《土木工程测量》 教案 第4章 距离测量

土木工程测量课程教案课程名称：土木工程测量课程号：课程学分：2参考学时：32课程性质：专业必修课适用专业：土木工程类专业上课时间：授课教师：负责人：审核单位：年月日-1-一、课程基本信息课程名称土木工程测量课程号课程性质专业必修课开课部门课程负责人课程团队授课学期学分/学时2/32授课语言汉语先修课程土木工程测量课程简介本课程作为城市轨道交通技术专业必修的专业基础课，是城市轨道交通技术专业人才培养过程中重要的一环，为后续专业课的学习做铺垫，让学生更好在工程的规划设计、施工、竣工和运营管理等阶段所进行的测量工作，以及在工程建设中发挥更好的管理作用。课程内容主要包括地形图相关概念，控制测量的定义、分类、作用与实施，地形图碎部测量方法，地形图绘图、整饰及应用，施工测量的含义、特点及实施，全站仪坐标测量及坐标放样的原理及操作过程，建筑工程测量相关知识，建筑纵横断面测量，桥梁与地下工程测量相关内容，变形监测的相关概念，沉降监测和水平位移监测的方法及操作过程等。课程主要目标掌握控制测量和地形图碎部的测量的含义与实施过程，掌握施工测量的含义与实施过程，掌握变形监测的含义及沉降监测和水平位移监测的方法及操作过程。通过该课程的学习能够让同学们更好的体会土木工程测量在工程建设中的作用，具有更强的实践操作能力、学习能力、团体协作能力和独立解决事情的能力，拥有大国工匠精神以及更强的责任感。授课班级课程授课教案第4章，共15章讲课主题距离测量学时2学时教学目标通过本章的学习，学生应理解距离测量的基本原理，掌握全站仪的基本结构及使用、电磁波测距的方法，了解钢尺量距和视距测量的方法以及各种测距方法的误差分析和注意事项。教学重点、难点本章的主要内容包括距离测量（包括钢尺量距、视距测量和电磁波测距）的基本原理和方法及各种测距方法的误差分析和注意事项，全站仪的基本结构及使用。教学设计授课提纲及重难点分析教学方法及课程思政设计教学时间4.1钢尺量距钢尺量距是利用钢尺以及辅助工具直接测量地面上两点间的水平距离，又称为距离丈量，通常在短距离测量中使用。对于精度要求较高的距离测量，应采用电磁波测距。本节主要讲述钢尺量距的方法。4.1.1钢尺量距的—般方法钢尺量距的主要工具是钢尺（又称钢卷尺）。常用的钢尺长度有20m、30m和50m，其基本分划有cm和mm两种。以cm分划的钢尺在起始的10cm内为mm分划。根据零点位置的不同，钢尺分为端点尺和刻线尺两种，如图4-1所示。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。一般钢尺量距的辅助工具有测钉、标杆、垂球，精密量距时，还需要弹簽秤、温度计等。当地面两点之间的距离大于钢尺的一个尺段时，就需要在直线方向上标定若干分段点，以便于用钢尺分段丈量，这项工作称为直线定线。直线定线的目的是使这些分段点在待量直线端点的连线上，直线定线的方法主要有目测定线和仪器定线两种。目测定线主要利用单眼目测，在直线的两个端点分别竖立标杆，观测者甲位于直线的一个端点，指挥手持标杆者乙左右移动，直至移动至直线上。仪器定线主要是将带有望远镜装置的测量仪器架设在直线的一个端点上，照准另一个端点，水平方向上固定望远镜，垂直方向上转动望远镜，照准地面后进行标定即可。钢尺量距的一般方法有平量法和斜量法两种。4.1.2钢尺量距的精密方法用一般方法量距，其相对误差只能达到1/5000~1/1000。当要求量距的相对误差更小，例如为1/40000~1/10000时，就需要用精密方法进行丈量。精密方法量距的主要工具为钢尺、弹簽秤、温度计等。其中，钢尺必须经过检验，并得到其检定的尺长方程式。4.1.3钢尺量距的误差分析及注意事顶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。钢尺在使用中应注意以下问题：（1）钢尺易生锈。工作结束后，应用软布擦去钢尺上的泥和水，涂上机油，以防生锈。（2）钢尺易折断。如果钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。（3）在行人和车辆多的地区量距时，中间要有专人保护，严防钢尺被车辆压过而折断。（4）不能将钢尺沿地面拖拉，以免磨损尺面刻画线。（5）收卷钢尺时，应按顺时针方向转动钢尺摇柄，切不可逆转，以免折断钢尺。25min4.2视距测量视距测量是一种根据几何光学原理，用简便的操作方法即能迅速测出两点间距离的方法。