《测量学》第四章距离测量与全站仪

1、61,1,第四章 距离测量与全站仪,测量学,61,2,4-1 距离测量概述,测距技术的发展： 从直接用各种尺子量距 光学间接测距 电磁波 物理测距 测距工具： 直接量距 木尺、织物卷尺、钢卷尺、因瓦钢线尺 光学测距 用光学仪器的视距测量、基线尺视距测 量、光干涉测距 电磁波测距 用物理测距仪器的微波测距、红外光 测距、激光测距,61,3,4-2 卷尺量距,一. 钢卷尺和丈量工具,卷于尺盒内 或尺架上的 钢卷尺,尺头及尺上 分划,尺长20m、30m、50m,61,4,广泛用于地形测量和工程测量的各种钢卷尺,50m长钢尺,20m钢尺,5m小钢尺,经典的测量工具目前仍有广泛用途,61,5,二. 直线

2、定线,目测定线,AB两点之间由于距离过长，需要在AB直线上用标杆 目测定出1、2两点,61,6,用经纬仪定线,长距离的直线精密定线得借助于 经纬仪望远镜十字丝的瞄准代替 目视瞄准,用经纬仪延长直线，如需要将AB直线延长至C。B点置经纬仪，盘左后视瞄准A点，制动照准部，倒镜前视得C 点；盘右后视瞄准A点，制动照准部，倒镜前视得C点。取CC的中点C，则A-B-C精确地位于一直线上,61,7,一) 平坦地面的丈量方法 例如从A量至B，由后尺手定向，先量整尺段， 最后量余长,二. 距离丈量,AB的平距：DAB = n 尺段长 + 余长,61,8,沿倾斜地面AB量得的为斜距 S，设两点间高差为h,则用下

3、式将其归算为平距 D,二）倾斜地面丈量方法,一般量距相对精度,往测距离返测距离 距离概值,1 3000,S,D,h,A,B,61,9,四) 钢尺长度检定,尺长方程式,钢尺两端分划之间的标准长度称为实际长度，末端分划 的注记长度称为名义长度。丈量时的地面温度对尺长也 有影响。经过钢尺长度检定，得到尺长方程式，用以计 算量得的实际长度,61,10,五.钢尺量距的长度改正,用钢尺沿倾斜地面量得的名义长度 D,长度改正,改正后长度,61,11,钢尺量距长度改正的计算数例,D= 234.943m, t = 32.4, h = 2.54m,尺长方程式,观测数据,长度改正值,改正后长度,61,12,视距测量

4、是利用测量望远镜中十字丝 平面的视距丝及视距尺，按光学原理， 间接测定距离的方法。 水平视线，上丝在视距尺上读数a, 下丝读数b，则水平距离D,4-3 视距测量,视距测量曾广泛 用于地形测量等, 目前已被测距仪 代替，但仍用于 水准测量中的前 后视距离测定,n为视距间隔,61,13,4-4 电磁波测距,两点间,测定电磁波往返传递的速度C和时间t,计算距离,一.电磁波测距的基本工作原理,测距仪按不同的 电磁波作为载波， 分为： 微波测距仪 红外光测距仪 激光测距仪,AB测程，A点安置测距仪， B点安置反射器,后二者又称光电测距仪,61,14,关于光速,光波在真空中的传播速度C0是一个重要的物理量

5、，近代 科学实验已精确测定：C0= ( 2997924581.2 ) m / s 。 光波在大气中的传播速度C为,n为大气折射率， 为光波波长，t、p为大气温度及气压,关于测定光波往返传播时间,光速近于300000 km / sec,地面两点间传播时间极短,直接测定时间几乎不可能。因此必须将光波用高频电振荡调制，用脉冲法或相位法间接测定两点间光波传播时间,61,15,关于测距时的大气温度和气压,大气的温度和气压影响其对光波的折射率，从而影响 光速和光电测距的计算,其影响与距离的长度成正比。 因此，长距离的 精密测距必须用 空盒气压计与通 风温度计，测定 观测当时的气温 和气压，加以改 正。一般

6、情况下 只需温度改正,通风温度计,空盒气压计,61,16,一）脉冲式测距,将发射光波的光强调制成高频光脉冲，再由时标振荡器 产生产生时标脉冲(周期T0)，二者都经过电子门；发射 脉冲光打开电子门，反射回来的脉冲光关闭电子门；在 开关门之间，时标脉冲计数器计数为m；则 mT0 为脉冲 光往返传播 时间 t ， 据 此可根据光 速计算距离,61,17,二）相位式测距,用高频电振荡(周期T )将发射光进行振幅调制,使光强随 电振荡而产生周期性的明暗(相位)变化；调制光在测程 上往返传播，同一瞬间仪器的发射光与接收光产生相位 差，据此可算出光波往返传播时间t,61,18,设光速为C,调制振荡频率为f,

