4-第3章-工程测量学的理论技术和方法VIP

第3章工程测量学的理论技术和方法,主要内容,3.1工程测量学的理论3.2地面测量技术和方法3.3对地观测技术和方法3.4特殊测量技术和方法,重点,理论、技术和方法,难点,理论及其扩展；工程控制网优化设计方法,3.1工程测量学的理论,、测量误差理论,测量误差：偶然误差、系统误差、粗差三种误差如何处理？偶然误差：平差粗差：粗差探测剔除系统误差：（）重复观测（）仪器检测（）基准点稳定点分析（）测站选址,3.1工程测量学的理论,误差分配理论,限差：一般取中误差的倍误差为极限误差或容许误差。容=2m误差分配主要依据三个原则：等影响原则忽略不计原则按比例分配原则,3.1工程测量学的理论,误差传播定律,观测值通过一定的函数关系间接计算出来的。,例如，水准测量中，在一测站上测得后、前视读数分别为a、b，则高差h=a-b，这时高差h就是直接观测值a、b的函数。当a、b存在误差时，h也受其影响而产生误差，这就是所谓的误差传播。阐述观测值中误差与观测值函数中误差之间关系的定律称为误差传播定律。,3.1工程测量学的理论,误差传播定律,【例】在ABC中，C=180AB，A和B的观测中误差分别为3和4，则C的中误差=2+2=5。,和差函数的应用,3.1工程测量学的理论,、测量精度理论,精度是精度度和准确度的总称,精度包括：仪器精度和数值精度。数据精度又分为相对精度和绝对精度。在统计学的质量控制术语中，精度被称做“设计质量”,精确度和准确度,3.1工程测量学的理论,（边角）精度匹配理论,设方向中误差为“，测边的固定误差和比例误差分别为a和b,边长为，则由方向中误差引起的横向误差和由边长中误差引起的纵向误差分别为：“=2+2或=+,3.1工程测量学的理论,（边角）精度匹配理论,所谓边角精度完全匹配，是指应满足=，由于网的边长变化和仪器的限制，边角精度匹配是相对的，不匹配是绝对的，一般认为应用满足下述关系：其中，k2或k3,都可认为边角精度是基本匹配的。当边长大于1460m时，可以不作长边上的方向观测了,3.1.2可靠性理论,1内部可靠性,某一观测值误差（粗差）对所有改正数的影响,结论：任一观测值误差（粗差）对所有改正数有影响，作用大小取决于中第j行第i列元素。,图示：,3.1.2可靠性理论,1内部可靠性,某一观测值误差对自身改正数的影响,结论：结论:观测值误差对自身改正数的影响大小取决于,图示：,3.1.2可靠性理论,1内部可靠性,ri为矩阵主对角线上的元素，称ri为观测值li的多余观测分量，且被定义为观测值的内部可靠性。ri具有以下性质：,（）。即多余观测分量ri在和之间。（）=1=()。所有观测值的多余观测分量之和等于多余观测数。（）观测值相互独立时，观测值的内部可靠性与观测值的精度成反比。,3.1.2可靠性理论,外部可靠性,当观测值只含一个粗差时：,0,称之为控制网的外部可靠性量度。,综上所述，发现（探测）观测值粗差的能力称为内部可靠性，抵抗观测值粗差对平差结果影响的能力称为外部可靠性。主要通过多余观测分量（或多余观测数）来描述。,3.1.2可靠性理论,广义可靠性,广义可靠性将粗差扩展到粗差、系统误差和偶然误差，还涉及测量管理、设计、实施和表达等多方面。,（）项目立项中的可靠性。（）测量方案的可靠性。（）测量仪器的可靠性。（）观测值的可靠性。（）平差系统的可靠性。（）测量成果的可靠性。,3.1.3灵敏度理论,定义：在给定显著水平0和检验功效0下，通过对周期观测的平差结果进行统计检验，所能发现的变形向量的下界值。设变形向量为=即变形向量的模（表示大小，a）和单位向量（又称形式向量，表示变形量方向，g）的乘积。