距离测量与直线定向.ppt

第四章 距离测量与,第 二 章 距离测量与直线定向 学 习 要 点,卷尺量距 视距测量 电磁波测距 直线定向,距离测量方法概述,距离测量是测量的三项基本工作之一： 测定地面点之间的水平距离。 距离测量的主要方法有： 钢卷尺量距 主要指钢卷尺量距 视距测量 利用测量仪器的视距丝测距 电磁波测距 测距仪和全站仪测距 三角测量法 利用三角形的边角关系求距离,距离测量概述,卷尺量距概述,2-1 距离测量,精密量距方法 量距相对精度：110000140000 主要用途：大型设备安装和较精密工程 的放样等。,一般量距方法 量距相对精度： 1200015000 主要用途：图根导线边长丈量、一般工 程的距离放样。,一、量距工具,钢尺(分普通量距和精密量距) 测距仪和全站仪 光学视距仪 GPS测距 其它辅助工具 钢尺是用钢制成的带状尺，尺的宽度约1015 mm，厚度约0.4mm，长度有20 m、30 m、50 m等几种。 钢尺有卷放在圆盘形的尺壳内的，也有卷放在金属尺架上的，如图4-1所示。钢尺的基本分划为厘米，在每厘米、每分米及每米处印有数字注记。,钢尺的维护 钢尺易生锈，丈量结束后应用软布擦去尺上的泥和水，涂上机油以防生锈。 钢尺易折断，如果钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。 丈量时，钢尺末端的持尺员应该用尺夹夹住钢尺后手握紧尺夹加力，没有尺夹时，可以用布或者纱手套包住钢尺代替尺夹，切不可手握尺盘或尺架加力，以免将钢尺拖出。 在行人和车辆较多的地区量距时，中间要有专人保护，以防止钢尺被车辆碾压而折断。 不准将钢尺沿地面拖拉，以免磨损尺面分划。 收卷钢尺时，应按顺时针方向转动钢尺摇柄，切不可逆转，以免折断钢尺。,二、直线定线,当两个地面点之间的距离较长或地势起伏较大时，为使量距工作方便起见，可分成几段进行丈量。这种把多根标杆标定在已知直线上的工作称为直线定线。一般量距用目估定线， 精密量距用经纬仪定线。,1.目估定线,目测定线适用于钢尺量距的一般方法。 设A、B两点互相通视，要在A、B两点的直线上标出分段点1、2点。先在A、B点上竖立标杆，甲站在A点标杆后约一米处，指挥乙左右移动标杆，直到甲从A点沿标杆的同一侧看到A、2、B三支标杆成一条线为止。 同法可以定出直线上的其他点。两点间定线，一般应由远到近，即先定1点，再定2点。,2.经纬仪定线,经纬仪定线适用于钢尺量距的精密方法。 设A、B两点互相通视，将经纬仪安置在A点，用望远镜纵丝瞄准B点，制动照准部，望远镜上下转动，指挥在两点间某一点上的助手，左右移动标杆，直至标杆像为纵丝所平分。 为减小照准误差，精密定线时，可以用直径更细的测钎或垂球线代替标杆。,1.一般方法量距,三、钢尺量距 1.一般方法量距： 直 目估定线，保证量距时沿直线方向进行 平 地面平整，钢尺水平 准 每尺段端点标志精确,(1) 平坦地面的距离丈量 丈量工作一般由两人进行。 清除待量直线上的障碍物后，在直线两端点A、B竖立标杆，后尺手持钢尺的零端位于A点，前尺手持钢尺的末端和一组测钎沿AB方向前进，行至一个尺段处停下。,后尺手用手势指挥前尺手将钢尺拉在AB直线上， 后尺手将钢尺的零点对准A点，当两人同时把钢尺拉紧后，前尺手在钢尺末端的整尺段长分划处竖直插下一根测钎(如果在水泥地面上丈量插不下测钎时，也可以用粉笔在地面上划线做记号)得到1点，即量完一个尺段。 前、后尺手抬尺前进，当后尺手到达插测钎或划记号处时停住，再重复上述操作，量完第二尺段。 后尺手拔起地上的测钎，依次前进，直到量完AB直线的最后一段为止。 最后一段距离一般不会刚好是整尺段的长度，称为余长。