土木工程测量讲义距离测量

第四章

距离测量与全站仪1《测量学》61§4-1距离测量概述测距技术的发展：从直接用各种尺子量距—光学间接测距—

磁波物理测距测距工具：直接量距—木尺、织物卷尺、钢卷尺、钢线尺光学测距—光学仪器的视距测量、基线尺视距测量、光干涉测距电磁波测距—用物理测距仪器的微波测距、红外光测距、激光测距

261§4-2卷尺量距一、钢卷尺和丈量工具3卷于尺盒内或尺架上的钢卷尺尺头及尺上分划尺长20m、30m、50m61尺上具有毫米分划、厘米和米的数字注记尺盒尺架广泛用于地形测量

和工程测量的各种钢卷尺450m长钢尺20m钢尺5m小钢尺经典的测量工具目前仍有广泛用途61二、直线定线5用标杆进行目测定线：

AB两点之间由于距离过长，需要在AB直线上用标杆目测定出1、2两点。61由甲按照AB方向指挥乙将标杆插在方向线上

用经纬仪定线长距离的直线精密定线得借助于经纬仪望远镜十字丝的瞄准标杆或测钎，代替目视瞄准。6用经纬仪延长直线，如需要将AB直线延长至C；B点置经纬仪，盘左后视瞄准A点，制动照准部，倒镜前视得C′点；盘右后视瞄准A点，制动照准部，倒镜前视得C″点；取C′C″的中点C，则A-B-C精确地位于一直线上。61称为延长直线的经纬仪正倒镜分中法(一)

平坦地面的丈量方法例如从A量至B，由后尺手定向，先量整尺段，最后量余长。7三、距离丈量AB的平距：DAB

=

n

×尺段长+余长61

n—整尺段数

lo—尺段长Δl—余长

沿倾斜地面AB量得的为斜距S，设两点间高差为h,则用下式将其归算为平距D：8（二）倾斜地面丈量方法一般量距相对精度：往测距离－返测距离距离概值<

13000SDhAB61四、钢尺长度检定尺长方程式：9钢尺两端分划之间的标准长度称为实际长度，末端分划的注记长度称为名义长度。丈量时的地面温度对尺长也有影响。经过钢尺长度检定，得到尺长方程式，用以计算量得的实际长度。61五、钢尺量距的长度改正用钢尺沿倾斜地面量得的名义长度D′：10D'hD长度改正：改正后长度：61钢尺量量距长长度改改正的的计算算数例例11D´=234.943m,t=32.4°°,h=2.54m尺长方方程式式:观测数数据:长度改改正值值:改正后后长度度:6112视距测测量是是利用用测量量望远远镜中中十字字丝平面面的视视距丝丝及视视距尺尺，按按光学学原理理，间接测测定距距离的的方法法。§4-3视距测测量视距测测量曾曾广泛用用于地地形测测量等,目前已已被测距仪仪代替替，但但仍用于于水准准测量量中的前前后视视距离离测定。。（n为视距距间隔隔）61视距丝丝水平视视线，，上丝丝在视视距尺尺上读读数a,下丝读读数b，则水水平距距离D：视距尺尺§4-4电磁波波测距距两点间,测定电磁波波往返传递递的速度C和时间t,计算距离:13一、电磁波波测距的基基本工作原原理测距仪按不不同的电磁波作为为载波，分为：微波测距仪仪红外光测距距仪激光测距仪仪AB测程，A点安置测距距仪，B点安置反射射器，测定定AB之间的斜距距S。后二者又称称光电测距仪仪61关于光速光波在真空空中的传播播速度C0是一个重要要的物理量量，近代科学实验已已精确测定定：C0=(299792458±1.2)m/s。光波在大气气中的传播播速度C为：14n为大气折射射率，为为光波波波长，t、p为大气温度度及气压。。关于测定光光波往返传传播时间光速近于300000km/s,地面两点间间传播时间间极短,直接测定时时间几乎不不可能。因因此必须将将光波用高高频电振荡荡调制，用用脉冲法或相位法间接测定两两点间光波波传播时间间。61关于测距时时的大气温温度和气压压15大气的温度度和气压影影响其对光光波的折射射率，从而影响光光速和光电电测距的计计算，其影影响与距离离的长度成正正比。通风温度计计空盒气压计计61因此，长距距离的精密密测距必须须用空盒气气压计与通通风温度计计，测定观观测当时的的气温和气气压，加以以改正。（一）脉冲冲式测距16将发射光波波的光强调调制成高频频光脉冲，，再由时标标振荡器产生产生时时标脉冲(周期T0)，二者都经经过电子门门；61脉冲光发射射脉冲光接收收电子门脉冲计数器器距离计算及及显示关门开门发射脉冲光打开开电子门，，反射回来来的脉冲光光关闭电子子门；在开关门之间间,时标脉冲计计数器计数数为m；则mT0为脉冲光往往返传播时时间t,据此可根据据光速计算算距离：（二）相位式测距距17用高频电振振荡(周期T)将发射光进进行振幅调调制,使光强随电振荡而产产生周期性性的明暗(相位φ)变化；61高频调制器器产生调制光光调制光波发发射与接收收调制光波明暗相相位变化高频发生器调制光在测程上往返传播，同同一瞬间仪器的的发射光与接收收光产生相位差Δφ，据此可算出光光波往返传播时时间t。设光速为C,调制振荡频率为为f,振荡周期T=1/f,则调制光的波长为：18调制光在测程的的往返传播时间间t内,变化N个整周(NT)和一个另数ΔT，即:61因此,光速可表示为：：代入电磁波测距距基本公式:测站反射棱镜得到相位式测距的的基本公式：调制频率与光光尺长度由此可见,相位式光电测测距和钢尺量量距有一点相相似之处：相当于于用一支长度度为λ／2(半波长)的“光波尺””量距,N为“整尺段数数”,(λ/2)×(Δφ/2π)为“余长”19相位式测距基基本公式：调制频率f

