距离测量课件

第四章距离测量,距离测量方法:钢尺量距一般方法1/20001/4000精密方法1/100001/40000视距测量1/2001/300电磁波测距1/几万1/几十万钢尺量距、电磁波测距为直接测距，视距测量为间接测距,第四章距离测量,钢尺量距电磁波测距视距测量全站仪手持激光测距仪测距长度的归化投影计算,第一节钢尺量距,一、工具1.钢尺基本分划为毫米，在厘米分划上有数字注记，全长均刻画毫米分划。长度有20m，30m，50m等。钢尺的伸缩性较小，强度较高，能经受较大的拉力，故丈量精度较高，并且耐用。但钢尺容易生锈，受折易断。,利用具有标准长度的钢尺直接量测地面两点间的距离。,第一节钢尺量距,由于零点位置的不同，可分为端点尺和刻线尺两种。,垂球：用于对点。测钎：又称测针，用来标定所量距离每尺段的起终点和计算整尺段数。标杆：又称花杆，用来显示点位和标定直线的方向。弹簧秤：控制拉力温度计：测定温度,2.量距的辅助设备,二.直线定线-在两点的连线上标定出若干个点,1.目视定线用于一般量距方法,从远到近（走近定线发）从近到远（走远定线法）,两点间目测定线,二.直线定线,2.经纬仪定线用于较精密的量距,三.钢尺量距方法,(1)平坦地面丈量(2)倾斜地面丈量,（1）整尺法（2）串尺法,精度,地形,钢尺量距的一般方法,D=n*l+q,(1)平坦地面丈量,往、返丈量，返测时需重新定线往、返量距相对误差K=|DABDBA|/D1/3000例DAB=162.73m，DBA=162.78m相对误差K=|162.73162.78|/162.755=1/32551/3000,D=(DAB+DBA)/2,整尺法,(1)平坦地面丈量,串尺法,按直线定线方法，在AB直线上，定出若干小于尺长的尺段，如A1、12、7B。从一端开始依次分别丈量各尺段的长度。如前尺手读数为29.430m，后尺手读数为0.058m，这一尺段的长度为：,29.430m0.058m29.372m,为了提高丈量精度，对同一尺段需丈量三次。三次串尺丈量的差数，一般不超过5mm，然后取平均值作为该尺段长度的丈量结果。,(2)倾斜地面丈量,平量法,平量法吊垂球线投影（地势起伏复杂，但小范围高差不大）斜量法量斜距，测高差或倾斜角换算平距（坡度比较均匀）,斜量法,l1,l2,ln,2.钢尺量距的精密方法,一般方法相对误差1/10001/5000精密方法相对误差1/100001/40000主要工具经纬仪、钢尺、弹簧秤、温度计、尺夹等量距时用弹簧秤施加鉴定时的拉力距离加温度与尺长改正,(1)丈量方法先用经纬仪定线。用水准仪测定各坡度变换点木桩桩顶间的高差，作为分段倾斜改正的依据。丈量时用弹簧秤对钢尺施加标准拉力(30m-100N)。前后司尺员同时读数，估读到0.5mm，三次读数之差为23mm。同时测定温度计读数（估读到0.5）。,2.钢尺量距的精密方法,(2)尺长方程式：lt=l0+l+l0(t-t0)式中：t为钢尺丈量时的温度lt为钢尺在温度t()时的长度；l0为钢尺的名义长度；l为尺长改正数；为钢尺的膨胀系数；t0为钢尺标准温度(20)。,2.钢尺量距的精密方法,3.成果整理,尺长改正:,温度改正:,高差改正:,水平距离：,实际长度,名义长度,尺段长,四.钢尺量距的误差原因及注意事项,定线误差尺长误差温度误差拉力误差倾斜误差读数误差,四.钢尺量距的误差来原因及注意事项,定线误差,量距为一组折线，丈量结果偏大量距30m，偏差0.25m时，量距偏大1mm用目视定线可达到精度要求,量距时钢尺没有准确地安放在待量距离的直线方向上,A,B,P,D1,D2,四.钢尺量距的误差来原因及注意事项,2.尺长误差,累积性，量距越长，误差越大钢尺检定误差小于1mm,钢尺名义长度与实际长度之差产生的误差,3.温度测定误差,温度变化1,量距30m0.4mm尽可能测量钢尺自身温度宜在阴天进行,钢尺实际温度与测量得到的温度不一致产生的误差,四.钢尺量距的误差来原因及注意事项,4.