ch4距离测量与直线定向.ppt

确确定定两两点点间间距距离离的的工工作作称称为为距距离离测测量量。距距离离测测量量方方法法中中常常用的有钢尺量距、视距测量和电磁波测距等用的有钢尺量距、视距测量和电磁波测距等 第第4章章 距离测量距离测量1 1、钢尺量距方便、直接，且使用的工具成本低；、钢尺量距方便、直接，且使用的工具成本低；2 2、视距测量利用经纬仪或水准仪望远镜中的视距、视距测量利用经纬仪或水准仪望远镜中的视距丝和视距尺按几何光学原理进行测距；丝和视距尺按几何光学原理进行测距；3 3、电磁波测距是用仪器发射及接收红外光、激光、电磁波测距是用仪器发射及接收红外光、激光或微波等，按其传播速度及时间确定距离。或微波等，按其传播速度及时间确定距离。5.1 钢尺量距钢尺量距1.钢卷尺钢卷尺尺长与规格：尺长与规格：20米、米、30米、米、50米，钢质，涂塑或不涂塑。米，钢质，涂塑或不涂塑。刻度与注记：毫米刻度，注记厘米、分米、米。零分刻度与注记：毫米刻度，注记厘米、分米、米。零分划位置有不同，分划位置有不同，分刻线尺和端点尺刻线尺和端点尺两种。两种。一般量距方法一般量距方法 量距相对精度量距相对精度12000 15000 精密量距方法精密量距方法 量距相对精度量距相对精度110000 1400002.花杆花杆 定线用（量距时标定直线量距的前进方向）定线用（量距时标定直线量距的前进方向）3.测钎测钎 量距时在地面标定尺段端点位置。量距时在地面标定尺段端点位置。5.1.1 量距用的工具量距用的工具:端点尺端点尺 刻线尺刻线尺皮尺皮尺 测绳测绳钢卷尺钢卷尺测测钎钎 花杆花杆5.1.2 直线定线直线定线 1.两点间目估定线两点间目估定线2.两点间互不通视定线两点间互不通视定线3.经纬仪定线经纬仪定线:如果量距要求的精度较高如果量距要求的精度较高,可在其端点可在其端点A安置经纬仪定线安置经纬仪定线.两点间的距离大于尺长时，需分段丈量。将各分段点置于一条直线上的工作叫直线定线直线定线。距离用下式计算：距离用下式计算：D=nl+l 式中：式中：l尺段的长度；尺段的长度；n量的整尺段数；量的整尺段数；l零尺段长度。零尺段长度。往返丈量较差往返丈量较差 D=D往往-D返返距离平均值距离平均值 D平平=（D往往+D返返）相对误差相对误差 K=1.在平坦地面丈量在平坦地面丈量5.1.3 丈量方法（往返丈量丈量方法（往返丈量)v 整尺法量距整尺法量距v 串尺法量距串尺法量距2.倾斜地面丈量SDh (1)斜量法斜量法:地面坡度均匀，将量得的倾斜距离地面坡度均匀，将量得的倾斜距离S归算成归算成水平距离水平距离D。高差高差h用水准仪测定。用水准仪测定。或水平距离：水平距离：(2)在倾斜地面平量在倾斜地面平量v 平量法平量法v 斜量法斜量法 量距相对精度可达量距相对精度可达1 1万万 1 4万。万。精密量距时采取的措施：精密量距时采取的措施：1.用检定过的钢尺；用检定过的钢尺；2.经纬仪定线；经纬仪定线；3.钉尺段桩钉尺段桩(概量得概量得)，用水准仪测量桩间高差；，用水准仪测量桩间高差；4.对钢尺施加固定拉力，并测量温度；对钢尺施加固定拉力，并测量温度；5.对量距结果加三项改正数。对量距结果加三项改正数。3.钢尺量距的精密方法钢尺量距的精密方法三项改正数三项改正数5.1.4 钢尺量距的成果整理钢尺量距的成果整理每尺段经改正后的水平距离：每尺段经改正后的水平距离：总的水平距离总的水平距离：目的：求得钢尺两端点刻划间的实际长度。目的：求得钢尺两端点刻划间的实际长度。方法：用钢尺对一段精确的标准长度进行丈量，从而求得方法：用钢尺对一段精确的标准长度进行丈量，从而求得 钢尺的钢尺的尺长改正数尺长改正数。该检定场地也称为该检定场地也称为“比尺场比尺场”。