第5章直线定向及其距离测量.doc

!-第五章 直线定向 确定地面上两点之间的相对位置，仅知道两点之间的水平距离是不够的，还必须确定此直线与标准方向之间的水平夹角。确定直线与标准方向之间的水平角度积为直线定向。第一节 直线定向 一、标准方向的种类 1真子午线方向 通过地球表面某点的真子午线的切线方向，称为该点的真子午线方向，真子午线方向是用天文测量方法或用陀螺经纬仪测定的。 2磁于午线方向 磁子午线方向是磁针在地球磁场的作用下，磁针自由静止时其轴线所指的方向。磁子午线方向可用罗盘仪测定。 3坐标纵轴方向 第一章已述及，我国采用高斯平面直角坐标系，每一6带或3带内都以该带的中央子午线为坐标纵轴，因此，该带内直线定向，就用该带的坐标纵轴方向作为标准方向。如假定坐标系，则用假定的坐标纵轴(X轴)作为标准方向。 二、表示直线方向的方法 测量工作中，常采用方位角来表示直线的方向。 由标准方向的北端起，顺时针方向量到某直线的夹角，称为该直线的方位角。 三、几种方位角之间的关系 1真方位角与磁方位角之间的关系 由于地磁南北极与地球的南北极并不重合，因此，过地面上某点的真子午线方向与磁子午线方向常不重合，两者之间的夹角称为磁偏角，磁针北端偏于其子午线以东称东偏，偏于其子午线以西称西偏。直线的真方位角与磁方位角之间可用下式进行换算 东偏取正值，西偏取负值。我国磁偏角的变化大约在十6到一10之间。 2真方位角与坐标方位角之间的关系。 第一章中述及，中央于午线在高斯平面上是一条直线，等角投影就是正形投影。所谓，正形投影，就是在极小的区域内椭球面上的图形投影后保持形状相似。即投影后角度不变形。按投影带不同通常分为6度带和3度带。作为该带的坐标纵轴，而其它于午线投影后为收敛于两极的曲线，地面点M、N等点的真子午线方向与中央于午线之间的夹角，称为子午线收敛角，角有正有负。在中央于午线以东地区，各点的坐标纵轴偏在真子午线的东边，为正值；在中央于午线以西地区，为负值。 真方位角与坐标方位角之间的关系，可用下式进行换算 3坐标方位角与磁方位角的关系 若已知某点的磁偏角与子午线收敛角，则坐标方位角与磁方位角之间的换算式为四、正、反坐标方位角 测量工作中的直线都是具有一定方向的。直线12的点1是起点，点2是终点；通过起点1的坐标纵轴方向与直线12所夹的坐标方位角12，称为直线12的正坐标方位角。过终点2的坐标纵轴方向与直线21所夹的坐标方位角，称为直线12的反坐标方位角(是直线21的正坐标方位角)。正、反坐标方位角相差180，即 由于地面各点的真(或磁)于午线收敛于两极，并不互相平行，致使直线的反真(或磁)方位角不与正真(或磁)方位角差180，给测量计算带来不便，故测量工作中均采用坐标方位角进行直线定向。 五、坐标方位角的推算 为了整个测区坐标系统的统一，测量工作中并不直接测定每条边的方向，而是通过与已知点(其坐标为已知)的连测，以推算出各边的坐标方位角。A、B为已知点，AB边的坐标方位角AB为已知，通过连测求得AB边与B1边的连接角为，测出了各点的右(或左)角，现在要推算B1、12、23和34边的坐标方位角。所谓右(或左)角是指位于以编号顺序为前进方向的右(或左)边的角度。第二节 用罗盘仪测定磁方位角 一、罗盘仪的构造 罗盘仪的种类很多，其构造大同小异，主要部件有磁针、刻度盘和瞄准设备等， 1磁针 磁针用人造磁铁制成，其中心装有镶着玛瑙的圆形球窝，在刻度盘的中心装有顶针，磁针球窝支在顶点上。为了减轻顶针尖的磨损，装置了杠扦和螺旋P，磁针不用时，用杠杆将磁针升起，使它与顶针分离，把磁针压在玻璃盖下。 2刻度盘 刻度盘为铜或铝的圆环，最小分划为1或30"，按逆时针方向从0注记到360。 3瞄准设备 罗盘仪的瞄准设备，现在大都采用望远镜，老式仪器采用觇板)。 二、用罗盘仪测量定直线的磁方位角 观测时，光将罗盘仪安置在直线的起点，对中，整平(罗盘盒内一般均设有水准器，指示仪器是否水平)，旋松螺旋P，放下磁针，然后转动仪器，通过瞄准设备去瞄准直线另一端的标杆。待磁针静止后，读出磁针北瑞所指的读数，即为该直线的磁方位角。 目前，有很多经纬仪配有罗针，用来测定磁方位角。罗针的构造与罗盘仪相似。观测时，先安置经纬仪于直线起点上，然后将罗针安置在经纬仪支架上。旋转经纬仪大致指向磁北，制动照准部。揿下螺旋P，放下磁针，通过罗针观测量孔观看磁针两端的象，并旋转经纬仪的水平微动螺旋，使其象上下重合。