《数字测量》课件 第6章 距离测量

第6章

距离测量目录06-5月-242钢尺量距I.电磁波测距III.视距测量II.传感器测距IV.06-5月-243如何确定地面点平面位置？

·天津在哪里？06-5月-244如何确定地面点平面位置？

·距离测量和直线定向也是测量的基本工作之一

·距离测量钢尺(皮尺)量距视距测量电磁波测距大地测量技术GPSVLBISLR【测距轮】【甘特氏测链】06-5月-2456.1钢尺量距6.1.1钢尺量距工具

·钢尺量距利用经检定的钢尺直接量测地面两点间的距离，又称为距离丈量。基本步骤：定线、尺段丈量、成果计算钢尺、标杆、测钎和垂球精密量距时，还需要有弹簧秤、温度计

·钢尺量距的工具06-5月-2466.1钢尺量距6.1.1钢尺量距工具

·钢尺特点用薄钢片制成，宽10～15mm，厚0.2～0.4mm钢尺长度：20m、30m、50m等基本分划为cm；最小分划为mm；m和cm处有数字注记按钢尺零点位置不同，可分为：端点尺

(a)：以尺子的端点(拉环的外边缘)为零；刻划尺

(b)：以尺子的端部某一位置为零刻划。06-5月-2476.1钢尺量距6.1.1钢尺量距工具

·辅助工具测钎：标定尺段标杆：直线定线垂球：用于不平坦地面丈量时将钢尺的端点垂直投影到地面弹簧秤：对钢尺施加规定的拉力温度计：用于测定钢尺量距时温度，对所测距离施加温度改正【测钎】【垂球】【温度计】【弹簧秤】【标杆】分段测量：地面两点之间的距离较长或地形起伏较大时，需要分段直线定线：为了使所量各尺段在同一条直线上，需要将每一尺段首尾的标杆标定在待测直线上，这种在直线方向上标定若干点位的工作按精度可分为：目测标杆定线、经纬仪定线适用于一般钢尺量距首尾点互相通视由远到近定线06-5月-2486.1钢尺量距6.1.2直线定线

·1.目测花杆定线适用于精密钢尺量距A、B两点需通视经纬仪安置在A点，用望远镜纵丝照准B点，上下转动望远镜，指挥标杆像为纵丝平分06-5月-2496.1钢尺量距6.1.2直线定线

·2.经纬仪定线06-5月-24106.1钢尺量距6.1.3钢尺量距的一般方法

·1.平坦地面的距离丈量一般由两个人进行丈量清除待量直线上的障碍物，在直线两端点A、B竖立标杆后尺手持钢尺零端位于A点，前尺手持钢尺的末端和测钎沿AB方向前进，行至一个尺段处停下，拉紧拉平钢尺，前尺手在整尺段分划处插下测钎得到1点，即完成一个尺段余长读数至mm06-5月-241106-5月-24126.1钢尺量距§6.1.3钢尺量距的一般方法

·平坦地面的距离丈量AB测钎lqlllllDAB=nl+q

n为整尺段数l为整尺段长q为余长A、B两点间的水平距离为：06-5月-24136.1钢尺量距6.1.3钢尺量距的一般方法

·1.平坦地面的距离丈量为了防止丈量错误和提高量距的精度，需往、返丈量。返测时钢尺要调头。

往、返丈量距离的相对误差

K为：相对误差为分子为1的分数，相对误差的分母越大，说明量距的精度越高。对图根钢尺量距导线，钢尺量距往返丈量的相对误差不应大于1/3000。当量距相对误差没有超过规定时，取往、返丈量的平均值

06-5月-24146.1钢尺量距§6.1.3钢尺量距的一般方法

·平坦地面的距离丈量一般量距精度要求：K≤1/3000(平坦)，≤1/1000(山区)

例如，A、B两点间用钢尺量距，往测距离为125.468m，返测距离为125.436m，则其相对误差为：在计算相对误差时，因分子为1故只需计算其分母值；计算分母时只需计算出前两位有效数字，后面补零。1)平量法2)斜量法06-5月-24156.1钢尺量距6.1.3钢尺量距的一般方法

·2.倾斜地面的距离丈量1234地面坡度不大时，可将尺子拉平，然后用垂球在地面标出端点。L=l1+l2+……+ln地面坡度比较均匀，可沿斜坡丈量出倾斜距离L，并测出倾斜角

