角测量水平角测量概要.pptx

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1、3.1 角度测量原理 角度测量包括水平角测量和竖直角测量。水平角是确定地面点位的基本要素之一，竖直角可用于斜距改化为水平距离以及三角高程中用于计算两点间高差。Horizontal Angle（水平角）水平角即空间直线的夹角在水平面上的投影角，角值范围0360。第1页/共47页1 Vertical Angle（竖直角）A vertical angle is an angle measured in a vertical plane which is referenced to a horizontal line by plus（up）or minus（down）angle,or to a ver

2、tical line from the zenith direction.（空间方向线与水平面或天顶方向的夹角。）ABOABZAZB水平面铅垂线天顶方向Principles of Vertical Angle Measurement第2页/共47页高度角（Elevation Angle）又称为竖角 空间方向线与水平面的夹角，空间方向线位于水平面上方时，高度角为正，空间方向线位于水平面下方时，高度角为负。高度角的取值范围为090。天顶距（Zenith Angle）空间方向线与天顶方向的夹角，从天顶方向度量，其取值范围为0180。高度角与天顶距的关系竖直角也是度盘上两个方向读数之差，而其中一个为固

3、定水平读数。AOAZA水平面铅垂线天顶方向第3页/共47页3.2 经纬仪（Theodolite）一、经纬仪的一般结构1.经纬仪的类型l 按精度分类：普通经纬仪（DJ6、DJ30）和精密 经纬仪（DJ07、DJ1、DJ2）精度标准：“一测回方向中误差”系列标准：DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ30等。D 大地测量，J 经纬仪 07、1、2、6、30为经纬仪的标称精度，即其一测回方向中误差不超过0.7、1、2、6、30。第4页/共47页l 按读数设备分类：游标经纬仪、光学经纬仪和电子经纬仪（包括全站仪）。l 按特殊功能分类：罗盘经纬仪、陀螺经纬仪、激光经纬仪、摄影经纬仪等。2.经纬仪的基本结

4、构望远镜、水准管、度盘及读数设备、基座。l照准部：主要有望远镜、水准管、读数设备组成。l 水平度盘光学度盘、电子度盘等。l 基座：上承照准部和水平度盘，下连三脚架。第5页/共47页二、光学经纬仪（Optical Theodolite）1.光学经纬仪的主要部件（1）望远镜：用于精确瞄准远处目标，与水准仪望远镜一样，由物镜、调焦透镜、十字丝分划板和目镜组成。（2）水准器：有水准管和圆水准器。（3）水平度盘与竖直度盘：用玻璃制成，在其圆周边缘刻有等间隔的分划线。J6光学经纬仪的度盘格值为1（两相邻分划线间距所对的圆心角），J2光学经纬仪的度盘格值为20，威特T3（相当于DJ1）经纬仪的水平度盘的格值

5、为4。不足1个格值的角值采用光学测微器测定。第6页/共47页2.读数设备 水平度盘分划和竖直度盘分划经读数光学系统，成像在读数显微镜中。1、度盘照明反光镜；2、度盘照明进光窗；3、度盘照明棱镜；4、竖盘；5、竖盘照准棱镜；6竖盘显微物；7、竖盘反光棱镜；8、测微尺；9、竖盘读数反光棱镜；10读数显微镜物镜；11、读数显微镜目镜；12、水平度盘照明棱镜；13、水平度盘照准棱镜；14、水平度盘；15、水平度盘显微镜；16、水平度盘反光棱镜；17、望远镜物镜；18、望远镜调焦透镜；19、十字丝分划板；20、望远镜目镜；21、光学对点反光棱镜；22、光学对中器物镜；23、光学对中器保护玻璃第7页/共4

6、7页（1）分微尺读数装置 很多J6光学经纬仪都采用这种读数设备。它是在显微镜读数窗与场镜上设置一个带有分微尺的分划板，度盘上的分划线经显微镜物镜放大后成像于分微尺之上，并使二者的分划 宽度相匹配。如图所示，长 线和大号数字是度盘的分划 线极其注记，短线 和小号数 字为分微尺的分划线及其注 记。分微尺上最小读数为 0.1，即6。分微尺的零 分划线是指标 线，它的位置 即读数的地方。第8页/共47页（2）双平板玻璃光学测微器利用平板玻璃的旋转使度盘分划线的影像产生移动，以便将小于度盘分划的角值反映在测微轮上而在读数窗内读取，通常用于J2经纬仪中。如下图（b）所示：其读数为1894517,下图（d）