L比尺场示意图作法：作法：“比尺场比尺场”为理想的砼条形场地，埋有尺段标志。将为理想的砼条形场地，埋有尺段标志。将 待检定的待检定的钢尺，用精密量距的方法，对该标准距离钢尺，用精密量距的方法，对该标准距离L 进行丈量。通过对量距结果进行丈量。通过对量距结果的整理，得出该钢尺的的整理，得出该钢尺的 尺长方程式尺长方程式。钢钢 0尺名义长尺名义长(m)；t0 标准温度，一般取标准温度，一般取20；d 尺长改正值尺长改正值(mm)；t 丈量时温度丈量时温度()钢的膨胀系数，钢的膨胀系数，1.210-5/；5.1.5 钢尺检定钢尺检定1.尺长方程式：尺长方程式：=0+d+(t-t0)0例：用一检定过的例：用一检定过的30米钢尺沿倾斜地面丈量米钢尺沿倾斜地面丈量AB距离，数据见距离，数据见 下表。该钢尺的尺长方程式如下，请整理量距成果。下表。该钢尺的尺长方程式如下，请整理量距成果。注：钢尺膨胀系数注：钢尺膨胀系数 =0.00001150.0000125尺段长度及量距精度计算尺段长度及量距精度计算五、钢尺量距的误差来源及减弱措施五、钢尺量距的误差来源及减弱措施 1 定线误差及影响 2 钢尺不水平引起的误差 3 温度变化引起的误差 4 拉力误差的影响 5 垂曲误差 6 尺长误差 7 丈量误差视距测量是一种间接测距方法视距测量是一种间接测距方法;它利用望远镜内十字丝分划它利用望远镜内十字丝分划板上的视距丝及刻有厘米分划的视距标尺板上的视距丝及刻有厘米分划的视距标尺(地形塔尺或普通地形塔尺或普通水准尺水准尺)，根据光学原理可以同时测定两点间的水平距离和，根据光学原理可以同时测定两点间的水平距离和高差高差.u测量距离的相对误差约为测量距离的相对误差约为1/300，低于钢尺量距；低于钢尺量距；u测定高差的精度低于水准测量测定高差的精度低于水准测量;u视距测量广泛用于地形测量的视距测量广泛用于地形测量的 碎碎部测量中。部测量中。5.2 视距测量视距测量5.2.1 视距测量概述视距测量概述5.2.2 视准轴水平时的视距计算公式视准轴水平时的视距计算公式 AB为待测距离为待测距离,在在A点安置经纬仪点安置经纬仪,B点竖立视点竖立视距尺距尺,设望远镜视线水平设望远镜视线水平,瞄准瞄准B点的视距尺点的视距尺,此时视此时视线与视距尺垂直。线与视距尺垂直。视线水平时的视距测量公式视线水平时的视距测量公式:(1)水平距离公式水平距离公式:(2)高差公式高差公式:(3)B B点点高程高程:5.2.3 视线倾斜时的视距测量公式视线倾斜时的视距测量公式(1)水平距离公式水平距离公式:(2)高差公式高差公式:5.2.4 视距测量视距测量观测与计算方法观测与计算方法（1 1）在测站在测站 A A 安置经安置经纬仪，纬仪，量取仪器高量取仪器高 i i，在，在测点测点 B B 竖立视距尺；竖立视距尺；（2 2）照准视距尺，用上下照准视距尺，用上下视距丝分别视距丝分别在尺上读取读在尺上读取读数，算出视距间隔数，算出视距间隔 n（n=下丝下丝读数读数-上丝读数）。也上丝读数）。也可先将中丝对准仪器高读可先将中丝对准仪器高读竖直角，然后把上丝对准竖直角，然后把上丝对准邻近整数刻划后直接读取邻近整数刻划后直接读取视距间隔；视距间隔；（3）转动竖盘指标水准管微）转动竖盘指标水准管微动螺旋使竖盘指标水准管气动螺旋使竖盘指标水准管气泡居中，读取竖盘读数，算泡居中，读取竖盘读数，算出竖直角。对有竖盘指标自出竖直角。对有竖盘指标自动归零装置的仪器，应打开动归零装置的仪器，应打开自动归零装置后再读数；自动归零装置后再读数；（4 4）根据视距公式，计根据视距公式，计算水平距离和高差及立尺算水平距离和高差及立尺点的高程。点的高程。