水利工程测量5距离测量及直线定向讲义（59配图丰富）

水利工程测测量第5章距离离测量与直直线定向主讲教师：高飞10/27/20221合肥工业大大学第5章距距离测量与与直线定向向距离测量是是测量三项项基本工作作之一.距离测量的的方法主要要有:1.钢尺(皮尺)量距.2.视距测量3.光电测距要确定地面面点的平面面位置,还必须测定定直线的方方向,即直线定向向10/27/20222合肥工业大大学视距测量图图10/27/20223合肥工业大大学利用调制波波波长测距B测距仪反光棱镜S电磁波测距距电磁波测距距图A10/27/20224合肥工业大大学第5章距离测量量与直线定定向§5.1钢尺量距§5.2视距测量§5.3红外线测距距仪及全站站仪§5.4直线定向10/27/20225合肥工业大大学§5.1钢尺量距1.钢卷尺尺长与规格格：20米、30米、50米，钢质，，涂塑或不不涂塑。刻度与注记记：毫米刻刻度，注记记厘米、分分米、米。。零分划位位置有不同，，分刻线尺和端点尺两种。5.1.1量距用的工工具:钢卷尺，花花杆，测钎钎一般量距方法

量距相对精度1200015000精密量距方法

量距相对精度1100001400002.花杆定线用（量量距时标定定直线量距距的前进方方向）3.测钎量距时在地地面标定尺尺段端点位位置。10/27/20226合肥工业大大学端点尺刻刻线尺尺测钎花花杆皮尺测测绳钢卷尺10/27/20227合肥工业大大学5.1.2直线定线

1.两点间目估定线2.两点间互不通视定线3.经纬仪定线线:如果量距要要求的精度度较高,可在其端点点A安置经纬仪仪定线.10/27/20228合肥工业大大学5.1.3丈量方法（（往返丈量量)）距离用下式式计算：D=nl+Δl式中：l——整尺段的长长度；n——丈量的整尺尺段数；l——零尺段长度度。往返丈量较较差D=D往-D返距离平均值值D平=（D往+D返）1.在平坦地面面丈量相对误差10/27/20229合肥工业业大学2.倾斜地面面丈量SDh(1)斜量法:地面坡度度均匀，，将量得得的倾斜斜距离S归算成水水平距离离D。高差h用水准仪仪测定。。或水平距离离：(2)在倾斜地地面丈量量10/27/202210合肥工业业大学量距相对对精度可可达11万14万。3.钢尺量距距的精密密方法精密量距距时采取取的措施：1.用检定过过的钢尺尺；2.经纬仪定定线；3.钉尺段桩桩(概量得)，用水准准仪测量量桩间高高差；4.对钢尺施施加固定定拉力，，并测量量温度；；5.对量距结结果加三三项改正正数。10/27/202211合肥工业业大学三项改正正数5.1.4钢尺量距距的成果果整理每尺段经经改正后后的水平平距离：：总的水平平距离：10/27/202212合肥工业业大学5.1.5钢尺检定定目的：求求得钢尺尺两端点点刻划间间的实际际长度。。方法：用用钢尺对对一段精精确的标标准长度度进行丈丈量，从从而求得得钢尺的尺长改正正数。该检定定场地也也称为““比尺场场”。。。。。L比尺场示意图作法：“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。0——钢尺名义义长(m)；t0——标准温度度，一般般取20℃；d——尺长改正正值(mm)；t——丈量时温温度(℃)——钢的膨胀胀系数，，1.2××10-5/℃；1.尺长方程程式：=0+d+(t-t0)×010/27/202213合肥工业业大学例：用一检检定过的的30米钢尺沿沿倾斜地地面丈量量AB距离，数数据见下表。该该钢尺的的尺长方方程式如如下，请请整理量量距成果果。(注：钢尺膨胀胀系数=0.0000115~0.0000125为钢尺温温度变化1度时，单单位长度度的变化化量。)尺段长度度及量距距精度计计算10/27/202214合肥工业业大学§5.2视距测量量5.2.1视距测量量概述视距测量量是一种种间接测测距方法法;它利用望望远镜内内十字丝丝分划板板上的视视距丝及及刻有厘厘米分划划的视距距标尺(地形塔尺尺或普通通水准尺尺)，根据光光学原理理可以同同时测定定两点间间的水平平距离和和高差.