第四章 距离测量和三角高程测量精选文档.ppt

第四章第四章 距离测量和三角距离测量和三角高程测量高程测量本讲稿第一页，共六十页第四章第四章 距离测量与距离测量与距离测量与距离测量与 第第 四四 章章 距离测量与三角高程测量距离测量与三角高程测量学 习 要 点卷尺量距视距测量电磁波测距三角高程测量本讲稿第二页，共六十页测距技术的发展测距技术的发展n n直接测距法n n步测：双步1.5m光学视距测量步弓、尺链线尺、竹尺、皮尺、钢尺电磁波测距n n间接测距法本讲稿第三页，共六十页距离测量方法概述距离测量方法概述距离测量是测量的三项基本工作之一：距离测量是测量的三项基本工作之一：测定地面点之间的水平距离水平距离。距离测量的主要方法有：距离测量的主要方法有：钢卷尺量距 主要指钢卷尺量距 视距测量 利用测量仪器的视距丝测距 电磁波测距 测距仪测距 三角测量法 利用三角形的边角关系求距离距离测量概述距离测量概述三角高程测量：三角高程测量：是间接测定两点间高差高差的方法。本讲稿第四页，共六十页卷尺量距概述卷尺量距概述4-1 卷尺量距精密量距方法精密量距方法 量距相对精度：量距相对精度：110000140000 主要用途：主要用途：砼、钢结构等较精密工程的 放样等。一般量距方法一般量距方法 量距相对精度：量距相对精度：1200015000 主要用途：主要用途：图根导线边长丈量、一般工 程的距离放样。本讲稿第五页，共六十页1.1.一般方法量距一般方法量距 钢尺量距的作业要求钢尺量距的作业要求1.1.一般方法量距：一般方法量距：直直 目估定线，保证量距时沿直线方向进行 平平 地面平整，钢尺水平 准准 每尺段端点标志精确AB测钎测钎SAB=n+为整尺段长 为余长本讲稿第六页，共六十页n n直线定向n n1、两点间定线2、过山头定线本讲稿第七页，共六十页3、延长直线AC1BC2C本讲稿第八页，共六十页2.2.精密方法量距精密方法量距2.2.精密方法量距：精密方法量距：尺长改正温度改正高差改正(4-1-8)(4-1-9)(4-1-4)精密量距时采取的措施：精密量距时采取的措施：1 1.用检定过的钢尺；2 2.经纬仪定线；3 3.钉尺段桩，逐段量测；4 4.对钢尺施加固定拉力；5 5.对量距结果加三项改正数：本讲稿第九页，共六十页尺长鉴定尺长鉴定n n钢尺长度方程式钢尺长度方程式钢是弹性体，在拉力作用下会变形（伸长）本讲稿第十页，共六十页简单的尺长鉴定简单的尺长鉴定n n在平坦的地面（宜在室内，使两尺温度相同）把待检定的尺子与高精度的标准尺比较而求得kllt本讲稿第十一页，共六十页n n检定场：在平整的条形场地两端地面埋设两个稳定的标志，其间距比待检定钢尺长度n倍略短一些。高精度测量两标志的间距作为标准长度S标准。设尺子的温度膨胀系数已知。用待检定的尺子（先假定k=0），在工作时的正常拉力下，测量检定场两标志的间距S。从而可得本讲稿第十二页，共六十页钢尺尺长鉴定钢尺尺长鉴定尺号:015名义长度:30m膨胀系数:0.012本讲稿第十三页，共六十页钢尺铺地丈量钢尺铺地丈量（在标准拉力下）（在标准拉力下）（在标准拉力下）（在标准拉力下）量得s=234.943;t=27.4;h=2.54本讲稿第十四页，共六十页距离测量的误差源距离测量的误差源n n尺长误差 系统n n温度的影响 部分系统，部分偶然n n倾斜的影响 系统n n拉力不准引起的误差 部分系统,部分偶然n n尺子垂曲与反曲引起的误差 系统n n定线误差 系统n n读数误差 偶然n n 本讲稿第十五页，共六十页4-2光学测距光学测距本讲稿第十六页，共六十页一、间接测距，视差法测距一、间接测距，视差法测距n n间接测距可跨越障碍间接测距可跨越障碍bsr本讲稿第十七页，共六十页bs视差法测距：专用的基线尺+高精度的角本讲稿第十八页，共六十页视距测量视距测量二、二、视视 距距 测测 量量视距测量视距测量利用测量望远镜的视距丝，间接测定利用测量望远镜的视距丝，间接测定 距离和高差的方法。距离和高差的方法。