精密测角仪器和水平角观测(ppt 98页).ppt

第三章精密测角仪器和水平角观测 第三章精密测角仪器和水平角观测 3 1精密测角仪器 经纬仪 3 2经纬仪三轴误差 3 3精密测角误差 3 4方向观测法 3 5偏心观测与归心改正 本章提要 在工程控制测量和精密工程测量中 角度测量主要使用精密光学经纬仪 全站仪 精密光学经纬仪按精度等级的高低 我国光学经纬仪的系列分为J07 J1 J2 J6等规格 本章主要介绍精密光学经纬仪 全站仪的基本构造和仪器检验 应用精密光学经纬仪或全站仪完成一个测站上的水平角观测并获得正确观测值的方法及测站平差 一般来说 精密光学经纬仪在结构上的主要特点是 角度标准设备 度盘及其读数系统都由光学玻璃组成 水平度盘和垂直度盘 竖盘 共用同一个附着在望远镜筒旁边的读数显微镜和光学测微器 并实现双面 对径 读数 目标照准设备 望远镜均为消色差或经消色差校正过的 尺寸较短的内调焦望远镜 一般制动及微动螺旋分离设詈 现开始向共轴方向发展 都具有精密的测微读数系统 设有强制归心机构 精密光学对点器和快速安平机构等 有的经纬仪设有垂直度盘指标自动归零补偿器 庆而提高了仪器精度和测量效率 经纬仪由优质可靠的 有机材料和合金制造 1 精密光学经纬仪的特点 一 精密光学经纬仪 2 精密测角仪器的基本构造 基本结构 照准部 水准管 水平度盘 基座 主要轴线 视准轴 横轴 水准管轴 竖轴 旋转轴 垂直轴 2 精密测角仪器的基本构造 2 精密测角仪器的基本构造 1 用较短的复合物镜焦距 得到等效物镜焦距f较大值 2 平均边长3KM以上的三角网 如各目标与测站的距离相差1KM 在一测回的观测中 各目标不重新调焦是不会影响照准精度的 与普通经纬仪的主要区别 2 精密测角仪器的基本构造 3 读数精度高 测微器 水准器的精度主要由水准器的格值来衡量 2 精密测角仪器的基本构造 水准器的灵敏度 当人们的肉眼发觉气泡有最小移动量 约0 2mm 时水准管轴所倾斜的角度值 关于水准管分划值 管上两相邻分划线间的圆弧所对的圆心角 2 精密测角仪器的基本构造 2 精密测角仪器的基本构造 苏州光学仪器厂生产的JGJ2经纬仪 J2光学经纬仪对径读数的规则 旋进测微手轮 使度盘正倒像精确重合 1 读度 找具备下列三个条件的分划线 正倒像相差180度 正像在左 倒像在右 正倒像的对径 度 分划相距最近 以正像的 度 分划线为准读度数 2 读十位分数 将正倒像相应的分划线间所夹的格数乘以度盘分划的一半 J2为10分 就是十位分数 3 在测微器 盘 读取个位的分数及秒数 3 精密测角仪器的读数方法 J2 42 57 39 0 174 03 02 7 测微盘上共有10个大格 每一大格又分60小格 共有600个小格 相当于度盘的半个最小分格10 所以一大格代表1 一小格代表1 3 精密测角仪器的读数方法 将正倒像相应的分划线间所夹的格数乘以度盘分划的一半 T3为2分 3 精密测角仪器的读数方法 垂直度盘读数 在度盘的全周上沿逆时针方向由0 到360 且使90 到270 分划线的连线与望远镜视准轴平行 盘左时 视准线在垂直度盘上的读数永为90 盘右时 永为270 3 精密测角仪器的读数方法 垂直度盘读数 3 精密测角仪器的读数方法 装有电子扫描度盘 在微处理机控制下实现自动化数字测角的经纬仪称为电子经纬仪 