,对某一给定的形式向量，能被监测出的变形向量的下界值为0=0=00+是位移向量=21的协因数阵。0为与显著水平0和检验功效0相对应的非中心参数，0则是变形监测网对于所要监测变形的灵敏度。,3.1.4工程控制网优化设计理论,过去，工程控制网的优化设计分为四类，即：零类设计（ZOD,基准设计），一类设计(SOD,观测精度设计)和三类设计(THOD,已有网改进)。网的优化设计方法又分为解析法和模拟法两种。,现在：模拟计算法,3.1.4工程控制网优化设计理论,基于可靠性的工程控制网优化设计方法,在优化设计时，提出了平均多余观测分量设计值的概念，设计值为0.30.6。设计的观测值个数用下式计算：0=100为设计观测值个数，t为必要观测值个数，0为平均多余观测分量的设计值。,根据网的用途、精度要求和使用仪器，先作图上设计和实地踏勘。初始观测方案应对所有可能观测的边和方向进行全测，是一个“肥网”或“密网”。在观测值精度基本合理的基础上，可基于观测值内部可靠性指标按众“肥”到“瘦”，从“密”到“疏”的策略进行网的优化设计。,3.1.5测量基准理论,测量基准由测量坐标系和参考点（称基准点或已知点）组成。,挂靠坐标系工程坐标系属于独立坐标系，采用平面直角坐标系和空间坐标系。坐标轴与工程的轴线平行，如轴与大坝轴线、大桥轴线、隧道轴线或厂房轴线平行。工程坐标系中，常采用固定一点和一方向的最小约束基准。坐标转换：平移、旋转和尺度共七参数。,我国现采用的三维地心大地测量坐标系为CGCS2000。,3.2.1角度测量,角度是几何测量的基本元素，包括水平角,和垂直角。,角度测量的仪器主要是经纬仪，分为光学,经纬仪和电子经纬仪两大类。,3.2.1角度测量,一、光学经纬仪的基本结构,基本结构主要包括照,准部（望远镜）、读数装,置（含水平度盘、垂直度,盘）、安平设备及基座和,对点器等。,我国光学经纬仪系列分为J07、J1、J2、,J6等型号，J为经纬仪汉语拼音的第一个字,母，下标表示仪器的精度指标。,3.2.1角度测量,二、水平角观测,对仪器进行“对中”和“整平”；,盘左，粗略瞄准一个目标；,仔细对光，消除视差；,精确瞄准目标，取水平度盘读数；,不动调焦镜，盘右，精确瞄准目标，取水平度盘读数；,对于下一个目标，重复上述操作。,3.2.1角度测量,三、垂直角观测,三丝法垂直角观测的具体操作程序：,盘左，按上、中、下三根水平丝的顺序依次,照准同一目标各一次，并分别读竖盘读数；,盘右，同上一样的观测；,分别计算三根水平丝所测得的指标差和垂直,角，并取垂直角的平均值作为一个目标的一测,回之值。,若仅使用中间的水平丝进行观测，则称为“中丝法”,3.2.1角度测量,四、电子经纬仪,在光学经纬仪的照准部中，将读数系统,用电子度盘替代光学模拟度盘，实现度盘读,数的自动化，则成为电子经纬仪。,用于电子经纬仪的角度传感器主要有两,种：编码度盘和动态测角系统。,3.2.1角度测量,五、目标照准自动化（基本原理）,带ATR望远镜结构示意图,3.2.1角度测量,五、目标照准自动化,在角度测量时，ATR自动识别并照准目标主,要有三个过程：,目标搜索过程,目标照准过,程和测量过程,3.2.1角度测量,六、全自动陀螺经纬仪,经纬仪与陀螺仪配合使用，成为陀螺经纬,仪。目前，自动化陀螺经纬仪的主要产品有德,国威斯特发伦采矿联合公司的Gyromat2000和,日本索佳公司（SOKKIA）的AGP1等。,AGP1,GYROMAT2000,3.2.1角度测量,六、全自动陀螺经纬仪,陀螺经纬仪的基本结构,注：,陀螺马达,灵敏部,悬挂带,自动定向原理,陀螺仪悬挂结构示意图,3.2.1角度测量,六、全自动陀螺经纬仪,测量步骤,将仪器安置到三脚架上并精确对中、整平；,连接陀螺仪与经纬仪之间的数据通信电缆；,经纬仪开机，陀螺仪开机；,启动测量程序进行定向测量；,经纬仪照准测线目标，盘左、盘右观测两测,回，将结果输入到陀螺仪中，即可计算并显示,测线方位角。