7、所示：其读数为762623.5。第9页/共47页三、电子经纬仪（Electronic Theodolite）-自己去看看 电子经纬仪的轴系、望远镜和制动、微动构件与光学经纬仪类似，不同之处在于电子经纬仪用微处理机控制的电子测角系统代替光学读数系统，能自动显示测量数据并存储。第10页/共47页2.编码度盘测角系统 将度盘均匀分成16个区间，从里到外有四道环（码道）。每个区间的码道分为白色透光区（或导电区）和黑色非透光区（或非导电区）。设透光为0，非透光为1，则区间的状态可用二进制编码表示，见下表。识别望远镜照准方向落在哪一个区间是编码度盘测角的关键。区间编码区间编码区间编码区间编码0000040

8、1008100012110010001501019100113110120010601101010101411103001170111111011151111第11页/共47页电子测角系统是用传感器来识别和获取望远镜照准方向落在度盘某一位置的信息。如下图所示，度盘上部分为发光二极管，它们位于度盘半径方向的一条直线上，而度盘下面的相对位置上是光电二极管。对于码道的透光区，发光二极管的光信号能够通过，而使光电二极管接收到这个信号，使输出为0。对于码道的不透光区，光电二极管接收不到这个信号，则输出为1。下图中的输出状态为1001。编码度盘的角度分辨率与区间数s有关，而区间数有取决于码道数n，它们之间

9、的关系为：由此可见，四码道编码度盘的角度分辨率为22.5。为提高角度分辨率，必须增加码道数，但受光电器件尺寸的限制，这种方法是很困难的。故直接利用该法精度较低。第12页/共47页3.光栅度盘测角系统在光学玻璃度盘的径向上均匀地刻制明暗相间的等角距细线条就构成光栅度盘。如图（a），在玻璃圆盘的径向，均匀地按一定的密度刻划有交替的透明与不透明的辐射状条纹，条纹与间隙的宽度均为a，这就构成了光栅度盘。如图（b）所示，如果将两块密度相同的两块光栅重叠，并使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，就会出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。两光栅之间的夹角越小，条纹越粗，即相邻明条纹（或暗条纹）之间的间隔越大。条纹

10、亮度按正弦周期性变化。第13页/共47页设d是光栅度盘相对于固定光栅的移动量，是莫尔条纹在径向的移动量，两光栅间的夹角为，则其关系式为：由上式可见，只要两光栅之间的夹角较小，很小的光栅移动量就会产生很大的条纹移动量。光栅度盘下面是一个发光管，上面是一个可与光栅度盘形成莫尔条纹的指示光栅，指示光栅上面为光电管。若发光管、指示光栅和光电管的位置固定，当度盘随照准部转动时，由发光管发出的光信号通过莫尔条纹落到光电管上。度盘每转动一条光栅，莫尔条纹就移动一周期。通过莫尔条纹的光信号强度也变化一周期，所以光电管输出的电流就变化一周期。在照准目标的过程中，仪器接收元件可累计出条纹的移动量，从而测出光栅的移

11、动量，经转换最后得到角度值。第14页/共47页3.3 角度观测方法一、经纬仪的安置 经纬仪的安置包括对中和整平。对中的目的是使仪器的水平度盘中心与测站点标志中心在同一铅垂线上；整平的目的是使仪器的竖轴竖直，并使水平度盘居于水平位置。依据仪器的对中设备不同分为用垂球对中整平和用光学对中器对中整平两种作法。1.用垂球安置经纬仪 用垂球对中整平的操作是将对中与整平分别进行。第15页/共47页l 对中的操作：（1）将垂球挂在三脚架的中心螺旋下部挂钩上，移动三脚架腿使垂球初步对准地面点。（2）略为放松三脚架的中心连接螺旋，移动基座使垂球对准地面点。l 整平的操作：（1）旋转照准部使水准管与任意两个脚螺旋