视距测量是一种间接测距方法，普通视距测量所用的视距装置是测量仪器望远镜内十字丝分划板上的视距丝，视距丝是与十字丝中丝平行间距相等的上、下两根短丝。普通视距测量是利用十字丝分划板上的视距丝和刻有厘米分划的视距尺（可用普通水准尺代替），根据几何光学原理，测定两点间的水平距离。由于十字丝分划板上视距丝的位置固定，因此通过视距丝的视线所形成的夹角（视角）也是不变的，所以这种方法又称为定角视距测量。视线水平时，视距测量测得的是水平距离。如果视线是倾斜的，为求得水平距离，还应测出竖直角。有了竖直角，也可以求得测站至目标的高差。所以说，视距测量也是一种能同时测得两点之间的距离和高差的测量方法。视距测量操作简单，作业方便，观测速度快，一般不受地形条件的限制。但视距测量测程较短，测距精度较低，在比较好的外界条件下测距相对精度仅为1/300~1/200，低于钢尺量距的测距精度；测定高差的精度低于水准测量和三角高程测量的。因此，视距测量广泛用于地形测量的碎部测量中。4.2.1视距测量的原理1.视准轴水平时的视距计算公式如图4-4所示，A、B两点间的距离D为待测距离，在A点安置经纬仪，在B点竖立视距尺，使望远镜视线水平（使竖直角为零，即竖直度盘读数为90°或270°），照准B点的视距尺，此时视线与视距尺垂直。图4-4中，p—mn为望远镜十字丝分划板上视距丝的间距，l—MN为视距间隔，f为望远镜物镜的焦距，δ为物镜中心到仪器中心的距离。2.视准轴倾斜时的视距计算公式如图4-5所示,当视准轴倾斜时,由于视线不垂直于视距尺，所以不能直接应用式（4-14）计算视距。由于P角很小，约为34’,所以有人M°M’=a，即只要将视距尺绕视距尺线与望远镜视线的交点。4.2.2视距测量的观测和计算视距测量主要用于地形测量，测定测站点至地形点的水平距离及地形点的高程。视距测量的观测按下列步骤进行：（1）在控制点A上安置经纬仪，作为测站点。量取仪器高i（取至厘米）并抄录测站点的高程HA（取至厘米）。（2）立标尺于欲测定其位置的地形点上，尽量使尺子竖直，尺面对准仪器。（3）一般用经纬仪盘左位置进行观测。（4）按公式计算出水平距离和高差，然后根据A点高程计算出B点高程。4.2.3视距测量的误差分析及注意事顶1.视距测量的误差分析视距测量的主要误差来源有视距丝在标尺上的读数误差、标尺不竖直的误差、垂直角观测误差及外界气象条件的影响等。1）读数误差视距间隔l由上、下丝在标尺上的读数相减而得。由于视距乘常数K=100，因此视距丝的读数误差将扩大100倍地影响所测距离，即若读数误差为1mm，则影响距离为0.1m。所以，在标尺上读数前，必须消除视差，读数时应十分仔细。2）标尺不竖直的误差3）垂直角观测误差4）外界气象条件的影响（1）大气折光的影响。视线穿过大气时会产生折射，使光程从直线变为曲线，造成误差。由于视线靠近地面时折光大，所以规定视线应高出地面1m以上。（2）大气揣流的影响。空气的揣流使视距成像不稳定，造成视距误差。当视线接近地面或水面时，这种现象更为严重，所以视线要高出地面1m以上。2.视距测量的注意事项（1）观测时应抬高视线，使视线高出地面1m以上，以减少垂直折光的影响。（2）为减少水准尺倾斜误差的影响，在立尺时应将水准尺竖直，尽量采用带有水准器的水准尺。（3）水准尺一般应选择整尺，若用塔尺，则应注意检查各节的接头处是否正确。（4）进行竖直角观测时，应注意将竖盘指标水准管气泡居中或将竖盘自动补偿开关打开。在观测前，应对竖盘指标差进行检验与校正，确保竖盘指标差满足要求。（5）观测应在风力较小、成像较稳定的情况下进行。25min4.3电磁波测距电磁波测距（electro-magneticdistancemeasuring，EDM）是利用电磁波作为载波传输测距信号，以测定两点间距离的一种方法。以电磁波测距原理制造的测距仪器称为电磁波测距仪。电磁波测距仪是20世纪中叶问世的一种进行距离测量的新型仪器。经过不断的改进和完善，现代测距仪已具有测量速度快、方便、受地形影响小、测程长、测量精度高等特点。从测距仪与光学经纬仪（或电子经纬仪）组合，到现在的全站仪，可完成角度、距离、高差和坐标测量工作，并且能将测量成果自动地传输到外部存储器中。因此，电磁波测距已被广泛应用于大地测量、工程测量和地形测量中。4.3.1电磁波测距仪的分类电磁波测距仪可以按照采用的载波、测程、测量精度和基本功能进行分类。（1）电磁波测距仪按其所采用的载波划分为①用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪；②用激光作为载波的激光测距仪；③用红外光作为载波的红外测距仪。