《工程测量》第五章---距离测量与直线定向VIP

第五章距离测量与直线定向,DistanceMeasurementsandLinearOrientation,章节要目,钢尺量距视距测量电磁波测距仪全站仪直线定向,引言,测量距离实质：两点间的距离指两点间的水平直线距离，即两点投影在水平面上的距离。如果测量的是斜距(Slopedistance)，必须换算成水平距离(Horizontaldistance)。距离测量方法：钢尺量距，视距测量，电磁波测距，三角测量法，卫星测距等。,钢尺量距(steeltapeDM)：是用钢卷尺沿地面直接丈量距离；电磁波测距(EDM):是用仪器发射并接收电磁波，通过测量电磁波在待测距离上往返传播的时间解算出距离；视距测量(Stadiameasurement):是利用经纬仪或水准仪望远镜中的视距丝及视距标尺按几何光学原理进行测距；三角测量(Triangulation)法间接测距:三角学原理间接测出距离。卫星测距（Satelliteranging）：利用GPS定位设备，测定两点间的距离。,引言,5.1钢尺量距,1.基本工具：钢尺钢尺是用钢制成的带状尺，尺的宽度约1015mm，厚度约0.4mm，长度有20m、30m、50m等几种。钢尺有卷放在圆盘形的尺壳内的，也有卷放在金属尺架上的。钢尺的基本分划为毫米，在每厘米、每分米及每米处印有数字注记。根据零点位置的不同，钢尺有端点尺和刻划尺两种。端点尺是以尺的最外端作为尺的零点；刻线尺是以尺前端的一刻线作为尺的零点。,钢尺量距的辅助工具有：,测钎(measuringrod)标杆(measuringbar)垂球(plumbbob)精密量距时还需要弹簧秤温度计尺夹。,基本工具：因瓦尺，是用镍铁合金,形状是线状，直径1.5mm，长度为24m，尺身无分划和数字注记。在尺两端各连一个三棱形的分划尺，长8cm，其上分划最小为1mm。因瓦基准尺全套由4根主尺和一根8m或4m长的辅尺组成。因瓦尺因受温度变化引起尺长伸缩变化小，量距精度高，可达到1/1000000，可用于精密量距，但量距十分繁琐，常用于精度要求很高的基线丈量中。,条件：两点间的距离大于钢尺长度或地面起伏较大，需分段（breaking)丈量。要求：分段点位于同一直线上。直线定线：将分段点标定在一条直线上的工作。（距离较长或起伏较大）方法：（1）目估直线定线（目估定线）：用人眼二点一线原理。适用于钢尺一般量距。（2）经纬仪直线定线：精度高。钢尺精密量距。,2、直线定线,设A、B两点互相通视，要在A、B两点的直线上标出分段点1、2点。先在A、B点上竖立标杆，甲站在A点标杆后约一米处，指挥乙左右移动标杆，直到甲从在A点沿标杆的同一侧看到A、2、B三支标杆成一条线为止。,经纬仪定线,设A、B两点互相通视，将经纬仪安置在A点，用望远镜纵丝瞄准B点，制动照准部，望远镜上下转动，指挥在两点间某一点上的助手，左右移动标杆，直至标杆像为纵丝所平分。为减小照准误差，精密定线时，可以用直径更细的测钎或垂球线代替标杆。,经纬仪定线,根据量距精度有两种方法：钢尺一般量距：整尺法量距钢尺精密量距：串尺法量距根据地形不同：水平量距法倾斜量距法,3、量距方法,（1.）钢尺一般量距整尺法量距,丈量工作一般由两人进行。平坦地区，量距精度要求不高，直接将钢尺沿地面丈量，不加温度改正和不用弹簧称控制拉力。,（2.）高低不平地面丈量,用水平钢尺法。丈量时将钢尺抬起拉平，端点位置一般用垂球投向地面。,要求：往返丈量，返测重新定线，量距精度以相对误差表示：,一般地区应K不大于1/3000，在量距困难地区应不大于1/1000。精度满足要求后，取往返观测距离的平均值作为最终丈量结果。例如：AB的往测距离162.78米，返测距离162.73米，则相对误差：,钢尺一般量距检核,（3.）精密量距串尺法量距,量距精度要求在1/10000以上时。