,3.2.1角度测量,六、全自动陀螺经纬仪,测角装置采用TDA5005全,站仪，还实现了目标的自,动跟踪功能。,国产TDA5005+Y/JTG-1陀螺经纬仪,3.2.2方向测量,确定地面任一方向与真北方向间夹角的测量称方向测量（又称方位角测量），,方法主要有三种：,罗盘,GNSS（全球导航卫星系统）,陀螺仪,3.2.3距离测量,距离是几何测量的基本元素，距离测量的,方法主要有三种：,直接丈量,间接视距测量,物理测距,3.2.3距离测量,一、钢尺量距,钢尺量距一般包括以下几方面工作：,定线,量距,测量定向桩之间的高差,成果整理,4.2距离测量,二、电磁波测距,电磁波测距是通过测定电磁波在待测,距离上往返传播的时间，利用下列基,本公式来计算待测距离的。,4.2距离测量,二、电磁波测距,相位式测距原理：,相位式测距是通过测量调制波在测线,上往返传播所产生的相位移间接地测定电,磁波在测线上往返传播时间的。,相位式测距原理,4.2距离测量,二、电磁波测距,电磁波测距仪分类,按载波分：光波测距仪、微波测距仪和多载,波测距仪；,按测程分：短程测距仪、中程测距仪、远程,测距仪和超远程测距仪；,按精度分：超高精度测距仪、高精度测距仪、,一般精度测距仪；,按测距方式分：脉冲式测距仪、相位式测距,仪和混合式测距仪,4.2距离测量,二、电磁波测距,电磁波测距仪的使用,测距仪一般由照准头、控制器、电源和反,射器四部分组成，一般与经纬仪连接使用。,仪器加常数和乘常数改正,气象改正,倾斜改正,4.2距离测量,三、双频激光干涉测距,4.2距离测量,三、双频激光干涉测距,用双频激光干涉仪检定测距仪,干涉仪、测距仪反射镜,4.2距离测量,四、偏距测量,尼龙丝准直系统,系统由三部分组成：尼龙丝，带有探测,器的尺子及控制装置,激光准直系统,该系统由一带有专门光学系统的激光源,及一台差示光电管接收机组成,4.3高程测量,一、几何水准测量,电子水准仪基本结构,基本构造由光学机械部分、自动安平补偿,装置和电子设备组成。电子设备主要包括：,调焦编码器、光电传感器（即线阵CCD器,件）、读数电子元件、单片微处理机、接口,（外部电源和外部存储记录）、显示器件、,键盘以及影像数据处理软件等，标尺采用条,形码标尺供电子测量使用。,4.3高程测量,一、几何水准测量,部,分,电,子,水,徕卡DNA03/10,徕卡DNA03/蔡司DINI1010,准,仪,的,外,观,图,徕卡D拓普康,徕卡DNA索佳SDL203/10,DL101/102NA03/10,4.3高程测量,一、几何水准测量,电子水准仪的测量原理,由于生产电子水准仪的各厂家采用不同的专,利，测量标尺也各不相同，因此读数原理各,异，下面主要介绍徕卡和蔡司两家公司生产,的电子水准仪的测量原理。,4.3高程测量,一、几何水准测量（徕卡电子水准仪原理）,4.3高程测量,一、几何水准测量（蔡司电子水准仪原理）,4.3高程测量,一、几何水准测量,电子水准仪的性能及特点,它与传统光学水准仪相比有以下：,优点：,缺点：,电子水准仪对标尺进行读,读数客观,数不如光学水准仪灵活,精度高,电子水准仪受外界条件影,速度快,响较大,效率高,操作简单,4.3高程测量,一、几何水准测量,电子水准仪的应用,由于电子水准仪优点显著，目前已经广,泛应用于大地测量、工程测量、工业测,量等领域。