优点：优点：测量速度快，不受地 形限制。不足：不足：精度低，距离相对误 差一般约为1/300，高 差一般为分米级。用途：用途：主要用于地形图测绘 (地形点的距离与高差)。本讲稿第十九页，共六十页（一）视线水平时（一）视线水平时n n十字丝板上有两根视距丝，它们在物镜光心处的张角基本是不变的。两根视距丝在物方象的间距与距离成正比n n一般制作仪器时令本讲稿第二十页，共六十页一一.视线水平时视距测视线水平时视距测量量读数要求：读数要求：上下丝读数a、b读至毫米，中丝 读至厘米，仪器高 i 量至厘米。1.视距公式：视距公式：(4-2-1)(4-2-2)2.高差公式：高差公式：(4-2-4)(4-2-5)本讲稿第二十一页，共六十页二二.视线倾斜时视距视线倾斜时视距测量公式测量公式二二.视线倾斜时视距测量公式视线倾斜时视距测量公式(4-2-8)1.视距公式：视距公式：2.高差公式：高差公式：高差主值(4-2-9)AB高差n为水准尺与视线垂直时的尺间隔本讲稿第二十二页，共六十页三三.视距测量观视距测量观测和计算测和计算观测：观测：在测站安置经纬仪，对中、整平、量仪器高；在测点竖水准尺，瞄准(要求三丝都能读数)。读数：读数：每个测点读四个读数 上丝读数 a a 读至毫米 下丝读数 b b 读至毫米 中丝读数 读至厘米 竖盘读数 L L 读至分三三.视距测量观测和计算视距测量观测和计算 视距测量通常只测盘左（或盘右），测量前要对竖盘指标差进行检验与校正。本讲稿第二十三页，共六十页视距测量表视距测量表视距测量表视距测量表计算公式计算公式本讲稿第二十四页，共六十页4-3电磁波测距电磁波测距 1941年瑞典物理学家Bergstrand在研究光速时开发了高精度测量t的技术1948年瑞典AGA厂推出了第一台光波测距仪 随着需求的增长和光学、微电子学的发展使电磁波测距的技术迅速发展。进一步推进了测量学的发展尽管尽管GPSGPS应用很广，短程电磁波测距仪仍然大有用途应用很广，短程电磁波测距仪仍然大有用途本讲稿第二十五页，共六十页一、基本原理一、基本原理ABD本讲稿第二十六页，共六十页依据测定时间的方法不同，光电测距有如下依据测定时间的方法不同，光电测距有如下几种：几种：1、变频法、变频法 2、相位法、相位法 3、干涉法、干涉法 4、脉冲法、脉冲法本讲稿第二十七页，共六十页二、电磁波测距仪的分类二、电磁波测距仪的分类1、按载波分、按载波分2 2、按测程分、按测程分 短程短程 3km 15km 15km 3 3、按精度分为、按精度分为1 1（5mm)5mm)、2(5-10mm)2(5-10mm)、3(11-20mm)3(11-20mm)级级测距仪的精度指标：测距仪的精度指标：（B 用用 ppm表示表示 mm/km）n n微波测距仪微波测距仪微波测距仪微波测距仪n n激光测距仪激光测距仪激光测距仪激光测距仪n n红外光测距仪红外光测距仪红外光测距仪红外光测距仪本讲稿第二十八页，共六十页三、光电脉冲法测距三、光电脉冲法测距计数显示电子门时标脉冲触发器脉冲发射脉冲接收反射器DBA时间测定：时间测定：1、脉冲计数测时、脉冲计数测时 2、模拟数字测时（电容充电）、模拟数字测时（电容充电）本讲稿第二十九页，共六十页本讲稿第三十页，共六十页本讲稿第三十一页，共六十页本讲稿第三十二页，共六十页已知：已知：时标脉冲频率：时标脉冲频率：f=15 Mhz电磁波速度：电磁波速度：v=310 8 m/s时标脉冲个数：时标脉冲个数：n=100求：距离求：距离 DD=1/f nv/2=1000 米米脉冲测距举例脉冲测距举例本讲稿第三十三页，共六十页电磁波测距原理电磁波测距原理n n按电磁波理论：n n光是电磁横波，其数学表达式为它表达了光波在转播空间任一位置上电磁振动的状态。其中：波动过程就是振动的相位沿波动方向移动的过程。