现代测量学课件 第4章 角度与距离测量

第4章角度与距离测量01角度测量原理02角度测量仪器距离测量0405全站仪角度测量方法0306三维激光扫描仪

角度测量包括水平角测量和竖直角测量

水平角测量用于确定点的平面位置

竖直角测量用于测定高差或将倾斜距离

改化成水平距离

常用仪器：经纬仪、全站仪MA(xA，yA，HA)BβS

一、水平角测量原理角度测量原理01角度测量相交的两直线之间的夹角在水平面上的投影，取值范围：0°~360°。水平面abcβABCOca量角器测量原理

量角器是否应该水平？量角器安置的高低对水平角的观测有无影响？瞄准目标不同的高低部位对水平角的观测有无影响？水平角

问题一、水平角测量原理角度测量原理01对中方式垂球对中、光学对中、激光对中、强制对中一、水平角测量原理角度测量原理01在同一竖直面内，目标方向与特定方向之间的夹角。高度角与天顶距间的关系高度角（竖角、垂直角）在同一竖直面内，目标方向与水平方向间的夹角。α∈[-90°

,90°]，

仰角为正，俯角为负天顶距在同一竖直面内，目标方向与天顶方向间的夹角。Z∈[0°

,180°]竖直角二、竖直角测量原理角度测量原理01

原理天顶距高度角（竖角、垂直角）量角器是否应铅垂？量角器能否仅读读数

a

就可得到竖直角？高度角与天顶距间的关系

问题二、竖直角测量原理角度测量原理01

DJ6光学经纬仪的基本结构可分为照准部、水平度盘和基座三部分，测角精度为6秒。照准部望远镜用于精确、清晰地瞄准远处的测量目标。其光学系统主要由物镜、调焦透镜、十字丝分划板和目镜组成一、DJ6光学经纬仪角度测量仪器02旋转轴水平度盘旋转轴套基座轴套照准部

DJ6光学经纬仪的基本结构可分为照准部、水平度盘和基座三部分，测角精度为6秒。照准部水准器用于置平仪器，使仪器的某条轴线处于水平或铅垂位置管水准器用于指示竖轴是否处于铅垂位置并使水平度盘水平圆水准器用于将仪器竖轴置于铅垂位置水准管分划值τ：R为水准管圆弧半径，以mm为单位。一、DJ6光学经纬仪角度测量仪器02

DJ6光学经纬仪的基本结构可分为照准部、水平度盘和基座三部分，测角精度为6秒。水平度盘水平度盘是一个刻有分划线的光学玻璃圆盘，相邻两分划线间距所对的圆心角称为度盘的格值，又称度盘的最小分格值。一般DJ6经纬仪的度盘格值为1°，并按顺时针方向注有数字。水平度盘与照准部是分离的，观测水平角时，其位置相对固定，不随照准部一起转动。若需改变水平度盘的位置，可通过照准部上的水平度盘变换手轮或复测扳手将度盘配置到所需要的位置。一、DJ6光学经纬仪角度测量仪器02基座经纬仪基座主要由轴座、脚螺旋、底板、三角压板等组成。在经纬仪基座上，还有一个轴座固定螺旋，用来将照准部与基座固连在一起。利用基座的中心螺母和三脚架上的中心连接螺旋，可使仪器与三角架固定在一起。

DJ6光学经纬仪的基本结构可分为照准部、水平度盘和基座三部分，测角精度为6秒。读数设备和读数方法DJ6经纬仪都采用分微尺测微器。读数窗上半部的影像为水平度盘读数，一般标有“H”或“水平”字样，下半部为竖直度盘读数，一般标有“V”或“竖直”字样。上半部和下半部各有一个分微尺，其长度与成像在读数窗分划面上的度盘分划值间隔的宽度相等。分微尺分为60小格，每小格的格值为1′，为了读数方便，每10小格标有注记。如：水平度盘读数为：214°44′12″；竖直度盘读数为：90°28′48″。一、DJ6光学经纬仪角度测量仪器02电子经纬仪在结构和外观上与光学经纬仪基本类似，使用方法与光学经纬仪也基本相同，但用电子测角系统代替光学读数系统。编码度盘测角系统二、电子经纬仪角度测量仪器02采用纯二进制编码

