《土木工程测量》第3章教案.ppt

第第3章章 角度测量角度测量 测量地面点连线的水平夹角及视线方向与水平面的竖直角，称角度测量(angular observation)。角度测量是测量的基本工作之一。角度测量所使用的仪器是经纬仪(theodolite)和全站仪(total station)。水平角测量用于求算点的平面位置，竖直角测量用于测定高差或将倾斜距离改化为水平距离。3.1 角度测量原理角度测量原理(1)水平角测量原理水平角测量原理 水平角(horizontal angle)是指地面一点到两个目标点连线在水平面上投影的夹角，它也是过两条方向线的铅垂面所夹的两面角。为了测量水平角，应在过B点的上方水平地安置一个有刻度的圆盘，称为水平度盘(horizontal circle)；水平度盘的中心应位于过B点的铅垂线上；经纬仪还必须有一个能够瞄准远方目标的望远镜；望远镜应可以在水平面和铅垂面内旋转，通过望远镜分别瞄准高低不同的目标A和C。(2)竖直角测量原理竖直角测量原理竖直角(vertical angle)是指在同一竖直面内，视线与水平线的夹角。视线在水平线上方的称为仰角，角值为正；视线在水平线下方的称为俯角，角值为负。为了测量竖直角，经纬仪必须在铅垂面内安置一个有圆盘，称为竖直度盘或竖盘(vertical circle)。竖直角也是两个方向在度盘上的读数之差，与水平角不同的是，其中有一个是水平方向。水平方向的读数可以通过竖盘指标管水准器或竖盘指标自动补偿装置来确定；经纬仪设计时，一般使视线水平时的竖盘读数为0或90的倍数，这样，测量竖直角时，只要瞄准目标，读出竖盘读数并减去仪器视线水平时的竖盘读数就可以计算出视线方向的竖直角。规范给出的国产光学经纬仪(optical theodolite)按其精度划分的型号有：DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ30，其中字母D、J分别为“大地测量”和“经纬仪”汉语拼音的第一个字母，07、1、2、6、30分别为该仪器一测回方向观测中误差的秒数。瑞士Leica公司的光学经纬仪按其精度划分的型号为：T4、T3、T2、T1、T16，其中字母T为单词“Theodolite”(经纬仪)的第一个字母，以秒为单位的一测回方向观测中误差分别为0.5、1、2、6、16。n3.2.1 DJ6级光学经纬仪的结构级光学经纬仪的结构根据控制水平度盘转动方式的不同，DJ6级光学经纬仪又分为方向经纬仪和复测经纬仪。地表测量中，通常使用方向经纬仪，复测经纬仪主要应用于地下工程测量。图3-3是北京光学仪器厂生产的DJ6级方向光学经纬仪。一般将光学经纬仪分解为基座(tribrach)、水平度盘(horizontal circle)和照准部(alidade)三部分。n1-望远镜制动螺旋 2-望远镜微动螺旋 3-物镜 4-物镜调焦螺旋 5-目镜 6-目镜调焦螺旋 7-光学瞄准器 8-度盘读数显微镜 9-度盘读数显微镜调焦螺旋 10-照准部管水准器 11-光学对中器 12-度盘照明反光镜 13-竖盘指标管水准器14-竖盘指标管水准器观察反射镜15-竖盘指标管水准器微动螺旋 16-水平方向制动螺旋 17-水平方向微动螺旋 18-水平度盘变换螺旋与保护卡 19-基座圆水准器 20-基座 21-轴套固定螺旋 22-脚螺旋 n(1)基座n基座上有三个脚螺旋，一个圆水准气泡，用来粗平仪器。n水平度盘旋转轴套套在竖轴套外围，拧紧轴套固定螺旋，可将仪器固定在基座上；旋松该螺旋，可将经纬仪水平度盘连同照准部从基座中拔出。n(2)水平度盘n水平度盘是一个圆环形的光学玻璃盘片，盘片边缘刻划并按顺时针注记有0360的角度数值。n(3)照准部n照准部是指水平度盘之上，能绕其旋转轴旋转的全部部件的总称，它包括竖轴、U形支架、望远镜、横轴、竖直度盘、管水准器、竖盘指标管水准器(vertical index bubble tube)和读数装置等。