本讲稿第三十四页，共六十页S本讲稿第三十五页，共六十页相相位位测测量量要测量测距信号（要测量测距信号（U1U1）与参考信号（）与参考信号（U2U2）之间的相位差）之间的相位差1 1）滤波滤波：取出调制波（频率低）的信号：取出调制波（频率低）的信号2 2）混频混频：把调制波信号与：把调制波信号与“本振本振”信号混合，经处理后可以得到频率更信号混合，经处理后可以得到频率更低（以便于更精确测量相位差），但相位依旧的差分信号低（以便于更精确测量相位差），但相位依旧的差分信号本讲稿第三十六页，共六十页相位测量相位测量3）把正弦波处理成方波4）把U1和U2分别接在门电路的两个触发器上，U2负跳变时把与门打开，U1负跳变时把与门关闭。在门开启的这段时间内让计数脉冲通过，从而可以测得。U2U1本讲稿第三十七页，共六十页电磁波测距原理电磁波测距原理n n设光从发射器发出，抵达反光镜后返回仪器的接收器，称为信号2。而从发射器发出的光分出一路直接进入处理装置，称为信号1。这两个信号之间存在相位差和整周数N。n n利用相位器可测定，但而不能求得“整周数N”。因此只可以求得“余长”，而不能求得整长。本讲稿第三十八页，共六十页电磁波测距原理电磁波测距原理n n测距仪把一定波长的电磁波从A点射向B点，经B点的反光棱镜反射后由测距仪接收，射出与接收波之间的相位差可用微电子技术自动测量是电磁波在AB点之间往返时间的函数表达式。用它可以算得测距仪至反光镜之间斜距长度的“尾数”。用几个不同波长的电磁波调制波测量同一段距离可以既扩大测程又保持精度。本讲稿第三十九页，共六十页测程和精度测程和精度n n测相的精度是有限的。例如可以把测相的精度是有限的。例如可以把细分细分10001000倍，则测倍，则测量的精度为测尺的量的精度为测尺的1/10001/1000。设。设 ，这时最小读，这时最小读数为数为cmcm。若要提高读数精度，就应缩短电子尺。但由。若要提高读数精度，就应缩短电子尺。但由于凭一个于凭一个无法求得整尺段数无法求得整尺段数NN，即不知待测距离的大，即不知待测距离的大数。就是说：数。就是说：用短的电子尺测量精度高但测程小用短的电子尺测量精度高但测程小。如果。如果用长的电子尺能扩大测程，但由于细分技术的限制，不用长的电子尺能扩大测程，但由于细分技术的限制，不能求得精确的尾数。即能求得精确的尾数。即测程大但进度低测程大但进度低。如果用两个频率的波（两个不同的电子尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。本讲稿第四十页，共六十页数字拼接数字拼接n n用f1=150kHz，测得距离986.4mn n用f2=15MHz，测得距离6.574m两组数字拼接为986.574m本讲稿第四十一页，共六十页内光路内光路n n 当内光路棱镜移到出光口时测量到内光路的“距离”n n移开内光路棱镜后测量到外光路的“距离”n n外光路“距离”减去内光路“距离”后才是需要测量的距离。n n这是消除仪器系统误差的重要措施之一本讲稿第四十二页，共六十页加加常常数数n n测距仪的机械中心与调制波发射和接收的等效面不一致；测距仪的机械中心与内光路等效面不一致使仪器产生（与所测距离长短无关的）加常数。n n加常数通过检定可以求得。本讲稿第四十三页，共六十页乘常数乘常数 n n电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。这就是乘常数。n n乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，可以经检定求得。本讲稿第四十四页，共六十页与测程有关的因素与测程有关的因素n n测程主要取决于接收光的强度能保证测相的精度。而接收光的强度与下述因素有关：n n激光器的功率n n激光发散角的大小n n大气对光的吸收程度n n反光镜的有效面积和其几何精度n n接收镜筒的口径n n接收光电元器件的灵敏度等本讲稿第四十五页，共六十页电磁波测距电磁波测距成果的处理成果的处理1）仪器常数改正乘常数改正数加常数改正数2）气象改正3）倾斜改正本讲稿第四十六页，共六十页倾斜的附加倾斜的附加改正数改正数n n如果测距仪望远镜高度与经纬仪如果测距仪望远镜高度与经纬仪望远镜的高度不一致，则在视线望远镜的高度不一致，则在视线倾斜时会产生附加改正数。