《水平角观测》PPT课件.ppt

测量工程与装备系: 范 百 兴,2019年6月11日,水平角观测,本次课程主要内容,本次课程主要讲述以下四个方面的问题：,精密测角误差的影因素 分析影响观测精度的主要因素、产生原因、性质和规律 测角误差的减弱措施 提出消除或减弱观测误差的措施。 水平角观测方法 制定观测操作的基本规则、具体作业方法和作业限差。 水平角测量精度评定,外界条件 观测作业时的气象情况及作业地区的地理环境，其中所起作用最大的因素是太阳热辐射。 环境对目标成像质量的影响 决定成像质量的因素 目标成像质量是指目标影像的清晰、稳定程度。 是否清晰取决于大气的透明度，即大气中尘粒及水蒸气的含量。 是否稳定取决于视线所经过的大气层的密度结构变化情况,外界条件对水平角观测精度的影响,3.11 精密测角误差影响,环境对目标成像质量的影响 减弱措施 选点时要保证视线距地面有足够的高度。 选择有利的时间进行观测。 增大目标对背景的反差。,外界条件对水平角观测精度的影响,3.11 精密测角误差影响,水平折光差,大气的基本性质 地球周围的大气层在重力的作用下，空气分子形成上疏下密的垂直密度梯度。同时大气密度在水平方向上也不均匀，也就是说，同时存在着水平密度梯度。,3.11 精密测角误差影响,水平折光差的产生原因 观测时视准轴的方向和仪器中心与目标连线之间的夹角称为折光差。折光差在测站目标铅垂面内的分量称为垂直折光差；在测站水平面上的分量称为水平折光差。,3.11 精密测角误差影响,水平折光影响的规律, 不同性质的地物分界附近，往往有大气水平密度梯度。 视线方向与大气密度梯度方向愈接近垂直，折光影响愈大。 视线方向距离折光场的地形地物愈近，折光影响也愈大。 视线与形成水平折光的地貌地物平行的距离愈长,影响愈大。 测站愈接近形成折光场的地形地物，折光影响愈大 气象条件显著变化时，容易形成较大的折光 白天和黑夜水平折光的符号可能相反。,3.11 精密测角误差影响,水平折光影响的性质 某测站某个方向，在相同的观测时间和类似的气象条件下，折光影响符号相同、数值接近，属于系统误差。,3.11 精密测角误差影响,在大面积三角网中，由于各点所受水平折光影响的大 小、方向各不相同，对网中所有方向来讲，其影响具 有偶然误差的特性。 若锁网中有大的地貌地物，如大山脉、江河、沙漠等， 它们边缘的一系列视线就会含有同符号的系统误差， 并且累加。,水平折光的减弱措施,根据以上规律，提出减弱其影响的措施如下： 视线既要超越障碍物一定高度，也要旁离任何地貌地物一 定距离。避免与江河湖海、沙漠的边缘平行，避免通过高 大的建筑物、大工厂的侧方。 在水平折光影响严重的地区，应适当缩短边长，或变动点 位，或改变点间连接方向以避免选择影响严重的边。 观测时检查各观测方向是否超出和旁离觇标各部位一定的 距离。 气象条件变化显著时，应停止观测。,3.11 精密测角误差影响,一等水平角观测，一份成果的全部测回应大致分配在三个 时间段（上午、下午、夜间），每个角度的全部测回应 尽可能分配在不同的气象条件下完成（日夜各半）。二 等观测可以都在白天完成，但必须分配在上、下午进行。 在有利的观测时间内进行观测。影像微有颤动的情况下， 是有利时间。,3.11 精密测角误差影响,水平折光的减弱措施,水平折光的分类,局部性水平折光局部地区产生的水平折光。 一致性水平折光: 地球表面的重力以赤道最小、向两极增大;地球表面温度赤道最高,向两极降低。由此形成的大气密度梯度由赤道向两极逐渐增大,所以沿平行圈方向布设的测角边、锁将受到影响。