《土木工程测量》第03章new

1、土木工程测量土木工程测量第三章第三章 角度测量角度测量 第三章第三章 角度测量角度测量 角度测量原理角度测量原理 经纬仪构造经纬仪构造 水平角测量方法水平角测量方法 竖直角测量方法竖直角测量方法 经纬仪检验和校正经纬仪检验和校正 角度测量误差分析角度测量误差分析角度角度是传统大地测量与工程测量中必不可少的元素经纬仪经纬仪（theodolite）是测量空间点位在水平面或竖直面内所构成的夹角的精密仪器3.1 3.1 水平角和竖直角的测量原理水平角和竖直角的测量原理 一、水平角一、水平角(horizontal angle) 定义定义 从空间一点出发的从空间一点出发的两条空间直线在水平两条空间直线在水

2、平投影面上的夹角。投影面上的夹角。范围：顺时针范围：顺时针0 03603600 0 水水平平面面abc ABC0ca水平度盘水平度盘(horizontal circle)二二. .竖直角竖直角(vertical angle)定义定义天顶天顶铅铅垂垂线线水平线ACAZCZACB090 180270在同一竖直面内，瞄准目标的视线与水平视线的夹角。在同一竖直面内，瞄准目标的视线与水平视线的夹角。其范围：其范围： =0=09090 ，仰角为，仰角为正正，俯角为，俯角为负负。3-2 3-2 光学经纬仪光学经纬仪(optical theodolite)的构造的构造 经纬仪是测角的仪器，按精度经纬仪是测角的

3、仪器，按精度有：有： DJ6DJ6、DJ2DJ2。 一、一、DJ6DJ6经纬仪的构造及作用经纬仪的构造及作用 1 1、照准部、照准部(alidade)(alidade) 2 2、水平度盘、水平度盘(horizontal circle)(horizontal circle) 3 3、基座、基座( (tribrachtribrach) )垂直制动垂直制动水平微动水平微动读数目镜读数目镜水平度盘转换轮水平度盘转换轮垂直微动垂直微动光学对中器光学对中器望远镜望远镜圆水准器圆水准器1.1.照准部照准部(alidade)l照准部照准部( (水平水平) )制动、微动制动、微动l望远镜望远镜( (竖直竖直)

4、)制动、微动制动、微动l水准器水准器l望远镜望远镜 目镜调焦，物镜调焦目镜调焦，物镜调焦 粗瞄准器，十字丝粗瞄准器，十字丝读数显微镜读数显微镜竖直度盘竖直度盘光学对点器光学对点器复测扳手或度盘变换器复测扳手或度盘变换器 望远镜十字丝望远镜十字丝2.2.水平度盘水平度盘(horizontal circle)水平度盘由光学玻璃制成水平度盘由光学玻璃制成 顺时针顺时针0 0 360360刻度；刻度； 2水平度盘与照准部相互脱离；水平度盘与照准部相互脱离； 3改变度盘位置，要使用度盘变换手轮或复测改变度盘位置，要使用度盘变换手轮或复测 扳手。扳手。090180270脚螺旋用于整平仪器脚螺旋用于整平仪器

5、测钎、标杆和觇牌测钎、标杆和觇牌 测钎：适用与距测站较近的目标。测钎：适用与距测站较近的目标。 标杆：适用与距测站较远的目标。标杆：适用与距测站较远的目标。 觇牌：固定在三脚架上使用，远近皆可适用；觇牌：固定在三脚架上使用，远近皆可适用； 一般为红白或黑白相间且常与棱镜结合，用于电一般为红白或黑白相间且常与棱镜结合，用于电子经纬仪或全站仪。子经纬仪或全站仪。 有时也可悬挂垂球用垂球线作为瞄准标志。有时也可悬挂垂球用垂球线作为瞄准标志。二、经纬仪操作二、经纬仪操作 1 1、2 2 联结与对中联结与对中 （1 1）打开脚架：（高度适中）打开脚架：（高度适中） （2 2）粗略对中：移脚架，目估架顶大