30

MHz

15

MHz

7.5

MHz1.5

MHz150

kHz光尺长度λ／2

5

m

10

m

20

m

100

m

1000

m61光源的波长λg在标准气象状状态(t=15°C,p=1013mPa)计算而得，因因此,调制光的“光光尺长度”，，可由调制频频率确定。调制频率(概值)与光尺长度(半波长)的关系：调值频率与光尺长长度的近似值关系系20二、光电测距仪及及反射器开始时,光电测距仪为一架单独的测量量仪器；仪器小型型化后,可架设于经纬仪上上方、成为测角和和测距的联合体。。目前，将测距仪中中的光电发射和接接收系统以及脉冲冲计、相位计等微微电子元件和经纬纬仪的瞄准望远镜镜组装在一起，而而成为同时可以测测距和测角的电子全站仪，一般不再使用单单独的测距仪。（一）光电测距仪仪61全站仪21（二）反射器反射器为测距仪的的配套部件。反射射器分为全反射棱棱镜和反射片两种种，前者经常用于于控制测量中长距距离的精密测距；；后者用于近距离离的测距，例如地地形测量和工程测测量。61入射光反射光全反射棱镜（简称称反射棱镜或反光光镜）是用光学玻玻璃磨制成的四面面体，如同正立方方体上切下的一个个角锥体，能使入入射光从原光路返返回发射源。安装于基座上的反射棱镜，与瞄准准觇牌配套。22各种形式的反射器器适用于长距离的三三块棱镜的组合(三棱镜)适用于中,短距离的小型棱镜,可手持或安装于标杆头上。适用于近距离细部测量的反射片6123三、光电测距的长长度改正（一）测距仪的乘乘常数和加常数改改正（二）气象改正乘常数改正数：加常数改正数：测距仪通过标准长长度的检定，得到到仪器的乘常数R和加常数C。乘常数改正与距距离长度成正比，，加常数与长度无关。影响光速的大气折折射率n是气温t、气压p的函数。气象改正数与距离离长度成正比：某测距仪的气象改正系数改正后长度：6124四、光电测距的精精度分析（一）光电测距的的误差来源1.调制频率误差2.气象参数测定误误差根据得到：调制频率的相对对误差使距离测测量产生相同的的相对误差根据得到：如果气温测定误误差为±1oC,或气压测定误差差为±4MPa,使距离测量产生生相对误差为±1×10－661254.反射器常数误差差5.仪器和目标的对对中误差3.脉冲测定与相位位测定的误差相位式测距仪的的相位测定误差差,或脉冲式测距仪仪的脉冲测定误误差影响距离测测量的尾数，故故与距离长短无无关。误差的大大小决定于仪器器的精度和测距距时的自然环境境,例如天气的阴晴晴、大气的透明明度、杂散光的的干扰等。反射器应与测距距仪配套，加常常数各不相同，，且在测距仪中中可预置加常数数自动改正。如如果不配套、设设置有误或瞄准目标不准确确，即会产生这这种误差。测距仪测定仪器器中心至目标标标志中心的距离离，如果仪器或标志对中不正正确，会影响距距离测量的精度度。6126（二）光电测距距的精度指标光电测距仪的““标称精度”是指测距仪本本身引起的测距距误差。仪器的的测相误差、棱棱镜常数误差与与测距的长短无无关，称为“常误差”（或称固定误误差），用“61在仪器说说明书中中，比例例系数b一般以百百万分率率(ppm)表示。