工程测量、全站仪技术-卢玉春.doc

第一章 工程测量概述11 测量工作的任务及其作用一测量学的概念：研究测定地面点的平面位置及高程，将地球表面的地貌及其地物测绘成图，并将工程设计到地面定位的科学。研究对象：地球的形状、大小和地表面上各种物体的几何形状及空间位置。 测定地面点位 点位坐标 测设 二测量学的任务：测定、测设 三测量学的分类（按研究对象、研究任务和采用方法）1大地测量学：研究地球的形状与大小及其重力场的科学。研究对象：地表上一个较大的区域甚至整个地球，必须考虑地球的曲率。基本任务：建立国家大地控制网，测定地球的形状、大小和研究地球的重力场理论、技术和方法。大地控制网是为研究地球有关的各种科学服务的，并且是施测地形图的重要依据。2地形测量学：研究小地区地表各类地物形状和大小的科学。研究对象：地球自然表面上一个区域，由于地球半径很大，可以把这块球面当作平面看待而不考虑其曲率。基本任务：测绘地表面各类物体形状和大小。3摄影测量学：利用摄影象片来研究地表形状与大小的科学。其任务与地形测量学相同，只是采用的方法不同。4工程测量学：研究解决工程在勘测设计、施工放样、运营管理过程中各种测绘问题的科学。研究对象：工程中建设的测绘工作。基本任务：把地面上的情况描绘到图纸上，把图纸上设计的建筑物桩定到地面上，以及为建筑物施工过程中和竣工后所产生的各种变化而进行的变形观测。四测量学的作用利用和改造自然，为国民经济和图防建设服务。12 地面点位的确定一 地球的形状和大小大地体：把地球总的形状看成是被海水包围的球体，也就是设想有一个静止的海水面，向陆地延伸而形成的一个封闭曲面，由于海水有潮汐，取平均的海水面作为地球形状和大小的标准，它所包围的形体称为大地体。水准面：设想有一个静止的海水面，向陆地延伸而形成的一个封闭曲面。大地水准面：与平均海水面相吻合的水准面，是一个复杂的不规则曲面。由于地球的吸引力的大小与地球内部的质量有关，地球内部的质量分布又不均匀，这引起地面上各点的铅垂线方向产生不规则的变化，因而水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面。特点：假想的；不规则且无法用数学式表示；有无数个；水准面上任一点的切面与该点的铅垂线方向垂直。铅垂线：重力的方向线，垂直指向地心。旋转椭球：大地体与一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状十分近似，而旋转椭球可以用数学式表示，所以测绘工作便取大小与大地体很接近的旋转椭球作为地球的参考形状和大小。这个与大地体很相近的球体称为旋转椭球，也叫参考椭球。旋转椭球面：旋转椭球的表面。若对参考椭球面的数学式加入地球重力异常变化参数的改正，便可得到大地水准面的较为近似的数学式。这样，从严格意义上讲，测绘工作是取参考椭球面为测量的基准面，但在实际工作中仍取大地水准面作为测量的基准面。当对测量成果的要求不十分严格时，不必改正到参考椭球面上。另一方面，实际工作中又可以十分容易地得到水准面的铅垂线，所以用大地水准面作为测量的基准面便大大简化了操作和计算工作，因而水准面和铅垂线便成为实际测绘工作的基准面和基准线。椭球元素：决定旋转椭球的长半轴、短半轴及扁率。, , 由于地球椭球的扁率很小，当测区不大时，可将地球当作圆球。二 地面点位的确定1地面点的坐标测量工作的基本任务是确定地面点的空间位置，通常是确定地面点在球面或平面上的投影位置，以及地面点到大地水准面的铅垂距离，也就是确定地面点的空间位置的坐标和高程。地面点的坐标可根据不同的用途，可在地理坐标、高斯平面坐标、平面直角坐标中选用。地理坐标：在大区域内地面点的位置，以球面坐标系统来表示。用经度和纬度来表示地面点在球面上的位置称为地理坐标。地理坐标又因采用的基准面、基准线及测量计算坐标方法的不同面分为天文地理坐标和大地地理坐标。天文地理坐标（天文坐标）：用天文经度和天文纬度表示地面点在大地水准面上的位置。