7、振荡周期T=1 / f,则调制光的波长为,调制光在测程的往返传播时间t内，变化N个整周(NT)和 一个另数T，即 代入电磁波 测距基本公 式，得到,61,19,调制频率与光尺长度,由此可见,相位式光电测距和钢尺量距有一点相似之处： 相当于用一支长度为2 (半波长) 的“光波尺”来量距, N为“整尺段数”,( / 2 )( / 2 )为“余长”。 光源的波长g 在标准气象状态(t =15C , p=1013 mPa) 计算而得，因此,调制光的“光尺长度”，可由调制频率 确定: 调制频率(概值)与光尺长度(半波长,相位式测距基本公式,61,20,二.光电测距仪及反射器,开始时,光电测距仪为一架单独

8、的测量仪器；仪器小型化 后,可架设于经纬仪上方、成为测角和测距的联合体,目前，将测距仪中的光电发射和接收系统以及脉冲计、相位计等微电子元件和经纬仪的瞄准望远镜组装在一起，而成为同时可以测距和测角的电子全站仪，一般不再使用单独的测距仪,一）光电测距仪,61,21,二）反射器,反射器为测距仪的配套部件。反射器分为全反射棱镜和反射片两种，前者经常用于控制测量中长距离的精密测距；后者用于近距离的测距，例如地形测量和工程测量。 全反射棱镜（简称反射棱镜或反光镜）是用光学玻璃磨制成的四面体，如同正立方体上切下的一个角锥体， 能使入射光从原光路返回发射源,入射光,反射光,61,22,各种形式的反射器,适用于

9、长距离的三块 棱镜的组合(三棱镜,适用于中,短距 离的小型棱镜, 可手持或安装 于标杆头上,适用于近距 离细部测量 的反射片,61,23,三. 光电测距的长度改正,一）测距仪的乘常数和加常数改正,二）气象改正,乘常数改正数,加常数改正数,测距仪通过标准长度的检定，得到仪器的乘常数R 和 加常数C。乘常数改正与距离长度成正比，加常数与 长度无关,影响光速的大气折射率n是气温t、气压p的函数。气象 改正数与距离长度成正比,某测距仪的 气象改正系数,改正后长度,61,24,四. 光电测距的精度分析,一）光电测距的误差来源,1.调制频率误差,2.气象参数测定误差,根据,得到,调制频率的相对误差使距离测

10、量产生相同的相对误差,根据,得到,如果气温测定误差为1oC,或气压测定误差为4mPa, 使距离测量产生相对误差为1106,61,25,4.反射器常数误差,5.仪器和目标的对中误差,3.脉冲测定与相位测定的误差,相位式测距仪的相位测定误差,或脉冲式测距仪的脉冲测定误差影响距离测量的尾数，故与距离长短无关。误差的大小决定于仪器的精度和测距时的自然环境,例如天气的阴晴、大气的透明度、杂散光的干扰等,反射器应与测距仪配套，加常数各不相同，且在测距仪中可预置加常数自动改正。如果不配套、设置有误或 瞄准目标不准确，即会产生这种误差,测距仪测定仪器中心至目标标志中心的距离，如果仪器 或标志对中不正确，会影响

11、距离测量的精度,61,26,二）光电测距的精度指标,光电测距仪的“标称精度”是指测距仪本身引起的测距误差。仪器的测相误差、棱镜常数误差与测距的长短无关，称为“常误差”（或称固定误差），用“a”表示；而仪器的频率误差和正常大气状态下的气象因素误差则与测距的长度D成正比，称为“比例误差”，其比例系数用“b”表示。因此，测距仪的标称精度一般用下式表示： 在仪器说明书中，比例系数b一般以百万分率(ppm)表示。例如a=5mm，b=5mm/km，距离D的单位为千米(km)。例如各种测距仪和全站仪的测距标称精度有： (5 + 5106 D) mm (3 + 2106 D)mm (2 + 2106 D) m