,4.3高程测量,二、液体静力水准测量,4.3高程测量,三、三角高程测量,4.3高程测量,四、倾斜测量,虽然地面或建筑物的倾斜可用常规的测量,方法测定两点间高差的变化，从而求出倾斜,值，但在一些工作面倾斜测量和连续自动化倾,斜监测中，一般采用专用的倾斜测量仪。目前,倾斜仪的种类很多，大体可以分为“短基线”,倾斜仪和“长基线”倾斜仪两种。前者一般用,垂直摆锤或水准气泡作为参考线；后者一般根,据静力水准测量的原理做成。,4.5坐标测量,一、全站仪测量,速测术与速测仪,全站型电子速测仪,全站仪的系统结构,全站仪的分类,全站仪的发展趋势,4.5坐标测量,二、全球定位系统（GPS）,伪距法定位原理,载波相位测量原理,GPS作业方式,GPS数据处理,GPS定位的误差来源,4.5坐标测量,三、激光跟踪仪,目前，国际上主要有三家仪器公司生产激光,跟踪仪，分别是瑞士徕卡公司，美国SMX公司,（现已并如FARO）、API公司。,徕卡LTD500,SMXTracker4500,APITrackerII,4.5坐标测量,三、激光跟踪仪,激光跟踪仪的基本组成,角度测量部分,距离测量部分,跟踪部分,控制部分,支撑部分,4.5坐标测量,三、激光跟踪仪,激光跟踪仪的测量原理和坐标系,激光干涉测距原理,4.5坐标测量,三、激光跟踪仪,激光跟踪仪的测量原理和坐标系,激光跟踪仪坐标测量原理图,4.5坐标测量,三、激光跟踪仪,激光跟踪仪应用,CCD传感器的校准,车身在线检测设备,4.5坐标测量,四、激光扫描仪,LR200激光雷达,不同厂家激光扫描仪外型,4.7其他测量仪器,一、手持式激光测距仪,4.7其他测量仪器,一、手持式激光测距仪,手持式激光测距仪的应用,测量不便时,环境干扰时,装修与房产,4.7其他测量仪器,二、激光扫平仪,水平面,垂,直,面,水平和垂直平面扫描,激光扫平仪和探测器,4.7其他测量仪器,三、投点仪,A.天顶仪,B.天底仪,C.天顶天底仪,D.激光天顶仪,光学或激光投点仪,3.4特殊测量技术和方法,3.4.1基准线法测量,、光学法、光电法、机械法,基准线法测量是构成一条基准线（或基准面），通过测量获取沿基准线所布设的测量点到基准线（或基准面）的偏离值（称偏距或垂距），以确定测量点相对于基准线的距离的测量。,3.4特殊测量技术和方法,、光学法,测小角法是精密测量基准线与置镜点到测点视线间的小角，按下式计算偏距：=式中，为置镜点到测点的距离。偏距的精度主要与小角的测量精度有关，且与距离成正比，但距离误差的影响可忽略不计。故有：=,3.4特殊测量技术和方法,、光学法,活动觇牌法：偏距是直接利用安置在测点上的活动觇牌测定的，活动觇牌读数尺上的最小分划为1mm，用游标可读到0.1mm。测小角法和活动觇牌法的主要误差来源都是仪器照准觇牌时的照准误差，它们的测量偏距的精度基本相当。,3.4特殊测量技术和方法,、光学法,活动觇牌法：偏距是直接利用安置在测点上的活动觇牌测定的，活动觇牌读数尺上的最小分划为1mm，用游标可读到0.1mm。测小角法和活动觇牌法的主要误差来源都是仪器照准觇牌时的照准误差，它们的测量偏距的精度基本相当。,谢谢大家！,4.4准直测量,一、光的相干性原理,因为光具有波动性，所以如机械波那样，,当两列光波频率相同、方向相同、相位相同或,相位差恒定时，这两列光波将产生干涉现象。,光的相干性,4.4准直测量,二、波带板激光准直测量的设备,波带板激光准直设备主要有以下部件组成：,He-Ne激光器，用于发射激光。,波带板,(a)圆形波带板,(b)方形波带板,激光探测器,4.4准直测量,三、波带板激光准直测量方法,波带板激光准直测量步骤如下：,在一基准点A安置激光器；,在另一基准点B安置探测器；,在待测点i安置一特定“焦距”的波带板。,i,sAi,i,i=,i,i,sAB,A(S),B(K