这种水平折光就全球而言具有一致性,故称为一致性水平折光。 沿平行圈布设的很长的测角锁段,误差将连续积累,这是一项系统误差。 沿子午圈方向布设的锁段,由于它与密度梯度方向一致,将不会受到影响。 减弱措施：在锁段中布设有足够精度和密度的起始方位角加以控制。,3.11 精密测角误差影响,觇标内架及脚架扭转的影响 木标 原因:湿度、温度的变化。 规律: 以一昼夜为周期。 白天和夜间的扭转量大致相等。 不同觇标扭转的大小方向各异,同一觇标日扭转相似 主要由湿度变化引起。天气突变时,扭转可发生异常 脚架扭转情况和木标类似,3.11 精密测角误差影响,觇标内架及脚架扭转的影响,钢标 原因：温度的变化,构件之间的拉力不均匀。 规律： 仅在白天有剧烈扭转,最大12/分,一天可达12, 夜间几乎不扭转。 晴天扭转量大且不均匀,阴天较小。 不同觇标的扭转规律不全一致,同一觇标每天的扭 转情况大致相似。,3.11 精密测角误差影响,减弱觇标内架及脚架扭转影响的措施 选择适当的观测程序（上下半测回照准目标次序相反）。 仪器安装偏扭观察镜,进行读数改正。 选择扭转不剧烈的有利时间观测。 仪器脚架应存放在干燥阴凉的地方,避免雨淋和曝晒。 改进觇标结构,提高造标质量。,3.11 精密测角误差影响,照准目标的相位差,相位差的规律 相位差的大小与太阳的方位有关。 同一时间相位差的大小与目标的大小、距离、方位有关。 目标的颜色、形状和背景也有一定影响。,3.11 精密测角误差影响,相位差定义 望远镜照准线偏离圆筒中心轴线的角距。 相位差产生原因 当背景是较暗的地物时,容易偏向亮的一侧。当背景是明朗的天空时,容易偏向暗的一侧。,相位差的性质: 相位差对水平观测值的影响属系统误差。 减弱影响的措施: 采用反射光线较少的微相位差圆筒。 上午、下午各测半数测回。 观测时，要尽可能地分辨出圆筒的整个轮廓进行照准。,3.11 精密测角误差影响,照准目标的相位差,视准轴受温度变化的影响,3.11 精密测角误差影响,视准轴变化的原因 观测中，由于外界气温的变化，视准轴也会随之变化，使观测精度受到影响，通常称之为视准轴受温度变化的影响。 视准轴变化的分类 由测站周围气温的变化使仪器“全面受热”的影响； 热辐射和冷空气固定在测站一侧使仪器“单面受热” 的影响 视准轴变化的性质和规律 随温度变化的系统误差。 正、倒镜位置，视准轴变动的方向相同。,减弱影响的措施 缩短一测回的观测时间。 采用“上、下半测回观测目标次序相反”的观测程序。 观测过程中必须打伞，使仪器不受阳光曝晒。 通常 Li-Ri180o 可反映它们的影响。 综合环境影响包括： (1) 二倍视准差的影响 (2) 二倍水平轴倾斜的影响 (3) 觇标内架或仪器脚架扭转的影响 (4) 视准轴单面受热变化的影响,3.11 精密测角误差影响,视准轴受温度变化的影响,综合对仪器误差的讨论，及对外界条件影响的分析，为最大限度的减弱或消除各种观测误差的影响，提高水平角测量精度，总结成水平角观测基本规则： 在通视良好、成像清晰稳定时进行观测。一、二等观测 应遵守规范中时间段的规定。（提高观测照准目标的精 度） 观测前调好焦距，消除视差。观测中不得在一测回内调 焦。（目标成像质量的影响，视差）,水平角观测的基本规则,3.12 水平角方向观测法, 各测回起始方向应均匀分配在度盘和测微器的不同位置上。（度盘分划长、短周期误差，测微器分划误差） 在上下半测回之间纵转望远镜，计算盘左、盘右读数之差 以获得二倍视准轴误差。（视准轴误差，水平轴倾斜误差等） 上、下半测回照准目标的次序相反，并保持照准每一目标的操作时间大致相同。