丈量余长时，前尺手在钢尺上读取余长值，则最后A、B两点间的水平距离为 D AB= nL0 + L0,在平坦地面丈量距离时，可把尺子放在地面上进行 丈量至少往返测各一次 量距精度以相对误差表示，并将其换算为分子为1的分数形式，精度一般不低于1/2000 |往测 返测 | / 往返均值 = 1 / M,(2) 倾斜地面的距离丈量 平量法 沿倾斜地面丈量距离，当地势起伏不大时，可将钢尺拉平丈量。 丈量由A点向B点进行，甲立于A点，指挥乙将尺拉在AB方向线上。 甲将尺的零端对准A点，乙将钢尺抬高，并且目估使钢尺水平，然后用垂球尖将尺段的末端投影到地面上，插上测钎。 若地面倾斜较大，将钢尺抬平有困难时，可将一个尺段分成几个小段来平量，如图中的ij段。,2.精密方法量距,2.精密方法量距：,精密量距时采取的措施： 1.用检定过的钢尺； 2.经纬仪定线； 3.钉尺段桩，逐段量测； 4.对钢尺施加固定拉力； 5.对量距结果加三项改正数：,尺长鉴定,钢尺长度方程式,钢是弹性体，在拉力作用下会变形（伸长）,简单的尺长鉴定,在平坦的地面（宜在室内，使两尺温度相同）把待检定的尺子与高精度的标准尺比较而求得k,l,lt,检定场：在平整的条形场地两端地面埋设两个稳定的标志，其间距比待检定钢尺长度n倍略短一些。高精度测量两标志的间距作为标准长度S标准。,设尺子的温度膨胀系数已知。用待检定的尺子（先假定k=0），在工作时的正常拉力下，测量检定场两标志的间距S。从而可得,钢尺尺长鉴定,尺号: 015,名义长度 : 30m,膨胀系数:0.012,距离测量的误差源,尺长误差 系统 温度的影响 部分系统，部分偶然 倾斜的影响 系统 拉力不准引起的误差 部分系统,部分偶然 尺子垂曲与反曲引起的误差 系统 定线误差 系统 读数误差 偶然,四、电磁波测距,1941年瑞典物理学家Bergstrand在研究光速时开发了高精度测量t的技术 1948年瑞典AGA厂推出了第一台光波测距仪 随着需求的增长和光学、微电子学的发展使电磁波测距的技术迅速发展。进一步推进了测量学的发展 尽管GPS应用很广，短程电磁波测距仪仍然大有用途,基本原理,依据测定时间的方法不同，光电测距有如下几种： 1、变频法 2、相位法 3、干涉法 4、脉冲法,电磁波测距仪的分类 1、按载波分,2、按测程分 短程 15km,（B 用 ppm表示 mm/km）,微波测距仪 激光测距仪 红外光测距仪,光电脉冲法测距,时间测定：1、脉冲计数测时 2、模拟数字测时（电容充电）,已知： 时标脉冲频率： f=15 Mhz 电磁波速度： v=310 8 m/s 时标脉冲个数： n=100 求：距离 D,D= 1/f nv / 2= 1000 米,脉冲测距举例,电磁波测距原理,按电磁波理论： 光是电磁横波，其数学表达式为 它表达了光波在转播空间任一位置上电磁振动的状态。 其中： 波动过程就是振动的相位沿波动方向移动的过程。,S,相位测量,要测量测距信号（U1）与参考信号（U2）之间的相位差 1）滤波：取出调制波（频率低）的信号 2）混频：把调制波信号与“本振”信号混合，经处理后可以得到频率更低（以便于更精确测量相位差），但相位依旧的差分信号,相位测量,3）把正弦波处理成方波 4）把U1和U2分别接在门电路的两个触发器上，U2负跳变时把与门打开，U1负跳变时把与门关闭。在门开启的这段时间内让计数脉冲通过，从而可以测得。,U2,U1,电磁波测距原理,设光从发射器发出，抵达反光镜后返回仪器的接收器，称为信号2。而从发射器发出的光分出一路直接进入处理装置，称为信号1。这两个信号之间存在相位差和整周数N。 利用相位器可测定，但而不能求得“整周数N”。 因此只可以求得“余长”，而不能求得整长。,电磁波测距原理,测距仪把一定波长的电磁波从A点射向B点，经B点的反光棱镜反射后由测距仪接收，射出与接收波之间的相位差可用微电子技术自动测量是电磁波在AB点之间往返时间的函数表达式。用它可以算得测距仪至反光镜之间斜距长度的“尾数”。