从高到低4

个码道，S=2n

=16个区间区间编码区间编码区间编码区间编码01230000000100100011456701000101011001118910111000100110101011121314151100110111101111度盘的角度分辩率R与区间数S

有关工作原理设备：发光二极管和光电二极管原理：望远镜照准目标时，光电探测器探测到编码度盘后产生电压输出，形成二进制编码，经译码器解译成十进制数字后，由微处理器处理后以角度形式显示。度盘上每个方向都单值对应一个编码输出，得到绝对方向值，故称为绝对式编码度盘测角。二、电子经纬仪角度测量仪器02编码度盘测角系统一、角度测量原理读数的设备与方法——电子经纬仪、全站纬仪光栅度盘测角光栅度盘在光学玻璃度盘的径向上均匀地刻制明暗相间的等角距细线条就构成光栅度盘。将密度相同的指示光栅与光栅度盘重叠，并使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度。工作原理——设备：发光二极管和光电二极管——原理：照射度盘重叠区时，会产生明暗相间按正弦周期性变化的莫尔条纹，且随照准部转动。度盘转动产生的莫尔条纹光信号强度会使光电管输出电流发生周期变化，计数器累积到相对起始时刻的周期数，经处理后以角度形式显示出来。光栅度盘只能累计出光栅移动条数，所以为增量式光栅度盘。二、电子经纬仪角度测量仪器02

光栅度盘测角系统经纬仪安置的目的：经纬仪的中心在地面点的铅垂线上；经纬仪的水平度盘处于水平状态。安置经纬仪包括对中、整平、调焦三个步骤。

对中打开三脚架，高度适中，中心大致位于测站点的铅垂线方向上，架头大致水平；将经纬仪放置在三脚架上，并用中心螺旋固定在三脚架上；旋转脚螺旋，用对中器对准测站点；调节三脚架腿的长度，使圆水准气泡居中；重复上述操作，直至地面标志点位于十字中心，且圆水准器也处于居中状态。一、经纬仪的安置角度观测方法03经纬仪安置的目的：经纬仪的中心在地面点的铅垂线上；经纬仪的水平度盘处于水平状态。安置经纬仪包括对中、整平、调焦三个步骤。整平任选两个脚螺旋，转动照准部使管水准轴与所选两个脚螺旋中心连线平行，相对转动两个脚螺旋使管水准器气泡居中；转动照准部90°，使管水准器处于垂直于该两个脚螺旋连线方向位置，此时转动第三个脚螺旋使管水准器气泡居中；重复上述操作，直至水准器气泡在任意位置都精确居中。一、经纬仪的安置角度观测方法03经纬仪安置的目的：经纬仪的中心在地面点的铅垂线上；经纬仪的水平度盘处于水平状态。安置经纬仪包括对中、整平、调焦三个步骤。调焦目镜调焦，将望远镜对准白墙或天空，旋转目镜调焦螺旋，使十字丝最清晰；物镜调焦，旋转物镜调焦螺旋，使观测目标成像最清晰；检查是否有视差；视差消除方法：消除视差的方法如下：转动目镜调焦螺旋将十字丝调至最清楚，再转动物镜调焦螺旋将目标像调至最清楚，上下、左右移动眼睛，如果十字丝与目标像之间已无相对移动，则视差已消除，否则，重新进行目镜和物镜对光，直至视差消除为止。一、经纬仪的安置角度观测方法03水平角观测一般根据观测条件、观测精度要求和目标的数目来决定。常用的水平角观测方法有测回法和方向观测法。测回法测回法适于观测只有两个方向的水平角，如图所示，经纬仪安置在测站点O上，对中整平后按下述步骤进行水平角观测：经纬仪置于盘左（用L表示）位置。所谓盘左，即观测者面对望远镜目镜，竖直度盘在望远镜的左侧；精确瞄准起始目标A，读取水平度盘读数，记入观测手簿；松开照准部制动螺旋，顺时针旋转照准部，精确照准目标B，读取水平度盘读数，记入观测手簿；二、水平角观测角度观测方法03以上观测过程称为上半测回，其观测角值