12、连线平行，调节该两个脚螺旋使水准管气泡居中。（2）旋转照准部90，使水准管与上述两个脚螺旋连线垂直，调节第三个脚螺旋使水准管气泡居中。重复操作（1）和（2），直到照准部旋转到任何位置水准管气泡都是居中时为止。第16页/共47页 用垂球对中整平最主要的缺点是其对中准确度不高，约为5mm左右。影响对中准确的因素有：（a）垂球悬挂在细线上，易受风的影响而摆动，不易准确地观察到垂球尖端与地面点的对准情况；（b）垂球尖端与地面点不可能完全吻合而有一段距离，使观察二者是否对准时产生错觉；（c）若三脚架顶部倾斜太大，因中心螺旋是倾斜的，故用脚螺旋将仪器整平后(竖轴已竖直)，竖轴与垂线不重合而会有偏离，即使垂

13、球尖端对准了地面点，竖轴仍未能与地面点在一条垂线上。第17页/共47页2.用光学对中器安置经纬仪 光学对中器是一个小型外调焦望远镜。当照准部水平时，对中器的视线经棱镜折射后的一段成铅垂方向，且与竖轴中心重合，如下图所示。若地面标志中心与光学对中器分划板中心相重合，这说明竖轴中心已位于测站点的铅垂线上。用光学对中器可使对中误差小于1mm。用光学对中器安置仪器，对中和整平的操作则相互 影响，故需按一定的操作 程序才能安置好仪器。操作步骤如下：目镜物镜水平度盘玻璃罩透镜光学垂线第18页/共47页（1）首先使光学垂线对准地面点。操作时既可移动三脚架腿，也可旋转脚螺旋，只要在光学对中器的目镜中能看到分划

14、板标记与地面点对准即可。此时，整个仪器均可能是倾斜的，如下图所示；（2）为了使光学垂线竖直，可有两个途径：旋转脚螺旋和改变三脚架腿的长度。若旋转脚螺旋使光学垂线由倾斜到竖直，由下图可以看出，光学垂线是以基座某处为圆心旋转到 竖直状态。若改变三脚架腿的长度，光学垂线则是以地面某处为圆心旋转 到竖直状态。为了保持对中不受到影 响（或影响较小），当然应采用改变 三脚架腿的长度来使光学垂线竖直；第19页/共47页 判断光学垂线是否竖直的器件是圆水准器，即一面调整三脚架腿的长度，一面观察圆水准器气泡是否居中，气泡居后即不再调整（方法同水准仪）；（3）因圆水准器的分划值较大，当目视它的气泡居中了，由于观察

15、会有误差,竖轴仍可能会有较小的倾斜，因此，尚需旋转基座脚螺旋使照准部水准管气泡居中；（4）检查对中器标志是否仍对准了地面点，若有偏移则在三脚架顶部将基座平移使对中器标志对准地面点。再次检查照准部水准管气泡是否仍然居中，若有偏离则需再用脚螺旋使之居中；（5）重复第四项操作，直到满足要求为止。第20页/共47页二、水平角观测 安置好经纬仪后，即可开始观测。角度测量时照准的目标通常是竖立在目标点上的测钎、花杆、觇牌等。照准目标要注意消除视差，水平角观测时应尽可能精确瞄准目标的下部，并进行读数。第21页/共47页 在角度观测中，为了消除仪器的某些误差，需要用盘左和盘右两个位置进行观测。盘左观测：即观测

16、者对着望远镜的目镜时，竖盘在望远镜的左边，又称正镜观测；盘右观测：即指观测者对着望远镜的目镜时，竖盘在望远镜的右边，又称倒镜观测。水平角观测方法主要有测回法和方向观测法两种。测回法仅适用于观测两个方向形成的单角；方向观测法适用于多于2个方向的水平角观测。第22页/共47页1.测回法（Method of Observation Set）在测站点B安置经纬仪，按下列顺序进行观测：（1）盘左位置精确瞄准左方目标C，并读数；（2）松开照准部制动螺旋，顺时针旋转照准部，精确瞄准右方目标A，并读数。此为上半测回观测（即盘左观测）。（3）倒转望远镜，逆时针旋转照准部，变盘左为盘右，重新精确瞄准目标A，并读数