全站仪的等级与电子经纬仪和电子测距仪等级是一致的 二 精密电子经纬仪及其特点 比起光学经纬仪 电子经纬仪具有如下特点 1 角度标准设备 采用编码度盘及编码测微器的绝对式 或采用计时测角度盘并实现光电动态扫描助绝对式 如Wild厂的T2000 采用光栅度盘并利用莫尔干涉条纹测量技术的增量式 2 微处理器 主要功能 控制和检核各种测量程序 实现电子测角 并计算竖轴倾斜引起的水平角及竖直角的改正 实现电子测距和计算 对所测距离进行地球曲率和气象改正 并进行相应的数据处理如水平距离 高差及坐标增量的计算等 将观测值及计算结果显示在显示器上或自动记录在电子手簿上或存储器内 1 精密电子经纬仪及其特点 3 竖轴倾斜自动测量和改正系统是供仪器自动整平及整平剩余误差对水平盘读数和竖盘读数的自动改正 4 有些电子全站仪的望远镜既是目标水平方向及垂直鱼观测的瞄准装置 也是测距信号的发射和接收装置 5 现代电子经纬仪具有自动观测功能 带有马达伺服装置和CCD摄像镜头 能够自动搜索目标 精密照准 按程序进行测量和记录 1 精密电子经纬仪及其特点 电子经纬仪 日本DT 02l 南方绝对编码型电子经纬仪DT 02 电子经纬仪测角系统主要有以下三种 编码度盘测角系统 是采用编码度盘及编码测微器的绝对式测角系统 按照码道的组合 每一个度盘位置均可以获得一确定的角度值 因而编码法亦可以称为 绝对法 测角 光栅度盘测角系统 是采用光栅度盘及莫尔干涉条纹技术的增量式读数系统 与编码法相比较 增量法使用光栅度盘 所测得角值是照准部所旋转过的角值 因此增量法亦可称为相对法 动态测角系统 采用计时测角度盘及光电动态扫描绝对式测角系统 按动态测角法生产的仪器 主要为WildT2000系列 这种方法的特点是每测定一方向值均利用度盘的全部分划 这样可以消除刻划误差及度盘偏心差对其测量值的影响 1 编码度盘测角原理 用四位二进制表示角值 全圆刻成24 16个扇形 编码度盘测角原理 2 光栅度盘测角原理 光栅是用玻璃 树脂或含属制成的表面具有密集等宽 等距线条的光学元件 光栅的线条是用金刚石刀或光刻法刻制在玻璃或金属面上的 也常将已刻制好的光栅复制在树脂或玻璃上 或采用全息照相法制造光栅 光栅度盘测角原理 3 动态角度扫描测角原理 活动探测器 固定探测器 1 粗测粗测只能够测定角度值中的大数 式中 动态度盘旋转过角度所用的时间 T 转过 所用的时间 2 精测 下图是瑞士WILD厂生产的T2000电子经纬仪 该仪器测角精度为 0 5 其竖直角测量采用硅油液体补偿器 可实现竖盘自动归零 补偿器工作范围为 10 补偿精度为 0 1 测角模式有两种 一种是单次测量 精度较高 另一种是跟踪测量 它将随着经纬仪的转动自动测角 这种方式精度较低 适合于放样及跟踪活动目标 测角显示可以设置到0 1 1 10 或1 若将电子经纬仪与光电测距仪联机 即构成电子速测仪 三 精密电子全站仪及其特点 1 徕卡全站仪分类徕卡整体型全站仪的命名 TC系列标准型全站仪 TCM系列马达驱动型全站仪 TCR系列无反射梭镜型全站仪 TCRM系列无反射梭镜 马达驱动型全站仪 TCRA无反射梭镜 自动跟踪型全站仪 TCA系列马达驱动自动跟踪型全站仪 TDM系列马达驱动 工业测量型全站仪 TDA马达驱动 自动跟踪 工业测量型全站仪 徕卡全站仪 新技术的领导先驱 一 度盘的电子化读数 静态绝对度盘扫描系统测角 