工程测量教学课件第4章距离测量与直线定向08土建.ppt

测距技术的发展,直接测距法：皮尺、钢尺,光学测距方法：视距测量,电磁波测距： GPS测量,第4章 距离测量与直线定向,4.1 钢尺量距 4.2 光电测距和全站仪介绍 4.3 直线定向(重点/难点),4.1 钢尺量距,一、量距工具,工作步骤： 1 直线定线：将分段点标定在一条直线上 2 量距 3 数据整理,辅助工具,锤球,二、直线定线,如果所测的距离较长，则需将其分成几段，然后分段 测量，标定直线分段点的位置的工作，称为直线定线。,目估定线法,将经纬仪安置于A点，瞄准B点，然后在AB的视线上用钢尺量距，依次定出比钢尺一整尺略短的尺段端点1，2，。在各尺段端点打入木桩，桩顶高出地面5cm10cm，在每个桩顶刻划十字线，其中一条在AB方向上，另一条垂直AB方向，以其交点作为钢尺读数的依据。,经纬仪定线法（一般用于精密量距）,平坦地面的距离丈量的方法,整尺法,三、钢尺量距的一般方法,A、B两点间的水平距离为：,式中：n 尺段数； l 钢尺的尺长； q 不足一整尺的余长。,距离丈量要求：“直、平、准”， 1/10001/5000,倾斜地面的距离丈量的方法,斜量法,平量法：距离累加即可,K=|往测 返测 | / 往返均值 = 1 / M,为了提高测量精度，防止丈量错误，需往返丈量，取其平均值。返测时应重新定线。用相对误差K衡量测量精度。,在平坦地区 K不应大于1/2000； 在困难地区 K不应大于1/1000。,四、 钢尺量距精密方法 精度在1/100001/40000以上,2、量距、测高差 然后用检定过的钢尺用弹簧秤加标准拉力，丈量每一线段长度。丈量同时应测出钢尺温度或现场温度，并用水准仪测量每一线段两端点的高差。应往返测。,1、 经纬仪定线 先清理场地，用钢尺概量、经纬仪定线定出略小于一整尺段的长度，并做好标记（划十字丝）。,量距是用经过检定的钢尺，两人拉尺，两人读数，一人记录及观测温度。 量距时由后尺手用弹簧秤控制施加于钢尺的拉力(30 m钢尺，标准拉力为100 N)。前、后读数员应同时在钢尺上读数，估读到0.5mm。每尺段要移动钢尺三次不同位置（23cm），三次丈量结果的互差不应超过3mm，取三段丈量结果的平均值作为尺段的最后结果。 每一尺段应读记一次温度，估读0.5度；进行温度。 随之进行返测。 观测各桩顶高差进行倾斜改正。高差测量往返观测，30m长的尺段高差=510mm，取其平均值作为观测结果。,经过检定的钢尺长度可用尺长方程示：,温度为t时的钢尺实际长度； 钢尺的名义长度； 尺长改正值，即温度在 时钢尺全长改正数； 钢尺膨胀系数，一般取=1.25 钢尺检定时的温度； 量距时的温度。,尺长方程式,尺长改正,整尺段的尺长改正：,任一长度的尺长改正：,温度改正,丈量时的温度与钢尺检定时的温度不同，尺长会 发生变化。,3.钢尺量距的成果整理,倾斜改正,任一距离丈量值改正后的水平距离为：,再计算往还测距离及其平均值，最后计算相对误差KK容,例题：用尺长方程为 的钢尺实测AB尺段，长度l=29.896m,A、B两点间高差h=0.272m,测量时的温度t=25.8C,试求AB尺段的水平距离。,解：1）尺长改正,3）倾斜改正,4）A-B尺段水平距离,2）温度改正,五 钢尺量距的误差及注意事项,1) 尺长误差 钢尺名义长度与实际长度不符的误差。 具有积累性，丈量距离越长，误差越大。 2) 温度误差 温度变化1，丈量30m距离的影响为0.4mm。,3) 钢尺倾斜和垂曲误差 地面不平坦，钢尺不水平或中间下垂而成曲线，所量长度实际长度。整尺段悬空时，中间应有人托住钢尺。 4) 定线误差 使所量距离为一组折线，丈量结果偏大。 丈量30m的距离，偏差为0.25m时，量距偏大1mm。,5) 拉力误差 钢尺丈量拉力应与检定拉力相同。 拉力变化2.6kg，尺长改变1mm。 6) 丈量误差 插测钎不准，前、后尺手配合不佳，余长读数不准. 丈量中应尽量准确对点，配合协调。,使用钢尺量注意事项：,1使用前要认清尺的零点位置，熟悉尺的注记方式； 2 要密切配合，尺子要拉紧，用力均匀，定线要直，尺子水平； 3 读书要同时、迅速、准确、果断； 尺扭环时，切勿用力拉尺，应立即将扭环解开。 