项目4：距离测量与直线定向.ppt

1、1.概述 2.钢尺量距 3.视距测量 4.光电测距 5.直线定向,北京大学出版社,项目4 距离测量与直线定向,第2页/共24页,我们在现实生活中，用钢尺丈量两点之间的距离其实并非水平距离，而在施工工程中的距离都是水平距离，在丈量时不仅要求用检定过的钢尺，还要注意丈量时的温度、倾斜情况和拉力。在现实中要确定某直线的具体方向，除了利用测量仪器外，还应了解坐标方位角、象限角的含义。至于如何丈量水平距离和直线定向，本项目将会详细介绍。,项目4 距离测量与直线定向,项目导入,第3页/共24页,常用的距离测量方法有钢尺量距、视距测量和光电测距。钢尺量距分为一般方法和精密测量方法；视距测量采用水准仪、经纬仪

2、望远镜中的十字丝分划板上的视距丝配合水准尺或特制的视距尺根据光学原理来完成，精度较低；光电测距是以光和电子技术来测量距离，采用能发射电磁波的测距仪或全站仪，通过直接或间接测定电磁波的传播时间来进行的，操作简单、精度高。 距离测量是确定地面点位的水平距离，而直接测得的是往往倾斜距离，需要将其换算成水平距离。 某直线的方向，是通过该直线与过直线起点的标准方向之问的水平角来确定的，这项工作叫做直线定向。一般采用坐标纵轴方向作为标准方向，用坐标方位角来进行直线定向。,项目4.1 概述,返回首页,第4页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.1 直线定线,1目测定线 目测定线按不同地形条件有二点法、趋

3、近法。 （1）在平地二点法目测定线，两端为准，概量定点。A、B是平坦地面上的两点，如图所示，具体定线方法是： 在A、B端点上树立标杆(也称标杆、花杆)； 一指挥者立B点标杆后瞄A点的标杆； 两位定点人员按整尺段长lo从A概量至1号点，根据指挥确定1号点位置立在AB视线上； 按的做法依次把2、3、4、分段点定在A线上。,第5页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.1 直线定线,（2）在山头用趋近法目测定线，概略定中，依次拉直 如图所示，A、B是山脚下的两点，在不通视的AB线上定线确定C、D点，定线的方法： 可在靠近A点又能看到B点的位置上初定C点(即C1)，同时立标杆； 按二点法在CB线上定

4、D点(即D1)，D点立标杆并能看到A点； 按二点法在DA线上重新定C点，移动原来的标杆到新定的C点上(即C2)；按二点法在CB线上重新定D点，移动原来的标杆到新定的D点上(即D2)； 按、的步骤重复定点，逐渐趋近，最后使C、D点落在AB线上。,第6页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.1 直线定线,2经纬仪定线 用经纬仪定线比目测定线精确，具体有纵丝法和分中法。 （1）纵丝法，以经纬仪望远镜十字丝纵丝为准，概量定点。如图所示，具体方法如下： 在丈量直线的一端A安置经纬仪，经纬仪望远镜精确瞄准另一端B树立的目标，此时照准部在水平方向上不得转动； 沿BA方向按尺段长概量； 纵转望远镜瞄到1处

5、，指挥l号分段点测钎定在十字丝的纵丝影像上； 仿步骤、，依次将分段点2、3、4、定在AB线上。,第7页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.1 直线定线,（2）分中法，即以经纬仪望远镜盘左、盘右平均取中。如图所示，A、B、C在同一直线上，要求把D点定在BC线上，方法如下： 在C点安置经纬仪，盘左瞄准A目标； 纵转望远镜，在概量位置D的附近设定线点； 盘右瞄准A目标，纵转望远镜，在概量位置D的附近设定线点； 取、的平均位置D作为最后定线点。,第8页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.2 钢尺量距的一般方法,在坡度不均匀而且比较平缓的地方，可以先进行定线，然后直接量平距。具体步骤如下：

6、1准备工作 （1）主要工具：钢尺、垂球、测钎、标杆等。 （2）工作人员组成配齐。 （3）场地：各分段点已定线在直线上，并插有测钎。,第9页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.2 钢尺量距的一般方法,2丈量工作 （1）逐段丈量整尺段，尺段长为，最后丈量零尺段长。 （2）返测全长。步骤(1)丈量工作从A丈量至B，称为往测，往测长度记为 ；在此基础上再按步骤(1)的丈量工作从B丈量至A，称为返测 ，返测长度记为。,第10页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.2 钢尺量距的一般方法,3.计算与检核 （1）计算往测、返测全长，即,第11页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.2 钢尺量距

7、的一般方法,（2）检核：为了防止错误和提高丈量精度，把往返丈量所得距离的差除以该距离的概值 或 ，并化为分子为1的分数，该分数叫做相对较差。一般丈量要求相对较差K不大于1/2000，即：,第12页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.2 钢尺量距的一般方法,(3)计算往返平均值。在往返相对较差满足要求时，按下式计算往返平均值作为AB全长的观测值： 在比较陡峭的地方，如果坡度不均匀，可分段量得斜距，并测得各分段两端点间的高差，求出各分段的平距，再求和得到全长；也可采用垂球投点分段直接量平距。如果坡度均匀，则可以测得斜距全长，再根据两端点之间的高差求得平距全长。,第13页/共24页,项目4.2

