第三章角度测量与距离测量.pptx

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1、测量学（第五版）第三章 角度测量与距离测量 长安大学公路学院 一、水平角测量原理 水平角，就是相交的两空间直线之间的夹角在水平面上的投影，角值为0 360。若竖直面 和 在刻度盘上截取的读数分别为 和，则水平角 的角值为：=-3-1 角度测量原理及经纬仪 二、竖直角测量原理v竖直角是同一竖直面内目标方向与一特定方向之间的夹角。目标方向与水平方向之间的夹角称为竖直角，又称为高度角，一般用 表示。竖直角有仰角、俯角，仰角为正，俯角为负。v设在观测的天顶距为，竖直角为，故天顶距与竖直角的关系为：=90-3-1 角度测量原理及经纬仪v三、DJ6光学经纬仪v经纬仪的主要功能就是测定（或放样）水平角和竖直

2、角。v光学经纬仪按精度分类，系列标准有DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、等。3-1 角度测量原理及经纬仪1.DJ6级光学经纬仪的基本构造v2.读数设备及读数方法“秒”位为不足一格的估读数，一般最小可估读到0.1格（即0.11=6）3-1 角度测量原理及经纬仪 四、电子经纬仪 电子经纬仪在结构和外观上与光学经纬仪基本类似，使用方法与光学经纬仪也基本相同。电子经纬仪与光学经纬仪的根本区别在于用电子测角系统代替光学读数系统，能自动显示测量数据。v1.编码度盘测角系统3-1 角度测量原理及经纬仪v2.光栅度盘测角系统v在光学玻璃度盘的径向上均匀地刻制明暗相间的等角距细线条就构成光栅度盘3-1 角度测量

3、原理及经纬仪.动态测角原理 动态测角系统消除了度盘分划误差。在测量中，不需配置度盘和测微器位置，从而提高了测角精度。粗测、精测数据经由微机处理器进行衔接处理后，即得角度值，并可自动显示。3-1 角度测量原理及经纬仪v一、经纬仪的安置v在角度观测之前，必须正确安置经纬仪，经纬仪安置包括对中和整平。v.对中：是将经纬仪中心安置在测站点的铅垂线上。从仪器箱中取出经纬仪放在三脚架架头上，注意位置适中。用中心连接螺旋将经纬仪牢固地与三脚架连接在一起。旋转脚螺旋并通过光学对中器或激光对中器观察地面标志点的移动情况，使对中器的十字中心或激光点中心对准地面标志点，此时圆水准器可能不居中。松开脚架腿固定螺栓，伸

4、缩三个脚架腿的长度，使圆水准器居中，此时地面标志点略偏离对中器十字中心。重复上述操作，直至地面标志点位于十字中心，且圆水准器也处于居中状态。3-2 角度测量及误差分析v.整平：目的是使仪器的竖轴竖直，水平度盘处于水平位置。v 任选两个脚螺旋，转动照准部使管水准轴与所选两个脚螺旋中心连线平行，相对转动两个脚螺旋使管水准器气泡居中，管水准器气泡在整平中的移动方向与转动脚螺旋左手大拇指运动方向一致。转动照准部90，使管水准器处于垂直于该两个脚螺旋连线方向位置，此时转动第三个脚螺旋使管水准器气泡居中。如此反复，直至水准器气泡在任意位置都精确居中。3-2 角度测量及误差分析v二、水平角测量v水平角的测量

5、方法，一般是根据观测条件、测角精度要求、所使用的仪器以及观测方向的数目而定。工程上常用的方法有测回法和方向观测法。v.测回法 测回法适用于观测只有两个方向的单角。这种方法要用盘左和盘右两个位置进行观测。观测时目镜朝向观测者，如果竖盘位于望远镜的左侧，则称为盘左；如果位于右侧，则称为盘右。通常先以盘左位置测角，称为上半测回，再以盘右位置测角，称为下半测回。两个半测回合在一起称为一测回。有时水平角需要观测数测回。3-2 角度测量及误差分析v1.测回法v步骤：v(1)安置仪器于测站O点，对中、整平v(2)上半测回：盘左，瞄准左目标，读数a上（00112），瞄准左目标，读数b上（571848）,则 上