4严防尺子被车辗。 5尺子不可在地面上拖拉。,4.2 红外测距仪及全站仪,分类：,远程测距仪 (大于15km),中程测距仪 (5km15km),短程测距仪 (小于5km),电磁波测距仪是用电磁波（光波或微波）作为载波传输测距信号以测量两点间距离的一种方法。,导弹、人卫、月球等空中目标,大地、地震测量,地形测量、工程施工,1、红外测距仪简介,电磁波测距仪的优点： 测程远、精度高。 受地形限制少等优点。 作业快、工作强度低。,测距仪的精度指标：,式中：mD 测距中误差，单位为mm； a 固定误差，单位为mm； b 比例误差； D 以km为单位的距离。,如，某测距仪的标称精度为 当距离D为0.6km时，测距精度是mD=8mm。,2、红外测距仪的测距原理：,脉冲法测距： 由测距仪的发射系统发出光脉冲，经反光镜反射后，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 一般为300MHz(300106Hz)，测距精度为O.5m，精度较低 。,目前精度最高的脉冲式红外测距 仪：徕卡DI3000 标称精度：(35mm+1ppm),Wild DI3000脉冲测距仪,测距仪在A点发出的调制光在待测距离上传播，经棱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，从而间接地求得时间t，再由 求得距离 。,3、相位式测距原理,相位法测距原理,常采用多个调制频率测距，来保证测程和精度。用短尺（精尺） 确定精确的小数位，用长尺（粗尺）测定距离的大数。,如果精测尺的波长为10米，则距离精度可达到1cm; 粗测尺波长为10km,则相位差得出的10米位为精确的。,相位计只能测出不足一周的相位差N，测相精度一般为1/1000,技术：采用多个“测尺”组合实现测距技术过程。 设计：粗测尺+精测尺测距。,如双频测距仪：,精测尺：1=15MHz, 测尺长10m，精度为厘米级 粗测尺：2=75kHz, 测尺长2000m，精度为米级,由此可知： 高频保证精度 低频保证测程,相位式测距原理,调制频率与测尺长度的关系,4、ND 3000红外测距仪,1) 仪器简介：,主要技术参数 红外光源波长：0.865m 测尺长及对应的调制频率 精测尺：10m，f1=14.835546MHz 粗测尺1：1000m， f2=148.35546kHz 粗测尺2：10000m， f2=14.835546kHz 测程：2500m(单棱镜)，3500m(三棱镜) 标称精度：(5mm+3ppm) 测量时间：正常测距 3s，跟踪测距、初始测距3s，以后每次测距0.8s 显示：带有灯光照明的7位数字液晶显示，最小显示距离为1mm 供电：6V镍镉(NiCd)可充电电池 气象改正比例系数计算公式：,测距时的大气压力与空气温度测量设备,2) 测距边长的改正,仪器常数的改正,加常数：发光管的发射面、接受面与仪器中心不一致；反光镜的等效反射面与反光镜中心不一致；内光路及电子元件产生的相位延迟。三者使得测得的距离与实际距离总相差一常数。其值与距离大小无关系。与棱镜的类型有关。加常数通过检定可以求得。,D,D,乘常数：测距时仪器的晶振频率与设计频率有偏移，产生了与距离成正比的系统误差。该比例因子称乘常数。通过检验求得。,改正方法：1）测距前在仪器中预置常数； 2）用下式改正：,气象改正 （如徕卡测距仪）,倾斜改正,例：D=1352.112m,p=892.1mb t=32.5C,则D0=5.106mm, D=69.0mm,测距边长的的改正,5 全站仪及其使用（重点）,（一） 全站仪概述 （二） 全站仪的功能 （三） 全站仪的基本操作方法 （四） 几种全站仪介绍 （五) 光电测距的注意事项,（一） 全站仪概述,全站仪的基本功能是测量角度、距离、坐标。 全站仪具有如下特点： 同时进行角度测量(水平角、竖直角) 和距离测量(斜距S、平距D、高差h) ； 测距系统光轴与测角系统视准轴同轴（三轴同一）； 显示测点的角度(方向值)、距离、高差或三维坐标； 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。