测量学距离测量与直线定向市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

第4章距离测量和直线定向4.1钢尺量距4.2视距测量4.3电磁波测距4.4全站仪及其应用4.5直线定向4.6用罗盘仪测定磁方位角本章内容以下：第1页距离测量(distancemeasurement)是确定地面点位基本测量工作之一。距离测量方法有钢尺量距、视距测量、电磁波测距和GPS测量等。钢尺量距是用钢卷尺沿地面直接丈量距离；视距测量是利用经纬仪或水准仪望远镜中视距丝及视距标尺按几何光学原理进行测距；电磁波测距是用仪器发射并接收电磁波，经过测量电磁波在待测距离上往返传输时间解算出距离；GPS测量是利用两台GPS接收机接收空间轨道上4颗卫星发射精密测距信号，经过距离空间交会方法解算出两台GPS接收机之间距离。本章重点介绍钢尺量距和电磁波测距测量方法。第2页4.1钢尺量距4.1.1丈量工具钢尺(steeltape)：尺宽度约10～15mm，厚度约0.4mm，

长度有20m、30m、50m等几个。有端点尺、刻线尺；皮尺：端点尺、刻线尺标（花）杆、测钎

和垂球第3页4.1.2直线定线目估定线：适合用于钢尺量距普通方法。经纬仪定线：适合用于钢尺量距精密方法。4.1.3钢尺量距普通方法1.平坦地面距离丈量第4页往返测丈量A、B两点之间距离为第5页2.倾斜地面距离丈量①平量法

同向丈量两次②斜量法最少丈量两次相对较差应小于1/1000第6页4.1.4钢尺量距精密方法用普通方法量距，其相对误差只能到达1/1000~1/5000，当要求量距相对误差更小时，比如1/10000~1/40000，就要求用精密方法进行丈量。1.直线定线：采取经纬仪定线2.量距：用经过检定、且有尺长方程式钢尺量距3.测量桩顶高程4.尺段长度计算ａ、尺长更正ｂ、温度更正ｃ、倾斜更正5.钢尺检定：ａ、尺长方程式ｂ、钢尺检定方法第7页6.钢尺量距误差分析定线误差、尺长误差、温度误差、拉力误差、尺子不水平误差、钢尺垂曲和反曲误差、丈量本身误差7.钢尺量距注意事项①钢尺易生锈，丈量结束后应用软布擦去尺上泥和水，涂上机油以防生锈。②钢尺易折断，假如钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。③丈量时，钢尺末端持尺员应该用尺夹夹住钢尺后手握紧尺夹加力。没有尺夹时，能够用布或者纱手套包住钢尺代替尺夹，切不可手握尺盘或尺架加力，以免将钢尺拖出。④在行人和车辆较多地域量距时，中间要有专员保护，以预防钢尺被车辆碾压而折断。⑤不准将钢尺沿地面拖拉，以免磨损尺面分划。⑥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。第8页4.2视距测量(stadiameasurement)视距测量是一个间接测距方法；它利用望远镜内十字丝分划板上视距丝及刻有厘米分划视距标尺(地形塔尺或普通水准尺)，依据光学原理能够同时测定两点间水平距离和高差；其中测量距离相对误差约为1/300，低于钢尺量距；测定高差精度低于水准测量和三角高程测量；视距测量广泛用于地形测量碎部测量中。4.2.1视距测量原理光学和三角学原理特点：含有操作方便、速度快、不受地形起伏限制优

点，但测量精度低。1.视线水平时视距测量原理第9页由图中两个三角形相同可得：故：令：，则得：D=KL+C，k为视距乘常数，普通仪器乘常数为100；内对光望远镜C很小，经过调整物镜焦距、调焦透镜焦距及上下丝间隔等参数后C≈0上式简化得：D=K

L在平坦地域，当视线水平时，读取中丝在视距尺(即水准尺)上读数v，量取仪器高i，则高差h为：h＝i-v

第10页2.视线倾斜时视距测量原理水平距离公式：D=ＫＬcos2α

高差公式：h=h′+i-v＝Dtanα+i-v

第11页4.2.2视距测量观察与计算1)安置经纬仪，量仪器高ｉ，在另一个点上竖立视距尺。2)盘左瞄准目标尺，分别读出上、下、中丝读数。3)转动指标水准管微动螺旋，使竖盘指标水准管气泡居中，读取竖盘读数。4)计算：

