土木工程测量讲义4距离测量

第四章

距离测量与全站仪1《测量学》61§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—

磁波物理测距测距工具：直接量距—木尺、织物卷尺、钢卷尺、钢线尺光学测距—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

261§4-2卷尺量距一、钢卷尺和丈量工具3卷于尺盒内或尺架上的钢卷尺尺头及尺上分划尺长20m、30m、50m61尺上具有毫米分划、厘米和米的数字注记尺盒尺架广泛用于地形测量

和工程测量的各种钢卷尺450m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61二、直线定线5用标杆进行目测定线：

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由甲按照AB方向指挥乙将标杆插在方向线上

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标杆或测钎，代替目视瞄准。6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C′C″的中点C，则A-B-C精确地位于一直线上。61称为延长直线的经纬仪正倒镜分中法(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。7三、距离丈量AB的平距：DAB

=

n

×尺段长+余长61

n—整尺段数

lo—尺段长Δl—余长

沿倾斜地面AB量得的为斜距S，设两点间高差为h,则用下式将其归算为平距D：8（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<

13000SDhAB61四、钢尺长度检定尺长方程式：9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′：10D'hD长度改正：改正后长度：61钢尺量距长度度改正的计算算数例11D´=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:6112视距测量是利利用测量望远远镜中十字丝平面的视距距丝及视距尺尺，按光学原原理，间接测定距离离的方法。§4-3视距测量视距测量曾广泛用于地形形测量等,目前已被测距仪代替，，但仍用于水准测测量中的前后视距距离测定。（n为视距间隔））61视距丝水平视线，上上丝在视距尺尺上读数a,下丝读数b，则水平距离离D：视距尺§4-4电磁波测距两点间,测定电磁波往往返传递的速速度C和时间t,计算距离:13一、电磁波测测距的基本工工作原理测距仪按不同同的电磁波作为载载波，分为：微波测距仪红外光测距仪仪激光测距仪AB测程，A点安置测距仪仪，B点安置反射器器，测定AB之间的斜距S。后二者又称光电测距仪61关于光速光波在真空中中的传播速度度C0是一个重要的的物理量，近近代科学实验已精精确测定：C0=(299792458±1.2)m/s。光波在大气中中的传播速度度C为：14n为大气折射率率，为光光波波长，t、p为大气温度及及气压。关于测定光波波往返传播时时间光速近于300000km/s,地面两点间传传播时间极短短,直接测定时间间几乎不可能能。因此必须须将光波用高高频电振荡调调制，用脉冲法法或相位法法间接测测定两两点间间光波波传播播时间间。61关于测测距时时的大大气温温度和和气压压15大气的的温度度和气气压影影响其其对光光波的的折射射率，，从而影影响光光速和和光电电测距距的计计算，，其影影响与与距离离的长度度成正正比。。通风温温度计计空盒气气压计计61因此，，长距距离的的精密密测距距必须须用空空盒气气压计计与通通风温温度计计，测测定观观测当当时的的气温温和气气压，，加以以改正正。（一））脉冲冲式测测距16将发射射光波波的光光强调调制成成高频频光脉脉冲，，再由由时标标振荡荡器产生产产生时时标脉脉冲(周期T0)，二者者都经经过电电子门门；61脉冲光光发射射脉冲光光接收收电子门门脉冲计计数器器距离计计算及及显示示关门开门发射脉冲光光打开开电子子门，，反射射回来来的脉脉冲光光关闭闭电子子门；；在开关门门之间间,时标脉脉冲计计数器器计数数为m；则mT0为脉冲冲光往往返传传播时时间t,据此可可根据据光速速计算算距离离：（二））相位式式测距距17用高频频电振振荡(周期T)将发射射光进进行振振幅调调制,使光强强随电振荡荡而产产生周周期性性的明明暗(相位φ)变化；；61高频调调制器器产生调调制光光调制光光波发发射与与接收收调制光光波明明暗相相位变变化高频发发生器器调制光光在测测程上往返返传播播，同同一瞬瞬间仪仪器的的发射射光与与接收收光产产生相相位差Δφ，据此此可算算出光光波往往返传传播时时间t。设光速速为C,调制振振荡频频率为为f,振荡周周期T=1/f,则调制制光的波长长为：：18调制光光在测测程的的往返返传播播时间间t内,变化N个整周周(NT)和一个个另数数ΔT，即:61因此,光速可可表示示为：：代入电电磁波波测距距基本本公式式:测站反射棱棱镜得到相位式式测距距的基基本公公式：调制频频率与与光尺尺长度度由此可可见,相位式式光电电测距距和钢钢尺量量距有有一点点相似似之处处：：相相当当于于用用一一支支长长度度为为λ／2(半波波长长)的““光光波波尺尺””量距距,N为““整整尺尺段段数数””,(λ/2)××(Δφφ/2π)为““余余长长””19相位位式式测测距距基基本本公公式式：：调制频率f