n照准部的旋转轴称为仪器竖轴，竖轴插入基座内的竖轴轴套中旋转；n照准部在水平方向的转动，由水平制动、水平微动螺旋控制；n望远镜在纵向的转动，由望远镜制动、望远镜微动螺旋控制；n竖盘指标管水准器的微倾运动由竖盘指标管水准器微动螺旋控制；n照准部上的管水准器，用于精平仪器。n水平角测量需要旋转照准部和望远镜依次瞄准不同方向的目标并读取水平度盘的读数；n在一测回观测过程中，水平度盘是固定不动的；n为了角度计算的方便，在观测开始之前，通常将起始方向(称为零方向)的水平度盘读数配置为0左右，这就需要有控制水平度盘转动的部件。有两种控制水平度盘转动的结构：n1)水平度盘位置变换螺旋：方向经纬仪使用。n2)复测装置：复测经纬仪(repetition theodolite)是用复测扳手代替水平度盘位置变换螺旋来控制控制水平度盘的转动。n3.2.2 DJ6级光学经纬仪的读数装置级光学经纬仪的读数装置n光学经纬仪的读数设备包括度盘、光路系统和测微器。n水平度盘和竖直度盘上的分划线，通过一系列棱镜和透镜成像显示在望远镜旁的读数显微镜内。DJ6级光学经纬仪的读数装置可以分为测微尺读数和单平板玻璃读数两种。n(1)测微尺读数装置n测微尺(micrometer)读数装置的光路见图3-6所示。n将水平玻璃度盘和竖直玻璃度盘均刻划为360格，每格的角度为1，顺时针注记。n照明光线通过反光镜1的反射进入进光窗2，其中一路光线通过编号为12、13、15、16的光学组件将水平度盘14上的刻划和注记成像在平凸镜8上；另一路光线通过编号为3、5、6、7的光学组件将竖直度盘4上的刻划和注记成像在平凸镜8上；n在平凸镜8上有两个测微尺，测微尺上刻划有60格。n仪器制造时，使度盘上一格在平凸镜8上成像的宽度正好等于测微尺上刻划的60格的宽度，因此测微尺上一小格代表1。n通过棱镜9的折射，两个度盘分划线的像连同测微尺上的刻划和注记可以被读数显微镜观察到，其中10是读数显微镜的物镜，11是读数显微镜的目镜。读数装置大约将两个度盘的刻划和注记放大了65倍。n图3-7为读数显微镜视场，n注记有“水平”(有些仪器为“Hz”或“”)字样窗口的像是水平度盘分划线及其测微尺的像，n注记有“竖直”(有些仪器为“V”或“”)字样窗口的像是竖直度盘分划线及其测微尺的像。n读数方法为：以测微尺上的“0”分划线为读数指标，“度”数由落在测微器上的度盘分划线的注记读出，测微尺的“0”分划线与度盘上的“度”分划线之间的、小于1的角度在测微尺上读出；n最小读数可以估读到测微尺上1格的十分之一，即为0.1或6。n图 3-7的 水 平 度 盘 读 数 为21454.7，竖 直 度 盘 读 数 为7905.5。n测微尺读数装置的读数误差为测微尺上一格的十分之一，即0.1或6。n(2)平板玻璃测微尺(parallel plate micrometer)读数装置n在图3-6中，平板玻璃安置在水平度盘反光棱镜16和竖直度盘反光棱镜7之前的位置。n读数原理是：将玻璃度盘刻划为720格，每格的角度为30，顺时针注记。n来自两个度盘的、包含有度盘刻划和注记的光线1通过平板玻璃5，经反光棱镜9转向后连同测微尺7上的分划一起成像在读数指标面8上，再经反光棱镜10进入读数显微镜，通过读数显微镜11、12就可以观察到读数指标面上的度盘刻划和注记及测微尺刻划和注记的影像。n当度盘刻划影像不位于双指标线中央时，旋转测微螺旋2，带动齿轮3进而带动扇形齿4使平板玻璃5和测微尺7绕轴6旋转，度盘刻划影像移动偏距位于双指标线中央位置，所移偏距则在测微尺上记录下来。n仪器制造时，使度盘刻划影像移动1格也即0.5或30时，对应于测微尺上移动90格，则测微尺上1格所代表的角度值为306090=20，按估读到测微尺1格的十分之一，即为2。n它比测微尺读数装置的读数误差要小。n平板玻璃测微尺读数装置的读数窗视场见图3-9所示。n它有3个读数窗口，其中下窗口为水平度盘影像窗口，中间窗口为竖直盘度影像窗口，上窗口为测微尺影像窗口。