测绘仪器的变革及发展

1、测绘仪器的变革与发展*测距工具与仪器的变革测距工具与仪器的变革 古代的测距工具 中国史记夏本纪中已有大禹使用“准准、绳绳、规规、矩矩”测定远近和高低的记载 公元前3世纪，亚历山大学者埃拉托色尼利用骆驼商队的行程估算距离 古代的测距工具主要有测绳测绳、步弓、测步器、步弓、测步器、测链测链、竹尺、木杆尺竹尺、木杆尺等 公元400年，中国战国时发明记里鼓车记里鼓车，用以测量距离 传统的带（线）状测距工具 公元17世纪，欧洲一些国家采用4m的木杆木杆尺尺或金属杆尺金属杆尺，在弧度测量中，进行距离丈量 公元1880年，瑞典的耶德林采用悬挂的线状悬挂的线状金属尺金属尺代替木杆尺进行较精密的距离测量 公元1

2、903年，出现因瓦基线尺因瓦基线尺，用于精密距离测量，精度可达1/1 000 000 目前，在中等精度距离测量中，采用测量专测量专用的钢卷尺用的钢卷尺作为量尺，精度可达1/1 0001/2 000；在低精度距离测量中，采用测绳测绳、皮皮卷尺卷尺和普通钢卷尺普通钢卷尺作为量尺 量取仪器高和目标点高的量尺通常是小钢卷小钢卷尺尺；目前，已出现专用的量高杆量高杆或短程激光短程激光测距装置测距装置，用于精密量高 视距测量仪器 公元1680年，意大利的制成附有视距丝视距丝的望远镜，后来将其安装在光学测量仪器上，光学测量仪器具有测距功能，用于进行普通视距测量，其精度可达1/2001/300 在电磁波测距仪出

3、现以前，为提高视距测量精度，出现了原理不同、形式各异的精密测精密测距仪距仪 斜丝视距仪斜丝视距仪 用“重合后测微”代替“直接读数”，以提高读取尺间隔的精度 将视距尺由通常的竖直安置改为水平安置 测距精度可达1/4 000 斜丝视距仪原理图 普通双像视距仪普通双像视距仪 在物镜前安置光楔，使视距尺在望远镜视场构成双像，以此双像错动的距离作为尺间隔，再加上测微装置以提高读取尺间隔的精度 将视距尺由通常的竖直安置改为水平安置 测距精度可达1/3 000；最大测程可达174m 对数双像视距仪对数双像视距仪 将普通双像视距仪的视距尺用对数视距尺代替 对数视距尺是将视距尺分划由通常按尺间隔的均匀刻绘改为按

4、分划值的对数差为常数进行刻绘，以克服均匀尺间隔在望远镜中的的成像会因距离增加而变小的缺点，从而提高读取视距尺的精度 测距精度可达1/2 0001/3 000；最大测程可达600m普通双像视距仪原理图对数双像视距仪原理图kkLtLLLtLbLLbiibiiiibiii101)101(10lglglg111 贝林青型视距仪贝林青型视距仪 属于定基线视距仪，即按照视差法测距原理设计而成。通过高精度测取视差角，以达到较精确地测定接近1km的距离 视距尺为基线横尺，长度为1m或2m 测距的主要部件是安置在望远镜物镜前的两块同半径透镜。当该两块透镜位于中央而合成一个整透镜时，望远镜只有一个视准轴；当用测微

5、螺旋使两半块透镜错开时，视准轴也被分成两个。当两视准轴分别照准基线横尺两端的标志时，其夹角即为与基线横尺长相应的视差角。该视差角的角值可用两半个透镜的移动量来度量，而在测微显微镜中读取。然后利用视差角值和基线长度，根据定基线视距测量公式即可计算出测站点距立尺点的距离 测距精度可达1/3 0001/4 000；最大测程可达1 000m贝林青型视距仪原理图klKnKnklSnkctgctglS 其中：, 在无标尺电磁波测距仪出现以前，为满足不要配合目标而进行光学测距的需要，出现了原理不同、形式各异的无标尺测距仪无标尺测距仪 定基线无标尺测距仪定基线无标尺测距仪 按照定基线视距测量（即视差法测距）原

6、理设计而成 测距装置主要由被安装在固定基线两端的两个特殊平面反光镜组成。其中一个平面反光镜是一半透明、一半反光且被固定安置成与基线形成45；另一端的平面反光镜可以绕端点轴旋转。来自目标点的光线，一部分直接进入望远镜，一部分经过两个平面反光镜的反射而进入望远镜，从而在望远镜中呈现目标点的两个相互倒立的影象。当旋转平面反光镜使两个影象完全吻合时，旋转角值恰等于基线对应的视差角的一半。因此，基线对应的视差角可用平面反光镜的旋转角来度量。然后利用视差角值和基线长度，根据定基线视距测量公式即可计算出测站点距目标点的距离 视差角的测角精度为2，测程为10m500m，相应的测距精度为1/2001/100定基