,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； 实现全站仪与计算机的数据通讯； 高精度全站仪测角达0.5秒级，测距精度达(0.1mm+0.1PPM)； 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。,思考题：全站仪与经纬仪比较有何优势？,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，就能同时测定水平角、垂直角和斜距,（二） 全站仪的功能,全站仪一般有几种测量模式：,角度测量模式,距离测量模式,可进行水平度盘读数设置； 同时测量水平角和竖直角； 垂直角坡度模式；角度放样。,可进行仪器常数、棱镜常数、气象改正设置； 可进行斜距、平距、高差的测量； 偏心测量；测距模式的设置； 距离放样。,方法：与经纬仪相同。,当精度要求不高时（如碎步测量）只需半测回：,瞄准一已知点A置零（0SET）瞄准B点，记下水平度盘的读数。,当精度要求高时（如导线测量）可用测回法,步骤同用经纬仪操作，配置度盘时，按“置盘” 如：配置000230”，则按输入对应的软键 “0.0230”-ENT，即可。,一定按照测量规范操作仪器，要尊重科学，有些同学尤其是非测绘专业的学生喜欢“想当然”。,一般情况，出厂的 PRISM=0（原配单棱镜）；国产南方棱镜为-30mm ；苏一光的原配三棱镜组为-30mm 。如果采用别的棱镜，则需设置棱镜常数，一旦设置好后，关机即保存。,PSM、PPM设置测距、坐标、放样前。,1）棱镜常数（PSM）的设置。,2）大气改正数（PPM）（乘常数）设置。,输入测量时的气温（TEMP）、气压（PRESS），或经计算后，输入PPM的值。,坐标测量模式,放样模式,输入测站点坐标，照准定向点输入定向方位角，或者输入测站和定向点的坐标，以及仪器高和目标高，照准待定点，就可直接测定未知点坐标。 设置已知数据（包括测站坐标、后视方向或后视点坐标、棱镜高）； 坐标测量操作。,放样模式有两个功能，即测定放样点和利用内存中已知数据设置新点。,三维坐标测量 如图，将全站仪安置在已知点A，棱镜设置在待定点P，输入A点已知坐标及仪器高和P点棱镜高后，先后视已知点B并输入B点坐标（后视已知点是为了设置方向位角）然后瞄准P点处棱镜并进行观测，仪器即可显示待定P的三维坐标。,全站仪的功能,1) 输入A测站X，Y，H，仪器高i，P点棱镜高t。,2) 瞄准后视点，并输入后视点坐标。,3) 瞄准目标棱镜点，按测量键。,放样测量 将要测设的角度和边长（或坐标值）输入全站仪，在放样过程中仪器显示角度和边长的实测值与放样值之差，根据显示的偏离值及符号调整棱镜位置，直至偏离值为零，此时棱镜所处位置即为要测设的点位。有的电子全站仪还可通过图形显示出棱镜上下左右前后的移动方向。,对边测量 悬高测量 后方交会 偏心测量 面积计算等高级测量功能。,应用测量模式,（三）、全站仪的基本操作方法,按POWER或ON键，开机后仪器进行自检，自检结束后进入测量状态。有的全站仪自检结束后须设置水平度盘与竖盘指标，设置水平度盘指标的方法是旋转照准部，听到鸣响即设置完成；设置竖盘指标的方法是纵转望远镜，听到鸣响即设置完成。设置完成后显示窗才能显示水平度盘与竖直度盘的读数。,1. 测前的准备工作,1）安置仪器,将全站仪连接到三脚架上，对中并整平。多数全站仪有双轴补偿功能，所以仪器整平后，在观测过程中，既使气泡稍有偏离，对观测也无影响。,2）开机并初始化,2. 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。,（2）设置大气改正值或气温、气压值。,如果用测回法，与光学经纬仪相似，同样要配置读盘，盘左盘右观测。,（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。,（3）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。,3）坐标测量,（1）设定测站点的三维坐标。,（2）瞄准后视点并设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数即其方位角。