D=KLcos2α第12页例：在A点安置经纬仪，B点竖立视距尺，A点高程为HA=35.32m，仪器高i=1.39m，上下丝读数分别为1.264m、2.336m，盘左观察竖盘读数为L=82°26′00″，竖盘指标差为x=+1′，求AB两点间

水平距离和B点高程。解：视距间隔为l=2.336-1.264=1.072m竖直角为α＝90°-L+x＝7°35′水平距离为D=KLcos2α=105.33m中丝读数为v=(上丝读数+下丝读数)/2=1.8m高差为hAB=Dtanα+i-v

=+13.61m

B点高程为HB=HA+

hAB

=35.32+13.61=48.93m第13页4.3电磁波测距(electro-magneticdistancemeasuring，简称EDM)电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，传输测距信号，以测量两点间距离一个方法。EDM含有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形限制等优点。补充内容：电磁波测距技术发展介绍1948年，瑞典AGA(阿嘎)企业(现更名为Geotronics(捷创力)企业)研制成功了世界上第一台电磁波测距仪，它采取白炽灯发射光波作载波，应用了大量电子管元件，仪器相当粗笨且功耗大。为避开白天太阳光对测距信号干扰，只能在夜间作业，测距操作和计算都比较复杂。1960年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一台氦-氖激光器，1962年砷化镓半导体激光器研制成功。第14页与白炽灯比较，激光器优点是发散角小、大气穿透力强、传输距离远、不受白天太阳光干扰、基本上能够全天侯作业。1967年AGA企业推出了世界上第一台商品化激光测距仪AGA-8。该仪器采取5mw氦-氖激光器作发光元件，白天测程为40km，夜间测程达60km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量23kg。武汉地震大队也于1969年研制成功了JCY-1型激光测距仪，1974年又研制并生产了JCY-2型激光测距仪。该仪器采取2.5mw氦-氖激光器作发光元件，白天测程为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量16.3kg。伴随半导体技术发展，从60年代末70年代初起，采取砷化镓发光二极管作发光元件红外测距仪流行起来。第15页与激光测距仪比较，红外测距仪有体积小、重量轻、功耗小、测距快、自动化程度高等优点。因为红外光发散角比激光大，所以红外测距仪测程普通小于15km。现在红外测距仪已经和电子经纬仪及计算机软硬件制造在一起，形成了全站仪，并向着自动化、智能化和利用蓝牙技术实现测量数据无线传输方向飞速发展。4.3.1电磁波测距基本原理

经过测定电磁波束在待测距离上往返传输时间来计算待测距离。第16页其中所以，第17页第18页第19页第20页第21页第22页

为光波在真空中传输速度，其准确值为n为大气折射率(n≥1)，其为光波长、大气温度和气压函数。4.3.2电磁波测距仪分类依据测定时间方法不一样，分为脉冲式测距仪和相位式测距仪按载波分类：微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪按测程分为短程测距仪(<3km）、中程测距仪(3~15km）、远程测距仪(>15km）按精度分类：I级(<5mm）、II级(5mm～10mm）、III级(10mm～20mm）第23页4.3.2相位式光电测距仪使用1）仪器安置2）开机3）瞄准4）测距和测角

第24页第25页1.仪器常数更正2.气象更正3.倾斜更正4.3.4光电测距结果整理第26页4.3.5手持激光测距仪介绍1．连续测量按钮2．长度测量按钮3．面积测量按钮4．开关按钮5．测量按钮6．显示器7．显示灯按钮8．显示激光束按钮9．体积测量按钮10．去除按钮11．间接长度测量按钮12．读取存放数据按钮13．储存“减”操作按钮14．储存“加”操作按钮6547811129103211413第27页4.4电子全站仪（totalstation）及其应用4.4.1电子全站仪概述全站型电子速测仪简称，是指在测站上一经观察，必要观察数据（水平角、竖直角、平距、斜距、高差、高程、坐标）均能自动显示。如经过传输接口把全站仪野外采集数据与终端计算机、绘图仪连接起来，配以数据处理软件和绘图软件，即可实现测图自动化。全站仪主要由控制系统、测角系统、测距、统计系统及通信系统组成。工程建设中应用广泛（测定、测设）4.4.2电子全站仪基本测量功效操作概要第28页第29页第30页4.4.3电子全站仪使用1.仪器安置与开关机