例例如a=5mm，b=5mm/km，距离D的单位为为千米(km)。例如各各种测距距仪和全全站仪的的测距标标称精度度有：±(5+5×10－6D)mm,±(3+2×10－6D)mm±(2+2×10－6D)mm,±(1+1×10－6D)mma、b的数值越越小，则则测距仪仪的精度度级别越越高。27一、近距距离的平平距和高高差计算算B点的高程程为：测得AB的倾斜距距离S（≦300m），A点高程HA，在测站站A观测直角角,则两点间间平距D、垂距V和高差hAB为：§4-5光电测距距的归算算61i为仪器高高,l为目标高高DVShAB28二、远距离测测量的高程归归算（D﹥300m）距离测量是在在测区的地面面上进行的，，测站与目标标离大地水准准面都有一定定的高度。测测站A和目标B的平均高程是是测距时视线线的平均高程程Hm,高程归算改正正值：61因此测得的水水平距离是视视线平均高程程面上的距离离D,需要将D归算至大地水水准面上，其其长度为D0，则大地水准面hm29远距离三角高高程测量受大大气垂直折光光影响倾斜视线穿过过密度逐步变变稀的各层空空气介质，层层面上的折射射角R总是大于入射射角I，使视线成为为一条向上凸凸的曲线。61这种现象称为为”大气垂直折光光”，使视线的的切线方向向向上抬高，以以致测得的垂垂直角和高差差偏大，对于于远距离的三三角高程测量量，需要进行行改正。CC′30三、远距离的的三角高程测测量计算距离较远时,考虑地球曲率率差和大气折折光差对高差差的影响,应对观测得到到的高差加““球差改正””和“气差改改正”(总称“两差改正”)：球差改正：两差改正：（折光系数k=0.14）

D（m)

100

200

500

1000

f

(mm)

1

3

17

6761f1f2气差改正：31三角高程测量量两点距离较较远时，应考考虑加地球曲率和大气折折光影响的改改正（两差改改正）；两点间对向向观测高差取取平均，能抵抵消两差影响响；三角高程测测量通常组成成附合或闭合合路线，以检检验观测精度；；用电子全站仪仪进行三角高高程测量，能能代替三、四等水准测量量。三角高程测量量的一些特点点：61三角高程测量量的计算数例例（对向观测））32表4-5光电测距的平平距和高差计计算(单位：m)测距边ABBC测站ABBC目标BACB斜距S303.393303.400491.360491.333垂直角α+11°32′49″-11°33′06″+6°41′′48″-6°42′′04″D=S﹒cosα297.253297.255488.008487.976平均平距297.254m487.992mV=S﹒sinα+60.730-60.756+57.299-57.334仪器高i1.4401.4911.4911.502-目标高l-1.502-1.400-1.522-1.441两差改正f0.0060.0060.0160.016h=V+i－l+f+60.674-60.659+57.284-57.257平均高差+60.666m+57.270m