水平角观测一般根据观测条件、观测精度要求和目标的数目来决定。常用的水平角观测方法有测回法和方向观测法。测回法测回法适于观测只有两个方向的水平角，如图所示，经纬仪安置在测站点O上，对中整平后按下述步骤进行水平角观测：松开照准部制动螺旋和望远镜制动螺旋，纵转望远镜，使经纬仪置于盘右（用R表示）位置（竖盘在望远镜右侧，又称倒镜）。然后精确照准目标B，读取水平度盘读数，记入观测手簿；逆时针旋转照准部，精确照准目标A，读取水平度盘读数，记入观测手簿。二、水平角观测角度观测方法03以上观测过程称为下半测回，其观测角值

水平角观测一般根据观测条件、观测精度要求和目标的数目来决定。常用的水平角观测方法有测回法和方向观测法。测回法上半测回和下半测回合称为一个测回。由于受各种误差的综合影响而不相等，实际观测中当与两者之差（称半测回较差）满足规范要求时（见下表），可取两者的平均值作为该测回的观测结果。二、水平角观测角度观测方法03

仪器半测回归零差（″）

半测回角值较差（″）一测回内2C互差（″）同一方向值各测回互差（″）DJ61836

24DJ212241812水平角观测一般根据观测条件、观测精度要求和目标的数目来决定。常用的水平角观测方法有测回法和方向观测法。方向观测法方向观测法又称为全圆观测法，适于在一个测站上观测三个或三个以上的目标。与测回法不同的是，方向观测法在超过三个目标时每半测回依次观测各方向后，最后还应再次回到观测起始方向并进行读数，这一过程称为归零观测。在测站点O安置仪器，对中整平。盘左瞄准起始方向A，读数并记入观测手簿;按顺时针方向依次瞄准目标B、C、D读数并记入观测手簿中;二、水平角观测角度观测方法03方向观测法再次瞄准起始目标A，读数并记入观测手簿。两次瞄准目标A的读数之差称为半测回归零差（△），半测回归零差应不超过上表的规定。若归零差符合要求，取两次读数平均值作为起始目标A的读数，上述观测完毕称为上半测回;盘右位置逆时针依次瞄准A、D、C、B、A各目标，读取读数并记入手簿。以上观测称为下半测回。上、下半测回合称一个测回，如需观测多个测回，各测回间应配置度盘。

任意两目标的方向值相减，即得该两方向之间的水平角。二、水平角观测角度观测方法03竖直角观测方法有中丝法和三丝法。中丝法在测站点上安置仪器，用盘左瞄准目标A，使十字丝横丝切中目标，转动指标水准管微动螺旋，使竖直度盘的指标水准管气泡居中，读取读数L，并记录在竖直角测量记录表。在盘右位置，仍然用十字丝横丝切中目标A，转动指标水准管微动螺旋，使竖直度盘的指标水准管气泡再次居中，读取读数R，并记录在竖直角测量记录表。竖直角与指标差的计算（以顺时针注记为例）竖直角计算；指标差计算三、竖直角观测角度观测方法03距离两点间连线的直线长度倾斜距离不在同一水平面的两点间连线的直线长度水平距离倾斜距离在水平面的长度，是确定地面点位置基本要素之一距离测量方法钢尺量距、光电测距、视距测量一、距离测量概述距离测量04距离的定义测距工具直接量距—木尺、织物卷尺、钢卷尺、因瓦钢线尺光学测距—用光学仪器的视距测量、基线尺视距测量光电测距—微波测距、红外光测距、激光测距5m小钢尺20m钢尺50m

