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1、第五章第五章 现代测量仪器与技术现代测量仪器与技术5.3 3S5.3 3S技术与技术与4D4D产品简介产品简介5.1 5.1 全站仪测量原理及使用全站仪测量原理及使用5.2 GPS5.2 GPS定位原理及应用定位原理及应用内容简介：内容简介：5.1 5.1 全站仪测量原理及使用全站仪测量原理及使用一、何谓全站仪一、何谓全站仪 是指能完成一个测站上的全部测量工作的测是指能完成一个测站上的全部测量工作的测量仪器。量仪器。二、全站仪的组成二、全站仪的组成 电子经纬仪电子经纬仪 光电测距仪光电测距仪 微型计算机微型计算机三、全站仪的发展三、全站仪的发展optical theodoliteelectro
2、nic theodoliteSteel tape EDM半站仪图片半站仪图片四、常见品牌全站仪简介：四、常见品牌全站仪简介：徕卡徕卡TPS700TPS700系系列卓越中文全列卓越中文全站仪站仪拓普康拓普康GTS 332W 全站仪全站仪索佳索佳10系列全站仪系列全站仪尼康尼康DTM801 系列全站仪系列全站仪宾得宾得全站仪全站仪PTS V2南方南方NTS 202 205全站仪全站仪五、全站仪构造简介：五、全站仪构造简介：六、全站仪的功能特点六、全站仪的功能特点 自动化、数字化程度高，控制面板具有人机对话功能。自动化、数字化程度高，控制面板具有人机对话功能。全站测量，功能全面，测量快效率高。全站测
3、量，功能全面，测量快效率高。自动进行气象和地球曲率改正以及轴系误差改正，精自动进行气象和地球曲率改正以及轴系误差改正，精度高、稳定可靠。度高、稳定可靠。电子记录、自动存储。电子记录、自动存储。有的全站仪能自动跟踪目标。有的全站仪能自动跟踪目标。能够与计算机进行数据通讯。能够与计算机进行数据通讯。内置常用固化软件，或根据需要自编程序。内置常用固化软件，或根据需要自编程序。七、全站仪的常用功能七、全站仪的常用功能1.基本功能基本功能角度测量角度测量距离测量距离测量高差测量高差测量坐标测量坐标测量2.专用功能专用功能点位放样点位放样对边测量对边测量悬高测量悬高测量后方交会后方交会面积测量面积测量八、
4、全站仪的使用操作八、全站仪的使用操作1.1.测前准备工作测前准备工作 检查、充电、安装电池（内部电池、外部电池）检查、充电、安装电池（内部电池、外部电池）设置仪器有关参数：如棱镜常数、气象改正、数据单位等设置仪器有关参数：如棱镜常数、气象改正、数据单位等 设计测量作业模式设计测量作业模式2.2.测站操作要点（坐标测量为例）测站操作要点（坐标测量为例）安置仪器，进行对中和整平安置仪器，进行对中和整平 瞄准后视方向输入坐标方位角，或后视点坐标（瞄准后视方向输入坐标方位角，或后视点坐标（N，E）输入仪器高、棱镜高输入仪器高、棱镜高 输入测站三维坐标（输入测站三维坐标（N0、E0、H0）选择测距模式（
5、标准、精密、快速、跟踪测距）选择测距模式（标准、精密、快速、跟踪测距）测量（瞄准测点、测距）测量（瞄准测点、测距）九、全站仪三维坐标测量原理九、全站仪三维坐标测量原理OABN式中：式中：SOB的斜距；的斜距；竖直角；竖直角；i、l 仪器高、棱镜高。仪器高、棱镜高。NB=NO+ScoscosEB=EO+Scos sinHB=HO+Ssin+ilSlhOBiOB十、内置软件测量范例十、内置软件测量范例1.1.极坐标法放样极坐标法放样系根据水平角和水平距离来放样点的平面位置的一种系根据水平角和水平距离来放样点的平面位置的一种方法。该方法具有操作简单、方便、灵活以及受地形变化方法。该方法具有操作简单、
6、方便、灵活以及受地形变化限制小、不受图形条件约束，特别适用于全站仪的应用。限制小、不受图形条件约束，特别适用于全站仪的应用。A（XA，YA）B（XB，YB）P（XP，YP）APABNSAP放样方法：放样方法：2.2.悬高测量悬高测量为了得到不能放置棱镜的目标点高度，只须将棱镜架为了得到不能放置棱镜的目标点高度，只须将棱镜架设于目标点所在铅垂线上的任一点，进行悬高测量。设于目标点所在铅垂线上的任一点，进行悬高测量。21hh3（棱镜高）棱镜高）h2h1S原理：原理：h=h2h1h3 =Scos1 tg2 Ssin1 h33.3.对边测量对边测量 测量两个目标点之间测量两个目标点之间水平距离水平距离
7、和和高差高差的一种方法。的一种方法。baOSABhABAB 原理：原理：对边测量的两种作业模式对边测量的两种作业模式 1 1、MOD-1MOD-1（A-BA-B，A-CA-C）：）：测量测量A-BA-B，A-CA-C，A-DA-D 2 2、MOD-2MOD-2（A-BA-B，B-CB-C）：）：测量测量A-BA-B，B-CB-C，C-DC-D23.5637.8935.4336.3837.67 测量仪器的发展也象奥运精神一样走向：精度更高、速度更快、功能更强。原理：c2=a2+b2-2ab cos更高更高更快更快更强更强奥林匹克运动奥林匹克运动5.2 GPS定位原理及应用定位原理及应用一、一、G