其中测量量距离的的相对误误差约为为1/300，低于钢钢尺量距距；测定高差差的精度度低于水水准测量量;视距测量量广泛用用于地形形测量的的碎部测量量中。10/27/202215合肥工业业大学5.2.2视准轴水水平时的的视距计计算公式式AB为待测距距离，在在A点安置经纬纬仪，B点竖立视视距尺，设设望远镜镜视线水水平，瞄准准B点的视距距尺，此时视线线与视距距尺垂直直。10/27/202216合肥工业业大学视线水平平时的视视距测量量公式:(1)水平距离离公式:(2)高差公式式:(3)B点高程:10/27/202217合肥工业大学学5.2.3视线倾斜时的的视距测量公公式(1)水平距离公式式:(2)初算高差:(3)高差公式:10/27/202218合肥工业大学学（1）在测站A安置经纬仪，，量取仪器高高i，在测点B竖立视距尺；；（2）照准视距尺，，用上下视距距丝分别在尺尺上读取读数数，算出视距距间隔l（l=下丝读数-上丝读数）。。也可先将中中丝对准仪器器高读竖直角角，然后把上上丝对准邻近近整数刻划后后直接读取视视距间隔；5.2.4视距测量观测与计算方方法10/27/202219合肥工业大学学（3）转动竖盘指标标水准管微动动螺旋使竖盘盘指标水准管管气泡居中，，读取竖盘读读数，算出竖竖直角。对有有竖盘指标自自动归零装置置的仪器，应应打开自动归归零装置后再再读数；5.2.4视距测量观测与计算方方法（4）根据视距公公式，计算水水平距离和高高差及立尺点点的高程。10/27/202220合肥工业大学学一、概述电磁波测距(Electro-magneticDistanceMeasuring，EDM)是用电磁波(光波或微波)作为载波，传传输测距信号号，以测量两两点间距离的的一种方法。。EDM具有测程长、、精度高、作作业快、工作作强度低、几几乎不受地形形限制等优点点。1948年，瑞典AGA(阿嘎)公司(现更名为Geotronics捷创力公司)研制成功了世世界上第一台台电磁波测距距仪，它采用白炽灯灯发射的光波波作载波，应应用了大量的的电子管元件件，仪器相当当笨重且功耗耗大。为避开白天太太阳光对测距距信号的干扰扰，只能在夜夜间作业，测测距操作和计计算都比较复复杂。§5.3电磁波测距及全站仪10/27/202221合肥工业大学学1960年世界上成功功研制出了第第一台红宝石石激光器和第第一台氦-氖激光器，1962年砷化镓半导导体激光器研研制成功。与白炽灯比较较，激光的优优点是发散角角小、穿透力力强、传输的的距离远、不不受太阳光干干扰、基本上上可以全天侯侯作业。1967年AGA公司推出了世世界上第一台台商品化的激激光测距仪AGA-8。该仪器采用5mw的氦-氖激光器作发发光元件，白白天测程为40km，夜间测程达60km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量23kg。我国的武汉地地震大队也于于1969年研制成功了了JCY-1型激光测距仪仪，1974年又研制并生生产了JCY-2型激光测距仪仪。该仪器采采用2.5mw的氦-氖激光器作发发光元件，白白天测程为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量16.3kg。10/27/202222合肥工业大学学随着半导体技技术的发展，，从60年代末70年代初起，采采用砷化镓发发光二极管作作发光元件的的红外测距仪仪逐渐在世界界上流行起来来。与激光测距仪仪比较，红外外测距仪有体体积小、重量量轻、功耗小小、测距快、、自动化程度度高等优点。。由于红外光的的发散角比激激光大，所以以红外测距仪仪的测程一般般小于15km。现在的红外测测距仪已经和和电子经纬仪仪及计算机软软硬件制造在在一起，形成成了全站仪，，并向着自动动化、智能化化和利用蓝牙牙技术实现测测量数据的无无线传输方向向飞速发展。。