6、=上-a上=571848-00112=571736v(3)下半测回：盘右，瞄准右目标，读数数b下（2371854），瞄准左目标，a下（180106）,则 下=b下-a下=2371854-1800106=571748v(4)若上-下40，认为观测合格。此时可取=（上+下）/2=5717423-2 角度测量及误差分析测回法观测记录手薄测站 盘位目标水平度盘读数 半测回角值 一测回角值 备注左右OAB0 01 1257 18 4857 17 36AB180 01 06237 18 5457 17 4857 17 423-2 角度测量及误差分析 三、竖直角测量v.竖盘装置的构造 经纬仪上的竖盘装置包括

7、竖直度盘、指标水准管和指标水准管微动螺旋三部分。观测竖角时，必须用竖盘指标水准管微动螺旋使指标水准管气泡居中才能读数。经纬仪的竖盘刻划的注记有顺时针方向和逆时针方向两种，一般为全圆式注记。3-2 角度测量及误差分析 2.竖直角计算公式v（1）顺时针注记形式3-2 角度测量及误差分析 2.竖直角计算公式v（2）逆时针注记形式3-2 角度测量及误差分析v.竖盘指标差v在理想的情况下，当视线水平，竖盘指标水准管气泡居中时，竖盘读数为90或270。实际上这个条件往往未能满足，竖盘指标不是恰好指在90或270整数上，而与90或270相差一个x角，称为竖盘指标差。竖盘指标的偏移方向与竖盘注记增加方向一致时

8、，x值为正，反之为负。3-2 角度测量及误差分析v.竖盘指标差v右式表明用盘左、盘右各观测一次竖直角，然后取其平均值作为最后结果，可以消除指标差的影响。竖盘指标差的计算公式：3-2 角度测量及误差分析v4.竖直角观测与计算v观测步骤：v（1）上半测回：在盘左位置用水平中丝照准目标，读取竖盘读数，记入记录手薄。v（2）下半测回：在盘右位置用水平中丝照准目标，读取竖盘读数，记入记录手薄，测回观测结束。v 上半测回和下半测回构成一测回。v（3）根据仪器竖盘注记形式确定竖直角计算公式，计算竖直角和指标差。3-2 角度测量及误差分析 四、角度测量误差分析 水平角测量误差来自仪器误差、观测误差和外界条件的

9、影响三个方面。.仪器误差 仪器误差中，度盘偏心误差、视准轴误差、横轴误差及竖盘指标差（竖直角测量）都可以通过盘左、盘右观测取平均值的方法来消除或减弱其影响。度盘分划误差一般均很小，在水平角精密测量时，为提高测角精度，可利用度盘变换手轮或复测扳手，在各测回之间变换度盘起始位置的方法减小其影响。由于用盘左、盘右观测同一方向，竖轴误差所引起的水平度盘读数误差大小相等但符号相同，因此不能用盘左和盘右观测消除其影响。此外，这一影响亦与竖直角的大小成正比，所以在山区或坡度较大的地区进行测量时，应对仪器进行严格的检验和校正，并在测量中仔细整平。3-2 角度测量及误差分析v2.观测误差v（1）仪器对中误差v仪

10、器对中误差是指仪器中心没有置于测站点的铅垂线上所产生的误差。3-2 角度测量及误差分析v2.观测误差v（2）目标偏心误差v目标偏心误差是指实际瞄准的目标位置偏离地面标志点而产生的误差。3-2 角度测量及误差分析v2.观测误差v（3）瞄准误差：是指望远镜瞄准目标的精确程度。v（4）读数误差：读数误差是衡量仪器读数准确程度的概念，它主要取决于仪器的读数设备。对于DJ6级光学经纬仪，读数误差不超过分划值的十分之一，即不超过6。如果读数显微镜目镜未调好，视场照明不佳，则读数误差还会增大，但应小于18。v3.外界条件的影响 外界条件的影响主要是指各种外界条件的变化对角度观测值精度的影响。如温度变化、大风

11、、地面辐射热和空气透明度等。选择有利的观测条件和时间，安稳脚架、打伞遮阳等，使其影响降到最低程度。3-2 角度测量及误差分析 距离测量是测量的基本工作之一。所谓距离，就是两点间连线的直线长度。两点间连线投影在水平面的长度称为水平距离，不在同一水平面的两点间连线的直线长度称为倾斜距离。常用的距离测量方法有钢尺量距、光电测距、视距测量。一、钢尺量距钢尺是用于直接丈量距离的工具，是带宽1015，厚0.20.4，长度有20、30、50 的卷钢带，尺面的基本分划为厘米，分米及米处均有毫米分划。钢尺量距需要测钎、花杆（标杆）、垂球、温度计、拉力器等。3-3 距离测量 二、视距法测距v.概述v视距测量是一种

