铁路作为国民经济大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具,在我国经济社会发展中具有重要的作用。近十几年来我国铁路快速发展,到2015年,铁路营业里程将达到12万公里。在铁路大规模建设中,如何通过线路的高精度和高稳定性保证列车快速、高效和舒适是十分重要的。测量是保证铁路精度的核心与灵魂。在线路的建设与维护中,几乎所有的测量都离不开全站仪。然而目前全站仪只能在置平工况下进行测量。首先,无论全站仪置平是人工方式还是自动方式,都影响测量效率。其次,全站仪调整范围有限,在自身置平前需要其基础达到一定的水平状态。最后,全站仪置平程度有限,虽然现在全站仪都带水平补偿功能,但其补偿能力有限,置平仍然是影响测量精度的一个重要环节。本文简单介绍了全站仪测量的基本原理,深入分析了全站仪在置平工况下的自由设站及其测量算法模型,以及全站仪测量过程中的主要误差来源,在此基础上首次提出了全站仪免置平测量技术及其算法模型。全站仪免置平测量技术及其算法模型主要包括免置平工况下的自由设站算法和免置平工况下的测量算法,以实现全站仪能在任意姿态下进行测量。本文首先建立了全站仪免置平工况下自由设站的数值模型和几何模型,研究了自由设站数值模型的多解问题,通过对两种模型的分析和比较,最终采用免置平工况下自由设站的几何模型求解全站仪设站点坐标,并通过多余观测量的测量建立平差体系以提高设站点坐标精度。第二,本文建立了全站仪免置平工况下基于旋转角的非线性测量模型和基于方向余弦矩阵的测量模型,通过对两种模型的分析和比较,最终采用了基于方向余弦矩阵的测量模型,并通过多余观测量的测量建立平差体系以提高模型的精度。最后,通过不同环境下的大量实验,验证了全站仪免置平工况下自由设站和测量算法模型的正确性。全站仪免置平测量技术较大程度的提高了全站仪测量的效率和测量自动化程度,在工程应用上具有非凡的意义。同时,此技术和算法模型也可用于铁路建设以外的很多测量系统中,如大桥沉降监测系统,盾构机引导系统等。