7、线无标尺测距仪原理图2ctgbS 定角无标尺测距仪定角无标尺测距仪 按照定角视距测量原理设计而成 测距装置主要由一个固定的五角棱镜和另一个可移动的、由楔镜与五角棱镜组成的棱镜组构成。来自目标点的光线，一部分经过固定五角棱镜进入望远镜，一部分经过可移动棱镜组而进入望远镜，从而在望远镜中呈现目标点的两个相互倒立的影象。当沿基线移动棱镜组使两个影象完全吻合时，其移动量即为基线长。然后利用已知的固定的视差角值和基线长度，根据定基线视距测量公式即可计算出测站点距目标点的距离 基线的测距精度为0.1mm，测程为10m500m，相应的测距精度为1/2001/100定角无标尺测距仪原理图 在计算器出现以前，为

8、避免视距测量的烦琐计算，设计出了原理不同、形式各异的直接读取平距的测距仪 双像自动归算速测仪双像自动归算速测仪 按照变角变基线视距测量原理设计制造而成，属于自动归算速测仪，配合双像视距尺可以直接读取水平距离 与普通双像视距仪不同之处就在于望远镜物镜前的楔镜不同：前者的楔镜为单个固定楔镜，而后者为可相对旋转的一对透镜组。该透镜组随望远镜纵转而相对旋转，从而使从双像读取的倾斜尺间隔变为水平尺间隔，以达到直接读取水平距离的目的 测距精度可达1/3 000双像自动归算速测仪原理图coscos2cosbcabsodbcabods 哈默视距仪哈默视距仪 按照变角变基线视距测量原理设计制造而成，属于图解速测

9、仪，可以配合普通水准尺直接读取水平距离和高差 它是将视距丝刻画在竖直度盘上，其间隔按尺间隔随高度角而变化的规律刻画成水平距离曲线和高差曲线。当望远镜纵转时，呈现在望远镜视场内的水平距离曲线和高差曲线将与高度角相对应，以达到直接读取水平距离和高差的目的 它的测距精度和高差精度都很低，仅能满足碎部测图的要求哈默视距仪原理图lKhlKsKpfbffkKpfbffklkhlkshshs2sin2)(sincos)(cos2sincos22122122212212 电磁波测距仪电磁波测距仪 光电测距仪光电测距仪 光电测距仪的载波和类型 以光波为载波 因光源和电子部件的改进它又发展成为激光测距仪和红外测距

10、仪。 根据测距方式不同，光电测距仪又有相位式测距仪和脉冲式测距仪之分 早期的光电测距仪 公元1933年，苏联的特洛飞姆提出光电测距理论 公元1943年，瑞典的贝里斯特兰德提出用高频光讯号法测定距离的原理，并与1948年生产出第一台光电测距仪 早期的光电测距仪采用电子管线路，以白炽灯或高压水银灯作为光源，体积大、测程短，且只能在夜间观测 激光测距仪激光测距仪 公元60年代末，出现了以氦氖激光器作为光源、采用晶体管线路的激光测距仪。其主机重量约20kg，测程可达60km，且可日夜观测，测距精度约为（5mm+1ppm） 公元70年代，出现了通过双载波测距、自动改正大气折光影响的激光测距仪，测距精度又

11、有了进一步提高 公元1979年，美国制成3波长测距仪，使测距精度达到了0.1ppm 红外测距仪红外测距仪 公元60年代中期，出现了以砷化钾管作为光源的红外测距仪。它的优点是体积小，发光效率高。更由于微机和大规模集成电路的应用，再与电子经纬仪结合，就形成全站仪 目前，红外测距仪的型号很多，测程一般可达5km或更长，测距精度为（15mm+0.53ppm） 脉冲式测距仪脉冲式测距仪 通常利用固体激光器（如红宝石激光器）作为光源，它能发出高功率的单脉冲的光。因此，此类测距仪可以不用合作目标（如反射棱镜），而直接利用被测目标对脉冲激光产生的漫反射进行测距 通常情况下，由于受到脉冲宽度和电子计数器时间分辨

12、率的限制，脉冲式测距仪直接测量的时间只能达到10-8s，其相应的测距精度约为1m5m 目前，有的脉冲式测距仪，由于采用了电容充电技术（TAC）而使其精度可达到cm级或mm级 微波测距仪微波测距仪 微波测距仪采用cm级微波作为载波。由于采用微波作为载波，使得对几何通视条件和大气透明度要求很低。因此，在有烟、云、雾、小雨、小雪的气候条件下，仍能进行工作。相反，也正是采用了微波作为载波，其波束较宽，因而地面漫反射影响和折射率受大气湿度的影响远较光波大，从而降低了测距精度 1954年由南非开始研制，1956年生产出第一台微波测距仪，在良好的条件下，其测程可达66km80km 早期的微波测距仪为了测定相