,（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。,（四） 其它全站仪系列介绍,索佳30R系列全站仪 徕卡TPS1100智能全站仪系列 北京拓普康GTS-800系列 南方NTS-202w/205w,索佳30R系列全站仪 标谁单棱镜测距范围可达 5000米，精度可(2mm+2ppm) 。 索佳反射片测距范围可达500米，精度可达(3mm+2ppm)。 无协作目标测量超过150米，精度可达(3mm+2ppm)。,徕卡TPS1100智能全站仪系列,产品特点 目标自动识别与瞄准 动态目标自动跟踪 无合作目标同轴侧距 内置无线遥控测量 5MB的广阔内存空间 更快、更灵、更巧、更全,特点： 1、每秒50高速旋转 2、新颖的微动/阻尼装置 3、内置MS-DOS系统 4、标准测量程序 5、PC卡/ATA Flash卡系统 6、大屏幕图形显示器,产品特点 关键电子元件进口，质量可靠设计合理，外型美观操作简单，功能实用价格低廉，可普及到小组 设有RS-232C接口能与微机，掌上电脑PC-E500（S）通讯，特别适合于做数字化测图输入温度和气压，仪器将自动进行气象修正； 大气折光和地球曲率的影响可以在平距和高差测量中自动补偿。,（五）、光电测距的注意事项,(1) 防止日晒雨淋，在仪器使用和运输中应注意防震。 (2) 严防阳光及强光直射物镜，以免损坏光电器件。 (3) 仪器长期不用时，应将电池取出。,(4) 测线应离开地面障碍物一定高度，避免通过发热体 和较宽水面上空，避开强电磁场干扰的地方。 (5) 镜站的后面不应有反光镜和强光源等背景干扰。 (6) 应在大气条件比较稳定和通视良好的条件下观测。,（7）全站仪迁站时，应从脚架上取下仪器 （8）运输过程中注意防震,4.3 直线定向和坐标测算原理,4.3.1 直线定向 确定一条直线与标准方向之间的关系称为直线定向。 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。对应的方位角为真方位角，用A 表示 。,性质：恒定性；互不平行性。,真方位角用天文测量方法或用陀螺经纬仪测定的。,子午线收敛角：地面上任意两点真子午线方向的夹角。,陀螺仪GP1-2A,2. 磁子午线方向：通过地球表面某点的磁子午线的切线方向，即磁针静止时的指向（或位置）。对应的方位角为磁方位角，A磁 或Am表示 。,P北极 P磁北极,性质：不稳定性；不平行性,偏向真子午线方向以东为“”；偏向真子午线方向以西为“”。,磁偏角：地面点的真子午线方向与磁子午线方向的夹角。,我国磁偏角的变化大约在十6到一10之间。 北京为西偏，约为-5度。,磁方位角用罗盘仪测定的。,DQL-1型森林罗盘仪,DQL-1B型森林罗盘仪,磁北极的概略位置：北纬74，西经110。,罗盘仪测定磁方位角 主要部件磁针、刻度盘、望远镜、基座。,操作步骤：测定直线AB的磁方位角,置于A点，垂球对中，松开球臼街头螺旋，前后左右倾斜螺旋，使水准气泡居中，拧紧接头螺旋;,松开罗盘制动螺旋，转动望远镜瞄准B点;,松开磁针固定螺旋，待其静止后，读出磁针北极对准的刻度盘读数，即为磁方位角。,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，其角值从0 360。,3. 坐标纵轴方向（高斯坐标系中央子午线切线方向）,1,2,标准方向北端,方位角,2,2,2,2,2,测量工作中，常采用方位角来表示直线的方向。,地面点的坐标纵轴方向与真子午线方向的夹角。 偏向真子午线以东为“”；偏向真子午线方向以西为“”。,坐标子午线收敛角：,性质：平行性,2,磁北,真北,坐标北,Am,A,1,4、某点不同的标准方向所得到的方位角的关系：,真方位角与磁方位角：,真方位角与坐标方位角：,坐标方位角与磁方位角：,二 正、反坐标方位角,直线1-2 ：点1是起点，点2是终点。,12 正坐标方位角；,21 反坐标方位角。,21,12,x,y,o,x,x,1,2,直线2-1：,所以一条直线的正、反坐标方位角互差180,三、 象限角,某直线的象限角是由直线起点的标准方向北端或南端起，沿顺时针或逆