长钢尺钢尺：薄碳钢带制成弹簧秤温度计其它：测钎、垂球、标杆垂球距离测量04二、钢尺量距尺长方程注记长度检定温度t0下的尺长改正数丈量温度丈量温度t

下的实际长度检定温度钢尺膨胀系数

钢尺检定钢尺检定就是检定出在某一温度下尺长改正数Δl

检定方法

与标准长度进行对比，求得Δl与经过检定的钢尺进行对比，求得Δl距离测量04二、钢尺量距原理视距测量是利用测量望远镜中十字丝平面的视距丝及视距尺，按光学原理，间接测定距离的方法。水平视线，上丝在视距尺上读数a，下丝读数b，则水平距离D：（l为视距间隔）方法

定角视距法固定视角φ，待测距离S随参照长度l而变化定基线视距法固定基线l

，待测距离S

随观测视角φ

而变化距离测量04三、视距测量优势

测程远、精度高

作业简便、快速

劳动强度低距离测量04四、光电测距基本原理利用电磁波在大气中的传播速度和电磁波在待测距离两端点间往返传播时间，确定待测距离。反射镜测距仪ABt0t1C0=3×108m/sn：大气折射率距离测量04四、光电测距测距仪主波脉冲回波脉冲时标脉冲取样棱镜光电接收器光脉冲发射器电子门时标振荡器计数器反射镜测距误差的大小取决于测时误差mm10-11s通过直接测定光脉冲在测线上往返传播的时间t，求得距离。距离测量04四、光电测距脉冲式测距原理通过测量调制光在测线上往返传播所产生的相位移，求得距离。接收信号发射信号光源相位移

φ调制器相位计高频信号发生器接收器反射镜显示器测距仪光强时间距离测量04四、光电测距相位式测距原理返程D往程DN·2π2πABAΔφλφ=N·

2π+Δφ距离测量04四、光电测距相位式测距原理令∶则：u：测尺长度相当于用长度为u的尺子来丈量距离ΔN

=Δφ/2π不足整周部分，相位式测距仪可直接测定N：整周数如何确定N计算得到DN=0D=u×ΔNllllllq？距离测量04四、光电测距相位式测距原理往程D返程Dφ=Δφλ

>2Du

>D测尺长度10m100m1km10km测距精度1mm1cm10cm1m

周期测量的精确程度受各种条件的限制，一般可达到1/10000距离测量04四、光电测距相位式测距原理—N

值的确定测尺频率15MHz1.5MHz150kHz15kHz相位式测距：多“测尺”组合测距

大u值的载波保证测距的测程

小u

值的载波保证测距的精度测尺长度10m100m1km10km测距精度1mm1cm10cm1mf=c/λ1010:15:25距离测量04四、光电测距相位式测距原理—N

值的确定光电测距方法测距时，将测距仪和反射镜分别安置在测线两端，仔细地对中。接通测距仪电源，然后照准反射镜，开始测距。为防止出现粗差和减少照准误差的影响，可进行若干个测回的观测。测距读数值记入手簿中，接着读取竖盘读数，记入手簿的相应栏内。测距时尚应由温度计读取大气温度值，由气压计读取气压值。观测完毕可按气温和气压进行气象改正（测距精度不高时可省略），按测线的竖角值进行倾斜校正，最后求得测线的水平距离。测距时应避免各种不利因素影响测距精度，如避开发热物体（散热塔、烟囱等）的上空及附近，安置测距仪的测站应避开受电磁场干扰，距高压线应大于5m，测距时的视线背景部分不应有反光物体等。要严格防止阳光直射测距仪的照准头，以免损坏仪器。距离测量04四、光电测距

测距成果的整理电磁波测距是在地球自然表面上进行的，所得长度是距离的初步值，要进行一系列改正计算。这些改正计算大致可分为三类：仪器系统误差改正；大气折射改正；归算改正。仪器系统误差改正：加常数改正乘常数改正周期误差改正加常数改正由于测距仪的距离起算中心与仪器的安置中心不一致，以及反射镜等效反射面与反射镜安置中心不一致，使仪器测得距离与所要测定的实际距离不相等，其差数与所测距离长短无关，称为测距仪的加常数，其值表示为：距离测量04四、光电测距仪器系统误差改正：加常数改正乘常数改正周期误差改正乘常数改正测距仪在使用过程中，实际的调制光频率与设计的标准频率之间有偏差，而引起的一个计算改正数的乘系数，也称为比例因子。乘常数可通过一定的检测方法求得，必要时可对观测成果进行改正。如果有小型频率计，直接测定实际工作频率，就可方便地求得乘常数改正值。