5.3 5.3 电磁波测距及全站仪电磁波测距及全站仪一、概述一、概述l电磁波测距电磁波测距(E Electro-magnetic lectro-magnetic D Distance istance MMeasuringeasuring，EDMEDM)l是用电磁波是用电磁波(光波或微波光波或微波)作为载波，传输测距信号，以测作为载波，传输测距信号，以测量两点间距离的一种方法。量两点间距离的一种方法。lEDMEDM具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形限制等优点。受地形限制等优点。p19481948年，瑞典年，瑞典AGA(AGA(阿嘎阿嘎)公司公司(现更名为现更名为GeotronicsGeotronics捷捷创力公司创力公司)研制成功了世界上第一台电磁波测距仪研制成功了世界上第一台电磁波测距仪.p它采用白炽灯发射的光波作载波，应用了大量的电子管它采用白炽灯发射的光波作载波，应用了大量的电子管元件，仪器相当笨重且功耗大。元件，仪器相当笨重且功耗大。p为避开白天太阳光对测距信号的干扰，只能在夜间作业，为避开白天太阳光对测距信号的干扰，只能在夜间作业，测距操作和计算都比较复杂。测距操作和计算都比较复杂。t该仪器采用该仪器采用5mw5mw的氦的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为氖激光器作发光元件，白天测程为40km40km，夜间测程达夜间测程达60km60km，测距精度测距精度(5mm+1ppm)(5mm+1ppm)，主机重量主机重量23kg23kg。t我国的武汉地震大队也于我国的武汉地震大队也于19691969年研制成功了年研制成功了JCY-1JCY-1型激光型激光测距仪，测距仪，19741974年又研制并生产了年又研制并生产了JCY-2JCY-2型激光测距仪。该仪型激光测距仪。该仪器采用器采用2.5mw2.5mw的氦的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为氖激光器作发光元件，白天测程为20km20km，测距精度测距精度(5mm+1ppm)(5mm+1ppm)，主机重量主机重量16.3kg16.3kg。19601960年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一台年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一台氦氦-氖激光器，氖激光器，19621962年砷化镓半导体激光器研制成功。年砷化镓半导体激光器研制成功。与白炽灯比较，激光的优点是发散角小、穿透力强、传输与白炽灯比较，激光的优点是发散角小、穿透力强、传输的距离远、不受太阳光干扰、基本上可以全天侯作业。的距离远、不受太阳光干扰、基本上可以全天侯作业。19671967年年AGAAGA公司推出了世界上第一台商品化的激光测距仪公司推出了世界上第一台商品化的激光测距仪AGA-8AGA-8。t随随着着半半导导体体技技术术的的发发展展，从从6060年年代代末末7070年年代代初初起起，采采用用砷砷化化镓镓发发光光二二极极管管作作发发光光元元件件的的红红外外测测距距仪仪逐逐渐渐在在世世界界上流行起来。上流行起来。t与与激激光光测测距距仪仪比比较较，红红外外测测距距仪仪有有体体积积小小、重重量量轻轻、功功耗小、测距快、自动化程度高等优点。耗小、测距快、自动化程度高等优点。t由由于于红红外外光光的的发发散散角角比比激激光光大大，所所以以红红外外测测距距仪仪的的测测程程一般小于一般小于15km15km。