12、根据几何光学原理，应用三角定理进行测距的技术，用简便的操作方法即能迅速测出两点间距离的方法。v.视距测量原理v(1)视准轴水平时的视距公式v距法测距是利用测量仪器望远镜十字丝的上、下丝获得尺子刻划读数M、N,从而实现距离测量3-3 距离测量3-3 距离测量 二、视距法测距vA为经纬仪的安置中心,B为立尺点,M、N是经纬仪望远镜视准轴处于水平状态瞄准直立的尺子后上、下丝在尺面截获的刻划值读数,且NM。N、M的间隔长度l称为视距差,v=l=100l。3-3 距离测量 二、视距法测距(2)视准轴倾斜时的视距公式当视准轴倾斜时,如尺子仍竖直立着,则视准轴不与尺面垂直,此时,的计算公式为:D=Klcos

13、2而两点间的高差由竖直角、仪器高i 及中丝读数j按下式计算:h=Dtan+i-j 三、电磁波测距.概述 电磁波测距与传统测距方法相比，具有精度高、测程远、操作简便、作业速度快和劳动强度低等优点。电磁波测距的基本原理是通过测定电磁波在待测距离两端点间往返一次的传播时间，利用电磁波在大气中的传播速度，来计算两点间的距离。3-3 距离测量v 测距仪分类 v（1）所采用的载波 远程几十公里v（2）测程 中程数公里至十余公里 短程3公里以下 级测距仪：mD5mmv（3）测距精度 级测距仪:5mmmD10mm 级（mD10mm），(mD为每千米测距中误差)3-3 距离测量 2.相位式光电测距仪v（）相位式

14、测距的基本原理v相位式光电测距是通过测量调制光在测线上往返传播所产生的相位移，测定调制波长的相对值来求出距离。3-3 距离测量 2.相位式光电测距仪v（2）相位式测距的基本公式（为测尺长度）3-3 距离测量v2.相位式光电测距仪v（3）N值的确定 为了解决扩大测程与提高精度的矛盾，可以采用一组测尺共同测距，用短测尺（又称精测尺）保证精度，用长测尺（又称粗测尺）保证测程，从而也解决了“多值性”的问题。若已知Du2，则N2=0。因为N1为正整数，N1 为小于1 的小数，等式两边的整数部分和小数部分应分别相等，所以有N1 KN2的整数部分。为了保证N1值正确无误，测尺放大系数K应根据N2的测定精度来

15、确定。3-3 距离测量v3.全反射棱镜 由于光在玻璃中的折射率为1.51.6，而光在空气中的折射率近似等于1，也就是说光在玻璃中的传播要比空气中慢，因此光在棱镜中传播所用的超量时间会使所测距离增大某一数值，称为棱镜常数。3-3 距离测量v4.距离测量 测距时，将测距仪和反射镜分别安置在测线的两端，仔细地对中。接通测距仪的电源，然后照准反射镜，检查经反射镜反射回的光强信号。合乎要求后即可开始测距。v 5.测距成果的整理（1）加常数改正：由于测距仪的距离起算中心与仪器的安置中心不一致，以及反射镜等效反射面与反射镜安置中心不一致，使仪器测得距离D0-d与所要测定的实际距离D不相等，其差数与所测距离长

16、短无关，称为测距仪的加常数。实际上，测距仪的加常数包含仪器加常数和反射镜常数。由于加常数为一固定值，可预置在仪器中，使之测距时自动加以改正。3-3 距离测量v5.测距成果的整理（2）乘常数改正（3）气象改正（4）倾斜改正v6.光电测距的主要误差来源 测距误差可分为两部分：一部分是与距离D成比例的误差，即光速值误差、大气折射率误差和测距频率误差；另一部分是与距离无关的误差，即测相误差、加常数误差、对中误差。一般将测距仪的精度表达式简定成3-3 距离测量v直线定向：确定一条直线与一基本方向之间的水平角。v一、基本方向v1.真北方向:过地面某点真子午线的切线北端所指示的方向。采用天文测量的方法测定。