17、。（4）逆时针旋转照准部，精确 瞄准左方目标C，并读数。此为下半测回观测。上、下半测回合起来为一测回。BAC盘左观测盘右观测第23页/共47页测站目标竖盘位置水平度盘读数半测回角值一测回平均角值备注BC左02045651415651420A653500C右1802115651425A2453540第24页/共47页2.方向观测法（Method of Direction Observation）l观测程序 在测站点O安置经纬仪，按下列照准顺序进行观测：（1）盘左位置精确瞄准所选定的起始方向A（即零方向），并按度盘配置计算公式算出的数据，配置度盘；m为测回数，i为测回序号。（2）顺时针方向空转照准

18、部12周，精确照准零方向目标，并读数。（3）顺时针旋转照准部，依次精确瞄准第A、B、C、D、A等目标读数。此为上半测回观测。OACBD第25页/共47页（4）倒转望远镜，逆时针旋转照准部12周，精确瞄准零方向A并读数。（5）逆时针旋转照准部，依次精确瞄准D、C、B、A等方向并读数。此为下半测回观测。上、下半测回合起来为一测回。重复上述步骤完成剩余测回观测注意事项：（1）观测中要保持沉着、认真、细致、果断。（2）选择距离适中、通视良好、成像清晰的方向作为零方向。（3）观测前应认真调焦，消除视差。（4）上、下半测回照准目标的次序应相反。（5）观测过程中，应保持水准管气泡居中或偏离不得超过1格，否则

19、，应在测回间重新整平仪器。第26页/共47页l方向法的记录和观测限差（1）记录与计算（2）野外记簿之规定 野外观测成果是计算点位坐标的原始数据，是长期保存、使用的重要资料。故必须遵守以下规定：记录真实、注记明确、整饰清洁美观、格式统一。一切原始观测值和记事项目，必须在现场用铅笔记录在规定格式的外业手簿中，严禁凭记忆补记。外业手簿中每一页都必须编号，任何情况下都不允许撕毁手簿中的任何一页。一切数字、文字记载应正确、清楚、整齐、美观。凡更正错误，均应将错字整齐划去，在其上方正确第27页/共47页的数字或文字，禁止涂、擦、字上改字。对超限划去的成果须注明原因和重测结果所在页数。点名必须记载正确，同一

20、点名在各种资料中应严格一致。对原始记录的秒值不得做任何修改。原始记录的度、分确属读、记错，可在现场更正，但同一方向的盘左、盘右观测值不得同时更改一常数。用J6级经纬仪观测水平角，记录和计算的小数均取至整秒。（3）观测限差（参见城市测量规范（CJJ 899）水平角观测各项限差应符合下表之规定。经纬仪型号光学测微器两次重合读数差半测回归零差一测回内2C互差同一方向值各测回较差J11696J238139J61824第28页/共47页8844.43m珠穆朗玛峰珠穆朗玛峰第29页/共47页三、竖直角观测 由竖直角测量原理可知，竖直角是照准目标的竖盘读数与视线水平的竖盘读数（水平始读数）之差。但哪一个是被

21、减数？水平始读数是多少？（1）竖盘构造1、竖盘；、竖盘；2、反、反射镜；射镜；3、指标水、指标水准管；准管；4、指标水、指标水准管校正螺丝；准管校正螺丝；5、望远镜视准轴；望远镜视准轴；6、指标水准管支架；指标水准管支架；7、横轴；、横轴；8、指、指标水准管微动螺旋标水准管微动螺旋 第30页/共47页 经纬仪的竖盘固定在望远镜横轴一端，与望远镜连接在一起，且竖盘面垂直于横轴。由此，竖盘随望远镜一起绕横轴旋转。竖盘读数指标(vertical index)与竖盘指标水准管(vertical index bubble tube)连接在一起，旋转竖盘指标水准管微动螺旋将带动竖盘指标水准管和竖盘读数指标

22、一起作微小的转动。当视准轴水平，竖盘水准管气泡居中时，竖盘读数指标所指的读数即为水平始读数（0、90、180或 270），这时指标线所处的位置为其正确位置。指标线偏离其正确位置的偏差称为指标差（index error of vertical circle），指标差有正、负。第31页/共47页 竖盘注记形式较多，目前常见的注记形式为全圆注记，注记方向有顺时针与逆时针两类，下图所示为比较多见的两种注记形式。090180270090180270090180270090180270逆时针注记顺时针注记盘左盘右第32页/共47页（2）竖直角和指标差的计算公式 由竖盘的构造和刻划注记型式可以看出，竖直角和

