站儀這一*常規(guī)的測(cè)量儀器將越來越滿足各項(xiàng)測(cè)繪工作的需求,發(fā)揮更大的作用。
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