6、致平，对）粗略对中：移脚架，目估架顶大致平，对点误差点误差2cm2cm （3 3）联结：连上仪器，中心螺旋拧紧后松开）联结：连上仪器，中心螺旋拧紧后松开半半周周 （4 4）再在架顶移动仪器，使准确对点，拧紧中）再在架顶移动仪器，使准确对点，拧紧中心螺旋心螺旋3 3、整平：（粗平和精平）、整平：（粗平和精平） 粗平是通过粗平是通过伸缩脚架腿伸缩脚架腿使圆水准气泡居中，其使圆水准气泡居中，其规律是圆水准气泡向伸高脚架腿的一侧移动，或规律是圆水准气泡向伸高脚架腿的一侧移动，或圆水准气泡移动方向与用左手大拇指和右手食指圆水准气泡移动方向与用左手大拇指和右手食指旋转脚螺旋的方向一致；旋转脚螺旋的方向一致

7、； 精平是通过精平是通过旋转脚螺旋旋转脚螺旋使管水准气泡居中，要使管水准气泡居中，要求分别转动照准部使管水准器轴旋至相互垂直的求分别转动照准部使管水准器轴旋至相互垂直的两个方向上使气泡居中，其中一个方向应与任意两个方向上使气泡居中，其中一个方向应与任意两个脚螺旋中心的连线方向平行。两个脚螺旋中心的连线方向平行。操作步骤操作步骤 先将照准部转动，使水准管轴先将照准部转动，使水准管轴平行于一对脚螺旋的连线，两平行于一对脚螺旋的连线，两手相对转动脚螺旋，使气泡居手相对转动脚螺旋，使气泡居中，然后将照准部平转中，然后将照准部平转9090度，度，转第三个脚螺旋，使气泡居中。转第三个脚螺旋，使气泡居中。（

8、此过程需反复）（此过程需反复）注意：注意：（1 1）两脚螺旋相对旋转）两脚螺旋相对旋转（2 2）气泡移动方向与左手大拇）气泡移动方向与左手大拇指移动一致指移动一致（3 3）脚螺旋顺时针升高）脚螺旋顺时针升高地面控制点地面控制点（ground control point, GCP）垂球对中、整平垂球对中、整平光学对中、整平光学对中、整平光学对中器法光学对中器法 大致水平大致对中大致水平大致对中 眼睛看着对中器，拖动三脚架两个脚眼睛看着对中器，拖动三脚架两个脚, ,使仪使仪器大致对中器大致对中, ,并保持并保持“架头架头”大致水平。大致水平。 伸缩脚架粗平伸缩脚架粗平 根据气泡位置，伸缩三脚架两个

9、脚或一个根据气泡位置，伸缩三脚架两个脚或一个脚，使圆水准气泡居中。脚，使圆水准气泡居中。脚螺旋精平脚螺旋精平左手大拇指法则左手大拇指法则a a、转动仪器，使水准管与脚螺旋、转动仪器，使水准管与脚螺旋1 1、2 2连线平行。连线平行。b b、根据气泡位置运用法则，对向旋转脚螺旋、根据气泡位置运用法则，对向旋转脚螺旋1 1、2 2 。c c、转动仪器、转动仪器90900 0，运用法则，旋转脚螺旋，运用法则，旋转脚螺旋3 3 。d d、架头上移动仪器，精确对中、架头上移动仪器，精确对中e e、脚螺旋精平、脚螺旋精平f f、反复、反复d d、e e两步。两步。 气泡居中，气泡居中，1、2等高等高123

10、气泡居中，气泡居中，3与与1、2等高等高1234 4、瞄准瞄准 步骤：粗瞄步骤：粗瞄制动制动调焦调焦微动精瞄。微动精瞄。（1 1）准星粗瞄，制动）准星粗瞄，制动（2 2）目镜对光：使十字丝清晰）目镜对光：使十字丝清晰（3 3）物镜对光：使目标影像清晰）物镜对光：使目标影像清晰（4 4）消除视差）消除视差（5 5）旋两微动螺旋，使目标落在纵丝中心）旋两微动螺旋，使目标落在纵丝中心注意：瞄准时，尽量瞄准目标下部。注意：瞄准时，尽量瞄准目标下部。 5 5、读数、读数a) a) 分微尺法分微尺法b) b) 单平板玻璃测微器法单平板玻璃测微器法c) c) 对径符合读法对径符合读法（1 1）打开读数窗反光