或高差h。ABL

Dh06-5月-24166.1钢尺量距6.1.4钢尺量距的精密方法

·相对误差要求在1/10000以上时一般量距精度只能达到1/1000~1/5000精密方法量距工具：钢尺+弹簧秤+温度计因电磁波测距仪的普及，现在很少使用钢尺应送计量单位或设有比长台的测绘单位检定，并得到尺长方程式钢尺在量距时的实际长度与其名义长度、量距温度的关系方程式尺长方程式：温度为t

时的钢尺实际长度t0温度下,钢尺尺长改正值钢尺名义长度量距时的温度钢尺膨胀系数钢尺检定时的温度(一般为1.15×10-5~

1.25×10-5)06-5月-24176.1钢尺量距6.1.4钢尺量距的精密方法

·精密量距步骤第一步：用经纬仪定线第二步：用串尺法，每尺段串动尺子量3次，用弹簧称控制拉力，并读丈量时的温度。A、B之间的距离=前端尺读数b−后端尺读数a第三步：测量各桩顶高差(利用水准测量测定，以便作倾斜改正)ABab30后前弹簧秤钢尺撑杆弹簧秤钢尺扣环平衡锤06-5月-2418/distance_tools/theb1670_650.jpgThisphotographshowsasurveyorusingatapestretcher.Intheearly1900s,tapeseventuallyreplacedthebarapparatusasthepracticalmeansformeasuringdistances.6.1钢尺量距06-5月-2419Beforetheadventofelectronicdistancemeasuringinstruments,surveyorsusedtapesmadeofanalloycalled"invar,"tomeasurebaselines.

/theodolites/welcome.html#measuring6.1钢尺量距06-5月-24206.1钢尺量距6.1.4钢尺量距的精密方法

·精密量距步骤第四步：量距成果整理对每尺段都要作三项改正：尺长改正温度改正倾斜改正改正后距离：量距精度计算：06-5月-24216.1钢尺量距6.1.4钢尺量距的精密方法

·精密量距计算例【已知】Lt

=30−0.003+1.25×10−5

(t−20)×30m，测量A−1，L1

=29.486m，t1=26.0℃，h1=1.12m，试求：A−1水平距d1【解】：∴d1=L1+ΔLd+ΔLt+ΔLh=29.486−0.0029+0.0022−0.0213=29.464m06-5月-24226.1钢尺量距6.1.5钢尺量距的误差分析及注意事项

·误差来源与削弱尺长误差：钢尺名义长度与实际长度不符，需测出尺长改正值温度误差：钢尺长度随温度而变化，应测定钢尺本身的温度1ºC的温度变化，丈量30m距离的误差为0.4mm(按钢的膨胀系数计算)钢尺倾斜和垂曲误差：高精度量距应加倾斜改正定线误差：所量为折线，结果偏大。目估定线偏差<0.1m，影响极小丈量30m距离，偏差为0.25m时，距离偏大1mm拉力不均匀误差：高精度量距应使用弹簧称控制拉力钢尺对点及读数误差：属偶然误差，丈量时应认真，采用多次丈量06-5月-24236.2视距测量6.2.1视线水平时的视距测量

·视距测量(早期)视距法(subtensemethod)是在测线的一端安置经纬仪，而在另一端水平安置基线横尺或布设短基线，用经纬仪测取基线横尺或短基线所对应的水平角(视差角)，再利用平面三角公式推求测线水平距离的距离测量方法。在电磁波测距仪出现之前，视差法测距常用于较精密的距离测量。/topic/surveying06-5月-24246.2视距测量6.2.1视线水平时的视距测量

·视距测量一种间接测距方法，它是利用望远镜内十字丝分划板上的视距丝(上、下丝)及标尺(水准尺)，根据光学原理同时测定两地面点间水平距离和高差的一种简易方法特点：同时测定两点的水平距离和高差操作方便，速度快测距精度1：300，低于钢尺量距高差精度低于水准测量适用于模拟法地形测量的碎部测量视距丝十字丝06-5月-24256.2视距测量6.2.1视线水平时的视距测量计算

·计算原理望远镜十字丝分划板上有二条短的横丝称为视距丝，它们与仪器中心形成一个固定角

φ。上、下丝读数之差称为视距间隔用l

表示，所以l=下丝读数−上丝读数。水平距D的大小与l成正比。物镜中心到仪器中心的距离望远镜物镜焦距上、下视距丝间距06-5月-24266.2视距测量6.2.1视线水平时的视距测量