（觇标内架和脚架扭转的影响，视准轴单面受热的影响）,3.12 水平角方向观测法,水平角观测的基本规则, 每半测回观测前,照准部应按将要观测的方向先旋转12 周;在半测回过程中，照准部不得反旋,如视准轴旋过目标, 应多旋一周。（度盘带动、空隙带动误差） 测微螺旋和微动螺旋最后操作一律按压紧弹簧的方向转动。 （微动螺旋的隙动差） 观测中应保持视准部水准气泡居中，如超出规定的最大偏 移量，应停止观测，重新整置仪器后再进行观测。测回间 要经常整置仪器，使垂直轴与铅垂线一致。（垂直轴倾斜 误差）,水平角观测的基本规则,3.12 水平角方向观测法,观测方法 定义：在每一测回中把测站上所有待测方向逐一观测，以测得各方向的方向值。,基于方向法而在每半测回的末尾再观测一次零方向A（称为归零），由于每半个测回末尾都“闭合”到起始方向，称为全圆方向法。闭合到起始方向的目的在于检查半测回过程中仪器座架有无变化。 方向观测法和全圆方向法基本上是一种方法，可统称为方向法。,方向法和全圆方向法,3.12 水平角方向观测法,方向法的使用条件 观测方向数大于3时，采用全圆方向法，等于3时，用方向法（不归零） 方向法主要应用于三、四等三角测量，通视良好时，可用于二等测量，一般不用于一等测量。 零方向的选择 要选择边长适中、通视条件良好、目标成像清晰的方向 度盘位置 首先根据规范中规定的测回数m,按相应公式编制出各测回零方向的度盘位置和测微器位置表。然后在上半测回对好零方向的度盘、测微器位置,照准部顺转12周,再重新照准并读数;下半测回纵转望远镜后,要先逆转12周,再重新照准目标并读数。,3.12 水平角方向观测法,测回数表和度盘位置计算,3.12 水平角方向观测法,为保证角度测量的精度和可靠性，测量规范对测回数有严格的规定，具体如下表：,测回数表和度盘位置计算,为削弱度盘分划误差并提高数据的可靠性，每测回应该配置度盘位置，计算公式为：,3.12 水平角方向观测法,必须认识配置度盘的实质！,方向法的优缺点,方向法优点 程序简单有规律,一测回中便可计算所有角。 测站平差简单,取中数即可。 是一组完全方向组,使三角网整体平差简捷。 方向法缺点 一测回观测时间长,与时间成正比的误差影响大 。 要求所有方向都看清,边长过长时较困难。 但如果放弃某方向再补测,便成为不完全方向组,二等观测 不允许补测单角。,3.12 水平角方向观测法,观测手簿的记录和计算,观测要求 观测过程中，记簿者要及时记录观测者报读的各项内容，并迅速完成可以完成的各项计算，及时地检查成果是否合格 特别强调：认真细致、字体清楚、注记明确、整饰及时、清洁美观、格式统一。,3.12 水平角方向观测法,读数与计算,照准每一个方向一次，用测微器两次重合读数，立即检查 两次读数之差是否合限，合限便取其中数作为该方向的读数。 每半测回结束后，检查归零差是否合限。 进行下半测回观测中，随时计算出各方向盘左、盘右的读 数之差，记入（2C）栏中，并检查是否合限。然后计算出 盘左、盘右读数的中数，计算两个零方向的中数平均值， 均填入相应栏中。 最后，将零方向的方向值化为零，并算出其它方向相应的 方向值，记入（方向值）栏中。该栏为该测回的观测成果。,3.12 水平角方向观测法,3.12 水平角方向观测法,方向法观测限差表 单位：”,观测限差的制定,3.12 水平角方向观测法,3.12 水平角方向观测法,观测作业的限差是检核和保证测角成果精度的重要指标。观测工作的精度和速度与限差规定相关。制定限差的具体步骤: 建立检核项目的数学关系式 以L、R分别表示盘左、盘右的观测值，其下标i、j则表示方向编号。