8、PS的概念及历史发展的概念及历史发展 全球定位系统全球定位系统全球定位系统全球定位系统GPSGPSGPSGPS（Global Positioning Global Positioning Global Positioning Global Positioning SystemSystemSystemSystem）,是利用卫星发射的无线电信号是利用卫星发射的无线电信号是利用卫星发射的无线电信号是利用卫星发射的无线电信号,向全向全向全向全球用户提供连续、实时、高精度的三维球用户提供连续、实时、高精度的三维球用户提供连续、实时、高精度的三维球用户提供连续、实时、高精度的三维导航导航导航导航、定位定位
9、定位定位以及以及以及以及测速测速测速测速和和和和授时授时授时授时服务的系统。服务的系统。服务的系统。服务的系统。美国从美国从美国从美国从1973197319731973年开始筹建全球定位系统，年开始筹建全球定位系统，年开始筹建全球定位系统，年开始筹建全球定位系统，经历经历经历经历20202020年，耗资年，耗资年，耗资年，耗资300300300300亿美元，亿美元，亿美元，亿美元，于于于于1994199419941994年投入使用。年投入使用。年投入使用。年投入使用。是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第是继阿波
10、罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。三项庞大空间计划。三项庞大空间计划。三项庞大空间计划。GPSGPS的出现对古老的测绘科学带来了革命性的变的出现对古老的测绘科学带来了革命性的变革，并在众多领域得到广泛的应用，极大地推动革，并在众多领域得到广泛的应用，极大地推动了现代测绘科学技术的发展。了现代测绘科学技术的发展。世界各国建设的卫星定位系统：世界各国建设的卫星定位系统：美国建立的美国建立的“GPS”GPS”；俄罗斯建立的俄罗斯建立的“GLONASS”GLONASS”；欧盟正在实施的欧盟正在实施的“伽利略伽利略”计划；计划；中国正在建立的中国正在建立的“北斗北斗”导航系统导航系统（C
11、OMPASSCOMPASS）。）。二、二、GPS的的优点优点 全球覆盖、全天候作业；全球覆盖、全天候作业；测站之间不需要通视；测站之间不需要通视；定位精度高；定位精度高；观测速度快；观测速度快；自动化程度高；自动化程度高；经济效益显著。经济效益显著。三、三、GPS的组成的组成 GPSGPS定位系统由定位系统由空间卫星部分空间卫星部分、地面监地面监控部分控部分和和用户设备部分用户设备部分三部分组成。三部分组成。1.1.空间星座部分空间星座部分 卫星布设方案：卫星布设方案：由由24棵卫星（棵卫星（21棵工作卫星和棵工作卫星和3棵备用卫星）组成；棵备用卫星）组成；6个不同的轨道面，个不同的轨道面，5
12、5轨道倾角，轨道倾角，每个轨道分布着每个轨道分布着4棵卫星棵卫星；20200km轨道高度；轨道高度；卫星运行周期为卫星运行周期为11h58min。GPS卫星图片卫星图片 这样的布网方案将保证地球上这样的布网方案将保证地球上任何地点、任何时间都能同时观测任何地点、任何时间都能同时观测到到最少最少4棵卫星棵卫星，最多达，最多达11棵卫星。棵卫星。GPS 卫星信号卫星信号 卫星信号结构：卫星信号结构：每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率）两种载波（两种载波（L1和和L2）两种码信号（两种码信号（C/A码和码和P码）码）一组导航电文（信息码，一组导航电文（信
13、息码，D码）码）基准频率基准频率10.23MHZL11575.42MHZ C/A码码 1.023MHZP码码10.23MHZL21227.60MHZ15412050比特比特/S卫星信息电文（卫星信息电文（D码）码）卫星导航电文：卫星导航电文：是用户用来导航和定位的数据基础，它包含该卫星是用户用来导航和定位的数据基础，它包含该卫星的星历、工作作态、时钟改正、电离层时延改正、对流层的星历、工作作态、时钟改正、电离层时延改正、对流层时延改正、以及由时延改正、以及由C/AC/A码码捕获捕获P P码的信息，以二进制码形式码的信息，以二进制码形式发送，故导航电文又叫数据码，或称之为发送，故导航电文又叫数据
14、码，或称之为D D码。码。GPSGPS卫星发射的信号是将导航电文卫星发射的信号是将导航电文D D（t t）经过两级调经过两级调制后的信号。第一级是将制后的信号。第一级是将D D（t t）调制为调制为C/AC/A码和码和P P码；然后码；然后将它们的组合码再分别调制到两个载波将它们的组合码再分别调制到两个载波L1L1和和L2L2上。上。2.2.地面监控部分地面监控部分一个主控站：一个主控站：科罗拉多科罗拉多斯必灵司斯必灵司(Colorado springsColorado springs)三个注入站：三个注入站：阿松森阿松森(Ascencion)迭哥迭哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)卡