n读数时，先旋转测微螺旋，使两个度盘分划线中的某一个分划线精确地位于双指标线的中央，0.5整倍数的读数根据分划线注记读出，小于0.5的读数从测微尺上读出，两个读数相加即为度盘的读数。n3.2.3 DJ2级光学经纬仪级光学经纬仪n图3-10为苏州第一光学仪器厂生产的DJ2级光学经纬仪，各部件名称如下：n1-望远镜制动螺旋，2-望远镜微动螺旋，3-物镜，4-物镜调焦螺旋，5-目镜，6-目镜调焦螺旋，7-光学瞄准器，8-度盘读数显微镜，9-度盘读数显微镜调焦螺旋，10-测微轮，11-水平度盘与竖直度盘换像手轮，12-照准部管水准器，13-光学对中器，14-水平度盘照明镜，15-垂直度盘照明镜，16-竖盘指标管水准器进光窗口，17-竖盘指标管水准器微动螺旋，18-竖盘指标管水准气泡观察窗，19-水平制动螺旋，20-水平微动螺旋，21-基座圆水准器，22-水平度盘位置变换手轮，23-水平度盘位置变换手轮护盖 24-基座 25-脚螺旋 nDJ2级光学经纬仪的构造与DJ6级基本相同，只在度盘读数方面存在下面的差异：n(1)DJ2级光学经纬仪采用重合读数法，相当于取度盘对径(直径两端)相差180处的两个读数的平均值，由此可以消除度盘偏心误差的影响，以提高读数精度。n(2)在度盘读数显微镜中，只能选择观察水平度盘或垂直度盘中的一种影像，通过旋转“水平度盘与竖直度盘换像手轮”来实现。n(3)设置双光楔测微器，分为固定光楔与活动光楔两组楔形玻璃，活动光楔与测微分划板相连。入射光线经过一系列棱镜和透镜后，将度盘某一直径两端的分划同时成像到读数显微镜内，并被横线分隔为正像和倒像。图3-11为德国蔡司公司(Zeiss)生产的Theo 010型经纬仪(属于2级)读数镜中的度盘对径分划像(右边)和测微器分划像(左边)，度盘的数字注记为“度”数，测微分划尺左边注记为“分”数，右边注记为“十秒”数。n为使读数方便和不易出错，现在生产的DJ2级光学经纬仪，一般采用图3-12所示的读数窗。度盘对径分划像及度数和10的影像分别出现于两个窗口，另一窗口为测微器读数。当转动测微轮使对径上、下分划对齐以后，从度盘读数窗读取度数和10数，从测微器窗口读取分数和秒数。n(1)经纬仪的安置经纬仪的安置n经纬仪的安置包括对中(centering)和整平(leveling)，其目的是使仪器竖轴位于过测站点的铅垂线上，从而使水平度盘和横轴处于水平位置，竖直度盘位于铅垂平面内。对中的方式有垂球对中(plumb bob centering)和光学对中(optical centering)两种，整平分粗平和精平。n粗平是通过伸缩脚架腿或旋转脚螺旋使圆水准气泡居中，其规律是圆水准气泡向伸高脚架腿的一侧移动，或圆水准气泡移动方向与用左手大拇指和右手食指旋转脚螺旋的方向一致；n精平是通过旋转脚螺旋使管水准气泡居中，n要求分别转动照准部使管水准器轴旋至相互垂直的两个方向上使气泡居中，其中一个方向应与任意两个脚螺旋中心的连线方向平行。n经纬仪安置的操作程序是：n打开三脚架腿，调整好其长度使脚架高度适合于观测者的高度；n张开三角架，将其安置在测站上，使架头大致水平；n从仪器箱中取出经纬仪放置在三角架头上，并使仪器基座中心基本对齐三角架头的中心，旋紧连接螺旋后，即可进行对中整平操作。n可以使用垂球对中或光学对中器对中进行经纬仪安置操作。n1)使用垂球对中法安置经纬仪n将垂球挂在连接螺旋中心的挂钩上，调整垂球线长度使垂球尖略高于测站点。n粗粗对对中中与与粗粗平平：平移三脚架(应注意保持三角架头面基本水平)，使垂球尖大致对准测站点的中心，将三脚架的脚尖踩入土中。n精精对对中中：稍微旋松连接螺旋，双手扶住仪器基座，在架头上移动仪器，使垂球尖准确对准测站点后，再旋紧连接螺旋。垂球对中的误差应小于3mm。n精精平平：旋转脚螺旋使圆水准气泡居中，转动照准部，旋转脚螺旋，使管水准气泡在相互垂直的两个方向上居中。