那么: 一测回2c互差=(Li-Ri)-(Lj-Rj),制定限差的重要性, 由误差传播定律写出中误差关系式,确定基本观测量的中误差 一种仪器的基本观测值中误差必须用多台同类仪器在各种野外条件下进行大量的实验才能确定。 我国制定规范时，是根据大量的野外观测成果，将各点的测站平差中得到的值，取权中数作为选定值。其值如下： J07型仪器： 2 = 1.1 J1 型仪器： 2 = 1.2 J2 型仪器： 2 = 2.2 确定限差的偶然误差部分 通常取二倍或三倍中误差值作为偶然误差出现的界限，即限差：限 = 2m 或 限 = 3m 对于2C互差的限差取其中误差的2倍:2C限差 = 4 方,3.12 水平角方向观测法,考虑限差的系统误差部分 对于2C互差，它包含二倍视准轴误差的影响、二倍水平轴倾斜误差的影响、觇标内架和仪器脚架扭转的影响、视准轴单面受热变化的影响。用解析式来表示为： 因为测站各个目标的高度有所不同，即i j ，那么一测回中2C互差也是不同的，规定限差时应考虑到这一影响。,3.12 水平角方向观测法,考虑限差的系统误差部分 J1仪器i、C 10；J2仪器i、C 15。取iC 15 。则四项系统误差的影响大约为：,3.12 水平角方向观测法,确定实际限差值 将偶然误差部分与系统误差合并起来，即可得到实际限差值。 例如2C互差实际限差的计算： 先将基本观测量的中误差 方的值代 入2C互差 = 4 方，得到偶然误差部分的限差，然后与系统误差影响部分（23.8）相加，便得到实际限差值。,成果超限的一般原因 照准目标两次，两次读数之差超限 超限的主要原因是照准误差,其次是读数误差。具体原因可能是： 目标成像质量不佳； 照准目标时的操作不合要求。 如存在较大视差,从而引起照准误差;使用水平微动螺旋作最后照准时没有保持旋进照准,带入较大的隙动差;照准不果断,时间拖长,致使视觉疲劳而不能精确照准。 读数窗的分划像没调好,或重合读数时测微螺旋没有旋进重合,从而产生较大的读数误差。,成果超限的分析和处理,3.12 水平角方向观测法,归零差超限 超限的原因有： 零方向选择不当。 视差较大，照准不精确。 觇标内架或仪器脚架产生较大的扭转。 半测回的观测时间过长,受外界条件影响较大。 2C互差超限、上下半测回角值差超限 超限的原因有： 觇标内架或仪器脚架扭转大并且不规则。 水平轴倾斜误差影响.如:某方向2C值明显异常. 违反操作规则.如:照准部旋转、微动螺旋使用等 某方向目标成像质量不佳。,3.12 水平角方向观测法,测回互差超限 超限原因： 度盘分划误差较大 垂直倾斜误差较大 水平折光的影响 相位差影响。 直接角、间接角超限 主要原因： 个别方向存在较大的水平折光或相位差，使有关该方向的角度的各测回值都测大或测小而引起的。,3.12 水平角方向观测法,3.12 水平角方向观测法,超限成果的选择和处理 处理原则 规范规定：“因测回互差超限而重测时，除明显孤值外，原则上应当重测成果中最大和最小的测值。” 孤值的概念 同一方向或角度的全部观测结果中，明显孤立于其它测回的观测值称为孤值。,若有三、四个测回的值超过上界限，而另外的三、四个测回的值又小于下界限，则称之为“分群”，“分群”成果需要重测的总测回数往往超过规范限定的数量，因而整个成果的全部测回都要作废，而重新从头观测。,3.12 水平角方向观测法,判定重测方向的方法,将同一方向或角度的全部测回的观测值取中数： 作为上界限，取 作为下界限,在界限之外的观测值就为需要重测的对象。