拉力不均误差,钢尺丈量拉力应与检定拉力相同拉力变化30N，尺长30m，误差1mm,测量时采用非标准拉力产生的误差,5.钢尺倾斜误差,地面不平，钢尺不水平、中间下垂成曲线所量长度实际长度，悬空丈量，中间有人托钢尺,钢尺测量时不水平产生的误差,四.钢尺量距的误差来原因及注意事项,6.钢尺对准及读数误差,插测钎不准，前、后尺手配合不佳，余长读数不准丈量中应尽量准确对点，配合协调,测量时没有完全对准或读数不正确产生的误差,第三节视距测量,视距测量是用望远镜内的视距装置，根据几何光学和三角测量原理同时测定距离和高差的一种方法。特点是操作简便、速度快、不受地形的限制，测距精度较低，一般相对误差为1/3001/200，测高差的精度也低于水准测量和三角高程测量。主要用于地形图的碎部测量及图根控制网的加密。,一.视线水平时视距测量公式,视距公式：,D=kl,k=100，l为视距间隔,高差公式：,h=i-v,i仪器高v中丝读数,v,二.视线倾斜时视距测量公式,1.视距公式：,2.高差公式：,D=Lcos=klcos,h=h+i-v=Dtan+i-v,三.视距测量的观测,视距测量的方法和步骤如下：（1）将经纬仪安置在测站A，进行对中和整平。（2）量取仪器高（量至cm即可）。（3）将视距尺立于欲测的B点上，观测者转动望远镜瞄准视距尺，并使中丝截视距尺上某一整数S或仪器高，分别读出上、下视距丝和中丝读数，将下丝读数减去上丝读数得视距间隔。（4）在中丝不变的情况下读取竖直度盘读数（读数前必须使竖盘指标水准管的气泡居中），并将竖盘读数换算为竖直角。（5）根据测得的、S和计算水平距离D和高差，再根据测站的高程计算出测点的高程,三.视距测量的观测,例HA=35.32m，i=1.39m，上、下丝读数为1.264m，2.336m，盘左竖盘读数L=82o2600，竖盘指标差x=1求两点间平距和高差,三.视距测量的观测,解：视距间隔l=2.3361.264=1.072m竖角=90o82o2600+1=7o35平距D=klcos2=105.333m中丝v=(上丝+下丝)/2=1.8m高差h=Dtan+iv=+13.613mB点高程HB=35.32+13.613=48.933m,四.视距测量的计算,测站：F测站高程：6.450米仪器高程：7.885米仪高：1.435米,第二节电磁波测距,钢尺测距繁琐，受地形限制视距测量精度低光电测距仪精度高、速度快电子全站仪测距仪和电子经纬仪的组合，可同时进行角度、距离测量，并能现场计算出高程和坐标，显示在屏幕上。,D=1/2ct,第二节电磁波测距,D,一.电磁波测距原理,反光棱镜,测距仪,c=c0/n，c0=299792457.40.1m/s真空光速n1大气折射率n=f(,t,P)光波长，大气温度t，大气压力P的函数,二.电磁波测距原理,脉冲法测距:测量发射尖脉冲在待测距离往返传播时间钟脉冲振荡频率f0，周期T0=1/f0计数器钟脉冲数q光脉冲往返传播时间t=qT0问题电子计数器只能记忆整数钟脉冲数常用于激光雷达、微波雷达等远距离测距，精度为0.51m,WildDI3000脉冲测距仪,二.电磁波测距原理,相位法测距:通过测量正弦光波在待测距离往返传播相位差来确定时间t正弦光波振荡一周期相位移2发射正弦光波经2D距离后相位移=2N+正弦光波经t秒钟后振荡相位移=2ftt=(N+/2)/f=(N+N)/f，N=/2,二.电磁波测距原理,相位法测距:D=0.5Ct=0.5C(N+N)/f=0.5CT(N+N)=0.5S(N+N)S=C/f=CT正弦波波长0.5S正弦波半波长，光测尺调制频率f越大，测尺长0.5S越短用短测尺（精尺）测定精确的小数，用长测尺（粗尺）测定距离的大数待测距离为586.486m，1000m粗测尺：580m，10m精测尺：6.486,二.电磁波测距仪,按载波分类:以微波作为载波的微波测距仪、以激光为载波的激光测距仪、以砷化镓(GaAS)发光二极管发出的不可见红外光为载波的红外测距仪和以光波为载波的光电测距仪。