30

MHz

15

MHz

7.5

MHz1.5

MHz150

kHz光尺长度λ／2

5

m

10

m

20

m

100

m

1000

m61光源源的的波波长长λg在标标准准气气象象状状态态(t=15°C,p=1013mPa)计算算而而得得，，因因此此,调制制光光的的““光光尺尺长长度度””，，可可由由调调制制频频率率确定定。。调制制频频率率(概值值)与光光尺尺长长度度(半波波长长)的关关系系：：调值值频频率率与与光光尺尺长长度度的的近近似似值值关关系系20二、、光光电电测测距距仪仪及及反反射射器器开始始时时,光电电测测距距仪仪为一一架架单单独独的的测测量量仪仪器器；；仪仪器器小小型型化化后,可架架设设于于经经纬纬仪仪上上方方、、成成为为测测角角和和测测距距的的联联合合体体。。目前，将将测距仪仪中的光光电发射射和接收收系统以以及脉冲冲计、相相位计等等微电子子元件和和经纬仪仪的瞄准准望远镜镜组装在在一起，，而成为为同时可可以测距距和测角角的电子全站站仪，一般不不再使用用单独的的测距仪仪。（一）光光电测距距仪61全站仪21（二）反反射器反射器为为测距仪仪的配套套部件。。反射器器分为全全反射棱棱镜和反反射片两两种，前前者经常常用于控控制测量量中长距距离的精精密测距距；后者者用于近近距离的的测距，，例如地地形测量量和工程程测量。。61入射光反射光全反射棱棱镜（简简称反射射棱镜或或反光镜镜）是用用光学玻玻璃磨制制成的四四面体，，如同正正立方体体上切下下的一个个角锥体体，能使使入射光光从原光光路返回回发射源源。安装于基基座上的的反射棱镜镜，与瞄瞄准觇牌牌配套。。22各种形式式的反射射器适用于长长距离的的三块棱镜的组组合(三棱镜)适用于中中,短距离的小型型棱镜,可手持或或安装于标杆头头上。适用于近近距离细部测测量的反射片片6123三、光电电测距的的长度改改正（一）测测距仪的的乘常数数和加常常数改正正（二）气气象改正正乘常数改改正数：：加常数改改正数：：测距仪通通过标准准长度的的检定，，得到仪仪器的乘乘常数R和加常数C。乘常数改改正与距离离长度成正正比，加常常数与长度无关。。影响光速的的大气折射射率n是气温t、气压p的函数。气象改正数数与距离长长度成正比比：某测距仪的的气象改正系系数改正后长度度：6124四、光电测测距的精度度分析（一）光电电测距的误误差来源1.调制频率误误差2.气象参数测测定误差根据得到：调制频率的的相对误差差使距离测测量产生相相同的相对对误差根据得到：如果气温测测定误差为为±1oC,或气压测定定误差为±4MPa,使距离测量量产生相对对误差为±1×10－661254.反射器常数数误差5.仪器和目标标的对中误误差3.脉冲测定与与相位测定定的误差相位式测距距仪的相位位测定误差差,或脉冲式测测距仪的脉脉冲测定误误差影响距距离测量的的尾数，故故与距离长长短无关。。误差的大大小决定于于仪器的精精度和测距距时的自然然环境,例如天气的的阴晴、大大气的透明明度、杂散散光的干扰扰等。反射器应与与测距仪配配套，加常常数各不相相同，且在在测距仪中中可预置加加常数自动动改正。如如果不配套套、设置有有误或瞄准目标不不准确，即即会产生这这种误差。。测距仪测定定仪器中心心至目标标标志中心的的距离，如如果仪器或标志对中中不正确，，会影响距距离测量的的精度。6126（二）光电电测距的精精度指标光电测距仪仪的“标称精度”是指测距距仪本身引引起的测距距误差。仪仪器的测相相误差、棱棱镜常数误误差与测距距的长短无无关，称为为“常误差”（或称固固定误差）），用“a”表示；而而仪器的频频率误差和和正常大气气状态下的的气象因素素误差则与与测距的长长度D成正比，称称为“比例误差”，其比例例系数用““b”表示。因因此，测距距仪的标称称精度一般般用下式表表示：61在仪器说明明书中，比比例系数b一般般以以百百万万分分率率(ppm)表示示。。例例如如a=5mm，b=5mm/km，距距离离D的单单位位为为千千米米(km)。例例如如各各种种测测距距仪仪和和全全站站仪仪的的测测距距标标称称精精度度有有：：±(5+5××10－6D)mm,±(3+2××10－6D