但是重测总数不得超过规范规定的数量。,以三角锁、网三角形闭合差 W 为元素，按菲列罗公式：,3.12 水平角方向观测法,水平角观测结果的精度,两种测角中误差m站与m菲 以测站平差值和观测值之差 v 为元素，求出的测站平差值的测角中误差m站。,m站与m菲的区别 m站与m菲都是标志水平角观测精度的测角中误差，然而 它们却有重要区别。 m站是仅仅根据一个测站上的观测结果求出的,它只表达了 测站观测结果的内部符合程度。所以，m站往往不能如实 地表达测站观测结果的实际精度。 m菲 是用三角形闭合差计算出来的，计算时用到了很多个 测站的观测值，计算公式也是严格的。所以一致公认m菲 为能较全面反映测角的实际精度，是目前衡量测角精度最 可靠的方法。,3.12 水平角方向观测法,m站与m菲的关系 由上面的讨论可以知道，m菲既包含了m站 所代表的那一部分误差，又包含了另外一部分主要是由外界条件影响所造成的误差。设后一部分误差的中误差为m外，则： 根据国内外大量实践资料的统计表明， m站与m菲之间存在一定的比值关系。 m站 0.5m菲 m外 0.87m菲 m外 1.78 m站,3.12 水平角方向观测法,关于水平角观测精度的结论 实际测角精度是由两部分决定的，即m站与m外。 m站只反映了测站观测误差，其中包括仪器误差和操作误差。 m外则主要是反映了某些外界条件引起的误差。 在当前仪器和作业方法的情况下测角误差主要部分是m外。 m菲能反映测角的实际精度，而m站仅代表测站本身观测精度。 在三角网的设计中，使用的测角精度指标是m菲。 在设计测站观测测回数和制定各项观测限差时，必须以m站 为计算依据。,3.12 水平角方向观测法,全站仪/经纬仪测角精度和控制网测角精度.,重测、补测与重测数计算 重测一般在基本测回(即规定的全部测回)完成以后。 因对错度盘、测错方向、读错记错、碰动仪器、气泡偏 离过大、上半测回归零差超限等原因未测完的测回可以 立即重测,作补测,并且不计重测数。 一测回中2C互差超限,或化归同一起始方向后,同一方向 各测回互差超限时,应重测超限方向并联测零方向(零方 向的度盘位置与原测回同)。因测回互差超限时,除明显 值外,原则上应重测观测值中最大、最小者。 一测回中超限的方向数大于测站上方向总数的1/3时 (包括观测3个方向时,有一个方向重测),应重测整个测回。,3.12 水平角方向观测法,重测、补测与重测数计算 若零方向的2C互差超限或下半测回的归零差超限，应 重测全部测回。 在一个测站上,重测方向测回数超过测站上方向测回总 数的1/3时，需要重测全部测回。 测站上方向测回总数=(n-1)m。式中,m为基本测回数,n为测站上的观测方向总数。 重测方向测回数的计算方法是：在基本测回观测结果中，重测1个方向，算作1个重测方向测回数；一个测回中有2个方向重测，算作2个重测方向测回；因零方向超限而全测回重测，算作(n-1)个重测方向测回数。,3.12 水平角方向观测法,测站平差,测站平差目的 根据测站点的观测成果求出各个方向的最或然值(测站平差值)；计算这些观测值一测回方向值的中误差 和m个测回平差值的方向中误差 M方 。,3.12 水平角方向观测法,求测站平差方向值,一测回观测方向值的中误差,各观测方向的改正数 平差观测值与其观测方向值之差。,3.12 水平角方向观测法,精度估算公式,m个测回方向值中数的中误差 由公式： ,得：,m个测回方向值中数的权 取一测回方向值的权P方为1，则m个测回方向值中数的权为： P方=m 取一测回角值的权P =1，角值是两个方向值之差，而方向值等权，由权的传播定律，m个测回方向值中数的权为：,3.12 水平角方向观测法,角度的中误差和权 各个角度值等于组成该角的两个方向之差。