11、镜（读数目镜调焦）打开读数窗反光镜（读数目镜调焦）利用利用读数装置图讲解读数装置图讲解 H H（HorizontalHorizontal）：水平）：水平 ； V V(Vertical(Vertical) )：竖直：竖直 、测微器（分微尺）：将测微器（分微尺）：将1 1度分为度分为6060格，格值格，格值1 1分，分，估读估读0.1 0.1 格（格（6 6）（2 2）读数方法：从小往大读，）读数方法：从小往大读，0 0分划线代表指标线分划线代表指标线0 0至至6 6之间的度盘分划线为实际的读数指标线之间的度盘分划线为实际的读数指标线先从与分微尺相截的度盘刻划线上读出整度数，先从与分微尺相截的度盘

12、刻划线上读出整度数，再从相截位置读数分数，并估读秒。再从相截位置读数分数，并估读秒。 注意：注意：分与秒都是分与秒都是2 2位数字，不足位数字，不足2 2位以位以0 0补齐。补齐。 J6J6经纬仪读数方法经纬仪读数方法水平度盘读数：水平度盘读数：737304041818017373（1）分微尺的分划值为）分微尺的分划值为1，估读到估读到 0.1(06)。（2）“H”水平度盘读水平度盘读数，数， “V”竖直度盘竖直度盘读数。读数。 实习实习: :经纬仪操作与读数经纬仪操作与读数u 实习目的实习目的: :使学生掌握使学生掌握J6J6光学经纬仪安置、读数的方法。光学经纬仪安置、读数的方法。u 仪器设

13、备仪器设备: :每组每组J6J6光学经纬仪光学经纬仪2 2台。台。u 实习任务实习任务: :每组每位同学完成经纬仪的整平、对中、瞄每组每位同学完成经纬仪的整平、对中、瞄准、读数工作各一次。不测角度准、读数工作各一次。不测角度u 说明说明: :气泡的移动方向与操作者左手旋转脚螺旋的方向气泡的移动方向与操作者左手旋转脚螺旋的方向一致。一致。要求及注意事项要求及注意事项（1 1）对中）对中2mm2mm，气泡偏离，气泡偏离11格格（2 2）练习度盘对）练习度盘对0 0，对某一目标读数为，对某一目标读数为0 000000000（3 3）不要碰了别人的仪器）不要碰了别人的仪器（4 4）仪器装箱；将所有的制

14、动螺旋松开，按原样）仪器装箱；将所有的制动螺旋松开，按原样装箱装箱（5 5）不准坐仪器箱）不准坐仪器箱（6 6）搬动过程中扣好箱盖）搬动过程中扣好箱盖（7 7）按要求填写实习报告）按要求填写实习报告三、三、J2J2光学经纬仪的构造光学经纬仪的构造 如图与如图与J6J6相比，增加了：相比，增加了： 1 1、测微轮、测微轮读数时，对径分划线影像符合。读数时，对径分划线影像符合。 2 2、换像手轮、换像手轮水平读数和竖直读数间的互换。水平读数和竖直读数间的互换。 3 3、竖直读盘反光镜、竖直读盘反光镜竖直读数时反光。竖直读数时反光。 测微轮测微轮换像手轮换像手轮竖直读盘竖直读盘反光镜反光镜四、四、D

15、J2DJ2的读数方法的读数方法 一般采用对径重合读数法一般采用对径重合读数法转动测微轮，转动测微轮，使上下分划线精确重合后读数。使上下分划线精确重合后读数。 水平角测量水平角测量 内容提要：内容提要：u水平角测量预备知识水平角测量预备知识u水平角测量测回法水平角测量测回法u水平角测量方向观测法水平角测量方向观测法 复习复习: :水平角测量原理水平角测量原理1 1、水平角定义、水平角定义2 2、特点：顺时针、特点：顺时针0 00 03603600 0水水平平面面acABC0ca水平度盘水平度盘0901802703、计算公式 = =右右( (终终) )边边c c- -左左( (始始) )边边a a

16、当当caca时时 = = c c a a 当当ca ca 时时 = = c+360c+3600 0 a a 水水平平面面acABC0ca水平度盘水平度盘3-3 水平角测量 常用的方法有：常用的方法有：u测回法测回法(method of observation set)u方向观测法方向观测法(method of direction observation)一、两个基本概念：一、两个基本概念：盘左盘左盘右盘右盘左观测盘左观测盘右观测盘右观测竖直度盘竖直度盘竖直度盘竖直度盘二、测回法二、测回法 1、适用：、适用：2个方向的单角（个方向的单角（AOB）（1 1）盘左瞄准左边）盘左瞄准左边A A，读取，