t现现在在的的红红外外测测距距仪仪已已经经和和电电子子经经纬纬仪仪及及计计算算机机软软硬硬件件制制造造在在一一起起，形形成成了了全全站站仪仪，并并向向着着自自动动化化、智智能能化化和和利利用蓝牙技术实现测量数据的无线传输方向飞速发展。用蓝牙技术实现测量数据的无线传输方向飞速发展。二、电磁波测距仪分类二、电磁波测距仪分类1.按其所采用的载波（光源）可分为：按其所采用的载波（光源）可分为：微波测距仪微波测距仪(microwave EDM instrument)；激光测距仪激光测距仪(laser EDM instrument)；红外测距仪红外测距仪(infrared EDM instrument);2.按测程分为：按测程分为：短程测距仪短程测距仪(5km)中程测距仪中程测距仪(515km)远程测距仪远程测距仪(15km）4.按测距原理分为：按测距原理分为：脉冲式；脉冲式；相位式相位式3.按精度分为：按精度分为：级测距仪级测距仪(mD 5mm)级测距仪级测距仪(5 mD 10mm)级测距仪级测距仪(mD 10mm）5.3.1 5.3.1 红外测距的测距原理红外测距的测距原理c0光在真空中的速度光在真空中的速度ng光在大气中传输的折射率光在大气中传输的折射率t光波在光波在AB间往返传输时间间往返传输时间基本公式基本公式:直接测时直接测时-该类测距仪称该类测距仪称为为脉冲式测距仪脉冲式测距仪，该仪器因，该仪器因其精度较低，通常只用于精其精度较低，通常只用于精度较低的远距离测量、地形度较低的远距离测量、地形测量和炮瞄雷达测距。测量和炮瞄雷达测距。间接测时间接测时-用测定相位用测定相位的方法来测定距离，此类仪的方法来测定距离，此类仪器称为相位式测距仪。器称为相位式测距仪。现有的精密光电测距仪都现有的精密光电测距仪都不采用直接测时的方法，而不采用直接测时的方法，而采用间接测时。采用间接测时。电磁波测电磁波测距方式距方式电磁波测距方式电磁波测距方式1.脉冲式脉冲式测距原理测距原理 假设时钟脉冲的震荡频率为假设时钟脉冲的震荡频率为 ,震荡周期为震荡周期为计数器记录的震荡次数为计数器记录的震荡次数为N,则脉冲光波在则脉冲光波在AB两点间两点间往返的时间为往返的时间为:2.相位式相位式测距原理测距原理 用测定相位的方法来测定距离，此类仪器称为用测定相位的方法来测定距离，此类仪器称为相位式测距仪。相位式测距仪。它是用一种连续波（精密光波测距仪采用光波）它是用一种连续波（精密光波测距仪采用光波）作为作为“运输工具运输工具”（称为载波），通过一个调（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。周期性变化。测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间播所产生的相位变化，间接地确定传播时间t t，进而求得待测距离进而求得待测距离D D。相位式测距原理相位式测距原理调制波的调制频率调制波的调制频率f f，角频率角频率 ，周期周期T T，波长波长:设调制波在距离设调制波在距离D D往返一次产生的相位变化为往返一次产生的相位变化为 ，调，调制信号一个周期相位变化为制信号一个周期相位变化为22，则调制波的传播时间则调制波的传播时间t t为：为：代入代入基本公基本公式得式得 :相位式测距原理相位式测距原理设调制信号为正弦信号，包含设调制信号为正弦信号，包含22的整倍数的整倍数N2N2，和不足和不足22的尾数部分的尾数部分，即：即：代入前面公式代入前面公式:令令:-单位长，单位长，“光测尺光测尺”，“电子电子尺尺”公式改写成公式改写成 :上上式就是相位式测距原理公式。式就是相位式测距原理公式。