17、v2.磁北方向：磁针自由静止时其指北端所指的方向，称为磁北方向，可用罗盘仪测定。v3.坐标北方向：过O点的真子午线坐标纵轴（X轴）正向所指示的方向，称为坐标北方向。实用上常取与高斯平面直角坐标系中X坐标轴平行的方向为坐标北方向。3-4 直线定向v二、方位角 由直线一端的基本方向起，顺时针量至直线的水平角称为该直线的方位角，取值范围0-360。v1.真方位角：由真北方向起算的方位角，用A表示。v2.磁方位角：由磁北方向起算的方位角，用Am表示。v3.坐标方位角：由坐标北方向起算的方位角，用表示。3-4 直线定向 三、磁偏角与子午线收敛角v1磁偏角：过一点的真北方向与磁北方向之间的夹角。v2子午线

18、收敛角：过一点的真北方向与坐标北方向之间的夹角。v 与 的符号规定相同，即磁北或坐标北方向在真北方向东侧时，均为正数；磁北方向或坐标北方向在真北方向西侧时，均为负。3-4 直线定向v四、方位角之间的相互换算v五、正、反坐标方位角3-4 直线定向v六、方位角测量v1.罗盘仪的构造（1）望远镜（2）罗盘盒：内有磁针和刻度盘。磁针用于确定南北方向并用作指标读数，它安装在度盘中心顶针上，可自由转动，为减少顶针的磨损，不用时用磁针制动螺旋将磁针抬起，固定在玻璃盖上。磁针南端装有铜箍以克服磁倾角，使磁针转动时保持水平。（3）基座3-4 直线定向v2.罗盘仪的使用（）安置罗盘仪于直线的一个端点，进行对中和整

19、平。（）用望远镜瞄准直线另一端点的标杆。（）松开磁针制动螺旋，将磁针放下，待磁针静止后，磁针在刻度盘上所指的读数即为该直线的磁方位角。读数时，刻度盘的0刻划若在望远镜的物镜一端，则应按磁针北端读数；若在目镜一端，则应按磁针南端读数。如图中刻度盘0刻划在物镜一端，应按北针读数，其磁方位角为2403-4 直线定向3-5 全站仪 全站仪,即全站型电子速测仪(Electronic Total Station),是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统,测量结果可自动显示,并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于全站型电子速测仪能够较完整地实现测量和处理过程的电子化和一

20、体化,所以通常简称为全站仪。3-5 全站仪一、全站仪的构造全站仪主要由电子测角、光电测距和内置微处理器组成。另外,还具有各种通信接口,如USB接口或六针圆形孔RS-232接口等。全站仪在获得观测数据之后,可通过这些通信接口与计算机相连,在相应的专业软件支持下,实现数字化测量。全站仪主要构造如图3-32所示,其种类和型号众多,原理、构造和功能基本相同。3-5 全站仪一、全站仪的构造1.全站仪的望远镜望远镜由物镜、分光棱镜、聚光棱镜、目镜等组成,是角度测量和距离测量的光学部分。可见光通过望远镜进入视场,完成角度测量的瞄准工作。物镜和分光棱镜组成测距仪光路,光路包括内部光路和外部光路,光纤连接发光二

21、极管和接收管形成内部光路,红外发光二极管(LED)发出的红外光通过闸门的转换经过内部光路和外部光路到达接收二极管,完成距离测量。3-5 全站仪一、全站仪的构造2.竖轴倾斜的自动补偿竖轴误差对水平方向和竖直角的影响不能通过盘左、盘右读数取中数消除。因此，在一些较高精度的电子经纬仪和全站仪中安置了竖轴倾斜自动补偿器，以自动改正竖轴倾斜对水平方向和竖直角的影响。3.全站仪电子电路全站仪电子电路包括两部分,即测角部分与测距部分。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能1.角度测量：测水平角和垂直角（1）水平角设置：将某方向水平读数设置为零或任意值；（照准部旋转时方向值不变）；右角 左角的测量（照准部顺时针旋

22、转时角值增大 照准部逆时针旋转时角值增大）；角度重复测量模式。（2）垂直角显示变换：可以用天顶距、高度角、倾斜角、坡度等方式显示垂直角。（3）角度单位变换：可以360、400 等方式显示角度。（4）角度自动补偿：使用电子水准器，可以测定出仪器在各个方向的倾斜量，从而具有自动补偿竖轴误差、横轴误差和视准轴误差等对角度观测的影响。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能2.距离测量（）测量仪器至反射棱镜的距离（斜距）（）测距模式的变换。按具体情况，可设置为精测和快速测量模式。可选取距离测量的最小分辨率，通常有1cm、1mm、0.1mm几种。可选取测距次数，主要有单次测量（能显示一次测量结果，然后停止测量