61§4-6电子全站仪仪一、电子全全站仪概述述33电子全站仪仪是一种利利用机械、、光学、微微电脑等元元件组合而而成、可以以同时进行行角度测量量和距离测测量、并可可进行有关关计算的高高科技测量量仪器。由由于只要在在测站上一一次安置该该仪器,便可以完成成该测站上上所有的测测量工作,故称为“电子全全站仪”,简称“全站仪””（TotalStationInstrument）。起初的全站仪是是将电子经纬仪仪和测距仪组装装在一起，并可可分离成两个独独立的部分，称称为积木式全站站仪。后来改进进为将光电测距距仪的调制光发发射接收系统的的光轴和经纬仪仪的视准轴组合合成分光同轴的的整体式全站仪仪，并配置电子子计算机的微处处理机和系统软软件，使具有将将测量数据储存存、计算、输入入、输出等功能能。6134全站仪的组合框框图6135地面测量仪器发发展简史－全站仪诞生前1952197019211973测距仪器：测角仪器：（经纬仪）1978198019901990198061（由独立测距仪仪到附加于经纬纬仪之上）36地面测量仪器发发展简史－全全站仪诞生90年代起：电电脑型全站仪特特点：菜单单操作，机机载软件，可可系统开发，TC16101991双轴补偿菜单功能键操作作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、输出出设备，可以与与计算机交互通通讯，使测量数数据直接进入计计算机，据此进进行计算和绘图图；测量作业所所需要的已知数数据也可以从计计算机输入全站站仪。一些全站仪将电电荷耦合器件（（CCD—ChargeCoupledDevice）与传动马达相相结合，使具有有对目标棱镜的的自动识别、跟跟踪和瞄准（ATR，AutomaticTargetRecognition）功能；CCD还用于度盘读数数、构成电子水水准器等。一些全站仪将全全球定位系统(GNSS)接收机与之结合合，以解决仪器器自由设站的定定位问题。全站站仪的这些功能能不仅使测量的的外业工作高效效化，而且可以以实现整个测量量作业的高度自自动化。电子全全站仪已广泛用用于控制测量、、地形测量、施施工放样等方面面的测量工作。。37全站仪功能的逐逐步改进6138全站仪的发展趋趋势－仪器作业进一步自动化仪器对中自动化化基座安平自动化化仪高量取自动化化对目标自动跟踪踪和瞄准目标中心位置十字丝中心位置置搜索跟踪照准6139苏光810系列全站仪特点：彩色触摸摸屏,可实时成图,WINCE5.0操作系统,64M存储器。61测角精度±2″测距精度±(2＋2D×10-6)mmSET-230R全站仪40操作面板61TCA2003全站仪41操作面板61高精度多功能测角精度±0.5″测距精度±(1+D×10－6)mm42二、全站站仪的特特殊部件件与功能能（一）多功能同轴望远镜