17、读取a a1 1。（2 2）顺时针旋转瞄准右边）顺时针旋转瞄准右边B B，读取，读取b b1 1。 1测站测站ABOa1b1（3 3）顺时针旋转望远镜，）顺时针旋转望远镜，倒镜倒镜成盘右，瞄准右边成盘右，瞄准右边B B，读取，读取b b2 2。（4 4）顺时针旋转瞄准左边）顺时针旋转瞄准左边A A，读取，读取a a2 2。 则下半测回角值则下半测回角值: : 2 2= b= b2 2-a-a2 2（5 5）计算角值）计算角值 若：若： =1 1- -2 2容容3030则有：则有： = = （1 1+ +2 2）/2/2 2测站测站ABOa2b23 3、测回法记录格式、测回法记录格式ABO 25

18、4 24 06180 05 0074 19 06右右ABO左左AB00 04 1874 23 42 74 19 2474 19 15测站测站竖盘竖盘位置位置目标目标水平度水平度盘读数盘读数 半测回半测回角值角值 一测回一测回角值角值 示示 意意 图图u测回法小结测回法小结: :u度盘配置方法度盘配置方法: : 若观测若观测N N个测回，各测回间按个测回，各测回间按180180/N/N的差值的差值来配置度盘。来配置度盘。ABBA左边盘右右边右边盘左左边顺时针倒镜顺时针 实习实习: :测回法测水平角测回法测水平角实习目的实习目的: :使学生掌握水平角的测回法观测。使学生掌握水平角的测回法观测。仪器

19、设备仪器设备: :每组每组J6J6光学经纬仪光学经纬仪2 2台。台。实习任务实习任务: :每人完成每人完成1 1测回（包括观测、记录、计算），测回（包括观测、记录、计算），实验报告上画角度示意图实验报告上画角度示意图说明说明: :注意水平角测量的限差及记录格式。注意水平角测量的限差及记录格式。要求：要求：（1 1）读数：分秒必须记两位，）读数：分秒必须记两位，0 0不能省，秒是不能省，秒是6 6的整倍数。的整倍数。 （2 2）对中误差）对中误差2mm 2mm （3 3）气泡偏离）气泡偏离11x1；J2J2： x30 x30时，要进行时，要进行校正。校正。(2)(2)校正：校正：用指标水准管微动

20、螺旋，使中丝对准（R- x）位置，再有拨针使指标气泡居中。经纬仪的主要轴线经纬仪的主要轴线: :1 1、竖轴、竖轴VV(verticalVV(vertical axis) axis)2 2、水准管轴、水准管轴LL(bubbleLL(bubble tube tube axis)axis)3 3、横轴、横轴HH(horizontalHH(horizontal axis) axis)4 4、视准轴、视准轴CC(collimationCC(collimation axis)axis)5 5、圆水准器轴、圆水准器轴L LL L(circle(circle bubble bubble axis)axis)

21、LLHHCCVVLL 3-6 角度测量的误差分析1 1、VVLL VVLL 照准部水准管轴的检校。照准部水准管轴的检校。2 2、HHHH竖丝竖丝十字丝竖丝的检校十字丝竖丝的检校3 3、HHCC HHCC 视准轴的检校视准轴的检校4 4HHVV HHVV 横轴的检校横轴的检校5 5竖盘指标差应为零竖盘指标差应为零 指标差的检校指标差的检校6 6光学对中器与光学对中器与VVVV重合重合 光学对中器光学对中器的检校的检校7. L7. LL LVVVV圆水准器的检验与校正圆水准器的检验与校正( (次次 要要) )经纬仪轴线应满足的条件经纬仪轴线应满足的条件LLHHCCVVLL一、仪器误差一、仪器误差仪

22、器虽经过检验及校正，但总会有残余的误差存在。仪器误差的影响，一般都是系统性的，可以在工作中通过一定的方法予以消除或减小。( (一一) ) 视线不垂直横轴视线不垂直横轴( (视准轴误差视准轴误差）由于一个角度是由两个方向构成的，则它对角度的影响为：1212secsecccccABBBc111,cosOOBBAOABseccoscos1ccAOOOc( (二二) ) 横轴不垂直竖轴（横轴不垂直竖轴（横轴误差横轴误差）1212tgtgi11tantanOOOOiAOOOtantantantanOOAOi (三) 水准管轴不垂直竖轴(四四) 照准部偏心照准部偏心所谓照准部偏心，即照准部的旋转中心与水平