磁针的象上下重合说明望远镜视准轴平行于碰北方向，已经指北。再拨动水平度盘位置变换轮，使水平度盘读数为零，松开水平制动螺旋，瞄准直线另一端的标杆，所得水平度盘读数，即为该直线的磁方位角。 罗盘仪在使用时，不要使铁质物体接近罗盘，以免影响磁针位置的正确性。在铁路附近及高压线铁塔下观测时，磁针读数会受很大影陶，应该注意避免。测量结束后，必须旋经螺旋只将磁针升起，避免顶针磨损，以保护磁针的灵敏性。 第三节 钢尺量距一、地面上点的标志 要丈量地面上两点间的水平距离，就需要用标志把点固定下来，标志的种类应根据测量的具体要求和使用年限来选择采用。点的标志可分为临时性和永久性两种。临时性标志可采用木桩打入地中，桩顶略高于地面，并在桩顶钉一小钉或画一个十字表示点的位置，如图4-1a)所示。永久性标志可用石桩或混凝土桩，在石桩顶刻十字或在混凝土桩顶埋入刻有十字的钢柱以表示点位，如图4-1b)所示。为了能明显的看到远处目标，可在桩顶的点位上竖立标杆，标杆的顶端系一红白小旗，标杆也可用标杆架或拉绳将标杆竖立在点上，如图4-2所示。二、丈量工具 通常使用的量距工具为钢尺、皮尺、竹尺和测绳，还有测钎、标杆和垂球等辅助工具。 皮尺如图4-3b)所示， 钢尺如图4-3a)所示，由带状薄钢条制成，有手柄式和皮盒式两种。长度有20m、30m、50m几种。尺的最小刻划为1cm或5mm或1mm。按尺的零点位置可分为端点尺和刻线尺两种。端点尺是从尺的端点开始，如图4-4a)所示。端点尺适用于从建筑物墙边开始丈量。刻线尺是从尺上刻的一条横线作为起点，如图4-4b)所示。使用钢尺时必须注意钢尺的零点位置，以免发生错误。 标杆又称花杆，长为2m或3m，直径为34cm，用木杆或玻璃钢管或空心钢管制成，杆上按20cm间隔涂上红白漆，杆底为锥形铁脚，用于显示目标和直线定线，如图4-5a)所示。 测钎用粗铁丝制成，长为30cm或40cm，上部弯一个小圈，可套入环内，在小圈上系一醒目的红布条，一般一组测钎有6根或11根。在丈量时用它来标定尺端点位置和计算所量过的整尺段数。垂球是由金属制成的，似圆锥形，上端系有细线，是对点的工具。有时为了克服地面起伏的障碍，垂球常挂在标杆架上使用. 四、丈量方法 1在平坦地面上丈量 要丈量平坦地面上A、B两点间的距离，其做法是：先在标定好的A、B两点立标杆，进行直线定线，如图4-8a)所示，然后进行丈量。丈量时后尺手拿尺的零端，前尺手拿尺的末端，两尺手蹲下，后尺手把零点对准A点，喊“预备”，前尺手把尺边近靠定线标志钎，两人同时拉紧尺子，当尺拉稳后，后尺手喊“好”，前尺手对准尺的终点刻划将一测钎竖直插在地面上，如图4-8b)所示。这样就量完了第一尺段。 图4-8 距离丈量示意图 图4-9 距离丈量示意图用同样的方法，继续向前量第二、第三第N尺段。量完每一尺段时，后尺手必须将插在地面上的测钎拔出收好，用来计算量过的整尺段数。最后量不足一整尺段的距离，如图4-9所示。当丈量到B点时，由前尺手用尺上某整刻划线对准终点B，后尺手在尺的零端读数至，量出零尺段长度l。 上述过程称为往测，往测的距离用下式计算：D=nl+l (4-1)式中：l整尺段的长度； 丈量的整尺段数； l零尺段长度。 接着再调转尺头用以上方法，从至进行返测，直至点为止。然后再依据(4-1)式计算出返测的距离。一般往返各丈量一次称为一测回，在符合精度要求时，取往返距离的平均值作为丈量结果。量距记录表见表4-1。 2在倾斜地面上丈量 当地面稍有倾斜时，可把尺一端稍许抬高，就能按整尺段依次水平丈量，如图4-10a)所示，分段量取水平距离，最后计算总长。若地面倾斜较大，则使尺子一端靠高地点桩顶，对准端点位置，尺子另一端用垂球线紧靠尺子的某分划，将尺拉紧且水平。放开垂球线，使它自由下坠，垂球尖端位置，即为低点桩顶。然后量出两点的水平距离，如图4-10b)所示。 在倾斜地面上丈量，仍需往返进行，在符合精度要求时，取其平均值做为丈量结果。图4-10 平坦地区与倾斜地面丈量示意图五、丈量成果处理与精度评定 为了避免错误和判断丈量结果的可靠性，并提高丈量精度，距离丈量要求往返丈量。用往返丈量的较差D与平均距离D平之比来衡量它的精度，此比值用分子等于的分数形式来表示，称为相对误差，即：=D往-D返 (4-2)D平=(D往+D返) (4-3) K= = (4-4) 如相对误差在规定的允许限度内，即KK允，可取往返丈量的平均值作为丈量成果。如果超限，则应重新丈量只到符合要求为止。 