10/27/202223合肥肥工工业业大大学学二、、电电磁磁波波测测距距仪仪分分类类1.按其其所所采采用用的的载载波波（（光光源源））可可分分为为：：①微微波波测测距距仪仪(microwaveEDMinstrument)；②激光光测测距距仪仪(laserEDMinstrument)；③红外外测测距距仪仪(infraredEDMinstrument);2.按测测程程分分为为：：①短短程程测测距距仪仪(≤≤5km)②中程程测测距距仪仪(5~15km)③远程程测测距距仪仪(≥≥15km）3.按精精度度分分为为：：①Ⅰ级测测距距仪仪(mD≤5mm)②Ⅱ级测测距距仪仪(5≤≤mD≤10mm)③Ⅲ级测测距距仪仪(mD≥10mm）4.按测测距距原原理理分分为为：①脉脉冲冲式式；；②相位位式式10/27/202224合肥肥工工业业大大学学5.3.1红外外测测距距的的测测距距原原理理基本本公公式式:c0—光在在真真空空中中的的速速度度ng—光在在大大气气中中传传输输的的折折射射率率Δt—光波波在在AB间往往返返传传输输时时间间10/27/202225合肥肥工工业业大大学学直接接测测时时---该类类测测距距仪仪称称为为脉冲冲式式测测距距仪仪，该该仪仪器器因因其其精精度度较较低低，，通通常常只只用用于于精精度度较较低低的的远远距距离离测测量量、、地地形形测测量量和和炮炮瞄瞄雷雷达达测测距距。。间接接测测时时----用测测定定相相位位的的方方法法来来测测定定距距离离，，此此类类仪仪器器称称为为相位位式式测测距距仪仪。现有有的的精精密密光光电电测测距距仪仪都都不不采采用用直直接接测测时时的的方方法法，，而而采采用用间间接接测测时时。。电磁磁波波测测距距方方式式10/27/202226合肥肥工工业业大大学学脉冲冲式式测距距原原理理假设设时时钟钟脉脉冲冲的的震震荡荡频频率率为为,震荡荡周周期期为为计数数器器记记录录的的震震荡荡次次数数为为N,则脉脉冲冲光光波波在在AB两点点间间往返返的的时时间间为为:10/27/202227合肥肥工工业业大大学学2.相位位式式测距距原原理理用测测定定相相位位的的方方法法来来测测定定距距离离，，此此类类仪仪器器称称为为相相位位式式测测距距仪仪。。它是是用用一一种种连连续续波波（（精精密密光光波波测测距距仪仪采采用用光光波波））作作为为““运运输输工工具具””（（称称为为载载波波）），，通通过过一一个个调调制制器器使使载载波波的的振振幅幅或或频频率率按按照照调调制制波波的的变变化化做做周周期期性性变变化化。。测距距时时，，通通过过测测量量调调制制波波在在待待测测距距离离上上往往返返传传播播所所产产生生的的相相位位变变化化，，间间接接地地确确定定传传播播时间间t，进而而求求得得待测测距距离离D。10/27/202228合肥肥工工业业大大学学相位位式式测测距距原原理理调制制波波的的调调制制频频率率f，角频频率率，，周周期期T，波长长:设调调制制波波在在距距离离D往返返一一次次产产生生的的相相位位变变化化为为，，调调制制信信号号一一个个周周期期相相位位变变化化为为2ππ，则调调制制波波的的传传播播时时间间t为：：代入入基本本公公式得得:10/27/202229合肥肥工工业业大大学学相位位式式测测距距原原理理设调调制制信信号号为为正正弦弦信信号号，，包包含含2π的整倍倍数N2ππ，和不足足2π的尾数数部分分ψ，即：代入前前面公公式:10/27/202230合肥工工业大大学相位式式测距距原理理令:--单位长长，““光测测尺””，““电子子尺””公式改改写成成:上式就是是相位位式测测距原原理公公式。。相位式式测距距仪是是用长长度为为LS的“测测尺””去量量测距距离，，量了了N个整尺尺段加加上不不足一一个LS的长度度就是是所测测距离离。采用多多个“测尺尺”组组合实实现测测距技技术过过程。。