激光测距仪和红外测距仪又统称为光电测距仪。微波测距仪和激光测距仪多属于长程测距仪，测程可达60km，一般用于大地测量；而红外测距仪属于中、短程测距仪（测程为15km以下），一般用于小地区控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。（2）电磁波测距仪按测程划分为①短程测距仪，测程<5km；②中程测距仪，测程为5~15km；③远程测距仪，测程>15km。（3）电磁波测距仪按测量精度划分为①I级测距仪，mD<5mm；②Ⅱ级测距仪，5mm≤mD≤10mm；③Ⅲ级测距仪，mD>10mm，其中，mD为1km测距的中误差。（4）电磁波测距仪按基本功能划分为①专用型测距仪：测距仪安装在基座上，只用于测量距离。②半站型测距仪：测距仪与光学经纬仪按一定的形式组合安装在三脚架上。测距仪与光学经纬仪组合后的仪器功能较强，便于及时完成距离测量和角度测量以及进行其他数据处理等工作。③全站型测距仪：测距仪与光电经纬仪安装成为组合式的仪器，或者测距仪与光电经纬仪结合成为一体化的仪器。这种仪器能够及时、快速完成距离、角度测量和其他数据处理等工作。4.3.2电磁波测距的基本原理红外测距仪一般采用GaAs（确化稼）发光二极管发出的红外光作为光源，其波长λ的范围为0.85~0.93μm。对一台红外测距仪来说，λ是一个常数，则由式（4-25）可知，影响光速的大气折射率n只随大气温度t、气压p而变化。这就要求我们在光电测距仪作业中，必须实时测定现场的大气温度和气压，并对所测距离施加气象改正。根据测量光波在待测距离D上往、返传播一次所需要时间t2D的不同，光电测距仪可分为脉冲式和相位式两种，相应的测距法有脉冲式光电测距和相位式光电测距。1.脉冲式光电测距脉冲式光电测距是指用红外测距仪测定A、B两点间的距离D时，在待测距离一端安置测距仪，另一端安放反光镜，测距仪发出光脉冲，经反光镜反射后回到测距仪。2.相位式光电测距相位式光电测距是指将发射光波的光强调制成正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距离上往、返传播的相位移来解算距离的。4.3.3全站仪概述近年来，随着科学技术的不断发展，全站仪测量技术越来越成熟，全站仪被广泛应用到各种测量工作中。全站仪是一种集光电、计算机、微电子通讯、精密机械加工等高精尖技术于一体的先进测量仪器，它可方便、高效、可靠地完成多种工程测量工作，是目前测量工作中使用频率最高的仪器之一，具有常规测量仪器无法比拟的优点，是新一代综合性勘察测绘仪器。全站仪集测距、测角和常用测量软件功能于一体，由微处理机控制，自动测距、测角，自动归算水平距离、高差、坐标增量等，同时还可自动显示、记录、存储和输出数据，是一种智能型的测绘仪器。与普通仪器相比，全站仪具有如下特点：（1）具有普通仪器（如经纬仪）的全部功能。（2）能在数秒内测定距离、坐标值，测量方式分为精测、粗测、跟踪三种，可任选其中一种。（3）角度、距离、坐标的测量结果在液晶屏幕上自动显示，不需人工读数、计算，测量速度快、效率高。（4）测距时仪器可自动进行气象改正。（5）系统参数可视需要进行设置、更改。（6）菜单式操作，可进行人机对话。提示语言有中文、英文等。（7）内存大，一般可存储几千个点的测量数据，能充分满足野外测量需要。（8）数据可录入电子手簿，并输入计算机进行处理。（9）仪器内置多种测量应用程序，可视实际测量工作需要，随时调用。全站仪作为一种现代大地测量仪器，它的主要特点是同时具备电子经纬仪测角和测距两种功能，并由电子计算机控制、采集、处理和存储观测数据，使测量数字化、后处理自动化。全站仪除了应用于常规的控制测量、地形测量和工程测量，还广泛地应用于变形测量等领域。1.全站仪的发展历程全站仪从出现到发展至今才短短十几年，已发生划时代的飞跃，其发展大致可分为四代。第一代：半站型全站仪。第二代：可接手簿全站仪。第三代：可插磁卡全站仪。第四代：电脑化全站仪。2.全站仪的结构、操作1）全站仪的结构全站仪是集光、机、电于一体的高科技仪器设备，其中轴系机械结构和望远镜光学照准系统与电子经纬仪相比没有大的差异，而电子系统主要由电子测距单元、电子测角及微处理器单元和电子记录单元构成。2）全站仪的操作步骤全站仪的操作与电子经纬仪的差异也不大。下面主要介绍采用激光对中法进行对中与整平的具体步骤。第一步：安置