例 用钢尺丈量两点间的直线距离，往量距离为217.30m，返量距离为217.38m，今规定其相对误差不应大于允许值，问：(1)所丈量成果是否满足精度要求？(2)按此规定，若丈量100米的距离，往返丈量的较差最大可允许相差多少毫米？ 解：由题意知：D平=(D往+D返) =（217.30+217.38）=217.34(m) D=D往-D返 =217.30-217.38= -0.08(m) K=KK允= 所丈量成果满足精度要求。又由K=知 D=KD平 =100 =0.05（m） D50（mm）即往返丈量的较差最大可相差50(mm)。 第四节 钢尺量距的精密方法 一、钢尺精密量距的方法 1定线 欲精密丈量直线AB的距离，首先清除直线上的障碍物，然后安置经纬仪于A点上，瞄准B点，用经纬仪进行定线。用钢尺进行概量，在视线上依次定出此钢尺一整尺略短的A1、12、23等尺段。在各尺段端点打下大木桩，桩顶高出地面35cm。在桩顶钉一白铁皮。利用A点的经纬仪进行定线，在各白铁皮上划一条线，使其与AB方向重合，另划一条线垂直与AB方向，形成十字，作为丈量的标志。 2量距 用检定过的钢尺丈量相邻两木桩之间的距离。丈量组一般由5人组成，2人拉尺，2人读数，1人指挥兼记录和读温度。丈量时，拉伸钢尺置于相邻两木桩顶上，并使钢尺有刻划线一侧贴切十字线。后尺手将弹簧秤挂在尺的零端，以便施加钢尺检定时的标准拉力(30m钢尺，标准拉力为10kg)；钢尺拉紧后，前尺手以尺上某整分划对准十字线交点时，发出读数口令“预备”，后尺手回答“好”。在喊好的同一瞬间，两端的读尺员同时根据十字交点读取读数，估读到05mm记入手簿。每尺段要移动钢尺位置丈量三次，三次测得的结果的较差视不同要求而定，一般不得超过23mm，否则要重量。如在限差以内，则取三次结果的平均值，作为此尺段的观测成果。每量一尺段都要读记温度一次，估读到05。 按上述由直线起点丈量到终点是为往测，往测完毕后立即返测，每条直线所需丈量的次数视量边的精度要求而定。 3测量桩顶高程 上述所量的距离，是相邻桩顶间的倾斜距离，为了改算成水平距离，要用水准测量方法测出各桩顶的高程，以便进行倾斜改正。水准测量宜在量距前或量距后往、返观测一次，以资检核。相邻两桩顶往、返所测高差之差，一般不得超过10mm；如在限差以内，取其平均值作为观测成果。 4尺段长度的计算 精密量距中，每一尺段长需进行尺长改正、温度改正及倾斜改正，求出改正后的尺段长度。计算各改正数如下： (1)尺长改正 钢尺在标准拉力、标准温度下的检定长度L，与钢尺的名义长度L0往往不一致，其差LLL0数 ，即为整尺段的尺长改正。任一尺段L 的尺长改正数为 Ld(LL0)L/L0 (2)温度改正 设钢尺在检定时的温度为t0，丈量时的温度为t ，钢尺的线膨胀系数为，则某尺段L 的温度改正为 Lt(t t0 )L (3)倾斜改正 设L为量得的斜距，h为尺段两端间的高差，现要将L改算成水平距离d，故要加倾斜改正数 Lhh2/2L 倾斜改正数永远为负值。 二、距离丈量的注意事项 1影响量距成果的主要因素 ()尺身不平。 （）定线不直。 定线不直使丈量沿折线进行，如图4-11中的虚线位置，其影响和尺身不水平的误差一样，在起伏较大的山区或直线较长或精度要求较高时应用有关仪器定线。图4-11 定线误差示意图 （）拉力不均。 钢尺的标准拉力多是100N，故一般丈量中只要保持拉力均匀即可。 （）对点和投点不准。 丈量时用测钎在地面上标志尺端点位置，若前、后尺手配合不好，插钎不直，很容易造成35mm误差。如在倾斜地区丈量，用垂球投点，误差可能更大。在丈量中应尽力做到对点准确，配合协调，尺要拉平，测钎应直立，投点要准。 （）丈量中常出现的错误。 主要有认错尺的零点和注字，例如6误认为9；记错整尺段数；读数时，由于精力集中于小数而对分米、米有所疏忽，把数字读错或读颠倒；记录员听错、记错等。为防止错误就要认真校核，提高操作水平，加强工作责任心。 2注意事项 （）丈量距离会遇到地面平坦、起伏或倾斜等各种不同的地形情况，但不论何种情况，丈量距离有三个基本要求：“直、平、准”。直，就是要量两点间的直线长度，不是折线或曲线长度，为此定线要直，尺要拉直；平，就是要量两点间的水平距离，要求尺身水平，如果量取斜距也要改算成水平距离；准，就是对点、投点、计算要准，丈量结果不能有错误，并符合精度要求。 （）丈量时，前后尺手要配合好，尺身要置水平，尺要拉紧，用力要均匀，投点要稳，对点要准，尺稳定时再读数。 （）钢尺在拉出和收卷时，要避免钢尺打卷。在丈量时，不要在地上拖拉钢尺，更不要扭折，防止行人踩和车压，以免折断。 （）尺子用过后，要用软布擦干净后，涂以防锈油，再卷入盒中。第五节全站仪及其使用一、概 述全站型电子速测仪简称全站仪，它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置，仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。全站仪的结构原理如图4-16所示。图中上半部分包含有测量的四大光电系统，即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。微处理机（CPU）是全站仪的核心部件，主要有寄存器系列（缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器）、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置（接口），输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。型号 测角精度 测距精度 测程 TC1201 1 2mm + 2ppm 3000m型号 测角精度 测距精度 测程 TC1202 2 2mm + 2ppm 3000m高精度测距测角：TPS1200采用高精度连续测角系统，开机即可测，无需初始化。借助双轴补偿器自动改正角度测量值，取得令人满意的角度测量结果。红外测距同轴，3km测量单棱镜精度达到2mm+2ppm。分辨率为0.1mm。PinPoint无棱镜测量技术：PinPoint是测量不易到达目标点时的理想工具。利用可见的红色激光照准目标，按键，测量成果立即可获。激光光斑小，精度高达3mm。TPS1200提供两种测程的无棱镜测距选项：R100标准型（达170m）和R300超长型（达500m）。当然，利用PinPoint也可对棱镜进行超长距离的测量。ATR目标自动识别：利用ATR功能，测量人员所需做的只是将物镜粗略的对准目标点，按键即测。余下的工作让TPS1200来完成。望远镜自主发射红外激光，仪器对棱镜返回信号加以分析后，会驱动望远镜精确照准棱镜中心加以测量。在重复测量大量目标时，ATR的高效率最能得到充分体现。LOCK自动跟踪测量连续定位大量目标点。PowerSearch自动搜索目标大大降低劳动强度可选无线遥控端操作，适合单人作业系统。无限微动螺旋、激光对中器、可选EGL导向光目前，世界上许多著名的测绘仪器生产厂商均生产有各种型号的全站仪。 二、全站仪的测量功能与原理图4-18 光电测距示意图 （一）、概况 电磁波测距按测程来分，有短程(3km)、中程(315km)和远程(15km)之分。按测距精度来分，有级(5mm)、级(5mm10mm)和级(10mm)。按载波来分，采用微波段的电磁波作为载波的称为微波测距仪；采用光波作为裁波的称为光电测距仪。光电测距仪所使用的光源有激光光源和红外光源(普通光源已淘汰)，采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪。由于红外测距仪是以砷化稼(GaAs)发光二极管所发的荧光作为载波源，发出的红外线的强度能随注入电信号的强度而变化，因此它兼有载波源和调制器的双重功能。GaAs发光二极管体积小，亮度高，功耗小，寿命长，且能连续发光，所以红外测距仪获得了更为迅速的发展。本节讨论的就是红外光电测距仪。 （二）、测距原理 欲测定A、B两点间的距离D，安置仪器于A点，安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B，经反射镜反射后又返回到仪器。设光速c为已知，如果光束在待测距离D上往返传播的时间 。已知，则距离D可由下式求出 式中cc。n，c。为真空中的光速值，其值为299792458ms, n为大气折射率，它与测距仪所用光源的波长，测线上的气温t, 气压P和湿度e有关。 测定距离的精度，主要取决于测定时间 的精度，例如要求保证lcm的测距精度，时间测定要求准确到6710lls，这是难以做到的。因此，大多采用间接测定法来测定 。间接测定 的方法有下列两种： 1脉冲式测距 由测距仪的发射系统发出光脉冲，经被测目标反射后，再由测距仪的接收系统接收，测出这一光脉冲往返所需时间间隔( )的钟脉冲的个数以求得距离D。