设计；；精测测尺+粗测尺尺测距距。10/27/202231合肥工工业大大学相位式式测距距原理理调制频频率与与测尺尺长度度的关关系调制频率f15MHz7.5MHz1.5MHz150kHz75kHz15kHz测尺长度λ/210m20m100m1km2km10km精度1cm2cm10cm1m2m10m10/27/202232合肥工工业大大学5.3.2光电测测距仪仪的组组成10/27/202233合肥工工业大大学5.3.2光电测测距仪仪的组组成10/27/202234合肥工工业大大学5.3.4全站仪仪及其其使用用（一））全全站仪仪概述述（二））全站仪仪的功功能（三））几几种全全站仪仪及其其基本本应用用10/27/202235合肥工工业大大学南方NTS全站仪仪TOPCONGTS全站仪仪10/27/202236合肥工工业大大学Leica全站仪仪10/27/202237合肥工工业大大学（一））全全站仪仪概述述全站仪仪(totalstation)是由电电子测测角、、光电电测距距、微微型机机及其其软件件组合合而成成的智智能型型光电电测量量仪器器。全站仪仪的基基本功功能是是测量水水平角角、竖竖直角角和距距离。全站仪仪具有有如下下特点点：同时进进行角角度测测量(水平角角、竖竖直角角)和距离离测量量(斜距S、平距D、高差h)；测距系系统光光轴与与测角角系统统视准准轴同同轴（（三轴同同一）；显示测测点的的角度度(方向值值)、距离离、高高差或或三维维坐标标；拥有后后方交交会、、放样样、偏心测测量、、悬高高测量量、对对边测测量、、面积积计算算等高级级测量量功能能。10/27/202238合肥工工业大大学全站仪仪特点点拥有较较大容容量的的内部部存储储器，，以数数据文文件形形式存存储已已知点和和观测测点的的点号号、编编码、、三维维坐标标；实现全全站仪仪与计计算机机的数数据通通讯；；高精度度全站站仪测测角达达0.5秒级，，测距距精度度达(0.1mm+0.1PPM)；与计算算机联联合组组成的的智能能观测测系统统能实实现全全自动动瞄准准、观观测、、记录录、存存储和和数据据的传传输，，被称称为测测量机机器人人。10/27/202239合肥工工业大大学三轴同同一望望远镜镜在全站站仪的的望远远镜中中，照照准目目标的的视准准轴、、光电电测距距的红红外光光发射射光轴轴和接接收光光轴是是同轴轴的，，其光光路如如图所所示。。因此此，测测量时时使望望远镜镜照准准目标标棱镜镜的中中心，，就能能同时时测定定水平平角、、垂直直角和和斜距距10/27/202240合肥工工业大大学测量仪仪器总总的发发展过过程测量仪仪器总总的发发展过过程：：光学经经纬仪仪电电子子经纬纬仪速测全全站仪仪全全站站仪。。全站仪仪的发发展过过程：：1.普通型型全站站仪2.功能型型全站站仪3.磁卡型型全站站仪4.内存式式全站站仪5.全自动动智能能全站站仪全站仪仪生产产厂家家：瑞士：：徕卡卡Leica德国：：蔡司司Zeiss美国:天宝trimble日本：：拓普普康TOPCON，索佳SOKKIA，宾得,尼康中中国国：南南方、、苏州州、北北京10/27/202241合肥工工业大大学（二））全站仪仪的功功能对边测测量、悬高测测量、后方交交会、放样、偏心测测量、、面积计计算等高级级测量量功能能。10/27/202242合肥工工业大大学全站仪仪的功功能1、对边边测量量如图，，分别别瞄准准两个个目标标点处处的棱棱镜并并观测测后，，仪器器即可可显示示出两两个棱棱镜之之间的的平距距(HD)、斜距(S)、高差(V)和坡度度（%）。对对边测测量可可以连连续进进行。。VSHD%10/27/202243合肥工工业大大学全站仪仪的功功能2、悬高高测量量如图，，要测测量某某些不不能设设置反反射棱棱镜的的目标标（高高压电电线、、桥梁梁桁架架）的的高度度时，，可在在目标标正上上方或或正下下方处处安置置棱镜镜，输输入棱棱镜高高h1，瞄准棱棱镜并并观测测后，，再瞄瞄准目目标，，仪器器即可可显示示目标标的高高度HHh1h210/27/202244合肥工业业大学全站仪的的功能3、后方交会会测量如图，全全站仪安安置在某某一待定定点上，，通过对对两个以以上的已已知点处处的棱镜镜进行观观测，并并输入各各已知点点三维坐坐标及仪仪器高和和棱镜高高后，全全站仪即即可显示示待定点点的三维维坐标。。