方法步骤：第一步:经纬仪定线，概量，分段钉尺段桩；第二步:经纬仪定线，划量距标记；第三步:量距：5人一组，弹簧称控制拉力（30米钢尺施加100N力），温度计测温度。读数到0.5mm,每段读数3次，距离误差小于3mm，取平均值。,第四步:水准仪测尺段桩顶高差。往返测。第五步:往返丈量第六步:成果整理,表5-1精密量距记录计算表,1、尺长改正：,4、钢尺精密量距:成果整理,钢尺的名义长度为l0，在标准温度、标准拉力下经检定的实际长度为，则尺长改正数为：,2、温度改正：,为钢尺的膨胀系数，=0.0000125m/10C,3、倾斜改正：,每一尺段经三项改正后的水平距离为：,精密量距的成果见表,5.钢尺检定,目的：求得钢尺两端点刻划间的实际长度。方法：用钢尺对一段精确的标准长度进行丈量，从而求得钢尺的尺长改正数。该检定场地也称为“比尺场”。,作法：“比尺场”为理想的砼条形场地，埋有尺段标志。将待检定的钢尺，用精密量距的方法，对该标准距离L进行丈量。通过对量距结果的整理，得出该钢尺的尺长方程式。,钢尺使用注意及保养：质脆易断，防扭曲、防折、防压。用后擦干、擦净，上油防锈。,5.1.6钢尺量距的误差分析,影响钢尺量距精度的因素很多，主要有定线误差、尺长误差、温度测定误差、钢尺倾斜误差、拉力不均误差、钢尺对准误差、读数误差等。现分析各项误差对量距的影响，要求钢尺精密量距各项误差对测距影响在1/30000以内。普通量距在1/10000以内。,当l=30m，要求则=0.12m。一般目估定线即可达到该精度。,6.钢尺量距的误差分析,(1)、定线误差：,6.钢尺量距的误差分析,钢尺名义长度与实际长度之差产生的尺长误差对量距的影响随距离的增加而增加。高精度量距时，应加尺长改正，并要求钢尺检定误差小于1mm。,(2)、尺长误差,(3)、温度误差,根据钢尺温度改正公式，当温度变化30C时，引起的距离误差为1/30000。一般测量时温度计显示的是空气环境温度，不是钢尺本身的温度。在阳光暴晒下，钢尺温度与环境温度可相差50C，量距误差大于1/30000。因此，量距宜在阴天进行，用半导体温度计测量钢尺自身温度。,6.钢尺量距的误差分析,钢尺有弹性，受拉伸长。钢尺的弹性模量为E=2106kg/cm2，设钢尺的断面面积A=0.04cm2，钢尺的拉力误差为P，由虎克定律，钢尺的伸长误差为,当P=3kg，l=30m，得量距误差为1mm。在精密量距时应用弹簧称控制拉力。,(4)、拉力改正,6.钢尺量距的误差分析,在精密量距时，可用普通水准仪测定高差。当普通量距时，经统计目估钢尺水平会产生50的倾斜。当l=30m（水平），相当于0.44m的高差误差，量距误差为3mm。,(5)、钢尺倾斜误差,高差大小和测定误差对测距精度有影响。对于30m长的钢尺，当高差等于1m，高差误差为5mm时，产生的测距误差为：,钢尺倾斜使距离测量值偏大：,6.钢尺量距的误差分析,钢尺对点误差、测钎安置误差、垂球对点误差、读数误差。是主要的误差来源,总之：一般和精密量距时定线误差、尺长误差、温度测定误差、钢尺倾斜误差、拉力不均匀误差均可忽略。钢尺对点误差、测钎安置误差、垂球对点误差、读数误差是主要的误差来源。,(6).钢尺对准及读数误差,视距测量,一、视距测量概念：利用望远镜的视距装置和视距尺，根据几何光学和三角测量原理，同时测定两点间的水平距离和高差的一种方法。,视距丝,视距尺,普通视距测量精度：1/2001/300，适用于地形测量等。精密视距测量精度：1/2000。,优点：测量速度快，不受地形限制。不足：精度低，距离相对误差一般约为1/300，高差一般为分米级。用途：主要用于碎部测量。(地形点的距离与高差)。,1、视线水平时,l_上下丝间隔(视距间隔)(l=m-n)i_仪器高s_中丝读数,二、视距测量原理：,视线水平时视距测量公式,f1+是固定值，D与l有什么关系呢？,关键是推导D与l的关系,上图所示：,p,十字丝,p,p,令：,现代经纬仪、水准仪K=100，C0。,（1）.视距公式：,（2）.高差公式:,h,2、视线倾斜时,（2）.