相关法 电子度盘读数系统 把操作者从繁重的度盘人工读数中解脱出来 不但提高了效率 还大大降低了误读的机率 条码编码 CCD传感器 二极管 棱镜 目前该方法应用于所有徕卡所以电子经纬仪和全站仪 徕卡全站仪 新技术的领导先驱 二 三轴误差的自动补偿与改正 液体补偿器 有效的轴系自动补偿与改正 是实现高精度测角的有力保证 三 目标的自动识别与照准 自动目标识别并驱动轴系照准目标 把测量员从全站仪测量工作中最为繁重一项操作 人工照准目标中解脱出来 使测量员可以远离测站 从此 全站仪的 自动化 又上了一个新的台阶 徕卡全站仪 新技术的领导先驱 四 全站仪的无合作目标测距 有的时候 在目标点上要摆反射棱镜是比较麻烦的 甚至是不可能的 此时要测距怎么办呢 现在有同轴型的全站仪 可以无合作目标测距 即所谓的 测站 单人测量系统 徕卡全站仪 新技术的领导先驱 五 全站仪的自动控制 远离测站的几种测量操作方式 1 计算机在线控制GeoCOM方式 2 机载软件控制GeoBASIC方式 3 Modem控制镜站方式 徕卡全站仪 新技术的领导先驱 六 超站仪 徕卡GLPS 精确自动定位和定向的仪器 全站仪 激光测距 陀螺仪GPS 徕卡全站仪 新技术的领导先驱 全站仪的发展趋势 测量机器人的来临 1 度盘读数自动化 2 目标照准自动化 3 基座安平自动化 4 仪器对中自动化 5 仪高量取自动化 常见全站仪列表 一 视准轴误差1 产生原因 望远镜的十字丝分划板安装不正确 望远镜调焦镜运行时晃动 气温变化引起仪器部件的胀缩 特别是仪器受热不均匀使视准轴位置变化等 3 2经纬仪的三轴误差 2 视准轴误差对水平方向观测影响的规律 随目标垂直角的增大而增大 当最小值 由盘左和盘右的观测方向值求平均值 可以消除视准轴误差对水平方向观测的影响 而得到正确的方向值 3 2经纬仪的三轴误差 计算2C的作用 一测回中各观测方向2C互差的大小 在一定程度上反映了观测成果的质量 3 2经纬仪的三轴误差 当c值在盘左 盘右观测时间段内不变时 视准轴误差c对盘左 盘右水平方向观测值的影响大小相等 正负号相反 因此 取盘左 盘右实际读数的中数 就可以消除视准轴误差的影响 由于望远镜的调焦镜运行不正确 也就是运行中有晃动可以引起视准轴位置的变化 所以规定在一测回内不得重新调焦 国家规范规定 一测回中各方向2c互差对于J1型仪器不得超过9 对于J2型仪器不得超过13 3 2经纬仪的三轴误差 二 水平轴倾斜误差1 产生原因 仪器左 右两端的支架不等高 水平轴两端轴径不相等等 2 水平轴倾斜误差对水平方向观测的影响 3 2经纬仪的三轴误差 3 水平轴倾斜误差对水平方向观测影响规律 不仅与i有关 而且还与 有关 由盘左和盘右的观测方向值求平均值 可以消除水平轴倾斜误差对水平方向观测的影响 而得到正确的方向值 盘左 左高右低 盘右 左低右高 3 2经纬仪的三轴误差 视准轴误差和水平轴误差对水平方向观测值的综合影响 反应在盘左盘右的读数差中 当 0时 L R 2C 一般情况下 随着 角的增大 上式右端第一项变化较慢 而第二项则变化较为显著 右图C 15 i 15 3 2经纬仪的三轴误差 4 水平轴倾斜误差的检验 高低点法 两式相加和相减分别得C角和i角 3 2经纬仪的三轴误差 若测了n个测回 则有 国家规范规定 对于J1型仪器 c i的绝对值都应小于10 