2.角度测量第31页3.距离测量第32页4.坐标测量：设置测站坐标、测站高、后视方位角或后视点坐标及棱镜高第33页第34页5.放样（1）已知角度和距离放样第35页（2）已知坐标放样第36页6.悬高测量(REM)第37页7.遥距测量(RMD)第38页8.任务管理器第39页9.通讯第40页4.4.4全站仪使用主要事项

仪器安置在三脚架上之前，应检验三脚架三个伸缩螺旋是否已旋紧，在用连接螺旋将仪器固定在三脚架上之后才能放开仪器，不要过分拧紧制动螺旋。在整个操作过程中，观察者决不能离开仪器，以防止发生意外事故。在阳光下或阴雨天气进行作业时，应打伞遮阳、遮雨。该仪器棱镜棱镜常数总是0，不论是单棱镜还是三棱镜。凡迁站都应先关闭电源并将仪器取下装箱搬运。禁止在开机状态下插拔电缆。电池充电时间不能超出专用充电器要求充电时间，不然有可能将电池烧坏或者缩短电池使用寿命。第41页4.5直线定向确定地面直线与标准方向间水平夹角称为直线定向(lineorientation)。4.5.1标准方向分类1.真子午线方向(truemeridiandirection)地表任一点P与地球旋转轴所组成平面与地球表面交线称为P点真子午线(truemeridian)，真子午线在P点切线方向称为P点真子午线方向。能够应用天文测量(astrometry)方法或者陀螺经纬仪(gyrotheodolite)来测定地表任一点真子午线方向。2.磁子午线方向(magneticmeridiandirection)地表任一点与地球磁场南北极连线所组成平面与地球表面交线称为点磁子午线(magneticmeridian)，磁子午线在第42页点切线方向称为点磁子午线方向。能够应用罗盘仪(compass)来测定，在直线端点安置罗盘，磁针自由静止时其轴线所指方向即为点磁子午线方向。3.坐标纵轴方向(ordinatesaxisdirection)过地表任一点且与其所在高斯平面直角坐标系或者假定坐标系坐标纵轴平行直线称为点坐标纵轴方向。

第43页4.5.2直线方向表示方法—方位角由标准方向北端，顺时针方向量至某直线水平夹角，称为该直线方位角，改变范围：0~360º。1.真方位角(truemeridianazimuth)：以真北方向为标准方向所度量方位角；α真2.磁方位角(magneticmeridianazimuth)