,按精度:高级、中级、低级按测程:电磁波测距仪可分为远程、中程、短程，15千米以上的为远程，315千米为中程，3千米以下为短程，目前所用的中、短程测距仪大多为红外测距仪,ND3000红外测距仪,ND3000红外测距仪棱镜系统,主要技术参数红外光源波长0.865m测尺长及对应的调制频率精测尺：10m，f1=14.835546MHz粗测尺1：1000m，f2=148.35546kHz粗测尺2：10000m，f3=14.835546kHz测程2500m(单棱镜)，3500m(三棱镜)标称精度(5mm+3ppm)测量时间正常测距3s；跟踪测距，初始测距3s以后每次测距0.8s供电6V镍镉(NiCd)可充电电池,WildDI1000相位式红外测距仪,世界最高精度的激光测距仪-KernME5000,二.电磁波测距的改正,仪器常数改正加常数与乘常数改正测距前预先设置，测距中自动改正气象改正倾斜改正,气压mbar,温度,二.电磁波测距的精度,仪器的标称精度表达式为：MD=(A+BD)式中：MD为测距中误差(毫米)，A为固定误差(毫米)，B为比例误差系数(毫米/千米)，D为测距长度(千米)。,电磁波测距仪的精度按标称精度分为高(级)、中(级)、低(级)三个级别。,当测距长度为1千米时，仪器精度分别为：级MD5级5MD10级10MD20,二.电磁波测距的精度,4-6电子全站仪一、电子全站仪概述,电子全站仪是一种利用机械、光学、微电脑等元件组合而成、可以同时进行角度测量和距离测量、并可进行有关计算的高科技测量仪器。由于只要在测站上一次安置该仪器,便可以完成该测站上所有的测量工作,故称为“电子全站仪”,简称“全站仪”（TotalStationInstrument）。起初的全站仪是将电子经纬仪和测距仪组装在一起，并可分离成两个独立的部分，称为积木式全站仪。后来改进为将光电测距仪的调制光发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合成同轴的整体式全站仪，并配置电子计算机的微处理机和系统软件，使具有将测量数据储存、计算、输入、输出等功能。,45,全站仪的组合框图,地面测量仪器发展简史全站仪诞生前,1980,1990,1990,1980,47,地面测量仪器发展简史全站仪诞生,90年代起：电脑型全站仪特点：菜单操作，机载软件，可系统开发，与GNSS接收机联合。,TC16101991双轴补偿菜单功能键操作,TPS10001994双轴补偿软功能键操作(图标操作)自动目标识别,TPS11001999双轴补偿软功能键操作(图标操作)自动目标识别免棱镜测距,TPS12002004双轴补偿软功能键+快捷键操作(图标操作)自动目标识别免棱镜测距与GNSS联合作业,61,通过输入、输出设备，可以与计算机交互通讯，使测量数据直接进入计算机，据此进行计算和绘图；测量作业所需要的已知数据也可以从计算机输入全站仪。一些全站仪将电荷耦合器件（CCDChargeCoupledDevice）与传动马达相结合，使具有对目标棱镜的自动识别、跟踪和瞄准（ATR，AutomaticTargetRecognition）功能；CCD还用于度盘读数、构成电子水准器等。一些全站仪将全球定位系统(GNSS)接收机与之结合，以解决仪器自由设站的定位问题。全站仪的这些功能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。电子全站仪已广泛用于控制测量、地形测量、施工放样等方面的测量工作。,全站仪功能的逐步改进,全站仪的发展趋势仪器作业进一步自动化,仪器对中自动化基座安平自动化仪高量取自动化,对目标自动跟踪和瞄准,目标中心位置,十字丝中心位置,搜索跟踪照准,苏光810系列全站仪,特点：彩色触摸屏,可实时成图,WINCE5.0操作系统,64M存储器。,测角精度2测距精度(22D10-6)mm,SET-230R全站仪,TCA2003全站仪,高精度多功能测角精度0.5测距精度(1+D106)mm,53,二、全站仪的特殊部件与功能,将瞄准用的物镜、目镜、调焦透镜与红外测距、激光测距的发射和接收安装在同一光学系统中，成为多功能的同轴望远镜。