8、 钢尺量距,4.2.3 钢尺量距的精密方法,1准备工作 (1)主要丈量工具：钢尺、弹簧秤、温度计等。 (2)工作人员配齐。 (3)场地：经整理便于丈量；定线后的分段点设有精确的标志；测量各分段点顶面尺段高差。,第14页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.3 钢尺量距的精密方法,2精密量距 （1）拉尺。拉尺员在尺段两个分段点上拉着弹簧秤摆好钢尺，其中钢尺零端在后分段点，整尺端在前分段点。两拉尺员同时用力拉弹簧秤，使弹簧秤拉力指示为检定时拉力(如10千克力)，钢尺面刻画与分段点标志纵线对齐。 （2）读数。两位读数员两手轻扶钢尺，在钢尺刻画与分段点标志相对稳定时，两位读数员依次读取分段点标志横

9、线所对的钢尺刻画值，前端读数员读前端读数l前，后端读数员读后端读数l后。,第15页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.3 钢尺量距的精密方法,（3）记录。记录l前、l后，计算尺段丈量值l= l前-l后。 （4）重复丈量。按步骤(1)、(2)、(3)重复丈量和记录，计算获得 、 。 （5）检核。比较 、 、 ，观察各尺段丈量值之差，如果 ，则检核合格，计算尺段丈量平均值 ，即 把计算的尺段丈量平均值填写到表格中。 （6）记录温度 ，抄录尺段高差 。,第16页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.4 尺长方程式,用于精密量距的钢尺出厂时需经检定，其长度用尺长方程式表示： 式中 钢尺在温度

10、时的实际长度； 钢尺上所标注的长度，即名义长度； 尺长改正数，即钢尺检定时读出的实际长度减去钢尺名义长度； 钢尺的线膨胀系数，一般取 m/m； 钢尺使用时的温度； 钢尺检定时的温度。,第17页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.4 尺长方程式,【例】某钢尺名义长度为30 m，其尺长方程式为： m 用这根钢尺在温度为16时丈量一段水平距离为20962 m，试求改正后的实际距离。 解 钢尺丈量时实际长度： (m) 实际水平距离为: (m),第18页/共24页,项目4.2 钢尺量距,4.2.5 钢尺量距误差来源,1尺长误差 2温度误差 3拉力误差 4丈量误差 5垂曲误差 6钢尺倾斜误差 7定线

11、误差,返回首页,第19页/共24页,项目4.3 视距测量,4.3.1 视准轴水平时视距法测距原理,经纬仪、水准仪等光学仪器的望远镜中都有与横丝平行、上下等距对称的两根短横丝，称为视距丝。利用视距丝配合标尺就可以进行视距测量。 如图所示，设望远镜的视准轴水平，物镜和调焦透镜的焦点和焦距分别为L1、f1、L2、f2。由图可知，立尺点与仪器中心之间的水平距离为： ,根据成像原理，设 , ,则 ，代入上式中，可得 通常设计望远镜时，适当选择参数后，可使K=100，C=0，从而,第20页/共24页,项目4.3 视距测量,4.3.2 视准轴倾斜时视距法测距原理,如图所示，B点高出A点较多，必须把望远镜视准

12、轴放在倾斜位置，如尺子仍竖直立着，则视准轴与尺面不垂直，上面推导的公式就不适用了。如果将尺间隔l转化成与视准轴垂直的尺间隔l0，就可按公式计算倾斜距离S，根据S和竖直角可推算出水平距离D。 由于角很小，可近似认为QMM和QGG是直角，设竖直角为， ， ，则,第21页/共24页,项目4.3 视距测量,4.3.2 视准轴倾斜时视距法测距原理,倾斜视线NQ的长度为： AB的水平距离为： 在A点安置经纬仪，量得A点到经纬仪横轴中心的距离为i，称为仪器高；在B点竖立水准尺，读得中丝读数为l中，h为通过经纬仪横轴中心的水准面与中丝读数之间的高差，称为高差主值。 当视准轴水平时，=0，则测站点到立尺点的高差

13、为：,返回首页,第22页/共24页,项目4.4 光电测距,4.4.1 概述,电磁波测距一般采用光波（可见光或红外光）作为载波，因此又称为光电测距。 电磁波测距的基本原理是通过测定电磁波(无线电波或光波)在测线两端点间往返传播的时间，按下列公式算出距离S：,第23页/共24页,项目4.4 光电测距,4.4.2 相位法测距原理,相位法测距的实质是利用测定光波的相位移来代替测定电磁波在测线两端点间往返传播的时间，以实现距离的测量。 1.相位法测距的基本公式 相位法光电测距是通过测量调制光波在测线上往返传播所产生的相位移，测定调制波长的相对值来求出距离S。仪器的基本工作原理可用方框图来说明。,第24页