13、位差，使发射的调制波在阴极射线管上产生一个圆形扫描；返回信号则变成脉冲，它使圆形扫描产生一个缺口，其位置表示发射信号与返回信号的相位差。以后改用移相平衡原理测定相位差 从公元1956年到70年代中期，微波测距仪有了重大改进，经历了电子管、晶体管和集成电路3个阶段，重量减轻，体积缩小，耗电量下降，并提高载波频率以缩小波束角，使测距读数更为精确，并使测程达到100km 近年来，出现了mm级载波的微波测距仪，其地面反射误差明显减小，提高了测距精度*测角工具和仪器的变革测角工具和仪器的变革 古代的测角类工具和仪器 古代的测角类工具 公元前21世纪，中国大禹就开始用规规、矩矩测定方向和高低 公元前3世纪

14、，中国利用磁石指级性制成了指南仪器司南司南，用来测定方向；亚历山大的埃拉托色尼用“立杆测影”的方法测定太阳的高度角 公元724年，中国唐朝僧一行用“覆矩覆矩”测定天体的高度角，用 “立杆测影”的方法测定纬度 古代的测角类仪器 公元1276年，中国元朝郭守敬创制立运仪立运仪，与近代的地平经纬仪相似，被用于测定天体的高度角和方位 公元1730年，美国哥德弗莱和英国哈德利创制六六分仪分仪，用于进行海上天文定位测量 经纬仪经纬仪 经纬仪的雏形 公元15世纪，测角仪器才逐渐发展成为具有两个度盘、并有瞄准装置、以及将水平度盘旋转轴安置成竖直状态的仪器 公元1608年，荷兰眼镜匠汉斯发明了望远镜后，1667

15、年法国人首次将望远镜安置在全圆分划器上进行测角 公元1680年，意大利人制成附有视距丝的望远镜，并被用在测角仪器上，为制成完善的经纬仪奠定基础 罗盘仪罗盘仪 公元1075年，宋朝沈括就将罗盘用于地形测量 袖珍罗盘仪袖珍罗盘仪主要用于粗略定向作业 测量专用罗盘仪测量专用罗盘仪用于标定直线的磁方位角 游标经纬仪游标经纬仪 公元1714年，由康熙亲自监制了一台铜质经纬仪 公元1730年，英国机械师西森研制成功较为完善的经纬仪，故文献多称经纬仪是西森发明的 公元1783年，英国制成了度盘直径90cm、重91kg的经纬仪，用四轮弹簧马车运输，至此，金属度盘的游标经纬仪的基本结构已经定型 光学经纬仪光学经

16、纬仪 公元17世纪，丹麦天文学家奥拉夫鲁默尔将测微器和显微镜安置在经纬仪上，大大提高了读数精度 公元1858年，意大利工程师波尔勒发明内对光望远镜，但未能马上被推广应用。直至1892年减发射涂层的发明才使内对光望远镜逐步得到广泛应用 测微读数装置和内对光望远镜在经纬仪上的应用，为光学经纬仪的诞生奠定了基础 公元1846年，德国蔡司光学仪器厂创建，并于1904年开始生产玻璃度盘经纬仪 公元1920年，德国蔡司光学仪器厂当时的总工程师威特等人研制成功第一台光学经纬仪，并定名为T1型。 公元1923年，德国蔡司光学仪器厂生产出双线刻划度盘光学经纬仪，并定名为T2型 公元1956年，德国的阿斯卡尼亚厂

17、首次根据自动安平原理制成自动归零补偿器。至此，廓定了现代光学经纬仪的基本结构 近年来，光学经纬仪在整体上正向序列化、通用化和标准化的方向发展。正像望远镜、竖盘指标自动归零装置已在中低等精度经纬仪上使用；在J6级经纬仪中，带尺读数已逐步取代测微器读数；J2级经纬仪则将传统的符合读数与测微读数相结合，改进为部分数字化读数；快慢调焦机构、精粗配置度盘机构、以及双色视场等，均使操作更加方便 电子经纬仪电子经纬仪 公元60年代开始出现电子经纬仪 开始出现的电子经纬仪是采用编码度盘和机械测微制成的。其精度低，体积大。后来，将电子测微技术应用于电子经纬仪，使精度获得很大提高，体积明显缩小 公元70年代出现了