子午面：过地面上任一点的铅垂线与地轴组成的平面。子午线（经线）：子午面与球面的交线。首子午面：过英国格林威治天文台的子午面。首子午线：过英国格林威治天文台的子午线。经度：过某点的子午面与首子午线所组成的两面角，自首子午面向东或向西计算，数值为。在首子午面以东为东经，在首子午面以西为西经，同一子午面线上各点的经度相同。纬线：垂直于地轴的平面与地球表面的交线。赤道：垂直于地轴并通过地心O与地球表面相交的纬线。纬度：以某点的铅垂线与赤道平面之间的夹角，自赤道起向南或向北计算，数值为。大地地理坐标（大地坐标）：用大地经度L和大地经度B表示地面点在旋转椭球面上的位置。大地经、纬度是根据大地原点的起算数据再按大地测量得的数据推算面得。我国现采用陕西省泾阳县境内的国家大地原点为起算点，由此建立新的统一坐标系，称为1980年国家大地坐标系。高斯平面直角坐标地图投影：将旋转椭球面上的点位换算到平面上称地图投影。高斯投影：设想将截面为椭圆的一个圆柱面横套在旋转椭球外面，并与旋转椭球面上某一条子午线相切，同时使圆柱的轴位于赤道面内，且通过椭球中心，相切的子午线称为高斯投影面上的中央子午线。将旋转椭球面上的点投影到横圆柱面上，将圆柱面剪开，展成平面，此平面为高斯投影平面。在高斯投影平面上，中央子午线投影的长度不变，其余子午线其长度大于投影前的长度，离中央子午线愈远长度变形愈大。为使长度变形不大于测量的精度范围，高斯投影的方法从首子午线起每隔经差为一带，自西向东将整个地球分成60个带，各带的带号N用阿拉伯数字表示。在高斯平面直角坐标系中，以每一带的中央子午线的投影为直角坐标的纵横X，向北为正，向南为负；以赤道的投影为直角坐标的横轴Y，向东为正，向西为负。为了避免负值，将每一带的坐标原点现西移500。则每一点的横坐标均为正值。为了根据横坐标值能确定某一点位于哪一个带内，一般在横坐标前冠以带号。如表示A点位于第20带。平面直角坐标当测区的范围较小时，可把测区的球面当平面看待，用平面直角坐标来确定点位。测量上用的平面直角坐标与数学上的基本相似，但坐标轴互换，象限顺序相反。测量上取南北线为标准方向，顺时针方向量度，这样便于将三角公式应用到测量计算。2地面点的高程绝对高程（海拔）：地面点到大地水准面的铅垂距离。假定高程（相对高程）：地面点到假定高程基准面的铅垂距离。高差：地面上两点高程之差，。三 确定地面点位的三个基本要素在实际工作中，确定地面点位时，往往不是直接测出它们的坐标和高程，而是先测出水平角、水平距离，以及点之间的高差，然后再据此推算地面点的坐标和高程。由此可见，距离、角度和高差是测定地面点位的基本要素。13 用平面代替水准面的限度在普通测量中是将大地水准面当圆球（参考椭球体）看的，若将地面点投影到圆球上，然后再投影到平面的图纸上就很复杂。在实际工作中，在一定的测量精度和测区面积不大的情况下，往往用水平面代替水准面。一 地球曲率对水平距离的影响设DAE为水平面，AB为其上的一段圆弧，长度为S，其所对应的圆心角为，地球半径为R，另在A点作切线AC，如果将切于A点的水平面代替水准面，即以相应的切线段AC代替圆弧AB，则距离上产生的误差，由图得：,其中：，则：因角值很小，故略去五次方以上各项，并以代入有：，当时，；当时，；当时，；由此可见：当在半径为的圆面积内进行长度的测量工作时可以不必考虑地球曲率。（现在最精确距离丈量时的容许误差为其长度的）。二 地球曲率对高差的影响见上图有：，,即有，当时，；当时，从上述计算表明：地球曲率的影响对高差而言，即使在很短的距离内也必须加以考虑。14 地形图的认识地形图：将地物和地貌经过综合取舍，按比例缩小后用规定的符号和一定的表示方法描绘在图纸上的正形投影图。正形投影（等角投影）：将地面点沿铅垂线投影到投影面上并使投影前后图形的角度保持不变。一 地形图的内容地物：地面上各种固定性的物体。地貌：自然形成的高山、陡坎、深谷、悬崖峭壁及雨裂冲沟等。二 图的比例尺图的比例尺：图上某直线的长度与地面上相应线段实际的水平长度之比。