15、瓦加兰卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=1 1个主控站个主控站+3+3个注入站个注入站+夏威夷夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColoradosprings3.3.用户接收部分用户接收部分 GPS接收机的分类：接收机的分类：手持型手持型车载型车载型单频型单频型双频型双频型导航型导航型测地型测地型接收机接收机 GPS接收机的组成：接收机的组成：天线：天线：天线单元和前置放大器。天线单元和前置放大器。主机：主机：变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器。变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器。电源：电源：内接
16、电源和外接电源。内接电源和外接电源。图片：导航型图片：导航型GPSGPS机机手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机图片：测地型图片：测地型GPSGPS接收机接收机单频机单频机双频机双频机四、四、GPS坐标系统坐标系统1.WGS-84坐标系（坐标系（World Geodetic System）GPS 所采用的坐标系统，所采用的坐标系统，GPS 所发布的星历参数就是基所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。于此坐标系统的。WGS-84 坐标系的坐标原坐标系的坐标原点位于地球的质心，点位于地球的质心，Z 轴指向轴指向BIH1984.0 定义的协议地球极定义的协议地球极方向，方向，X 轴指向轴指向
17、BIH1984.0 的的起始子午面和赤道的交点，起始子午面和赤道的交点，Y 轴与轴与X 轴和轴和Z 轴构成右手系轴构成右手系。2.GPS坐标转换坐标转换 在实际测量工作中，往往需要将在实际测量工作中，往往需要将GPSGPS测量成果测量成果WGS-84 WGS-84 坐标换算到用户所采用的区域性坐标系统。坐标换算到用户所采用的区域性坐标系统。基准转换模型：基准转换模型：基准转换参数：基准转换参数：3 3个平移参数个平移参数（XX0 0、YY0 0、ZZ0 0）；3 3个旋转参数个旋转参数（X X、Y Y、Z Z）；1 1个尺度因子个尺度因子M M。必须至少在三个已知参心坐标点上进行必须至少在三个
18、已知参心坐标点上进行GPS测量，获得测量，获得WGS-84坐标，再由上式平差解出坐标，再由上式平差解出7个基准转换参数。个基准转换参数。五、五、GPS定位原理定位原理1.绝对定位原理绝对定位原理用一台接收机将捕获到的卫星信号加以解算，以直接用一台接收机将捕获到的卫星信号加以解算，以直接求得接收机天线求得接收机天线WGS-84WGS-84坐标的一种定位方法。坐标的一种定位方法。GPSGPS绝对定位，实质上是空间距离的后方交会，在一个绝对定位，实质上是空间距离的后方交会，在一个测站点，原则上只需三个独立的距离观测值，以测站点，原则上只需三个独立的距离观测值，以3 3棵卫星为棵卫星为球心，相应距离为
19、半径的球面交点，即为测站位置。球心，相应距离为半径的球面交点，即为测站位置。式中：式中：xi、yi、zi第第 i 棵卫星坐标棵卫星坐标；X、Y、Z待测点坐标待测点坐标；i伪距伪距，i=Ct；C 光速，光速，3108m/s；I电离层延迟改正电离层延迟改正；t对流层延迟改正对流层延迟改正；it 卫星钟差改正卫星钟差改正；tan接收机钟差改正接收机钟差改正。2.相对定位原理相对定位原理 GPSGPS相对定位，也叫差分相对定位，也叫差分GPSGPS定位，是目前定位，是目前GPSGPS定位精定位精度最高的一种方法。度最高的一种方法。相对定位是用两台或多台用户接收机安置在一条相对定位是用两台或多台用户接收
20、机安置在一条或多条基线的端点上，同步观测或多条基线的端点上，同步观测GPSGPS卫星信号卫星信号，解算基解算基线向量（线向量（XX、YY、ZZ）。）。T1T2 在两个或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，在两个或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的卫星的轨道误差轨道误差、卫星钟差卫星钟差、接收机钟差接收机钟差以及以及电离层和电离层和对流层的折射误差对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同线性组合，进行相对定性，所以利用这些观测量的不同线性组合，进行相对定位，可有效消除或减弱上述误差的影响，从而大大提高位，可有效消除或减弱
21、上述误差的影响，从而大大提高相对定位的精度。相对定位的精度。相对定位相对定位静态相对定位静态相对定位动态相对定位动态相对定位图形：相对定位模式静态相对定位模式静态相对定位模式流动站流动站动态相对定位模式动态相对定位模式基准站基准站3.GPS实时动态定位（实时动态定位（RTK）RTK(real-time kinematic)工作原理工作原理 RTK用途：用途：工程放样、地形测图、各种控制测工程放样、地形测图、各种控制测量，外业效率高。量，外业效率高。精度：精度：可达到（可达到（1020mm+1ppm）。）。RTK特点：特点：常规常规GPS测量，不论是静态还是动测量，不论是静态还是动态测量都需要事