23、指标差的计算公式与其密切相关。下面仅以顺时针全圆刻划注记型式为例，寻求竖直角和指标差的计算公式。这里规定：指标线沿刻划注记方向偏离其正确位置时，指标差为正，反之为负。盘左位置：090180270180090270L盘左位置第33页/共47页综合（1）式和（2）式，可得：090180270180090270R盘右位置盘右位置：盘右位置：第34页/共47页（3）竖直角的观测 竖角观测是用十字丝横丝横切目标于某一位置，竖角观测方法有两种：中丝法和三丝法。n中丝法观测程序 用十字丝的中丝照准目标。观测步骤如下：在测站上安置经纬仪，对中、整平。盘左位置用水平中丝瞄准目标，调整竖盘指标水 准管气泡居中后，

24、读取竖盘读数L。盘右位置用水平中丝瞄准目标，调整竖盘指标水准管气泡居中后，读取竖盘读数R。以上操作为一测回。重复上述步骤完成其余测回观测。第35页/共47页中丝法观测竖直角的记录、计算格式见下表：n三丝法观测程序在盘左位置，按上、中、下三根水平丝依次照准目标的同一部位各一次，在竖盘指标水准管居中的情况下，分别读取竖盘读数L。测站点仪器高/m觇点觇标高/m竖盘位置竖盘读数指标差一测回竖角照准觇标部位 虎山1.43云山4.10左59 20 301530 39 45觇标顶右300 40 00葛岭4.40左71 44 121218 16 00觇标顶右288 16 12刘湾3.82左124 03 421

25、8-34 03 24觇标顶右235 56 54第36页/共47页在盘右位置，按上、中、下三根水平丝依次照准目标的同一部位各一次，在竖盘指标水准管居中的情况下，分别读取竖盘读数R。分别计算指标差和竖直角，取各竖直角平均值为最后成果。n竖直角观测之规定（1）竖直角观测应在目标成像清晰稳定的条件下进行。（2）观测过程中若有指标差绝对值大于30时，应予以校正。（3）观测记录的规定与水平角相仿，计算均至1。（4）在竖直角观测的同时，量取仪器高和目标高。第37页/共47页（4）竖盘指标自动归零装置 在仪器竖盘光路中，安装一个补偿器来代替竖盘指标管水准器，当仪器竖轴偏离铅垂线的角度在一定范围内时，通过补偿器

26、仍能读到相当于竖盘指标管水准气泡居中时的竖盘读数。第38页/共47页3.4 水平角观测的误差和精度一、水平角观测的误差1.仪器误差（1）水平度盘偏心误差即度盘分划中心与照准部旋转中心不重合。270901800eOOCMM第39页/共47页由此公式可知：度盘偏心对度盘不同位置读数的影响不同。因 ，可知在度盘相差180的度盘偏心误差的绝对值相等而符号相反。顾及到同一目标盘左、盘右读数和对径分划线读数相差180，于是可知，通过盘左、盘右读数取平均值，或用对径符合读数进行水平角观测，均可减弱以至消除度盘偏心对水平方向观测值的影响。（2）视准轴误差 第40页/共47页（2）视准轴误差 视准轴不与横轴相垂

27、直而对水平角观测的影响。而由此，有CxCAAaaO第41页/共47页水平角观测手簿 作业日期 成像 天 气_ 开始时刻 测站 观测者_ 结束时刻 仪器 记录者 _ 方向盘左读数盘左读数半测回方向一测回归零方向各测回平均归零方向第一测回 12 18A0 01 00180 01 1800 00 0000 00 0000 00 00B91 54 06271 54 0091 52 5491 52 4891 52 45 42C153 32 48333 32 48153 31 36153 31 33153 31 33 30D214 06 1234 06 06214 05 00214 04 54214 04

28、 57 04 48A0 01 24180 01 18第42页/共47页第二测回 24 30A90 01 12270 01 2400 00 0000 00 00B181 54 00 1 54 1891 52 3691 52 42 48C243 32 54 63 33 06153 31 30153 31 33 36D304 06 36124 06 18214 05 12 214 05 00 04 48A90 01 36270 01 36第43页/共47页 1、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

29、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 J6光学经纬仪 第44页/共47页 1、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转像手轮；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 J2光学经纬仪 第45页/共47页BpVAVBOAA1B1O1ab水平角观测原理第46页/共47页感谢您的观看。第47页/共47页