12、m (1 + 1106 D)mm a、b的数值越小，则测距仪的精度级别越高,61,27,一. 近距离的平距和高差计算,B点的高程为,测得AB的倾斜距离S，A点高程HA，在测站A观测直角，则两点间点水平距离D和高差为,4-5 光电测距的归算,61,28,二. 远距离测量的高程归算,距离测量是在测区的地面上进行的，测站与目标离大地水准面都有一定的高度。测站A和目标B的平均高程是测距时视线的平均高程Hm,因此测得的水平距离是视线平均高程面上的距离D，需要将D归算至大地水准面上，其长度为D0，则,平距高程归算改正值,61,29,远距离三角高程测量受大气垂直折光影响,倾斜视线穿过密度逐步变稀的各层空气介

13、质，层面上的折射角 R 总是大于入射角 I，使视线成为一条向上凸的曲线。这种现象称为”大气垂直折光”，使视线的切线方向向上抬高，以致测得的垂直角和高差偏大，对于远距离的三角高程测量，需要进行改正,61,30,三.远距离的三角高程测量计算,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“球差改正”和“气差改正”(总称“两差改正”,球差改正： 气差改正,两差改正,一般情况取 k=0.14,61,31,三角高程测量两点距离较远时，应考虑加地球 曲率和大气折光影响的改正（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 验观测

14、精度； 用电子全站仪进行三角高程测量，能代替三、 四等水准测量,三角高程测量的一些特点,61,32,三角高程测量的计算数例,表4-5 光电测距的平距和高差计算(单位：m) 测距边 A B B C 测 站 A B B C 目 标 B A C B 斜距S 303.393 303.400 491.360 491.333 垂直角 +113249-113306 +64148 -64204 D=Scos 297.253 297.255 488.008 487.976 平均平距 297.254m 487.992m V=Ssin +60.730 -60.756 +57.299 -57.334 仪器高i 1.4

15、40 1.491 1.491 1.502 -目标高l -1.502 -1.400 -1.522 -1.441 两差改正f 0.006 0.006 0.016 0.016 h=V+il+f +60.674 -60.659 +57.284 -57.257 平均高差 +60.666m +57.270m,61,33,4-6 电子全站仪一.电子全站仪概述,电子全站仪是一种利用机械、光学、微电脑等元件组合而成、可以同时进行角度测量和距离测量、并可进行有关计算的高科技测量仪器。由于只要在测站上一次安置该仪器,便可以完成该测站上所有的测量工作,故称为“电子全站仪”,简称“全站仪”（Total Station

16、Instrument）。 起初的全站仪是将电子经纬仪和测距仪组装在一起，并可分离成两个独立的部分，称为积木式全站仪。后来改进为将光电测距仪的调制光发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合成分光同轴的整体式全站仪，并配置电子计算机的微处理机和系统软件，使具有将测量数据储存、计算、输入、输出等功能,61,34,全站仪的组合框图,61,35,地面测量仪器发展简史 全站仪诞生前,1980,1990,1990,1980,61,36,地面测量仪器发展简史 全站仪诞生,90年代起： 电脑型全站仪 特点：菜单操作，机载软件，可系统开发，与GNSS接收机联合,TC1610 1991 双轴补偿 菜单功能键操作,TP

17、S1000 1994 双轴补偿 软功能键操作(图标操作) 自动目标识别,TPS1100 1999 双轴补偿 软功能键操作(图标操作) 自动目标识别 免棱镜测距,TPS1200 2004 双轴补偿 软功能键+快捷键操作(图标操作) 自动目标识别 免棱镜测距 与GNSS联合作业,61,37,通过输入、输出设备，可以与计算机交互通讯，使测量数据直接进入计算机，据此进行计算和绘图；测量作业所需要的已知数据也可以从计算机输入全站仪。 一些全站仪将电荷耦合器件（CCDCharge Coupled Device）与传动马达相结合，使具有对目标棱镜的自动识别、跟踪和瞄准（ATR， Automatic Targ

18、et Recognition）功能；CCD还用于度盘读数、构成电子水准器等。 一些全站仪将全球定位系统(GNSS)接收机与之结合，以解决仪器自由设站的定位问题。全站仪的这些功能不仅使测量的外业工作高效化，而且可以实现整个测量作业的高度自动化。电子全站仪已广泛用于控制测量、地形测量、施工放样等方面的测量工作,全站仪功能的逐步改进,61,38,全站仪的发展趋势 仪器作业进一步自动化,仪器对中自动化 基座安平自动化 仪高量取自动化,对目标自动跟踪和瞄准,目标中心位置,十字丝中心位置,搜索 跟踪 照准,61,39,苏光810系列全站仪,特点：彩色触摸屏,可实时成图, WINCE5.0操作系统,64M存