因为倾斜时会产生附加改正数。因为这时测距仪的中心会偏离测站中这时测距仪的中心会偏离测站中心，而反光镜中心却多半不会作心，而反光镜中心却多半不会作相同的偏离。相同的偏离。n n测距仪望远镜与经纬仪望远镜测距仪望远镜与经纬仪望远镜同轴的仪器没有这项改正数。同轴的仪器没有这项改正数。本讲稿第四十七页，共六十页电磁波测距成果的处理电磁波测距成果的处理3）气象改正电子尺长是光速的函数而光速又是折射率的函数空气的折射率首先与波长有关物理学家测算得本讲稿第四十八页，共六十页3）气象改正）气象改正空气的折射率也与气象条件有关仪器制造者根据仪器所用电磁波的波长并顾及一般工作时的参考温仪器制造者根据仪器所用电磁波的波长并顾及一般工作时的参考温度及标准气压的湿度设定空气的折射率。度及标准气压的湿度设定空气的折射率。如果实际工作时的大气条件与此参考条件相同，就不加气象改如果实际工作时的大气条件与此参考条件相同，就不加气象改正数。否则要相对于参考折射率加改正数。正数。否则要相对于参考折射率加改正数。本讲稿第四十九页，共六十页倾斜的附加倾斜的附加改正数改正数n n如果测距仪望远镜高度与经纬如果测距仪望远镜高度与经纬仪望远镜的高度不一致，则在仪望远镜的高度不一致，则在视线倾斜时会产生附加改正数。视线倾斜时会产生附加改正数。因为这时测距仪的中心会偏离因为这时测距仪的中心会偏离测站中心，而反光镜中心却多测站中心，而反光镜中心却多半不会作相同的偏离。半不会作相同的偏离。n n测距仪望远镜与经纬仪望远镜同测距仪望远镜与经纬仪望远镜同轴的仪器没有这项改正数。轴的仪器没有这项改正数。本讲稿第五十页，共六十页电子全站仪图电子全站仪图电子全站仪电子全站仪棱棱镜镜全全站站仪仪本讲稿第五十一页，共六十页本讲稿第五十二页，共六十页三角高程测量三角高程测量4-4 三角高程测量三角高程测量掌握三角高程测量的基本原理和计算方法；熟悉三角高程测量的作业方法。已知两点之间的水平距离水平距离D(或斜距S)，观测垂直角垂直角，从而计算高差。使用于山区或不便于进行水准测量的地区。三角高程测量要求考虑地球曲率的影响。一.三角高程测量原理二.较远距离的三角高程测量三.三角高程测量的其他特点三角高程测量是一种间接测定间接测定两点之间高差高差的方法本讲稿第五十三页，共六十页一一.三角高程测量原三角高程测量原理理一一.三角高程测量原理三角高程测量原理B点的高程：点的高程：已知AB水平距离D，A点高程HA，在测站A观测垂直角，则：或（S为斜距）在距离200米以内，把大地水准面看成水平面本讲稿第五十四页，共六十页二二.一般情况下的三角一般情况下的三角高程测量高程测量二二.一般情况下的三角高程测量一般情况下的三角高程测量 距离较远时，考虑地球曲率差和大气折光差对高差的影响，应对观测得到的高差加“两差两差”改正：球差改正：气差改正：两差改正：（k=0.14）本讲稿第五十五页，共六十页本讲稿第五十六页，共六十页 顾及两差改正时，三角高程测量的高差计算公式为:本讲稿第五十七页，共六十页三、三角高程测量的观测与计算三、三角高程测量的观测与计算（一）三角高程测量的观测（一）三角高程测量的观测中横丝 切竖泡居中 读L、R算（二）三角高程测量的计算（二）三角高程测量的计算由由三三角角高高程程测测量量的的对对向向观观测测所所求求得得的的往往、返返测测高高差差（经经过过两两差差改改正正）之之差差fh的的允允许许值值 为为 本讲稿第五十八页，共六十页(三）三角高程闭合线路计算即1KM5cm本讲稿第五十九页，共六十页三三.三角高程三角高程测量的其他测量的其他特点特点三角高程测量两点距离较远时，应考虑加两差改正；两点间对向观测高差取平均，能抵消两差影响；三角高程测量通常组成附合或闭合路线，以检验精度；据有关研究，用电子全站仪进行三角高程测量，能 代替二等水准测量。四、三角高程测量的其他特点四、三角高程测量的其他特点本讲稿第六十页，共六十页