对于J2型仪器 c i的绝对值都应小于15 3 2经纬仪的三轴误差 三 垂直轴倾斜误差1 产生原因 仪器未严格整平2 垂直轴偏斜误差对水平方向观测值的影响 1 垂直轴偏斜误差对水平方向观测值的影响是通过水平轴倾斜量而表现出来的 2 由于水平轴倾斜 从而使视准轴也偏离正确位置 使观测方向产生了的误差影响 3 2经纬仪的三轴误差 根据直角球面三角形公式可得 因为V和iv是小角 度盘倾斜的影响很小 这里只讨论竖轴对水平方向观测值的影响 3 2经纬仪的三轴误差 3 垂直轴偏斜误差对水平方向观测值影响的规律 4 削弱垂直轴偏斜误差对水平方向观测值影响的措施 尽量减小垂直轴的倾斜角 测回间重新整平仪器 对水平方向观测值施加垂直轴倾斜改正数 3 2经纬仪的三轴误差 垂直轴倾斜改正数的计算设水准器的格值为 气泡偏离中央n格时 水准轴的倾斜角为 也就是水平轴倾斜角 得 图为T2经纬仪水准器管注记 可得取平均数得垂直轴倾斜改正数为 3 2经纬仪的三轴误差 1 脚螺旋的检视与调整 松紧是否适中 2 微动螺旋的检视与调整 检查弹簧弹力 四 经纬仪的其他一般检验 3 水准管与垂直轴正交1 级仪器不应超过10 2 级仪器不应超过15 6 级仪器不应超过20 1 检验 用任意两脚螺旋使水准管气泡居中 然后将照准部旋转180 若气泡偏离1格 则需校正 四 经纬仪的其他一般检验 2 校正 用脚螺旋调一半 用水准管校正螺旋调一半 此项检校需反复进行 直至仪器旋转到任意方向气泡都居中 校正螺丝 四 经纬仪的其他一般检验 4 垂直度盘指标差 1 检验 仪器整平 用盘左 盘右分别瞄准大致水平方向的P点 读数为L R 计算竖直角和指标差 R L 180 2X L R 360 2 2 校正 盘右瞄准P点 调节指标水准管微动螺旋 使竖盘读数为 R x 270 调节指标水准管校正螺丝 使气泡居中 5 光学对点器 四 经纬仪的其他一般检验 五 精密电子经纬仪或全站仪的一般检验项目 3 3精密测角的误差影响 3 3 1外界条件的影响1 大气层密度的变化和大气透明度对目标成像质量的影响1 大气层密度的变化对目标成像稳定性的影响目标成像是否稳定取决于大气层密度的变化 大气密度的变化程度取决于地面热辐射的强烈程度以及地形 地物和地类等的分布特征 2 大气透明度对目标成像清晰的影响目标成像是否清晰主要取决于大气的透明程度 尘埃和水蒸气 地面的尘埃上升是由于风的作用 空气水平和上升对流 大量水蒸气也是水域和植被地段强烈升温产生的大气透明度从本质上说也主要决定于太阳辐射的强烈程度 有利观测时间 日出1h后的1 2h内 下午3 4h到日落前1h 2 水平折光的影响光线经过连续折射后形成一条曲线 并向密度大的一方弯曲切线方向与这条曲线的微小的交角 称为微分折光微分折光的纵向分量是比较大的 是微分折光的主要部分微分折光的水平分量影响着视线的水平方向 对精密测角的观测成果产生系统性质的误差影响 3 3精密测角的误差影响 水平折光的影响还随着大气温度的变化而不同白天在太阳照射下的沙石地面气温上升决 密度小 水面上方气温上升慢 密度大 白天和晚间的水平折光影响正好相反 取白天和晚间观测成果的平均值 可以有效地减弱水平折光的影响 河流 山地 3 3精密测角的误差影响 选点时 应避免使视线靠近山坡 大河或与湖泊的岸线平行 并应尽量避免视线通过高大建筑物 烟囱和电杆等实体的侧方 