相位式测距仪是用长度为相位式测距仪是用长度为L LS S的的“测尺测尺”去量去量测距离，量了测距离，量了N N个整尺段加上不足一个个整尺段加上不足一个L LS S的长的长度就是所测距离。度就是所测距离。采用多个采用多个“测尺测尺”组合实组合实现测距技术过程。现测距技术过程。设计；精测尺设计；精测尺+粗测尺测距。粗测尺测距。相位式测距原理相位式测距原理5.3.2 5.3.2 光电测距仪的组成光电测距仪的组成（一）（一）全站仪概述全站仪概述（二）（二）全站仪的功能全站仪的功能 （三）（三）几种全站仪及其基本应用几种全站仪及其基本应用5.3.4 全站仪及其使用全站仪及其使用南方南方NTSNTS全站仪全站仪TOPCON GTSTOPCON GTS全站仪全站仪LeicaLeica 全站仪全站仪（一）（一）全站仪概述全站仪概述全站仪全站仪(total station)是由电子测角、光电测是由电子测角、光电测距、微型机及其软件组合而成的智能型光电测距、微型机及其软件组合而成的智能型光电测量仪器。全站仪的基本功能是量仪器。全站仪的基本功能是测量水平角、竖测量水平角、竖直角和距离。直角和距离。t同时进行角度测量同时进行角度测量(水平角、竖直角水平角、竖直角)和距离测量和距离测量(斜斜距距S、平距平距D、高差高差h).t测距系统光轴与测角系统视准轴同轴（三轴同一）；测距系统光轴与测角系统视准轴同轴（三轴同一）；t显示测点的角度显示测点的角度(方向值方向值)、距离、高差或三维坐标；、距离、高差或三维坐标；t拥有后方交会、放样、偏心测量、悬高测量、对边测量、拥有后方交会、放样、偏心测量、悬高测量、对边测量、面积计算等高级测量功能。面积计算等高级测量功能。t拥有较大容量的内部存储器，以数据文件形式存储已知点拥有较大容量的内部存储器，以数据文件形式存储已知点和观测点的点号、编码、三维坐标；和观测点的点号、编码、三维坐标；t实现全站仪与计算机的数据通讯；实现全站仪与计算机的数据通讯；t 高精度全站仪测角达高精度全站仪测角达0.5秒级，测距精度达秒级，测距精度达(0.1mm+0.1PPM)；t 与计算机联合组成的智能观测系统能实现全自动瞄准、与计算机联合组成的智能观测系统能实现全自动瞄准、观测、记录、存储和数据的传输，被称为测量机器人。观测、记录、存储和数据的传输，被称为测量机器人。特点：特点：三轴同一望远镜三轴同一望远镜 在全站仪的望远镜中，照准目标的视准轴、光电测距的在全站仪的望远镜中，照准目标的视准轴、光电测距的红外光发射光轴和接收光轴是同轴的，其光路如图所示。因红外光发射光轴和接收光轴是同轴的，其光路如图所示。因此，测量时使望远镜照准目标棱镜的中心，就能同时测定水此，测量时使望远镜照准目标棱镜的中心，就能同时测定水平角、垂直角和斜距平角、垂直角和斜距测量仪器总的发展过程测量仪器总的发展过程光学经纬仪光学经纬仪 电子经纬仪电子经纬仪 速测全站仪速测全站仪 全站仪。全站仪。全站仪的发展过程：全站仪的发展过程：1.1.普通型全站仪普通型全站仪2.2.功能型全站仪功能型全站仪3.3.磁卡型全站仪磁卡型全站仪4.4.内存式全站仪内存式全站仪 5.5.全自动智能全站仪全自动智能全站仪全站仪生产厂家：全站仪生产厂家：瑞士：徕卡瑞士：徕卡LeicaLeica 德国：蔡司德国：蔡司ZeissZeiss 日本：拓普康日本：拓普康TOPCONTOPCON，索佳索佳SOKKIASOKKIA，宾得宾得,尼康尼康 中国：南方、苏州、北京中国：南方、苏州、北京（二）（二）全站仪的功能全站仪的功能对边测量对边测量悬高测量悬高测量后方交会后方交会放样放样偏心测量偏心测量面积计算面积计算等高级测量功能等高级测量功能。