：以磁北方向为标准方向所度量方位角；α磁3.坐标方位角(gridbearing)：以坐标纵轴北向为标准方向所度量方位角；αN标准方向12α12第44页4.5.3正、反方位角关系任何一条直线都有正反两个方向，在直线起点量得直线方向称直线正方位角，反之在直线终点量得直线方向称直线反方位角。正反坐标方位角相差180°。αAB＝αBA±180°第45页4.5.4三种方位角之间关系1.经过地面上某点磁北方向与真北方向夹角为磁偏角(mageticdeclination)，用δ表示。以真北方向为准，东偏为正，西偏为负。我国磁偏角改变在+6°~-10°之间。2.经过地面上某点坐标纵轴方向与真北方向夹角为子午线收敛角(mappingangle)，用γ表示。以真北方向为准，东偏为正，西偏为负。3.三种方位角之间关系第46页4.6用罗盘仪测定磁方位角4.6.1罗盘仪结构罗盘仪(compass)是测量直线磁方位角仪器，如图所表示。第47页当测区内没有国家控制点可用，需要在小范围内建立假定坐标系平面控制网时，可用罗盘仪测量磁方位角，作为该控制网起始边坐标方位角。罗盘仪主要部件有磁针、刻度盘、望远镜和基座。①磁针：磁针用人造磁铁制成，磁针在度盘中心顶针尖上可自由转动。为了减轻顶针尖磨损，在不用时，可用位于底部固定螺旋升高杠杆，将磁针固定在玻璃盖上。②刻度盘：用钢或铝制成圆环，随望远镜一起转动，每隔10°有一注记，按逆时针方向从0°注记到360°，最小分划为1°或30′。刻度盘内装有一个圆水准器或者两个相互垂直管水准器，用手控制气泡居中，使罗盘仪水平。③望远镜：与经纬仪望远镜结构基本相同，也有物镜第48页对光、目镜对光螺旋和十字丝分划板等，其望远镜视准轴与刻度盘0°分划线共面。④基座：采取球臼结构，松开球臼接头螺旋，可摆动刻度盘，使水准气泡居中，度盘处于水平位置，然后拧紧接头螺旋。4.6.2罗盘仪测定直线磁方位角欲测直线AB磁方位角，将罗盘仪安置在直线起点A，挂上垂球对中，松开球臼接头螺旋，用手前、后、左、右转动刻度盘，使水准器气泡居中，拧紧球臼接头螺旋，使仪器处于对中和整平状态。松开磁针固定螺旋，让它自由转动，然后转动罗盘，用望远镜照准B点标志，待磁针静止后，按磁针北端(普通为黑色一端)所指度盘分划值读数，即为AB边磁方位角角值，如图所表示。使用时，要避开高压电线和防止铁质物体靠近罗盘，在测量结束后，要旋紧固定螺旋将磁针固定。第49页补充知识—陀螺经纬仪陀螺经纬仪与真方位角测定一、陀螺仪（gyroscope）定向原理由物理学可知，一个对称刚性转子（见图）转动惯量J定义为式中，r为质点到转轴垂直距离；dm为刚体上每一质点质量。当转子以角速度绕其对称轴X旋转时，其转动惯量为第50页假如转子质量大部分集中在其边缘，当转子高速旋转时，就能够形成很大转动惯量H。它有两个特征：1.在没有外力矩作用下，转子旋转轴X在宇宙空间中保持不变，即定轴性；2.在外力矩作用下，转子旋转轴X方位将向外力矩作用方向发生改变，这种运动称为“进动”。陀螺仪定向，就是利用陀螺仪转子上述两个特征进行。二、陀螺经纬仪结构图是国产JT15陀螺经纬仪(gyrotheodolite)结构图；使用它测定地面任一点真子午线方向精度能够到达±15″。第51页陀螺经纬仪由DJ6经纬仪和陀螺仪组成，陀螺仪安装在DJ6经纬仪上连接支架上。陀螺仪由摆动系统、观察系统和锁紧限幅机构组成。第52页1.摆动系统：包含悬吊带、导线、转子(马达)、转子底盘等，它们是整个陀螺仪灵敏部件。转子要求运转平稳，重心要经过悬吊带对称轴，能够经过转子底盘上六个螺钉进行调整。悬吊带采取特种合金材料制成，断面尺寸为0.56×0.03mm，拉断力为2.4kg，实际荷重为0.78kg。2.观察系统：是用来观察摆动系统工作情况。照明灯泡将灵敏部件上双线光标照亮，经过成像透镜组使双线光标成像在分划板上，方便在观察窗中观察。3.锁紧限幅机构：包含凸轮、限幅盘、转子底盘、锁紧圈，用凸轮使限幅盘沿导向轴向上滑动，使限幅盘托起转子底盘靠在与支架连接锁紧圈上。限幅盘上三个泡沫塑料块在下放转子部分时，能起到缓冲和摩擦限幅作用。第53页三、陀螺经纬仪操作方法陀螺仪转子额定旋转速度≥21500转/分，能够形成很大内力矩，假如操作不正确，很轻易毁坏仪器，所以，正确使用陀螺仪非常主要。在需要测定真子午线方向点上安置好经纬仪后，应按以下步骤操作陀螺经纬仪：1.粗定向：将仪器附带罗盘仪安装在支架上定位盘上，旋转经纬仪照准部，使视线方向指向近似真子午线北方向(误差±1°~2°)，将经纬仪水平微动螺旋旋至行程中间位置，制动照准部，取下罗盘仪。2.安置陀螺仪：将陀螺仪安装到支架上定位盘上，旋紧固连螺环，接好电源线，打开电源开关，开启陀螺转子，第54页信号灯亮，当其转速到达额定转速后(大约需要3分钟)信号灯熄灭(有些仪器是信号灯颜色改变，详细参见仪器使用手册)。迟缓旋松锁紧机构，将摆动系统平稳放下，在陀螺仪观察窗中观察陀螺进动方向和速度，假如陀螺进动速度很慢，就能够开始进行观察。观察方法有逆转点法和中天法。3.观察完成后，要先旋紧锁紧机构，将摆动系统托起，才能关闭电源，拔掉电源线。待陀螺仪转子完全停顿转动以后才允许卸下陀螺仪装箱。四、

陀螺经纬仪观察方法1.逆转点法(reversalpointsmethod)陀螺仪转轴在东、西两处反转位置称逆转点。

第55页逆转点法实质就是经过旋转经纬仪水平微动螺旋，在陀螺仪观察窗中，用零线指标线跟踪双线光标影像，当摆动