22、后进行解算才能获得厘米级的精态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度；而度；而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用的是载波相位动态实时差度的测量方法，它采用的是载波相位动态实时差分技术，是分技术，是GPS应用发展的重大里程碑。应用发展的重大里程碑。作业范围：作业范围：目前一般为目前一般为10km左右。左右。GPS定位原理小结定位原理小结 绝对定位绝对定位和和相对定位相对定位；静态定位静态定位和和动态定位动态定位；伪距测量法定位伪距测量法定位和和载波相位测量法定位载波相位测量法定位；数据数据实时处理实时处理和和测后处理测后处理。一、一、3
23、S3S技术简介技术简介 GPS（Global Positioning System）全球定位系统全球定位系统是美国从本世纪是美国从本世纪7070年代开始研制，历时年代开始研制，历时2020年，耗资年，耗资200200亿亿美元，于美元，于19941994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近统。经近1010年我国测绘等部门的使用表明，年我国测绘等部门的使用表明，GPSGPS以全天候、以全天候、高精度、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工自动化、高效
24、益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。给测绘领域带来一场深刻的技术革命。5.3 3S5.3 3S技术与技术与4D4D产品简介产品简介 RS(Remote System)即遥感系统，其主要应用于卫星遥即遥感系统，其主要应用于卫星遥感和航空摄影方面。卫星遥感应用包括土地分类、环境监感和航空摄
25、影方面。卫星遥感应用包括土地分类、环境监测、灾害评估、态势图等；航空摄影应用主要是制作各类测、灾害评估、态势图等；航空摄影应用主要是制作各类真彩色或伪彩色的正射影像图及基于影像图基础上的各类真彩色或伪彩色的正射影像图及基于影像图基础上的各类专题图。专题图。在1998年黑龙江省松花江、嫩江抗洪期间，利用同期的卫星遥感影像数据，采用RS技术进行水情分析和灾害评估。数字高程模型数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写缩写DEM）是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（网点的平面坐标（X，Y）及高程（及高程（Z）的数
26、据集。的数据集。DEM的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。根据不同的高程精度，可分为不同类型。为完网系列。根据不同的高程精度，可分为不同类型。为完整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。二、二、4D4D产品简介产品简介 数字线划地图数字线划地图（Digital Line Graphic，缩写缩写DLG）是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。数字栅格
27、地图数字栅格地图（Digital Raster Graphic，缩写缩写DRG）是现有纸质地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。是现有纸质地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。每一幅地形图在扫描数字化后，经几何纠正，并进行内每一幅地形图在扫描数字化后，经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理，彩色地形图还应经色彩校正，容更新和数据压缩处理，彩色地形图还应经色彩校正，使每幅图像的色彩基本一致。数字栅格地图在内容上、使每幅图像的色彩基本一致。数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比例尺地形图保持一致。几何精度和色彩上与国家基本比例尺地形图保持一致。数字正射影像图数字正射影像图（Dig
28、ital Orthophoto Map，缩写缩写DOM）是利用数字高程模型（是利用数字高程模型（DEM）对经扫描处理的对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。数字高程模型数字高程模型DEMDEM数字线划地图数字线划地图DLGDLG黑白黑白彩色彩色数字栅格地图数字栅格地图DRGDRGDOMDOM数字正射影象图数字正射影象图