常用分子为一的分数形式表示，即数字比例尺。图示比例尺（直线比例尺）：在一段直线上截取若干相等的线段，一般为1cm或2cm，称为比例尺的基本单位，再将在端的一个基本单位分成10个或20个等分，并标明图上基本单位所代表的实地距离。它可以减小或消除因图纸伸缩变形面产生的误差影响。比例尺精度：在测量工作中称相当于图上的实地水平距离为比例尺精度。其意义：按工作需要，多大的地物须在图上表示出来或测量地物要求精确到什么程度，由此可参考决定测图的比例尺；当测图比例尺已决定之后，可以推算出测量地物时应精确的程度。15 测图原理与测量工作概述一测图原理地形图上各点是实地上相应点在水平面上正射投影的位置再用测图的比例尺缩绘在纸上的，由此得出测量工作中测定点与点之间关系的三条规则：1测定地面上两点之间的距离是指水平距离。2测定两条边之间的夹角是指通过角顶的两条边所作两个竖直平面与水平面的交线所构成的角，测量上称为水平角。3地面上各点的高差，是指各点沿铅垂线方向至大地水准面的距离之差，即高差之差。二测量工作概述1控制测量的概念在地面上从事测图工作时，需要测定很多碎部点和平面位置和高程。由于任何一种测量工作都会产生误差，所以每次测量时都必须采取一定的程序和方法，以防止误差的积累。假如从一个碎部点开始，逐点进行施测，虽能达到目的，但可能达不可容许的程度。在实际测量工作中是遵循“从整体到局部”、“先控制后碎部”的程序，即在测区内先选择一些有控制意义的点子，首先把它们的平面位置和高程精确地测定出来，再根据它们测定其他地面点。这些有控制意义的点称为控制点。整个测量工作分为建立控制网和以控制网为基础的碎部测量两部分。碎部测量的精度低，但每个碎部点的位置都是从控制点测定的，故在一定的观测条件下，各个碎部点能保证它应有的精度。对于全国性测量工作，由于幅员广阔，必须采取分等布置控制的办法，才能达到既符合精度要求而又合乎经济原则。国家基本控制按精度不同，一般分为一、二、三、四等。由高级向低级逐步建立。这些大地点是测图的必要依据。国家基本高程控制是用水准测量方法建立的，也分成一、二、三、四等。2碎部测量简介碎部测量就是遵循“从整体到局部”“先控制后碎部”的程序，根据邻近控制点来确定碎部对于控制点的关系。地物测量：只为获得地面物体水平投影的位置的这种测量。地形测量：既要获得地面物体的水平投影位置又要获得其高程的这种测量。三施工放样的基本方法31 距离放样：在实地上已知直线的一个端点及直线的方向，根据设计的水平距离标定直线的另一个端点的位置，称为距离放样。直接放样法：端点改正法：32 角度放样：根据地面已知的一条直线方向，在直线的一个端点架设仪器，定出给定的水平角的另一条直线的方向。直接测设法：（精度要求不高时） 在A点架设仪器，对中、整平； 经纬仪处于盘左位置，照准B点，归零； 顺时针方向转动照准部，使水平角读数为放样角值时，水平制动，沿视线方向定出P； 以仪器盘右位置，用同样方法定出P； 在PP连线中点上定出点P，则BAP为放样角值。精确测设法：（精度要求较高时） 根据设计角值，用直接测设法测出P点； 用测回法对BAP进行观测，取各测回平均值，计算出=-； 丈量AP的距离S，计算P点的横向改正数，S=/S（=206 265）； 过P点沿垂直于AP的方向上量取S，得到P点的正确位置。注意，当为正时，应向BAP内改正；反之，应向外改正。33 高程放样：将设计的高程点标定于实地上，一般采用水准测量的方法。已知水准点A的高程为Ha，需要放样点P的设计高程为Hp。先将水准仪安置在AP之间，在已知点A上立尺，仪器整平后读取A点的尺读数为a，此时仪器视线高为： Hi=Ha+a要放样P点的高程为Hp，则在P点上立尺读数应为： b=Hi-Hp=（Ha+a）- Hp将水准尺靠在P点上，上下移动，当水准仪读数为b 时，水准尺底部就是所需的P点高程。当要放样的高程点与已知水准点的高差很大时，用悬挂钢尺的方法进行放样。如图（钢尺零点朝下），坑上水准仪视线为Ha+a，坑下水准仪视线为Ha+a-（c-d），则放样点B的读数应为：b= Ha+a-（c-d）-Hb 用同种方法放样高程Hb。