因为平差后的方向值是相互独立的，且中误差均为M方，则角度的中误差为： 角度的权为：,3.12 水平角方向观测法,等权完全方向组的概念,3.12 水平角方向观测法,三角网的平差条件 对三角网来讲,其平差条件有两部分：一是测站条件,二是锁网几何条件。最严格的平差方法是两部分条件结合起来进行整体平差。 分步平差的充要条件 为了保证全国性高级三角锁网平差的严格性和简便性,测站平差方向值必须是独立的、等权的。 等权完全方向组 等权完全方向组就是具有相同的、唯一确定权的测站平差方向组。显然，它可以满足上述的独立、等权的条件。,不归零的方向法 经过测站平差得到的平差值仍旧保持着独立等权这一特征，因而是个等权完全方向组。 严格的讲，如果有的测回某些方向不合格或漏掉，虽经过重测或补测，其测站平差方向值就不是等权完全方向组了。对于三、四等水平角观测而言，上述“不严格”可忽略。 全圆方向法（三、四等水平角观测） 因一测回内对零方向测了两次，所以是不等权的。因而用全圆方向法取得的测站平差结果是不等权完全方向组。对于三、四等水平角观测而言，上述“不严格”可忽略。,3.12 水平角方向观测法,分组方向观测,3.13 水平角分组方向观测,方向分组原则 一般是将成像情况大致相同的目标放在一起，并使每组的方向数大体相等。 不论分为两组还是三组，其中一组必须与其它组各联测两个共同的方向，其中最好是零方向。 例如： 第一组：1， 3，4， 6，7； 第二组：1，2， 4， 8； 第三组：1， 5， 7， 9。,3.13 水平角分组方向观测,联测角的检核 设两组间联测的两个方向为i，j,第一组的联测角为:=(j-i),第二组的联测角为:=(j-i)。 和 的测角中误差为 M 和 M ，根据误差传播定律得联测角中误差： 取二倍中误差为限差,则两组联测角之差的限差为： 如果两组为同级观测，则： ，即： （规范上规定为2m） 式中： 二等： 三等：,3.13 水平角分组方向观测,分组观测的测站平差 分组测站平差方法 各组测站平差后，进行联合平差，以消除组间联测方向差异。 组成条件方程与法方程并答解，得到联测方向平差值。 归算至同一零方向的方向值。,3.13 水平角分组方向观测,分组测站平差模型 联测方向条件方程： 法方程： 联测方向: 平差值为：,联测角和固定角平差 联测角 高等点设站或重复设站,均联测两个已知方向用以检核。 化至同一中心新旧联测角之差： 其中：m新、 m旧为新旧成果等级测角中误差。 若超限,旧点为高等或同等,须检测或更换方向重测,仍超 限,报告上级技术管理部门处理。 若超限,旧点为低等或问题点,须报告并在技术总结中注记。,3.13 水平角分组方向观测,固定角平差 两高等方向间的夹角为固定角。 低等方向夹角应与其强制符合 固定角条件方程： 法方程： 固定角方向平差值：,T1,T0,T3,T4,T0,T1,T0,T2,T5,T0,固定角,3.13 水平角分组方向观测,3.15 归心改正,概念 仪器中心、照准圆筒（或回光）中心、标石中心 仪器偏心，目标偏心 归心改正 归心元素 归心投影 测站归心改正、照准点归心改正,B：三角点标石中心 Y：仪器中心 T：照准圆筒,3.15 归心改正,测站归心改正 因仪器中心与测站标石中心不一致对所观测的方向加的改正。,进一步可得到：,图中MBT=MYT+ c，则在三角形BYT中，利用正弦定理即可得到：,3.15 归心改正,照准点归心改正： 因照准标志中心