高差公式：,（1）.视距公式：,高差主值:,D=Kl,高差:,读数取位：上丝读数M读至毫米下丝读数N读至毫米中丝读数v读至厘米竖盘读数L读至分,视距测量步骤及注意,欲测AB两点间的水平距离和高差：1、在A点安置经纬仪，对中、整平，量取仪器高i。2、用望远镜瞄准B点的视距尺，指标水准管气泡居中后，读取竖盘读数L，以及上丝M、中丝V、下丝N的读数。记录到手簿中。3、计算尺间隔和竖直角，再计算水平距离和高差。,视距测量表,实验5视距测量,一、实验准备1.仪器工具：经纬仪一台、测伞一把、记录板(含记录纸)一块，计算器自备、水准尺。二、视距观测:1、按要求在地面点安置经纬仪；2、对中，整平，量取仪器高度；3、瞄准视距尺，某一刻度（仪器高度i），指标水准管气泡居中；4、读数：M，N，v，L5、按公式计算水平距离，高差，高程。检核,5.3电磁波测距仪,钢尺量距的缺点：劳动强度大，工作效率低，精度一般能达到1/1000-1/5000。视距测量的缺点：精度低，一般能达到1/200-1/300。20世纪60年代，随着激光技术和电子技术的发展，利用电磁波作为载波，在其上调制测距信号间接测定两点间距离电磁波测距(Electro-magneticDistanceMeasuring，简称EDM)。电磁波测距的优点：测程远，精度高，操作简便，作业速度快，劳动强度低，几乎不受地形限制等；配合电子记录手簿，可实现自动记录、存储和输出测量结果。,1948年，瑞典AGA公司(现更名为Geotronics(捷创力)公司)研制成功了世界上第一台电磁波测距仪，它采用白炽灯发射的光波作载波，应用了大量的电子管元件，仪器相当笨重且功耗大。为避开白天太阳光对测距信号的干扰，只能在夜间作业，测距操作和计算都比较复杂。1960年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一台氦-氖激光器，1962年砷化镓半导体激光器研制成功。与白炽灯比较，激光器的优点是发散角小、大气穿透力强、传输的距离远、不受白天太阳光干扰、基本上可以全天侯作业。,1967年AGA公司推出了世界上第一台商品化的激光测距仪AGA-8。该仪器采用5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为40km，夜间测程达60km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量23kg。我国的武汉地震大队也于1969年研制成功了JCY-1型激光测距仪，1974年又研制并生产了JCY-2型激光测距仪。该仪器采用2.5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量16.3kg。,瑞典AGA公司生产的AGA-8激光测距仪,用5mw氦氖气体激光器白天测40km，夜间可测60km精度：5mm+1ppm,随着半导体技术的发展，从60年代末70年代初起，采用砷化镓发光二极管作发光元件的红外测距仪逐渐在世界上流行起来。与激光测距仪比较，红外测距仪有体积小、重量轻、功耗小、测距快、自动化程度高等优点。由于红外光的发散角比激光大，所以红外测距仪的测程一般小于15km。,T2+DI10，1968年Wild推出的第一台红外测距仪,Wild生产的微波测距仪,电磁波测距从使用普通光源，到激光、红外光、无线电波并用。目前测距仪和电子经纬仪及计算机软硬件制造在一起，形成的全站仪，以及自动化、智能化和利用蓝牙技术实现测量数据的无线传输的测量机器人已经在生产中使用。,1、按测程划分：15km远程测距仪2、按测量精度划分：I级：mD10mm3、按载波不同划分：微波测距仪光电测距仪（激光与红外）,测距仪的分类,一、电磁波测距基本原理,利用电磁波作为载波，在其上调制测距信号测定两点间距离。电磁波在测线两端往返传播的时间为t，则可求的两点间的距离D。