由于计数器的频率一殷为300MHz(300106Hz)，测距精度为O.5m，精度较低。 2相位式测距 由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波，测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相依移，以测定距离D。红外光电测距仪一般都采用相位测距法。 在砷化镕(GaAs)发光二极管上加了频率为f的交变电压(即注入交变电流)后，它发出的光强就随注入的交变电流呈正弦变化，这种光称为调制光。测距仪在A点发出的调制光在待测距离上传播，经反射镜反射后被接收器所接收，然后用相位计将发射信号与接受信号进行相位比较，由显示器显出调制光在待测距离往、返传播所引起的相位移。 （三）、全站仪的操作与使用不同型号的全站仪，其具体操作方法会有较大的差异。下面简要介绍全站仪的基本操作与使用方法。1.全站仪的基本操作与使用方法1）水平角测量（1）按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目标A。（2）设置A方向的水平度盘读数为00000。（3）照准第二个目标B，此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。2）距离测量（1）设置棱镜常数测距前须将棱镜常数输入仪器中，仪器会自动对所测距离进行改正。（2）设置大气改正值或气温、气压值光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化，15和760mmHg是仪器设置的一个标准值，此时的大气改正为0ppm。实测时，可输入温度和气压值，全站仪会自动计算大气改正值（也可直接输入大气改正值），并对测距结果进行改正。（3）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。（4）距离测量照准目标棱镜中心，按测距键，距离测量开始，测距完成时显示斜距、平距、高差。全站仪的测距模式有精测模式、跟踪模式、粗测模式三种。精测模式是最常用的测距模式，测量时间约2.5S，最小显示单位1mm；跟踪模式，常用于跟踪移动目标或放样时连续测距，最小显示一般为1cm，每次测距时间约0.3S；粗测模式，测量时间约0.7S，最小显示单位1cm或1mm。在距离测量或坐标测量时，可按测距模式（MODE）键选择不同的测距模式。应注意，有些型号的全站仪在距离测量时不能设定仪器高和棱镜高，显示的高差值是全站仪横轴中心与棱镜中心的高差。3）坐标测量（1）设定测站点的三维坐标。（2）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。当设定后视点的坐标时，全站仪会自动计算后视方向的方位角，并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。（3）设置棱镜常数。（4）设置大气改正值或气温、气压值。（5）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。（6）照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。本章小结 1两点之间的距离指的是连成直线的水平距离，除了知道距离之外，还要知道直线的方向，所谓方向是相对的，它是相对于某一个标准方向而言，这个标准方向叫基本方向，因此直线定向是一条直线相对于基本方向而言的。 2丈量距离的方法很多，本书着重介绍钢尺量距。钢尺量距分一般方法和精密量距法。一般方法采用标杆目测定线，分平坦地面与倾斜地面的量距。测量读数至mm，一般采用往、返测量，求相对误差。精密既采用经纬仪定线经钢尺概量打下木桩。然后用经过检定的钢尺进行量距，每一尺段移动3次钢尺位置，得3个结果，3次较差合乎要求后，取平均值。读数均至mm。然后再进行返测，每条直线丈量次数，视不同要求按规范而定。每尺段均要进行尺长改正、温度改正、倾斜改正 3基本方向有：真子午线、磁子午线、坐标纵轴。坐标纵轴是彼此平行的，是测量学中用得最普遍的基本方向。自纵坐标轴北端顺时针量至该直线的角度称坐标方位角，简称方向角。一条直线的正、反坐标方位角相差180。