注意，旋转脚螺旋精平仪器时，不会破坏前已完成的垂球对中关系。n2)使用光学对中法安置经纬仪n光学对中器也是一个小望远镜；n它由保护玻璃1、反光棱镜2、物镜3、物镜调焦镜4、对中标志分划板5和目镜6组成。n使用光学对中器之前，应先旋转目镜调焦螺旋使对中标志分划板十分清晰，再旋转物镜调焦螺旋(有些仪器是拉伸光学对中器)看清地面的测点标志。n粗粗对对中中：双手握紧三角架，眼睛观察光学对中器，移动三脚架使对中标志基本对准测站点的中心(应注意保持三角架头基本水平)，将三脚架的脚尖踩入土中。n精精对对中中：旋转脚螺旋使对中标志准确对准测站点的中心，光学对中的误差应小于1mm。n粗平：粗平：伸缩脚架腿，使圆水准气泡居中。n精精平平：转动照准部，旋转脚螺旋，使管水准气泡在相互垂直的两个方向上居中。精平操作会略微破坏前已完成的对中关系。n再再次次精精对对中中：旋松连接螺旋，眼睛观察光学对中器，平移仪器基座(注意，不要有旋转运动)，使对中标志准确对准测站点的中心，拧紧连接螺旋。n(2)瞄准和读数瞄准和读数n测角时的照准标志，一般是竖立于测点的标杆、测钎、用三根竹杆悬吊垂球的线或觇牌(target)。测量水平角时，以望远镜的十字丝竖丝瞄准照准标志。n望远镜瞄准目标的操作步骤如下：n 目镜对光：松开望远镜制动螺旋和水平制动螺旋，将望远镜对向明亮的背景(如白墙、天空等，注意不要对向太阳)，转动目镜使十字丝清晰。n 粗瞄目标：用望远镜上的粗瞄器瞄准目标，旋紧制动螺旋，转动物镜调焦螺旋使目标清晰，旋转水平微动螺旋和望远镜微动螺旋，精确瞄准目标。可用十字丝纵丝的单线平分目标，也可用双线夹住目标，见如图3-16。n 读数：读数时先打开度盘照明反光镜，调整反光镜的开度和方向，使读数窗亮度适中，旋转读数显微镜的目镜使刻划线清晰，然后读数。n常用水平角观测方法有测回法和方向观测法。n(1)测回法测回法n测回法(method of observation set)用于观测两个方向之间的单角。n城市测量规范没有给出测回法半测回角差的容许值，根据图根控制测量的测角中误差为20，一般取中误差的两倍作为限差则为40。n当测角精度要求较高时，往往需要观测几个测回。为了减小水平读盘分划误差的影响，各测回间应根据测回数，按照180/n变换水平度盘位置。n表3-1为观测两测回，第二测回观测时，A方向的水平度盘应配置为90左右。如果第二测回的半测回角差符合要求，则取两测回角值的平均值作为最后结果。n(2)方向观测法方向观测法n当测站上的方向观测数在3个或3个以上时，一般采用方向观测法(method of direction observation)。n如图3-18所示，测站点为O点，观测方向有A、B、C、D四个。在O点安置好仪器，在A、B、C、D四个目标中选择一个标志十分清晰的点作为零方向。以A点方向为零方向的记录计算表格见表3-2。n(3)方向观测法的限差方向观测法的限差n城市测量规范规定，方向观测法的限差应符合表3-3的规定。n当照准点的垂直角超过3时，该方向的2C较差可按同一观测时间段内的相邻测回进行比较，其差值仍按表3-3的规定。按此方法比较应在手簿中注明。n在表3-2的计算中，两个测回的归零差分别为6和12，小于限差要求的18；B、C、D三个方向值两测回较差分别为5、4、7，小于限差要求的24。观测结果满足规范的要求。n(4)水平角观测的注意事项水平角观测的注意事项n1)仪器高度要和观测者的身高相适应；三脚架要踩实，仪器与脚架连接要牢固，操作仪器时不要用手扶三脚架；转动照准部和望远镜之前，应先松开制动螺旋，使用各种螺旋时用力要轻。n2)精确对中，特别是对短边测角，对中要求应更严格。n3)当观测目标间高低相差较大时，更应注意仪器整平。n4)照准标志要竖直，尽可能用十字丝交点瞄准标杆或测钎底部。n5)记录要清楚，应当场计算，发现错误，立即重测。n6)一测回水平角观测过程中，不得再调整照准部管水准气泡，如气泡偏离中央超过2格时，应重新整平与对中仪器，重新观测。