测距成果的整理距离测量04四、光电测距气象改正光的传播速度受大气状态（温度、气压、湿度）的影响。仪器制造时只能选取某个大气状态（假定大气状态）来定出调制光的波长，而实际测距时的大气状态一般不会与假定状态相同，因而使测尺长度发生变化，使得测距成果中含有系统误差，所以必须加气象改正。倾斜改正由测距仪测得的距离观测值经加常数、乘常数和气象改正后，得到改正后的倾斜距离，若测得测线的竖角，可按下式直接计算水平距离：

测距成果的整理距离测量04四、光电测距全站仪05一、概述名称：全站型电子速测仪是集测角、测距、计算和数据存储于一体，自动显示测量结果，能与外围设备交换信息，实现了测量和数据处理过程的电子一体化的多功能测量仪器。发展：组合式（积木式）

整体式全站仪05一、概述功能组合全站仪05一、概述配套设备---棱镜全站仪05二、特点三同轴望远镜望远镜视准轴信号发射光轴信号接收光轴三轴同轴望远镜照准目标棱镜的中心，就能同时测定水平角、垂直角和斜距全站仪05二、特点双轴自动补偿补偿器装有双轴倾斜传感器，能直接检测出仪器竖轴在视准轴方向和横轴方向上的倾斜量，经仪器处理计算出改正值并对竖直方向和水平方向值加以改正，提高测角精度。全站仪05二、特点自动化和系统化读数和记录的自动化，减少了相关错误，提高了作业功效可和计算机等多种外部设备连接，便于构建多种测量系统全站仪05三、功能同时测角（水平角和竖角）和测距望远镜的视准轴和测距仪的发送接收光轴是共轴的具有双轴补偿器对水平角和竖角进行补偿实现数据电子显示、存储，无须读数，无须记录可与计算机等外部设备连接进行数据输出多种测量模式——距离测量、角度测量、坐标测量等其他高级测量（后方交会、放样测量、对边测量、悬高测量）全站仪05四、自动全站仪自动全站仪是一种能自动识别、照准和跟踪反射棱镜的一种全站仪，又称为测量机器人自动全站仪由伺服电动机驱动照准部和望远镜的转动和定位。它的基本原理是：仪器向目标发射激光束，经反射棱镜返回，并被仪器中的CCD相机接收，从而计算出反射光点中心位置，得到水平方向和天顶距的改正数，最后启动电动机，驱动全站仪转向棱镜，自动精确照准目标。因此可以进行全天候地数据采集，如在变形监测、多角多测回测量数据采集中都可以使用，具体流程包括测站设置、限差设置、学习测量和自动测量等。全站仪05四、自动全站仪测站设置：测站设置时可以输入测站坐标、观测测回数、仪器高等信息。限差设置：在自动测量之前设置各项限差，如水平角多测回观测可以设置水平角2C限差，半测回归零差，一测回2C互差，测回间方向值之差等，设置完各项限差后，可以开始学习测量。学习测量：在最初的半个测回，需人工照准各个测量点，输入各个测量点的点号、棱镜高等信息，完成学习测量，此时仪器会自动确定各个测量点之间的相对关系，以便进行后续的自动测量。自动测量：在自动测量时，可以从学习测量的点列表中选择需要自动测量的点，仪器即可按照预先设置的各项参数，自动完成后续测量工作，并将原始数据自动记录下来。在测量完成后，可以让仪器自动进行相关数据处理，或将仪器记录数据导入到电脑中，进行其他后处理工作。三维激光扫描仪06三、功能同时测角（水平角和竖角）和测距望远镜的视准