19、储器,测角精度2 测距精度(22D10-6)mm,61,40,SET-230R 全站仪,操作面板,61,41,TCA2003全站仪,操作面板,高精度多功能 测角精度0.5 测距精度(1+D106)mm,61,42,二.全站仪的特殊部件与功能,将瞄准用的物镜、目镜、调焦透镜与红外测距、激光测距的发射和接收安装在同一光学系统中，成为多功能的同轴望远镜,61,43,二）显示屏和键盘,操作面板包括控制按键、数码(字母和数字)按键和较大的显示屏，显示屏包含软键(功能键)以及触摸功能；显示屏还可以分页，可展示主菜单和若干级子菜单；显示屏还可以显示图形，例如野外实时显示所测地形图的局部图形，便于检查和修测或

20、补测,三）传感器,全站仪中的传感器包括：度盘读数传感器,纵轴倾斜传感器,目标搜索传感器等。利用发光二极管或外来光线及CCD(电荷耦合器件)阵列,61,44,1.度盘读数传感器,较先进的全站仪用条码度盘和CCD传感器读数，发光 管发光透过度盘编码，由一组线性CCD阵列读数。一 般在度盘对径设置 一对线性CCD传感 器，以消除度盘偏 心误差,度盘条码,条码度盘,发光二极管,线性CCD阵列,反光棱镜,61,45,2.纵轴倾斜传感器,仪器的纵轴倾斜影响 视准轴的瞄准、水平 度盘和垂直度盘的读 数。对此，全站仪设 置“双轴倾斜补偿器” 双轴指视准轴在水平 面上投影和横轴方向。 传感器通过屏幕显示 该两方

21、向的倾角和水准气泡。据此可用脚螺旋精确置平 仪器，而遗留的双轴 倾斜则传感器按其倾 角计算改正值，自动 显示改正后的度盘读 数,61,46,四）存储器,五）通讯接口 全站仪的存储数据可以通过RS232C串行接口或USB接口与 计算机双向通讯。一些全站仪有无线电收发装置或蓝牙 通讯装置与外围设备(如遥控器等)双向通信,存储器分为机内存储器和存储卡。前者相当于计算机的 硬盘和内存，后者相当于优盘。全站仪有相当大的存储量，例如苏光RTS810全站仪有64MB(RAM)和32MB(ROM)。 可以记录数天的野外观测，数千个细部点的距离角度观测值和计算的坐标数据,61,47,六）360棱镜与镜站遥控系统

22、,360棱镜使多台全站仪可以同时 瞄准一点，也可使立于细部点的棱镜 (镜站)可忽略棱镜的方向。 镜站遥控器可以由镜站指挥全站仪 (要有目标自动跟踪功能)的操作，实 现无人测站，因为细部点的选择主要 由镜站人员决定,360 棱镜,镜站遥控器 发射和接收 装置,61,48,镜站遥控全站仪进行细部测量,360棱镜 和发射接收 装置,全站仪,镜站遥控器,61,49,三.全站仪的功能和使用,全站仪的功能比较全面，几乎包括地面测量的所有工作，例如各种地面控制测量（导线测量、交会定点、三角高程测量）、地形测量的数据采集、工程测量的施工放样和变形观测等。经常使用的为：角度测量、距离测量、极坐标法坐标测量。 以

23、下介绍SET230R全站仪的功能和使用,61,50,一）SET230R全站仪的功能及使用,1.观测前的准备工作 2.角度测量 3.距离测量 4.三维坐标测量,仪器技术指标： 测角精度2 测距精度(激光测距) 用棱镜(2+210-6D)mm 免棱镜(3+210-6D)mm 气象改正,输入气温、气压 内存容量约10000个细部点,61,51,1.显示屏；2.软键；3.回车键（输入键）；4.电源开关,5.退回或取消键,8.大小字母转换键；9.照明键；10.功能转换键,7.光标移动键,6.删除键,SET230R操作面板,61,52,SET230R功能菜单框图,61,53,在操作面板上按ON键打开电源，仪器进行自检， 屏幕显示测量模式（图(a),如果此时仪器置平未达到要求,则度盘读数行显示“超出”警告（图(b)），应根据水准管气泡重新整平仪器,61,54,SET230R的角度测量,仪器安置在测站S,瞄准左目标L,按0SET功能键,使水平度盘读数(HAR)为0,天顶距读数(ZA)为884536；转动照准部瞄准右目标R,水平度盘读数即为水平角,天顶距读数为912418,61,55,SET230R的距离和角度测量,距离测量之前，应设置测距参数：在“测量模式”屏幕按“改正”功能键，显示EDM屏幕(下图)，设置测