用几个不同波长的电磁波调制波测量同一段距离可以既扩大测程又保持精度。,测程和精度,测相的精度是有限的。例如可以把细分1000倍，则测量的精度为测尺的1/1000。设 ，这时最小读数为cm。若要提高读数精度，就应缩短电子尺。但由于凭一个无法求得整尺段数N，即不知待测距离的大数。就是说：用短的电子尺测量精度高但测程小。如果用长的电子尺能扩大测程，但由于细分技术的限制，不能求得精确的尾数。即测程大但进度低。如果用两个频率的波（两个不同的电子尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。,数字拼接,用f1=150kHz， 测得距离986.4m 用f2=15MHz， 测得距离6.574m 两组数字拼接为986.574m,内光路,当内光路棱镜移到出光口时测量到内光路的“距离” 移开内光路棱镜后测量到外光路的“距离” 外光路“距离”减去内光路“距离”后才是需要测量的距离。 这是消除仪器系统误差的重要措施之一,加常数,测距仪的机械中心与调制波发射和接收的等效面不一致；测距仪的机械中心与内光路等效面不一致使仪器产生（与所测距离长短无关的）加常数。 加常数通过检定可以求得。,乘常数,电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。这就是乘常数。 乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，可以经检定求得。,与测程有关的因素,测程主要取决于接收光的强度能保证测相的精度。而接收光的强度与下述因素有关： 激光器的功率 激光发散角的大小 大气对光的吸收程度 反光镜的有效面积和其几何精度 接收镜筒的口径 接收光电元器件的灵敏度等,电磁波测距成果的处理,1）仪器常数改正 乘常数改正数 加常数改正数 2）气象改正 3）倾斜改正,倾斜的附加改正数,如果测距仪望远镜高度与经纬仪望远镜的高度不一致，则在视线倾斜时会产生附加改正数。因为这时测距仪的中心会偏离测站中心，而反光镜中心却多半不会作相同的偏离。 测距仪望远镜与经纬仪望远镜同轴的仪器没有这项改正数。,电磁波测距成果的处理,3）气象改正 电子尺长是光速的函数 而光速又是折射率的函数 空气的折射率首先与波长有关 物理学家测算得,3）气象改正,空气的折射率也与气象条件有关 仪器制造者根据仪器所用电磁波的波长并顾及一般工作时的参考温度及标准气压的湿度设定空气的折射率。 如果实际工作时的大气条件与此参考条件相同，就不加气象改正数。否则要相对于参考折射率加改正数。,倾斜的附加改正数,如果测距仪望远镜高度与经纬仪望远镜的高度不一致，则在视线倾斜时会产生附加改正数。因为这时测距仪的中心会偏离测站中心，而反光镜中心却多半不会作相同的偏离。 测距仪望远镜与经纬仪望远镜同轴的仪器没有这项改正数。,电子全站仪图,电子全站仪,棱 镜,全 站 仪,2-2 直线定向,一、直线定向概念 确定地面上两点之间的相对位置，仅知道两点之间的水平距离是不够的，还必须确定此直线与标准方向之间的水平夹角。 确定直线与标准方向之间的水平角度称为直线定向。,二、标准方向的种类 1.真子午线方向 地表任一点P与地球旋转轴所组成的平面与地球表面的交线称为P点的真子午线，真子午线在P点的切线方向称为P点的真子午线方向。 可以应用天文测量方法或者陀螺经纬仪来测定地表任一点的真子午线方向。,2.磁子午线方向 地表任一点与地球磁场南北极连线所组成的平面与地球表面交线称为点的磁子午线，磁子午线在点的切线方向称为点的磁子午线方向。 可以应用罗盘仪来测定，在点安置罗盘，磁针自由静止时其轴线所指的方向即为点的磁子午线方向。,3.坐标纵轴方向 过地表任一点且与其所在的高斯平面直角坐标系或者假定坐标系的坐标纵轴平行的直线称为点的坐标纵轴方向。 4.