全站仪的功能全站仪的功能SHD%V1、对边测量、对边测量 如如图，分别瞄准两个图，分别瞄准两个目标点处的棱镜并目标点处的棱镜并观测后，仪器即可观测后，仪器即可显示出两个棱镜之显示出两个棱镜之间的平距间的平距(HD)、斜、斜距距(S)、高差、高差(V)和和坡度（坡度（%）。对边）。对边测量可以连续进行。测量可以连续进行。全站仪的功能全站仪的功能 2 2、悬高测量、悬高测量 如图，如图，要测量某些不能设置反要测量某些不能设置反射棱镜的目标（高压电射棱镜的目标（高压电线、桥梁桁架）的高度线、桥梁桁架）的高度时，可在目标正上方或时，可在目标正上方或正下方处安置棱镜，输正下方处安置棱镜，输入棱镜高入棱镜高h1，瞄准棱镜瞄准棱镜并观测后，并观测后，再瞄准目再瞄准目标，仪器即可显示目标标，仪器即可显示目标的高度的高度HHh1h2全站仪的功能全站仪的功能 3 3、后方交会测量后方交会测量 如如图，全站仪安置在某一图，全站仪安置在某一待定点上，通过对两个待定点上，通过对两个以上的已知点处的棱镜以上的已知点处的棱镜进行观测，并输入各已进行观测，并输入各已知点三维坐标及仪器高知点三维坐标及仪器高和棱镜高后，全站仪即和棱镜高后，全站仪即可显示待定点的三维坐可显示待定点的三维坐标。标。APB全站仪的功能全站仪的功能4、三维坐标测量、三维坐标测量 如如图，将全站仪安置在已图，将全站仪安置在已知点知点A,棱镜设置在待定棱镜设置在待定点点P，输入输入A点已知坐标点已知坐标及仪器高和棱镜高后，及仪器高和棱镜高后，先后视已知点先后视已知点B并输入并输入B点坐标（后视已知点是点坐标（后视已知点是为了设置方向位角）然为了设置方向位角）然后瞄准后瞄准P点处棱镜并进点处棱镜并进行观测，仪器即可显示行观测，仪器即可显示待定待定P的三维坐标。的三维坐标。全站仪的功能全站仪的功能5、放样测量、放样测量 将要测设将要测设的角度和边长（或坐标值）的角度和边长（或坐标值）输入全站仪，在放样过程输入全站仪，在放样过程中仪器显示角度和边长的中仪器显示角度和边长的实测值与放样值之差，根实测值与放样值之差，根据显示的偏离值及符号调据显示的偏离值及符号调整棱镜位置，直至偏离值整棱镜位置，直至偏离值为零，此时棱镜所处位置为零，此时棱镜所处位置即为要测设的点位。有的即为要测设的点位。有的电子全站仪还可通过图形电子全站仪还可通过图形显示出棱镜上下左右前后显示出棱镜上下左右前后的移动方向。的移动方向。全站仪的功能全站仪的功能不同厂家生产的电子全站仪其键盘设计并不完全相同，实现相同测量功能的按键程序和步骤也不完全一样，具体使用应参见厂家的使用说明书。6 6、偏心测量、偏心测量 如图，若侍如图，若侍定点处不能设置棱镜，可定点处不能设置棱镜，可将棱镜设置在待定点的左将棱镜设置在待定点的左侧或右侧，并使棱镜至站侧或右侧，并使棱镜至站点的距离相当，瞄准棱镜点的距离相当，瞄准棱镜并进行观测，再照准待定并进行观测，再照准待定点，仪器即可显示待定点点，仪器即可显示待定点的坐标。的坐标。全站仪测量的流程全站仪测量的流程野外采集数据：野外采集数据：南方南方NTSNTS、TOPCONTOPCON全站仪全站仪+PDA+PDA（测图测图精灵）精灵）传输数据：传输数据：将数据文件传入计算机将数据文件传入计算机处理数据：处理数据：用测图软件用测图软件 （南方测绘（南方测绘CASSCASS）处理、编辑处理、编辑输出成果：输出成果：数字化地数字化地 形图、电子地图（形图、电子地图（.dwgdwg）、）、工程图。工程图。光电测距的误差来源光电测距的误差来源1 1 调制频率误差调制频率误差2 2 气象参数误差气象参数误差3 3 对中误差对中误差4 4 测相误差测相误差5 5 光速误差光速误差6 6 照准误差照准误差7 7 仪器加常数测定误差仪器加常数测定误差8 8 周期误差周期误差