·计算原理∆n′m′F∽∆NMF►d/f=l/p

►d=f/p*lA、B间水平距离：D=d+f+δ=f/p*l+(f+δ

)物镜中心到仪器中心的距离望远镜物镜焦距上、下视距丝间距06-5月-24276.2视距测量6.2.1视线水平时的视距测量

·计算原理A、B间水平距离：D=d+f+δ=f/p*l+(f+δ

)物镜中心到仪器中心的距离望远镜物镜焦距上、下视距丝间距K视距乘常数，通常为100C视距加常数，接近于零06-5月-24286.2视距测量6.2.1视线水平时的视距测量

·计算公式水平距计算公式

DAB=Kl=100(下丝−上丝)

其中，K为视距乘常数等于100

高差计算公式hAB=i−υ

其中，i为仪器高，υ

为中丝读数06-5月-24296.2视距测量6.2.2视线倾斜时的视距测量

·计算原理假设水准尺绕与望远镜视线的交点旋转α

角后，就能与视线垂直；φ角很小，可忽视。水平距计算公式

DAB=Klcos2α

其中，α为垂直角

高差计算公式hAB=DABtgα+i−υ

其中，i为仪器高，υ

为中丝读数06-5月-24306.2视距测量

·计算公式6.2.2视线倾斜时的视距测量ABDNMLDtanαihABSα06-5月-2431【已知】HA=142.60m，经纬仪上丝读数为0.900m，下丝读数为1.900m，υ

=1.40m，i=1.40m，α=−11º29'。试求：DAB，hAB和HB

【解】

DAB=Klcos2α=100(1.900−0.900)

cos2(−11º29')=96.04m

hAB=DABtgα+i−υ

=96.04tg(−11º29')+1.40−1.40=−19.51mHB=HA+hAB=142.60−19.51=123.09m6.2视距测量

·计算例6.2.2视线倾斜时的视距测量06-5月-24326.2视距测量

·观测步骤6.2.3视距测量的观测与计算在测站点A上安置经纬仪，对中、整平后，量取仪器高i，在待测点B上竖立水准尺

转动仪器照准部，照准B点上竖立的水准尺，先将中丝照准尺上i处附近，并将上丝对准附近一整分米数，由上、下丝读数直接读取视距用中丝对仪器高(以使i−υ=0)，调竖盘指标水准管气泡居中(有竖盘指标自动补偿器的经纬仪，无需此项操作)，读取竖盘读数，再计算竖直角将有关数据代人公式，即可计算得到相应的水平距离和高差06-5月-24336.2视距测量

·记录计算表6.2.3视距测量的观测与计算视距测量记录计算表06-5月-24346.3光电测距

·测距方法的发展6.3.1光电测距仪的测距原理钢尺量距：劳动强度大、工作效率低，精度不高视距测量：迅速、简便，精度较低光电测距仪(Geodimeter)：20世纪40年代：1948年瑞典物理学家伯哥斯崔德(ErikBergstrand)提出

采用白炽灯、高压汞灯等光源，仪器较重、需夜间观测、观测距离40km1957年：第一台微波测距仪由南非的沃德利(T.L.Wadley)设计并开发使用

观测距离达80km20世纪60年代：激光成为光源20世纪90年代：全站仪的出现电磁波测距(Electro-magneticDistanceMeasuring,EDM)利用电磁波(光波或微波)作为载波传输测距信号微波测距仪、光电测距仪(普通光测距仪、激光测距仪、红外测距仪)06-5月-2435

·光电测距仪的分类6.3.1光电测距仪的测距原理按测定载波传播时间方式：脉冲式、相位式按测程：短程、中程、远程按精度：I、II、III级测程分类仪器种类短程光电测距仪中程光电测距仪远程光电测距仪测程(km)<33~15>15精度±(5mm+5×10-6D)±(5mm+2×10-6D)±(5mm+1×10-6D)光源红外光源(GaAs发光二极管)红外光源(GaAs发光二极管)激光光源(激光光源)He-Ne激光器*GaAs(砷化镓)【发光二极管，LED】*Helium–neon(氦氖)【氦氖激光器】6.3光电测距06-5月-2436早期光电测距仪(1959年，50kg)6.3.1光电测距仪的测距原理