在造标时应使橹柱旁离视线至少10cm 一般在有微风的时候或在阴天进行观测 可以减弱部分水平折光的影响 3 照准目标的相位差相位差的影响随太阳的方位变化而不同 在上午和下午相位差影响的正负号也相反 因此 最好半数测回在上午观测 半数测回在下午观测 三角测量中一般采用微相位照准圆筒 3 3精密测角的误差影响 4 温度变化对视准轴的影响仪器受太阳光的直接照射 各部分受热不均匀 膨胀也不相同 致使仪器产生变形 所以在观测时必须撑伞或用测橹覆挡住太阳光对仪器的直接照射 周围空气温度的变化也会影响仪器各部分发生微小的相对变形 使仪器视准轴位置发生微小的变动 经验证明 在连续观测几个测回的过程中温度不断变化 则由每个测回所得的2C值有着系统性的差异 按时间对称排列的观测程序 是假定在一测回的较短时间内 气温对仪器的影响是均匀变化的 上半测回依顺时针次序观测各目标 下半测回依逆时针次序观测各目标 并尽量做到观测每一目标的时间间隔相近 3 3精密测角的误差影响 5 外界条件对觇标内架稳定性的影响阳光的照射温度的变化会引起扭转 当觇标内架或三脚架发生扭转给观测结果带来影响采用按时间对称排列的观测程序也可以减弱这种误差对水平角的影响 3 3精密测角的误差影响 3 3 2仪器误差的影响 1 水平度盘位移的影响当转动照准部停止之后 没有任何力再作用于仪器的基座 与度盘固连 部分 它在弹性作用下就逐渐反向扭曲 企图恢复原来的平衡状态 这将给测得的方向值带来系统误差 即当照准部顺时针方向转动时 读数偏小 反之读数偏大 上半测回顺转照准部 依次照准各方向 下半测回相反可消除这种误差影响 3 3精密测角的误差影响 2 照准部旋转不正确的影响当照准部垂直轴与轴套之间的间隙过小 则照准部转动时会过紧 如果间隙过大 则照准部转动时垂直轴在轴套中会发生歪斜或平移 这种现象叫照准部旋转不正确 照准部旋转不正确会引起照准部的偏心和测微器行差的变化 为了消除这些误差的影响 采用重合法读数 可在读数中消除照准部偏心影响 3 照准部水平微动螺旋作用不正确的影响微动螺旋旋出后 照准部不能及时转动 在读数过程中 弹簧才逐渐伸张而消除空隙 这时视准轴已偏离了照准方向 从而引起观测误差 为了避免这种误差的影响 规定观测时应旋进微动螺旋 与弹力作用相反的方向 去进行每个观测方向的最后照准 同时要使用水平微动螺旋的中间部分 4 垂直微动螺旋作用不正确的影响垂直微动螺旋的运动方向与其反作用弹簧弹力的作用方向不在一直线上 致使视准轴变动 给水平方向的方向观测值带来误差 这就是垂直微动螺旋作用不正确的影响 若垂直微动螺旋作用不正确 则在水平角观测时 不得使用垂直微动螺旋 直接用手转动望远镜到所需的位置 3 3精密测角的误差影响 3 3 3照准和读数误差的影响 观测者本身 照准误差受外界因素的影响较大 例如目标影像的跳动会使照准误差增大好几倍 又如目标的背景不好 有时也会增大照准误差甚至照准错误 因此除了选择有利的观测时间外 作业员认真负责地进行观测 是提高精度的有效措施 精密光学经纬仪读数误差主要表现为接合误差 对于J1型经纬仪 对于J2型经纬仪 经验证明 采光的位置要适当 测微器的目镜调节要正确 此外 用多余观测的办法来削弱其影响 3 3精密测角的误差影响 观测应在目标成像清晰 稳定的有利于观测的时间进行 以提高照准精度和减小旁折光的影响 观测前应认真调好焦距 