34 坡度的测设方法由水平距离和坡度计算出高程值，用水准测量的方法放样高程点。步骤如下： 根据A点设计高程，设计坡度，以及水平距离计算出B点设计高程： HB=HA - iD (i为设计坡度；D为AB间水平距离) 根据附近的水准点将A、B两点的设计高程用高程放样的方法标定在桩上； 在A点架设仪器，量取仪器高L。在B点立尺，调动微倾螺旋，使尺读数为L；则得到与设计坡度平行的放样线； 分别在AB中线上其它各点立尺，读数为L时，尺底部位置就是放样坡度的位置。当坡度较大时，可采用经纬仪放样坡度。3.5 放样点位的基本方法1 极坐标法以两个控制点的连线作为极轴，以其中一点作为极点建立极坐标系，计算出放样点到极点的距离S及该放样点与极点连线方向和极轴的夹角，根据此放样数据进行放样。如图，1、2号为已知的控制点，3号为待放样点。则： tg12= Y2Y1/ X2 X1 tg13= Y3Y1/ X3 X1因为： 213=1312点1到点3的距离为： S=（X3X1）+（Y3Y1）极坐标法适用于放样点离控制点较近（一般不超过100m）而便于量距的地方（全站仪采用极坐标法放样，且不受量距限制）。2 直角坐标法根据一条与坐标轴平行的控制线进行放样：先沿着控制线量取放样点的横坐标，然后在该点沿垂直于控制线的方向量取放样点的纵坐标。直角坐标法适用于靠近矩形控制网并便于量距的建筑场地。3 方向线交会法利用两条互相垂直的方向线相交来定出放样点。如图，放样桩子K位于112线上，在竖轴方向位于J线与辅线之间，且距辅线18m。放样时，先从辅线向J线方向上量取18m得到A、B两点。在A（B）上架设仪器，得到方向线AB。沿此方向线在K的挖土范围之外设立a、b两点，再在112线上设立c、d两点，有了a、b、c、d四个点，拉线就可以标定K的位置。4 正倒镜投点法无论是采用直角坐标法、方向线交会法还是轴线交会法，首先都必须先建立方向线。在建立方向线时，如果两控制点间不通视，或控制点上无法架设仪器，可采用正倒镜投点法确定方向线。将仪器架设在已知控制点的连线上，利用相似三角形的原理找出仪器偏离已知方向线的距离，然后将仪器移至已知方向线上。当找不到与A、B都通视的测站点时，如左图：AB为已知方向线，O为仪器首次安置位置。盘左位置后视A点，倒转望远镜，找到B1点；盘右位置找到B2；则B1 B2连线中点位置为B；AOB在一直线上。AB长度已知，AOAO，则有：OO=AO/AB BB ，将仪器由O点向方向线AB移动OO，即可确定该方向线。当可以找到与A、B都通视的测站点时，如右图：已知AOAO=a，BOBO=b，这时只需在O点安置仪器，测取角值 r，即可计算出偏距c： c=ab/a+b 1/ (r-180) 5 前方交会法放样元素（即交会角度或方向）根据待定点的设计坐标和控制点的坐标反算求得。如图所示： ab=arctg Yb-Ya/Xb-Xaap=arctg Yp-Ya/Xp-Xaba=arctg Ya-Yb/ Xa-Xbbp=arctg Yp-Yb/ Xp-Xb则有： 1=ab ap 2=bp ba为了提高放样点位的精度，常采用三方向（或多方向）交会，由于误差影响，在交会点处三方向将不能交于一点而出现示误三角形，此时根据放样要求取三角形的重心或是将一个角点投影到对应边上以垂足作为最后点位。此法多用于桥梁施工测量中桥墩的放样。6 后方交会法（全站仪自由设站法）：XOY为施工坐标系；I为控制点；P为自由设站点；XPY是以P为原点，以仪器度盘零方向为X轴的局部坐标系。当在P点上观测了到I点的距离Si和水平角i后，得到I点在局部坐标系中的坐标为： Xi=Sicos i Y i=Sisini利用坐标转换公式，得到： Xi=Xp+c Xi-d Y i Y i=Yp+d Xi-c Y i式中c=kcos o；d=ksino；K为局部坐标的边长缩放系数。由公式可知，其中有4个未知数，求解至少需要4个方程，即要观测至少2个已知的控制点。