,A,B,D,1、脉冲法测距：,测量发射尖脉冲在待测距离上往返传播时间计算距离。钟脉冲的振荡频率f0，周期T0=1/f0计数器的时钟脉冲数q，光脉冲往返传播时间t2D=qT0问题电子计数器只能记忆整数时钟脉冲数。,测相系统,发射系统,接收系统,发,收,发,收,一、相位法测距原理(PrinciplesofDistanceMeasurementbyPhase),2、相位式测距,相位式测距原理,设调制信号为正弦信号，包含2的整倍数N2，和不足2的尾数部分，即：,(7)代入(6):,相位式测距原理,令:“光测尺”，“电子尺”,(8)式改写成:,相位式测距仪是用长度为Ls的“测尺”去量测距离，量了N个整尺段加上不足一个Ls的长度就是所测距离。采用多个“测尺”组合实现测距技术过程。设计；精测尺+粗测尺测距。,相位式测距原理,调制频率与测尺长度的关系,测尺精度：1000分之一,二、测距仪的工作原理和工作过程,三、测距边长改正计算,1.气象改正：大气折射率ng是载波波长、大气温度、大气压力、大气湿度的函数。仪器设计时发射光源的波长是确定的，然后确定一个标准温度、标准气压和湿度，得到标准条件下的折射率。,实际测距时的气温、气压和湿度与标准条件有差异，实际测距时，需要测定测线上的温度、湿度和气压，对所测距离进行气象改正。,2.仪器常数改正,加常数(K):仪器和反光镜（中心不重合、相位延迟）乘常数(R):仪器震荡频率偏移，影响测尺长。,3.倾斜改正：,现代测距仪（全站仪）都可进行改正数预置，测量时自动进行改正，无需计算。,测距仪的标称精度：,内容回顾,视距测量原理测距仪：相位法测距，光测尺粗测和精测,5.4全站仪及其使用,1.功能简介：电子全站仪（速测仪）是集自动测角、测距、测高于一体，实现对测量数据进行自动获取、显示、存储、传输、处理计算的三维测量系统。,电子全站仪由电子经纬仪、电磁波测距仪、微处理器、电源装置和反射棱镜等组成。全站仪的主要品牌有NTS、Topcon、SOKKIA、Pentax、Nikon、Leica、Zeiss、Trimle。,全站仪结构原理图,2.全站仪的构造特点,1）三轴同一,2.全站仪的构造特点,2）键盘输入屏幕显示3）数据存储与通讯存储3000点以上观测数据的内部存储器，外插存储卡如CF卡或SD卡。RS-232C标准接口或USB接口与计算机进行双向数据通讯，并可与自动绘图机联接。4）仪器误差和气象条件的自动改正双轴补偿装置和竖盘自动归零补偿装置；输入相应气象数据、棱镜常数对所测距离进行自动改正。5）免棱镜测距，电子气泡、激光对点器。,3.全站仪的功能,角度测量距离测量坐标及高程测量特殊测量功能偏心测量、对边测量、面积测量、悬高测量和工程放样等等。,如图，将全站仪安置在已知点A，棱镜设置在待定点P，输入A点已知坐标及仪器高和棱镜高后，先后视已知点B并输入B点坐标（后视已知点是为了设置方向位角）然后瞄准P点处棱镜并进行观测，仪器即可显示待定P的三维坐标。,A,P,B,基本功能-三维坐标测量,对边测量,如图，分别瞄准两个目标点处的棱镜并观测后，仪器即可显示出两个棱镜之间的平距(HD)、斜距(S)、高差(V)和坡度（%）。对边测量可以连续进行。,V,全站仪的程序功能,悬高测量,如图，要测量某些不能设置反射棱镜的目标（高压电线、桥梁桁架）的高度时，可在目标正上方或正下方处安置棱镜，输入棱镜高h1，瞄准棱镜并观测后，再瞄准目标，仪器即可显示目标的高度H,全站仪的程序功能,后方交会测量,如图，全站仪安置在某一待定点上，通过对两个以上的已知点处的棱镜进行观测，并输入各已知点三维坐标及仪器高和棱镜高后，全站仪即可显示待定点的三维坐标。,全站仪的程序功能,放样测量,将要测设的角度和边长（或坐标值）输入全站仪，在放样过程中仪器显示角度和边长的实测值与放样值之差，根据显示的偏离值及符号调整棱镜位置，直至偏离值为零，此时棱镜所处位置即为要测设的点位。有的电子全站仪还可通过图形显示出棱镜上下左右前后的移动方向。