,61,54,操作面板包括控制按键、数码(字母和数字)按键和较大的显示屏显示屏包含软键(功能键)以及触摸功能；显示屏可以分页，可展示主菜单和若干级子菜单；显示屏还可以显示图形，例如野外实时显示所测地形图的局部图形，便于检查和修测或补测。,（三）传感器,度盘读数传感器纵轴倾斜传感器目标搜索传感器等利用发光二极管或外来光线及CCD(电荷耦合器件)阵列。,61,（二）显示屏和键盘,55,1.度盘读数传感器,较先进的全站仪用条码度盘和CCD传感器读数，发光管发光透过度盘编码，由一组线性CCD阵列读数。一般在度盘对径设置一对线性CCD传感器，以消除度盘偏心误差。,度盘条码,条码度盘,发光二极管,线性CCD阵列,反光棱镜,61,2.纵轴倾斜传感器,56,仪器的纵轴倾斜影响视准轴的瞄准、水平度盘和垂直度盘的读数。对此，全站仪设置“双轴倾斜补偿器”,双轴指视准轴在水平面上投影和横轴方向。传感器通过屏幕显示该两方向的倾角和水准气泡。据此可用脚螺旋精确置平仪器，而遗留的双轴倾斜由传感器按其倾角计算改正值，自动显示改正后的度盘读数。,61,57,（四）存储器,全站仪的存储数据可以通过RS232C串行接口或USB接口与计算机双向通讯。一些全站仪有无线电收发装置或蓝牙通讯装置与外围设备(如遥控器等)双向通信。,存储器分为内存储器和存储卡。前者相当于计算机的硬盘和内存，后者相当于优盘。全站仪有相当大的存储量，例如苏光RTS810全站仪有64MB(RAM)和32MB(ROM)。可以记录数天的野外观测，数千个细部点的距离角度观测值和计算的坐标数据。,61,（五）通讯接口,58,（六）360棱镜与镜站遥控系统,360棱镜使多台全站仪可以同时瞄准一点，也可使立于细部点的棱镜(镜站)可忽略棱镜的方向。镜站遥控器可以由镜站指挥全站仪(要有目标自动跟踪功能)的操作，实现无人测站，因为细部点的选择主要由镜站人员决定。,360棱镜,镜站遥控器发射和接收装置,61,镜站遥控全站仪进行细部测量,360棱镜和发射接收装置,全站仪,镜站遥控器,三、全站仪的功能和使用,全站仪的功能比较全面，几乎包括地面测量的所有工作，例如各种地面控制测量（导线测量、交会定点、三角高程测量）、地形测量的数据采集、工程测量的施工放样和变形观测等。经常使用的为：角度测量、距离测量、极坐标法坐标测量。以下介绍SET230R全站仪的功能和使用：,（一）SET230R全站仪的功能及使用,1.观测前的准备工作2.角度测量3.距离测量4.三维坐标测量,仪器技术指标：测角精度2测距精度(激光测距)用棱镜(2+210-6D)mm免棱镜(3+210-6D)mm气象改正,输入气温、气压内存容量约10000个细部点,1.显示屏；2.软键；3.回车键（输入键）；4.电源开关；,5.退回或取消键；,8.大小字母转换键；9.照明键；10.功能转换键,7.光标移动键；,6.删除键；,SET230R操作面板,SET230R功能菜单框图,在操作面板上按ON键打开电源，仪器进行自检，屏幕显示测量模式（图(a)），,如果此时仪器置平未达到要求,则度盘读数行显示“超出”警告（图(b)），应根据水准管气泡重新整平仪器,65,SET230R的角度测量,仪器安置在测站S,瞄准左目标L,按0SET功能键,使水平度盘读数(HAR)为0,天顶距读数(ZA)为884536；转动照准部瞄准右目标R,水平度盘读数即为水平角,天顶距读数为912418。,SET230R的距离和角度测量,距离测量之前，应设置测距参数：在“测量模式”屏幕按“改正”功能键，显示EDM屏幕(下图)，设置测距模式、反射器、棱镜常数、温度、气压等参数。,距离和角度测量,照准目标中心，按“距离”功能键，进行距离测量，竖盘的天顶距读数和水平度盘读数也同时显示。,完成距离测量后，按“切换”功能键可以使距离值在斜距(S)、平距（H）、垂距（V）之间变换显示。,SET230R的三维坐标测量