±(2+2×10－6

D)

mm

,

±(1+1×10－6

D)mma、b的数数值值越越小小，，则则测测距距仪仪的的精精度度级级别别越越高高。。27一、、近近距距离离的的平平距距和和高高差差计计算算B点的的高高程程为为：：测得AB的倾斜距离S（≦300m），A点高程HA，在测站A观测直角,则两点间平距距D、垂距V和高差hAB为：§4-5光电测距的归归算61i为仪器高,l为目标高DVShAB28二、远距离测测量的高程归归算（D﹥300m）距离测量是在在测区的地面面上进行的，，测站与目标标离大地水准准面都有一定定的高度。测测站A和目标B的平均高程是是测距时视线线的平均高程程Hm,高程归算改正正值：61因此测得的水水平距离是视视线平均高程程面上的距离离D,需要将D归算至大地水水准面上，其其长度为D0，则大地水准面hm29远距离三角高高程测量受大大气垂直折光光影响倾斜视线穿过过密度逐步变变稀的各层空空气介质，层层面上的折射射角R总是大于入射射角I，使视线成为为一条向上凸凸的曲线。61这种现象称为为”大气垂直折光光”，使视线的的切线方向向向上抬高，以以致测得的垂垂直角和高差差偏大，对于于远距离的三三角高程测量量，需要进行行改正。CC′30三、远距离的的三角高程测测量计算距离较远时,考虑地球曲率率差和大气折折光差对高差差的影响,应对观测得到到的高差加““球差改正””和“气差改改正”(总称“两差改正”)：球差改正：两差改正：（折光系数k=0.14）

D（m)

100

200

500

1000

f

(mm)

1

3

17

6761f1f2气差改正：31三角高程测量量两点距离较较远时，应考考虑加地球曲率和和大气气折光光影响响的改改正（（两差差改正正）；；两点点间对对向观观测高高差取取平均均，能能抵消消两差差影响响；三角角高程程测量量通常常组成成附合合或闭闭合路路线，，以检检验观测测精度度；用电子子全站站仪进进行三三角高高程测测量，，能代代替三三、四等水水准测测量。。三角高高程测测量的的一些些特点点：61三角高高程测测量的的计算算数例例（对向向观测测）32表4-5光电测测距的的平距距和高高差计计算(单位：：m)测距边边ABBC测站ABBC目标BACB斜距S303.393303.400491.360491.333垂直角角α+11°32′′49″-11°33′′06″+6°°41′48″″-6°°42′04″″D=S﹒cosα297.253297.255488.008487.976平均平平距297.254m487.992mV=S﹒sinα+60.730-60.756+57.299-57.334仪器高高i1.4401.4911.4911.502-目标高高l-1.502-1.400-1.522-1.441两差改改正f0.0060.0060.0160.016h=V+i－l+f+60.674-60.659+57.284-57.257平均高差差+60.666m+57.270m