18、采用栅格度盘和电子测微的电子经纬仪 公元80年代将动态测角技术应用到电子经纬仪上，克服了度盘刻划误差影响的困扰，使测角精度进一步提高 其它形式和用途的经纬仪 视距经纬仪视距经纬仪 附加有专用光学测距装置的经纬仪 如：普通双像视距经纬仪、对数双像视距经纬仪、自动归算双像速测仪等 罗盘经纬仪罗盘经纬仪 设置有安置磁针的装置，利用磁针直线的磁方位角 陀螺经纬仪陀螺经纬仪 专门用于测定直线的真方位角 激光经纬仪激光经纬仪 利用激光形成的可见视准轴，能进行导向、定位、准直测量 摄影经纬仪摄影经纬仪 带有地面摄影装置，能进行地面摄影工作 古代的水准测量工具水准测量工具 公元前21世纪，中国大禹就利用矩尺配

19、合垂球矩尺配合垂球高低 公元10世纪后期，出现了水准器水准器 公元11世纪70年代，中国宋朝沈括创立了用分层分层筑堰法筑堰法进行水准测量，利用水平尺水平尺在地形测量中测定地面高低 古代进行水准测量的工具还有连通器连通器、水鸭子水鸭子等*水准测量工具和仪器的变革水准测量工具和仪器的变革 水准仪水准仪 活镜水准仪活镜水准仪 公元17世纪中叶，在出现和水准器和发明了望远镜的基础上，出现了水准仪 老式的水准仪是活镜水准仪活镜水准仪 定镜水准仪定镜水准仪 公元18世纪左右，为克服活镜水准仪使用不灵活的缺点，出现了定镜水准仪定镜水准仪 微倾水准仪微倾水准仪 公元20世纪初，在制造出内对光望远镜和符合水符合

20、水准器准器的基础上，制造出了微倾水准仪微倾水准仪 公元20世纪中叶，在制造出因瓦水准尺因瓦水准尺的基础上，制造出了精密水准仪精密水准仪 自动安平水准仪自动安平水准仪 公元1950年，德国蔡司光学仪器厂生产出了第一台自动安平水准仪自动安平水准仪 激光水准仪激光水准仪 公元20世纪60年代，研制出了激光水准仪激光水准仪 电子水准仪电子水准仪 公元20世纪90年代，在研制出条形码水准尺条形码水准尺的基础上，研制出了电子水准仪电子水准仪*地面测量系统地面测量系统 经纬仪和电磁波测距仪组合系统经纬仪和电磁波测距仪组合系统 简单型组合系统简单型组合系统 在一般的经纬仪的支架上，借助于专门的连接装置安置电磁

21、波测距仪而组成 智能型组合系统智能型组合系统 在简单型组合系统基础上，再附加上小型的、带固定存储器的计算机而组成。该组合系统的经纬仪可以是一般的经纬仪，也可以是电子经纬仪 全站仪全站仪 普通全站仪普通全站仪 具有测量水平角、竖直角、距离等基本全站仪的功能，并能进行水平距离、高差、高程、点的坐标的计算 测角精度为2 5，测距精度为（35mm+35ppm） 精密全站仪精密全站仪 具有倾斜传感器倾斜传感器，能自动进行横轴误差、竖轴误差、视准轴误差的改正 具有动态测角动态测角装置，能克服度盘刻划不均匀误差的影响 测角精度为0.51，测距精度为（15mm+12ppm） 自动寻标全站仪自动寻标全站仪 具有

22、倾斜传感器倾斜传感器，能自动进行横轴误差、竖轴误差、视准轴误差的改正 具有动态测角动态测角装置，能克服度盘刻划不均匀误差的影响 具有自动寻标自动寻标功能 具有双伺服电机，能进行全自动化观测 典型仪器 Leica TCA2003 新的地面测量仪器，由点测量向面测量发展，3D激光扫描仪。*空间测量系统空间测量系统 卫星测量系统卫星测量系统 人卫激光测距仪人卫激光测距仪 公元1957年，人造地球卫星上天，从此开始了卫星大地测量和卫星定位测量 公元1965年，美国哥达德空间飞行中心首次进行人卫激光测距 第一代人卫激光测距仪用目视跟踪观测，测距精度为2m 第二代人卫激光测距仪为自动跟踪观测，测距精度为dm级 第三代人卫激光测距仪测距精度可达到cm级 卫星多普勒定位系统（卫星多普勒定位系统（NNSS） 公元1957年，美国制成第一台卫星多普勒接收机 公元70年代后期，世界各国广泛进行卫星多普勒定位 卫星多普勒定位的单点定位精度为3m5m，最高可达1m；相对定位精度可达1m 全球定位系统（全球定位系统（NAVSTAR GPS、GLONASS） 公元1973年，美国国防部批准建立全球定位系统全球定位系统（GPS），），公元1974年，美国开始研制GPS，公元1978年2月22日第一颗GPS卫星上天，公元1993年12月8日美国国防部正式宣布GPS已达到“初始运作能