14、/共24页,项目4.4 光电测距,4.4.2 相位法测距原理,由光源发出的光通过调制器后成为调制光波，射向测线另一端的反射镜。经反射镜反射后被接收器所接收，然后由相位计将发射信号（又称参考信号）与接收信（又称测距信号)进行相位比较，并由显示器显示出调制光在被测距离上往返传播所引起的相位移，根据可推算出时间t，从而计算距离。如果将调制光波的往程和返程摊平，则有如图所示的波形。,第25页/共24页,项目4.4 光电测距,4.4.2 相位法测距原理,调制光全程的相位变化值为： 对应的距离值为： 若N=0，则 ，令 ，则 u为 (即“光尺”长的一半)，常称为测尺长度。 可见，N=0要，则必须选用较长的

15、测尺，即较低的调制频率（或称测尺频率）。为了解决扩大测程与提高精度的矛盾，可以采用一组测尺配合测距，以短测尺(又称精测尺)保证精度，用长测尺(又称粗测尺)保证测程。,第26页/共24页,项目4.4 光电测距,4.4.3 光电测距技术指标和主要设备,1光电测距技术指标 （1）测距误差： （2）测程：在满足测距精度的条件下测距仪可能测得的最大距离。一台测距仪的实际测程与大气状况及反射器棱镜数有关。 （3）测尺频率：一般的红外测距仪设有23个测尺频率，其中有一个是精测频率，其余是粗测频率。 （4）测距时间：不同测距模式的测距时间不同，一般为14 s。 红外测距仪的技术指标还有功耗、工作温度、测距分辨

16、率、光束发散角、发光波长、测尺长度、仪器重量体积等。,第27页/共24页,项目4.4 光电测距,4.4.3 光电测距技术指标和主要设备,2光电测距的主要设备 光电测距的主要设备有测距仪主机、反射镜、蓄电池、充电器、气象仪器等。 测距仪主机内装有：红外光调制及调制光波发射系统、接收光学系统、内外光路转换、测相系统、微处理系统。 主要的气象仪器是空盒气压计和温度计，用以测量测线两端的大气压力和温度。在精密的光电测距中；必须配备精密度较高的通风干湿温度计，用以测量空气干温和湿濡。,第28页/共24页,项目4.4 光电测距,4.4.4 距离计算,由光电测距仪或全站仪测定的距离，需进行仪器系统误差改正、

17、气象改正、倾斜改正。仪器系统误差改正一般包括加常数改正、乘常数改正。 1仪器系统误差改正 将测距仪进行检定，可以得到测距仪的乘常数和加常数。 乘常数改正的计算公式是： 2气象改正 3倾斜改正,返回首页,第29页/共24页,项目4.5 直线定向,4.5.1 标准方向的种类,测量工作中，一条直线的方向是根据某一标准方向来确定的。确定一条直线与标准方向的关系称为直线定向。 测量工作中常用的三种标准方向分别是真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵轴方向。 椭球的子午线称为真子午线，通过地球表面某点的真子午线的切线方向称为真子午线方向，又称真北方向。磁针在地球磁场的作用下，自由静止时其轴线所指的方向，称为磁

18、子午线方向，又称磁北方向；过地面某点平行于该高斯投影带中央子午线的方向，称为坐标纵轴方向，又称坐标北方向。这三类标准方向通常称为“三北方向”。,第30页/共24页,项目4.5 直线定向,4.5.2 表示直线方向的方法,直线的方向一般用方位角表示。由直线起点标准方向的北端起，顺时针量至某直线所夹的水平角，称为方位角。 方位角的取值范围通常为O和大于360的方位角应该以+360或-360的方法换算至O360的范围内。,第31页/共24页,项目4.5 直线定向,4.5.3 几种方位角之间的关系,通过地面上某点的磁子午线方向和真子午线方向之间的夹角称为磁偏角：凡磁子午线偏于真子午线以东称为东偏，其角值

19、为正；偏于西者称为西偏，角值为负，磁偏角用表示。 通过地面上某点的真子午线，与该点坐标纵轴方向比较，这两个标准方向之间的夹角，一般测量工作中称子午线收敛角。凡坐标纵轴偏在真子午线以东者为正，反之为负。子午线收敛角用表示。如图所示为分别处于中央子午线东、西两侧的情况。,第32页/共24页,项目4.5 直线定向,4.5.4 正反坐标方位角,由两点连成的直线是有方向的，而直线的方向是相对的。如A、B两点间的直线，若将AB作为正方向，BA则就是反方向；也可将BA作为正方向，那么AB就是反方向。 一条直线可按正反两个方向来定向。按正方向定向的方位角称为正方位角；否则称为反方位角。 如图所示，一条直线的两个端点在同一个高斯投影带内，通过这两点的坐标纵轴方向相互平行，所以正反坐标方位角之间相差180，即：,第33页/共24页,项目4.5 直线定向,4.5.5 坐标方位角的推算,方