·光电测距仪6.3光电测距06-5月-2437后期光电测距仪(1966年)Frontandbackviews

·光电测距仪6.3.1光电测距仪的测距原理6.3光电测距06-5月-2438

·光电测距仪6.3.1光电测距仪的测距原理美国地质勘探局科学家使用光电测距仪测量圣海伦斯山的北麓(USGSPhotographtakenonMay4,1980,byC.DanMiller.)6.3光电测距06-5月-2439

·微波测距仪6.3.1光电测距仪的测距原理【微波测距仪M/RA1】1959年由南非科学与工业研究委员会的

沃德利(TrevorLloydWadley)发明6.3光电测距1962年的微波测距仪(9kg)1970年代微波(1.7kg)06-5月-2440

·微波测距仪6.3.1光电测距仪的测距原理6.3光电测距06-5月-2441

·微波测距仪6.3.1光电测距仪的测距原理6.3光电测距06-5月-24423.电磁波测量

·记录计算表§3.1光电测距仪的测距原理CA1000

型微波测距仪，广泛应用在20世纪70～80年代06-5月-2443

·测距原理6.3.1光电测距仪的测距原理LReflectorLengthofmeasuredpathis2xL测定光波的往返时间t，计算被测距离D被测距离电磁波在大气中的传播速度(3×108m/s)电磁波在被测距离上一次往返传播的时间式中：c=c0/nc0：真空中的光度(299792458m/s±1.2m/s)n：大气折射率(n≥1)

光波波长、测线上大气温度/气压/湿度的函数6.3光电测距06-5月-2444

·测距原理6.3.1光电测距仪的测距原理由距离D的计算式（6-16）可知，测距精度主要取决于时间t的测定精度，由于，当要求测距误差dD＜1㎝时，时间测定精度dt要求准确到6.7×10-11s，现今直接测量时间难以达到这样高的精度。因此，时间的测定一般采用间接测量的方式来实现。间接测定时间的方法有相位法。

·1.脉冲法测距【LeicaDI3000测距仪】脉冲法测距是指由测距仪的发射系统发出光脉冲，经反射棱镜反射后，又回到测距仪而被其接收系统接收，测出这一光脉冲往返所需时间间隔，进而求得距离。由于钟脉冲计数器的频率所限，所以测距精度只能达到0.6-1m。此法常用在激光雷达、微波雷达等远距离测距上。20世纪80年代，出现了将测线上往返的时间延迟△t变成电信号，对一个精密电容进行充电,同时记录充电次数，然后用电容放电来测定△t的方法，这种方法的测量精度可达到毫米级。06-5月-2445

·2.相位法测距6.3.1光电测距仪的测距原理

06-5月-2446

·2.相位法测距6.3.1光电测距仪的测距原理

相当于钢尺测距的尺长06-5月-2447

·2.相位法测距6.3.1光电测距仪的测距原理测距仪的测相装置（相位计）只能分辨出0-2π的相位变化，故只能测出不足整周（2π）的尾数相位值，而不能测定整周数N，这样相位法测距公式（6-20）将产生多值解。只有当待测距离小于测尺长度时才有确定的距离值。又由于仪器测相装置的测相精度一般小于1/1000，故测尺越长测距误差越大。人们通过在相位式光电测距仪中设置多个测尺，用各测尺分别测距，然后将测距结果组合起来的方法来解决距离的多值解问题。在仪器的多个测尺中，称长度最短的测尺为精测尺，其余为粗测尺。用精测尺测定距离的尾数，以保证测距的精度，用粗测尺测定距离的大数，以满足测程的需要。例如：某测程为1km的光电测距仪设置了10m和1000m两把测尺，以10m作精尺，显示米及米以下的距离值，以1000m作粗尺，显示百米位、十米位距离值。如实测距离为386.118m，则粗测尺测距结果：380，精测尺测距结果：6.118，显示距离值：386.118m。06-5月-2448

·ND3000红外测距仪6.3.1光电测距仪的测距原理电池外接电源插口电源开关显示屏数据接口粗瞄器望远镜目镜望远镜目镜调焦螺旋垂直制动螺旋垂直微动螺旋水平调整螺钉6.3光电测距06-5月-2449