10/27/202245合肥工业业大学4、三维坐坐标测量量如图，将将全站仪仪安置在在已知点点A，棱镜设置置在待定定点P，输入A点已知坐坐标及仪仪器高和和棱镜高高后，先先后视已已知点B并输入B点坐标（（后视已已知点是是为了设设置方向向位角））然后瞄瞄准P点处棱镜镜并进行行观测，，仪器即即可显示示待定P的三维坐坐标。APB全站仪的的功能10/27/202246合肥工业业大学全站仪的的功能5、放样测测量将要测设设的角度度和边长长（或坐坐标值））输入全全站仪，，在放样样过程中中仪器显显示角度度和边长长的实测测值与放放样值之之差，根根据显示示的偏离离值及符符号调整整棱镜位位置，直直至偏离离值为零零，此时时棱镜所所处位置置即为要要测设的的点位。。有的全全站仪还还可通过过图形显显示出棱棱镜上下下左右前前后的移移动方向向。10/27/202247合肥工业业大学全站仪的的功能6、偏心测测量如图，若若侍定点点处不能能设置棱棱镜，可可将棱镜镜设置在在待定点点的左侧侧或右侧侧，并使使棱镜至至站点的的距离相相当，瞄瞄准棱镜镜并进行行观测，，再照准准待定点点，仪器器即可显显示待定定点的坐坐标。不同厂家家生产的的电子全全站仪其其键盘设设计并不不完全相相同，实实现相同同测量功功能的按按键程序序和步骤骤也不完完全一样样，具体体使用应应参见厂厂家的使使用说明明书。10/27/202248合肥工业业大学全站仪测测量的流流程野外采集集数据：南方NTS、TOPCON全站仪+PDA（测图精灵灵）传输数据据：将数据据文件传传入计算算机处理数据据：用测图图软件（（南方方测绘CASS）处理、编编辑输出成果果：数字化化地形形图、电电子地图图（.dwg）、工程图。。10/27/202249合肥工业业大学§5.4直线定向向5.4.1直线定向向的概念念确定地面面上两点点之间的的相对位位置，仅仅知道两两点之间间的水平平距离是是不够的的，还必必须确定定此直线线与标准准方向之之间的水水平夹角角。确定直线线与标准方向向之间的水水平角度度称为直线定向向。10/27/202250合肥工业大学学标准方向的种种类1．真子午线方向向通过地球表面面某点真子午线的切线方向，，称为该点的的真子午线方方向，真子午午线方向是用用天文测量方方法或用陀螺螺经纬仪测定定的。2．磁于午线方向向磁子午线方向是磁针在在地球磁场的的作用下，磁磁针自由静止止时其轴线所所指的方向。。磁子午线方方向可用罗盘盘仪测定。10/27/202251合肥工业大学学标准方向的种种类3．坐标纵轴方向向(中央子午线方向)第二章已述及及，我国采用用高斯平面直直角坐标系，，每一6°带或3°带内都以该带带的中央子午线为坐标纵轴方方向。因此，，该带内直线线定向，就用用该带的坐标标纵轴方向作作为标准方向向。如假定坐标系系，则用假定定的坐标纵轴轴(X轴)作为标准方向向。10/27/202252合肥工业大学学5.4.2表示直线方向向的方法测量工作中，，常采用方位角来表示直线的的方向。由标准方向的的北端起，顺顺时针方向量量到某直线的的夹角，称为为该直线的方位角，其角值从0°~360°。由不同的标准准方向所得到的方位角角，分别为：真方位角：A磁方位角：Am坐标方位角：：α标准方向OP10/27/202253合肥工业大学学几种方位角之之间的关系1．真方位角与磁磁方位角之间间的关系由于地磁南北北极与地球的的南北极并不不重合，因此此，过地面上上某点的真子子午线方向与与磁子午线方方向常不重合合，两者之间间的夹角称为为磁偏角δ，磁针北端偏于于其子午线以以东称东偏，，偏于其子午午线以西称西西偏。直线的真方位位角与磁