所以，只要在便于架设仪器的任意地方安置仪器，观测2个或2个以上的已知控制点，就可以计算出测站点的坐标，从而放样其它的细部点。第二章 全站仪测量技术一 全站仪概述1.1 全站仪概述电子全站仪是一种可以同时进行角度测量(水平角和垂直角)和距离(斜距、平距、高差)测量，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只要一次安置仪器便可以完成在该测站上所有的测量工作，故被称为全站仪。开始时，是将电子经纬仪与光电测距仪装置在一起，并可以拆卸，分离成经纬仪和测距仪两部分，称为积木式全站仪（半站仪）。后来将光电测距仪的光波发射接收装置系统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪，并且配置了电子计算机的中央处理单元、储存单元和输入输出设备，能根据外业观测数据(角度、距离)，实时计算并显示出所需要的测量成果：点与点之间的方位角、平距、高差或点的三维坐标等等。通过输入输出设备，可以与计算机交互通讯，使测量数据直接进行计算机，进行计算、编辑和绘图。测量作业所需要的已知数据也可以从计算机输入全站仪。这样，不仅使测量的外业工作高效化，而且可以实现整个测量作业的高度自动化。目前，全站仪已广泛用于控制测量、数字测图、施工放样、变形观测等各个方面的测量工作中。1.2 全站仪的结构全站仪主要包括以下几个部分：电源：供给其他各部分电源，包括望远镜十字丝和显示屏的照明。测角部分：相当于电子经纬仪，可以测定水平角、竖直角和设置方位角。测距部分：相当于光电测距仪，一般分为电磁波测距和红外激光测距两种，测定到目标点的斜距，可归算为平距和高差。中央处理单元：接受输入指令，分配各种观测作业，进行测量数据的运算，如：多测回取平均值、观测值的各种改正、极坐标法或交会法的坐标计算以及包括运算功能更为完善的各种软件。输入输出设备：包括键盘、显示屏和接口，从键盘可以输入操作指令、数据和设置参数；显示屏可以显示出仪器当前的工作方式、状态、观测数据和运算结果；接口使全站仪能与磁卡、磁盘、微机交互通讯、传输数据。1.3 全站仪的发展 测角和测距精度提高 无反射棱镜测距 自动目标识别和自动跟踪 仪器内存更大和软件功能更丰富 遥控测量系统1.4 全站仪的测量原理1、电子测角原理光栅度盘将两参数相同的光栅沿线条方向小角度相重叠，就会出现莫尔条纹。当两光栅沿垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹就沿近似于垂直光栅移动方向运动。当光栅移动一个光栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度。2、电子测角原理编码度盘二进制编码度盘是在度盘上分成若干宽度相同的同心圆环（码道），整个圆周又分成面积相等的扇形区（码区）。提高角度分辨率，需要增加码区数量，制作上是困难的。3、相位式光电测距提高测距信号的频率和测相分辨率可以提高相位式测距的精度。近几年来，测距频率普遍提高到50MHz，甚至100MHz，相应的测尺长为1.5m。因此，目前相位式测距的精度已优于2mm。1.5 碎部点数据采集通过输入同一坐标系中测站点和定向点的坐标，可以测量出未知点( 棱镜点)在该坐标系中的坐标。ZT80系列全站仪可将测量数据存储在内存中。内存划分为测量数据文件和坐标数据文件。测点数目最多可达20000个点。操作步骤：1) 选择数据采集文件，使其所采集数据存储在该文件中；2) 选择坐标数据文件。可进行测站坐标数据及后视坐标数据调用；(当无需调用已知点坐标数据时,可省略此步骤)3) 设置测站点。包括仪器高和测站点号及坐标；4) 设置后视点，通过测量后视点进行定向，确定方位角；5) 设置待测点的棱镜高，开始数据采集，存储数据。三种作业模式 :1 全站仪 + 电子手簿记录， 绘草图，人机交互编码2 全站仪 + PDA / 手提电脑，现场交互编码3