·ND3000红外测距仪6.3.1光电测距仪的测距原理6.3光电测距6.3.2全站仪测距图6-10

STS-722全站仪6.3光电测距全站仪种类、型号很多，全站仪测距的基本操作大同小异。本节以三鼎STS-720系列全站仪为例（图6-10）。STS-720是2013年三鼎光电为专业工程测量推出的全站仪系列。免棱镜测程350m，单棱镜5000m，测距精度2mm+2ppm。精选简化的测量程序，IP55级防固的坚毅机身，为工程测量量身设计。绝对编码测角、激光免棱镜测角，保证测量的速度与精度。

06-5月-24516.3.2全站仪测距全站仪种类、型号很多，全站仪测距的基本操作大同小异。本节以三鼎STS-720系列全站仪为例（图6-10）。STS-720是2013年三鼎光电为专业工程测量推出的全站仪系列。免棱镜测程350m，单棱镜5000m，测距精度2mm+2ppm。精选简化的测量程序，IP55级防固的坚毅机身，为工程测量量身设计。绝对编码测角、激光免棱镜测角，保证测量的速度与精度。6.3光电测距图6-10

STS-722全站仪06-5月-24526.3.2全站仪测距将仪器安装在三脚架上，精确整平和对中，以保证测量成果的精度。(1)架设三脚架，将全站仪安置在架头上。(2)全站仪开机，移动两个三脚架腿使激光点对好测站点标志中心。(3)通过伸缩三脚架腿使圆水准器气泡居中。(4)检查激光点对中，如激光点没对好测站点标志中心，松开中心连接螺旋，仪器在架头移动精确对中。(5)调三个脚螺旋使长水准管气泡在互相垂直的两个方向均居中。(6)最后再检查激光点是否对好测站点标志中心。6.3光电测距

·1.安置仪器06-5月-24536.3.2全站仪测距（1）对准明亮地方，旋转目镜筒，调焦看清十字丝。（2）利用望远镜上瞄准器内的三角形标志的顶尖瞄准目标点，制动仪器。（3）利用望远镜调焦螺旋使目标成像清晰。6.3光电测距

·2.瞄准目标

·3.EDM设置（1）设置EDM模式（2）设置目标类型（3）设置棱镜常数（4）设置气象数据06-5月-24546.3.2全站仪测距图6-15为基本测量界面，基本测量分两页显示和两页功能菜单，包括了所有常用的测量功能，如角度测量、距离测量以及坐标测量。按[F1]翻到第2页，按[F2]“测量”键，约1秒钟后，屏幕上就会显示斜距、平距。6.3光电测距

·4.距离测量06-5月-2455

·测距仪的标定精度6.3.4光电测距的误差分析测距仪距离计算公式：利用误差传播规律可求得D的方差：被测距离电磁波在真空中的传播速度大气折射率电磁波频率不足一整尺段之余数测距仪加常数6.3光电测距06-5月-24566.3光电测距

·测距仪的标定精度6.3.4光电测距的误差分析利用误差传播规律可求得D的方差：比例误差：C0、f、n的误差与距离成正比固定误差：∆N、K的误差与距离无关可写成常用经验公式：

mD=±(a+bD)如：如三鼎STS-720系列全站仪的标称精度可按式（6-24）表示为±（2mm+2Dppm）。1ppm=1mm/1km=1×10-6，即每测量1km的距离将产生1mm的比例误差06-5月-24576.3光电测距

·测距仪的误差6.3.4光电测距的误差分析主要有三种：固定误差，比例误差及周期误差固定误差：与被测距离无关，主要包括仪器对中误差、仪器加常数测定误差及测相误差。比例误差：与被测距离成正比，主要包括：大气折射率的误差，在测线一端或两端测定的气象因素不能完全代表整个测线上平均气象因素。调制光频率测定误差，调制光频率决定测尺的长度。周期误差：由于送到仪器内部数字检相器不仅有测距信号，还有仪器内部的窜扰信号，而测距信号的相位随距离值在0~360º内变化，因而合成信号的相位误差大小也以测尺为周期而变化，故称周期误差。06-5月-24586.3.4光电测距的误差分析

6.3光电测距

·对光电测距的误差进行简要分析

06-5月-24596.3.4光电测距的误差分析

6.3光电测距

·对光电测距的误差进行简要分析06-5月-24606.3.4光电测距的误差分析

6.3光电测距

·对光电测距的误