,全站仪的程序功能,偏心测量,如图，若待定点处不能设置棱镜，可将棱镜设置在待定点的左侧或右侧，并使棱镜至站点的距离相当，瞄准棱镜并进行观测，再照准待定点，仪器即可显示待定点的坐标。,不同厂家生产的电子全站仪其键盘设计并不完全相同，实现相同测量功能的按键程序和步骤也不完全一样，具体使用应参见厂家的使用说明书。,全站仪的程序功能,4.NTS-660全站仪,该仪器是高智能化程度的全站仪，采用图标菜单，绝对数码度盘；具备常用的基本测量模式（角度测量、距离测量、坐标测量）和特殊测量程序(悬高测量、偏心测量、对边测量、距离放样、坐标放样、后方交会)，还预装了标准测量程序，为控制测量、地形测量、工程放样提供条件。,NTS660系列全站仪的各个部件和外形,NTS660系列全站仪的各个部件和外形,NTS660系列全站仪有：NTS-662、NTS-663、NTS-665三种型号，测角分别为和；单棱镜测程分别为1.8km、1.6km和1.4km；三棱镜测程分别为2.6km、2.3km和2.0km；测距精度均为。,4.NTS-660全站仪,NTS-660系列全站仪的操作面板,各键名称和功能及屏幕显示符号表,NTS660全站仪的基本操作,测量前的准备工作在关机状态安装好电池,按照普通光学经纬仪对中、整平的方法，将全站仪安置在测站点上。将反射棱镜安置在目标处。打开电源开关，显示主菜单。按照屏幕提示使用功能和菜单键输入棱镜常数，根据量得的温度和气压，如量度单位、气象改正、倾斜改正等，设定键进行设置。根据工作需要，按照主菜单用软键选择测量方式，选择菜单项可按软键F1F6进行各项测量操作。测量完毕关机,4.NTS-660全站仪,5.全站仪的养护,（1）仪器应经常保持清洁，用完后使用毛刷、软布将仪器上的灰尘除去。镜头不要用手去摸，如果赃了，可用吹风器吹去浮土，再用镜头纸擦净。（2）棱镜应保持干净，不用时要放在安全的地方。如有箱子应装在箱内。以避免碰坏。仪器应放在清洁、干燥、安全的房间内，并有专人保管。（3）电池充电应按说明书的要求进行。（4）.阳光（雨天）撑伞。（5）.避开高压线、变压器等强磁场。（6）.测距结束关机。（7）.防潮、防震、防高温。,5.5直线定向,一、定义:确定直线与标准方向之间的水平角度的工作称为直线定向。二、标准方向的种类真子午线方向磁子午线方向坐标纵轴方向,1真子午线方向通过地球表面某点真子午线的切线方向，称为该点的真子午线方向，真子午线方向是用天文测量方法或用陀螺经纬仪测定的。2磁子午线方向磁子午线方向是磁针在地球磁场的作用下，磁针自由静止时其轴线所指的方向。磁子午线方向可用罗盘仪测定。3坐标纵轴方向(中央子午线方向)第二章述及，我国采用高斯平面直角坐标系，每一6带或3带内都以该带的中央子午线为坐标纵轴方向。因此，该带内直线定向，就用该带的坐标纵轴方向作为标准方向。对假定坐标系，则用假定的坐标纵轴(X轴)作为标准方向。,二、标准方向的种类,真子午线方向,磁子午线方向,坐标纵线方向,某一个投影分带,测量上常将上述方向线绘在地图图廓线下方，也称三北方向线。,(一)、方位角:由标准方向的北端起，顺时针方向量到某直线的夹角，称为该直线的方位角，其角值从0360。,真方位角：A磁方位角：Am坐标方位角：,三.直线定向的方法:,1.真方位角和磁方位角之间的关系,地球磁极与地球旋转轴南北极不重合，过地面上某点的真子午线与磁子午线不重合。两者之间夹角为磁偏角用表示。,直线的真方位角与磁方位角之间可用下式换算:,我国磁偏角的变化大约在+6到-10之间。北京地区磁偏角为西偏,约-5左右。,2.真方位角和坐标方位角,地面上在不同经度的子午线都会聚于两极，所以真子午线方向除了在赤道上的各点外，彼此都不平行。地面上两点子午线方向的夹角，称为,子午线收敛角，用表示。,真方位角和坐标方位角之间可用下式换算：,P,Q,N,X,N,1,2,3PQ,5mPQ,4PQ,2,3,4,5,1,三种方位角之间的关