消除视差 在一测回的观测过程中不得重新调焦 以免引起视准轴的变动 各测回的起始方向应均匀地分配在水平度盘和测微分划尺的不同位置上 以消除或减弱度盘分划线和测微分划尺的分划误差的影响 在上 下半测回之间倒转望远镜 以消除和减弱视准轴误差 水平轴倾斜误差等影响 同时可以由盘左 盘右读数之差求得两倍视准轴误差2C 借以检核观测质量 3 3 4精密测角的一般原则 3 3精密测角的误差影响 上 下半测回照准目标的次序应相反 并使观测每一目标的操作时间大致相同 即在一测回的观测过程中 应按与时间对称排列的观测程序 为了克服或减弱在操作仪器的过程中带动水平度盘位移的误差 要求每半测回开始观测前 照准部按规定的转动方向先预转1 2周 使用照准部微动螺旋和测微螺旋时 其最后旋转方向均应为旋进 为了减弱垂直轴倾斜误差的影响 观测过程中应保持照准部水准器气泡居中 3 3精密测角的误差影响 3 4方向观测法 3 4 1观测方法 方向观测法的测回数 是根据测角网的等级和所用仪器的类型确定的 除了观测方向数较少 国家规范规定不大于3 的测站以外 一般都要求每半测回观测闭合到起始方向以检查观测过程中水平度盘有无方位的变动 对于J2型仪器则取两次接合读数的平均数 在每半测回观测结束时 应立即计算归零差 当下半测回观测结束时 除应计算归零差 各方向的2c值 一测回中的方向观测值 对于零方向有闭合照准和起始照准两个方向值 一般取其平均值作为零方向在这一测回中的最后方向观测值 将其他方向的方向观测值减去零方向的方向观测值 就得到归零后各方向的方向观测值 在某些工程控制网中 同一测站上各水平方向的边长悬殊很大 若调焦透镜运行不正确 这时可以考虑改变观测程序 对一个目标调焦后接连进行正倒镜观测 然后对准下一个目标 重新调焦后立即进行正倒镜观测 3 4方向观测法 3 4方向观测法 3 4方向观测法 DJ2度盘配置表 3 4 2测站限差 1 测站限差项目 两次重合读数差 半测回归零差 一测回2c互差 测回互差 3 4方向观测法 确定系统误差部份 常常根据大量作业的观测资料进行分析研究 从中找出在正常情况下各检验项可能包括的系统误差的大小 计算差值的综合影响 最后根据 极限误差等于两倍中误差 求出差值的限差 2 制定限差的基本步骤观测结果的差值是表示在一定的外界条件下观测误差的大小 其中包括偶然误差和系统误差两部份 制定限差允许值的步骤为 确定偶然误差部份 观测结果的差值是每一个方向观测值的函数 因此列出差值函数式 就可按误差传播定律 由每一方向观测值中误差 计算出观测方向值函数 即差值 的中误差 3 4方向观测法 3 一方向观测值 偶然 中误差测定的两种方法 第一种室内实验可得到近似结果 可在室内求得 例如在度盘每隔5度的位置 旋进测微轮 使上下分划线重合二次 分别读取读数 然后由两次读数的差数求出重合一次的读数中误差 3 4方向观测法 3 4方向观测法 第二种从大量三角点的测站平差中求出各点的 然后取各点的带权平均值作为实际采用的目前采用 3 4方向观测法 4 半测回归零差 偶然误差部份 函数式 系统误差部份 主要仪器基座扭转等系统误差 大量实验表明一般为 2 3 4方向观测法 5 一测回内2C互差的限差 偶然误差部份 系统误差部份 主要包括视准轴误差 水平轴倾斜误差 基座位移以及外界因素引起的 3 4方向观测法 视准轴部份