23、）；连续测量（可进行不间断测量，只要按停止键，测量马上停止）；指定测量次数；多次测量平均值自动计算（根据所设定的测量次数，测量完成后显示平均值）。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能2.距离测量（）可设置测距精度和时间，主要有精测（测量精度高，需要数秒测量时间）；粗测（测量精度低，可快速测量）；跟踪测量（自动跟踪反射棱镜进行测量，测量精度低）。（）各种改正功能：在测距前设置相关参数，距离测量结果可自动进行棱镜常数改正、气象（温度和气压）改正和大气折射率误差等改正。（）斜距归算功能：由测量的垂直角（天顶距）和斜距可计算出仪器至棱镜的平距和高差，并立即显示出来。如事先输入仪器高和棱镜高，测距测角后便

24、可计算出测站点与目标点间的平距和高差。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能3.坐标测量（1）三维坐标测量原理3-5 全站仪二、全站仪的常用功能3.坐标测量（2）坐标测量前准备 仪器已正确地安置在测点上；电池已充足电；度盘指标已设置好；仪器参数已按观测条件设置好；气象改正数、棱镜类型、棱镜常数改正数和测距模式已准确设置；已准确照准棱镜中心，返回信号强度适宜测量；测站数据已输入。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能3.坐标测量（3）坐标测量的步骤 将全站仪安置在已知点B，棱镜设置在待定点1，输入B点已知坐标及仪器高和棱镜高后，先后视已知点A 并输入A点坐标，然后瞄准1点处棱镜并进行观测，仪器即可显示待

25、定1的三维坐标。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能4.自由设站：全站仪安置在某一待定点上，点根据测边角后方交会原理，通过测量测站点到两个以上已知点的角度和距离，并输入各已知点三维坐标及仪器高和棱镜高后，全站仪即可解算出未知测站点坐标，并自动对仪器进行设置，以方便坐标测量或放样。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能5.对边测量：用于在不搬动仪器的情况下，直接测量某一起始点P1与任何一个其他点间的斜距、平距和高差，其原理如下图所示。在测站点上依次测量各反射棱镜的距离S1、S2和水平角1及高差hA1、hA2，则可求得P1至P2间的距离C和高差h12。在测量两点间高差时，将棱镜安置在测杆上，并使所有各点

26、的目标高相同。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能6.悬高测量悬高测量用于测定无法放置棱镜的地物（如电线、桥梁等）高度。3-5 全站仪二、全站仪的常用功能.点位放样：将待建物的设计位置在实地标定出来的测量工作称为放样。全站仪经测站设置和定向后，便可照准棱镜测量，仪器自动显示棱镜位置与设计位置的差值，据此修正棱镜位置直至到达设计位置。.面积测量：通过顺序测定地块边界点坐标，按照任意多边形面积计算方法，可确定地块面积。.主要辅助功能（）休眠和自动关机功能（）电子水准器（）数据管理功能3-5 全站仪三、全站仪的数据记录与传输 全站仪观测数据的记录，随仪器的结构不同有三种方式：一种是通过电缆，将仪器的数

27、据存储在外接记录器中，外接记录器可以是电子手簿、掌上电脑、智能手机、笔记本电脑等；另一种是仪器内部有一个大容量的存储器，用于记录数据，仪器内存记录的数据可以通过数据电缆传输到计算机上，或通过 接口直接复制到移动存储器上；还有的仪器是采用数据记录卡，测量数据直接记录到数据卡上，再通过读卡器或数据电缆将数据传输到计算机上。3-5 全站仪四、自动全站仪 自动全站仪是一种能自动识别、照准和跟踪反射棱镜的一种全站仪，又称为测量机器人。可以进行全天候的数据采集，如在变形监测、多角多测回测量数据采集中都可以使用，具体流程包括测站设置、限差设置、学习测量和自动测量等。3-5 全站仪五、超站仪 超站仪是全站仪与GPS的完美结合，它是集成GPS接收机的高性能全站仪。无须控制点、长导线和后方交会操作，只需安装超站仪，并使用GPS确定该点的准确位置，然后就可以使用全站仪进行测量、放样。仅仅通过简单的安装调试，就可以简单快速地进行测量作业。第三章 教学内容回顾v1.角度测量原理与经纬仪v2.角度测量及误差分析v3.距离测量v4.直线定向v5.全站仪