23、盘所谓照准部偏心，即照准部的旋转中心与水平盘的刻划中心不相重合。的刻划中心不相重合。 这项误差只有在直径一端这项误差只有在直径一端有读数的仪器才有影响，而有读数的仪器才有影响，而采用对径符合读法的仪器，采用对径符合读法的仪器，可将这项误差自动消除。可将这项误差自动消除。(五五) 光学对中器视线不与竖轴旋转中心线重合光学对中器视线不与竖轴旋转中心线重合这项误差是影响这项误差是影响测站偏心测站偏心，如果对中器是附在，如果对中器是附在基座上，在观测测回数的一半时，可将基座平转基座上，在观测测回数的一半时，可将基座平转180180再进行对中，以减少其影响。再进行对中，以减少其影响。(六六) 竖盘指标差

24、竖盘指标差这项误差是影响这项误差是影响竖直角竖直角的观测精度。如果工作的观测精度。如果工作时预先测出，在用半测回测角的计算时予以考虑，或时预先测出，在用半测回测角的计算时予以考虑，或者用盘左、盘右观测取其平均值，则可得到抵消。者用盘左、盘右观测取其平均值，则可得到抵消。二、观测误差二、观测误差1、仪器的整置误差（1）测站偏心误差）测站偏心误差OOe1Add2BAB（2 2）整平误差）整平误差 仪器的整平误差包括两方面仪器的整平误差包括两方面: :一是水准管轴与竖轴本身不垂直，这是一是水准管轴与竖轴本身不垂直，这是因为仪器制造加工和检校不完善；因为仪器制造加工和检校不完善；二是仪器整平时气泡没有

25、严格居中。二是仪器整平时气泡没有严格居中。这种误差是不能通过所采用的观测方法这种误差是不能通过所采用的观测方法予以消除的，而且随着观测目标的竖直角变予以消除的，而且随着观测目标的竖直角变大而变大，所以应特别注意仪器的整平。大而变大，所以应特别注意仪器的整平。 2、目标偏心与测站偏心类似，偏心距越大，边长越短，则与测站偏心类似，偏心距越大，边长越短，则目标偏心对测角的影响越大。所以在短边测角时，目标偏心对测角的影响越大。所以在短边测角时，尽可能用垂球作为观测标志。尽可能用垂球作为观测标志。影响及消减办法：影响及消减办法： （1 1）杆扶正）杆扶正 （2 2）尽量瞄底部）尽量瞄底部 （3 3）注意

26、正侧方垂直度）注意正侧方垂直度 （4 4）距离短用锤球对点）距离短用锤球对点3、 照准误差和读数误差照准误差和读数误差（1）照准误差 照准误差的大小，决定于人眼的分辨能力、望远镜的放大率、目标的形状及大小和操作的仔细程度。人眼分辨率1秒，望远镜放大倍数25-30倍，一般照准误差消减：（1）目标清晰程度，背景反差，消除视差， （2）目标形状，大目标单丝 小目标用双丝夹4 . 2260V(2) (2) 读数误差读数误差构造，操作的仔细程度，光线明亮，度盘刻划与指标影像是否位于同一平面 J6最大误差为12”，偶然性，有抵偿作用 4、竖盘指标水准器的整平误差竖盘指标水准器的整平误差 在读取竖盘读数以前

27、，须先将指标水准器整平。J6级仪器的指标水准器分划值一般为30，J2级仪器一般为20。这项误差是影响竖直角的主要因素。操作时宜分外注意。三、外界条件的影响三、外界条件的影响影响：对中，整平影响：对中，整平太阳照射，土质松软，风大太阳照射，土质松软，风大照准照准目标阴暗，空气跳动，视线逆光目标阴暗，空气跳动，视线逆光读数读数光线不足光线不足减弱：打伞遮阳，踩紧脚架，选择有利的观测时间。减弱：打伞遮阳，踩紧脚架，选择有利的观测时间。1 1、大气折光的影响、大气折光的影响大气折光可以分解成水平和垂直两个大气折光可以分解成水平和垂直两个分量，通常称为分量，通常称为旁折光旁折光和和垂直折光垂直折光，也分，也分别对水平角和垂直角的观测产生影响。别对水平角和垂直角的观测产生影响。要减弱旁折光对水平角观测的影响，要减弱旁折光对水平角观测的影响，选择点位时应使其视线离开障