将瞄准用用的物镜镜、目镜镜、调焦焦透镜与与红外测测距、激激光测距距的发射射和接收收安装在在同一光光学系统统中，成成为多功功能的同同轴望远远镜。61（二）显显示屏和和键盘43操作面板板包括控控制按键键、数码码(字母和数数字)按键和较较大的显显示屏，，显示屏屏包含软软键(功能键)以及触摸摸功能；；显示屏屏还可以以分页，，可展示示主菜单单和若干干级子菜菜单；显显示屏还还可以显显示图形形，例如如野外实实时显示示所测地地形图的的局部图图形，便便于检查查和修测测或补测测。（三））传感器器全站仪仪中的的传感感器包包括：：度盘盘读数数传感感器,纵轴倾倾斜传传感器器,目标搜搜索传传感器器等。。利用用发光光二极极管或或外来来光线线及CCD(电荷耦耦合器器件)阵列。。61441.度盘读读数传传感器器较先进进的全全站仪仪用条条码度度盘和和CCD传感器器读数数，发发光管发光光透过过度盘盘编码码，由由一组组线性性CCD阵列读读数。。一般在度度盘对对径设设置一对线线性CCD传感器，以以消除除度盘盘偏心误差差。度盘条条码条码度度盘发光二二极管管线性CCD阵列反光棱棱镜612.纵轴倾倾斜传传感器器45仪器的的纵轴轴倾斜斜影响响视准轴轴的瞄瞄准、、水平平度盘和和垂直直度盘盘的读读数。对对此，，全站站仪设设置“双轴倾倾斜补补偿器器”双轴指指视准准轴在在水平平面上投投影和和横轴轴方向向。61传感器器通过过屏幕幕显示示该两两方向向的倾倾角和和水准准气泡泡。据据此可可用脚脚螺旋旋精确确置平平仪器器，而而遗留留的双双轴倾倾斜则则传感感器按其倾倾角计计算改改正值值，自动显显示改改正后后的度度盘读数数。纵横方方向的的倾角角虚拟水水准气气泡影影像46（四））存储储器（五））通讯讯接口口站仪的的存储储数据据可以以通过RS232C串行接接口或或USB接口与计算机双向通讯讯。一些全站仪有有无线电收发装置置或蓝牙通讯装置与外围围设备(如遥控器等)双向通信。存储器分为机内存存储器和存储卡。。前者相当于计算算机的硬盘和内存存，后者相当于优优盘。全站仪有相相当大的存储量，，例如苏光RTS810全站仪有64MB(RAM)和32MB(ROM)。可以记录数天的的野外观测，数千千个细部点的距离离角度观测值和计计算的坐标数据。。6147（六）360°棱镜与镜站遥控系系统360°棱镜使多台全站仪仪可以同时瞄准一点，也可使使立于细部点的棱棱镜(镜站)可忽略棱镜的方向向。360°棱镜镜站遥控器61镜站遥控器有发射射和接收装置，可可以由镜站指挥全全站仪(全站仪要有目标自自动跟踪功能)的操作，实现无人人测站，因为细部部点的选择主要由由镜站人员决定。。镜站遥控全站仪进进行细部测量48360°棱镜和发射接收装置全站仪镜站遥控器61三、全站仪的功能能和使用全站仪的功能比较较全面，几乎包括括地面测量的所有有工作，例如各种种地面控制测量（（导线测量、交会会定点、三角高程程测量）、地形测测量的数据采集、、工程测量的施工工放样和变形观测测等。经常使用的的操作功能为：角角度测量、距离测测量、极坐标法坐坐标测量、极坐标标法施工方样。4961以下介绍SET230R全站仪的功能和使使用：50（一）SET230R全站仪的功能及使使用1.观测前的准备工作作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+2×10-6D)mm免棱镜±(3+2×10-6D)mm气象改正(输入气温、气压)内存容量约10000个细部点61SET230R511.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61SET230R功能菜单框图6152按功能键依次进入各层菜单按ESC键依次退回53在操作面板上按按ON键打开电源，仪仪器进行自检，，屏幕显示测量模模式（图(a)）；如果此时仪器置置平未达到要求求,则度盘读数行显显示“超出”警告（图(b)），应根据水准准管气泡重新整整平仪器，再进进行屏幕操作。。6154SET230R的角度测量61仪器安置在测站站S,瞄准左目标L,按0SET功能键,使水平度盘读数数(HAR)为0°,天顶距读数(ZA)为88°45′36″；转动照准部瞄瞄准右目标R,水平度盘读数即即为水平角126°13′45″，天顶距读数为91°24′18″：55SET230R的距离和角度测测量61距离测量之前，，应设置测距参参数：在“测量量模式”屏幕按按“改正”功能能键，显示EDM屏幕(下图)，设置测距模式式、反射器、棱棱镜常数、温度度、气压等参数数：56距离和角度测量量照准目标中心，，按“距离”功功能键，进行距距离测量，竖盘盘的天顶距读数数和水