61§4-6电子全站站仪一、电子子全站仪仪概述33电子全站站仪是一一种利用用机械、、光学、、微电脑脑等元件件组合而而成、可可以同时时进行角角度测量量和距离离测量、、并可进进行有关关计算的的高科技技测量仪仪器。由由于只要要在测站站上一次次安置该该仪器,便可以完完成该测测站上所所有的测测量工作作,故称为““电子全全站仪””,简称“全全站仪””（TotalStationInstrument）。起初的全全站仪是是将电子子经纬仪仪和测距距仪组装装在一起起，并可可分离成成两个独独立的部部分，称称为积木木式全站站仪。后后来改进进为将光光电测距距仪的调调制光发发射接收收系统的的光轴和和经纬仪仪的视准准轴组合合成分光光同轴的的整体式式全站仪仪，并配配置电子子计算机机的微处处理机和和系统软软件，使使具有将将测量数数据储存存、计算算、输入入、输出出等功能能。6134全站仪的的组合框框图6135地面测量量仪器发发展简史史－全站仪诞诞生前1952197019211973测距仪器：测角仪器：（经纬仪）1978198019901990198061（由独立立测距仪仪到附加加于经纬纬仪之上上）36地面测量量仪器发发展简史史－全全站仪诞诞生90年代起：：电电脑型全全站仪特特点点：菜单单操作，，机机载软软件，可可系统开开发，与与GNSS接收机联合合。TC16101991双轴补偿菜单功能键键操作TPS10001994双轴补偿软功能键操操作(图标操作)自动目标识识别TPS11001999双轴补偿软功能键操操作(图标操作)自动目标识识别免棱镜测距距TPS12002004双轴补偿软功能键+快捷键操作作(图标操作)自动目标识识别免棱镜测距距与GNSS联合作业61通过输入、、输出设备备，可以与与计算机交交互通讯，，使测量数数据直接进进入计算机机，据此进进行计算和和绘图；测测量作业所所需要的已已知数据也也可以从计计算机输入入全站仪。。一些全站仪仪将电荷耦耦合器件（（CCD—ChargeCoupledDevice）与传动马马达相结合合，使具有有对目标棱棱镜的自动动识别、跟跟踪和瞄准准（ATR，AutomaticTargetRecognition）功能；CCD还用于度盘盘读数、构构成电子水水准器等。。一些全站仪仪将全球定定位系统(GNSS)接收机与之之结合，以以解决仪器器自由设站站的定位问问题。全站站仪的这些些功能不仅仅使测量的的外业工作作高效化，，而且可以以实现整个个测量作业业的高度自自动化。电电子全站仪仪已广泛用用于控制测测量、地形形测量、施施工放样等等方面的测测量工作。。37全站仪功能能的逐步改改进6138全站仪的发发展趋势－仪器作作业进一步自动动化仪器对中自自动化基座安平自自动化仪高量取自自动化对目标自动动跟踪和瞄瞄准目标中心位位置十字丝中心心位置搜索跟踪照准6139苏光810系列全站仪仪特点：彩色色触摸屏,可实时成图图,WINCE5.0操作系统,64M存储器。61测角精度±2″测距精度±(2＋2D×10-6)mmSET-230R全站仪40操作面板61TCA2003全站仪41操作面板61高精度多功功能测角精度±0.5″″测距精度±(1+D×10－6)mm42二、全站仪仪的特殊部部件与功能能（一）多功能同轴望远镜

将瞄准用的的物镜、目目镜、调焦焦透镜与红红外测距、、激光测距距的发射和和接收安装装在同一光光学系统中中，成为多多功能的同同轴望远镜镜。61（二）显示屏屏和键盘43操作面板包括括控制按键、、数码(字母和数字)按键和较大的的显示屏，显显示屏包含软软键(功能键)以及触摸功能能；显示屏还还可以分页，，可展示主菜菜单和若干级级子菜单；显显示屏还可以以显示图形，，例如野外实实时显示所测测地形图的局局部图形，便便于检查和修修测或补测。。（三）传感器全站仪中的传传感器包括：：度盘读数传传感器,纵轴倾斜传感感器,目标搜索传感感器等。利用用发光二极管管或外来光线线及CCD(电荷耦合器件件)阵列。61441.度盘读数传感感器较先进的全站站仪用条码度度盘和CCD传感器读数，，发光管发光透过度度盘编码，由由一组线性CCD阵列读数。一一般在度盘对径径设置一对线性CCD传感器，以消除度度盘偏心误差。度盘条码条码度盘发光二极管线性CCD阵列反光棱镜612.纵轴倾斜传感感器45仪器的纵轴倾倾斜影响视准轴的瞄准准、水平度盘和垂直度度盘的读数。对此，全全站仪设置“双轴倾斜补偿偿器”双轴指视准轴轴在水平面上投影和横横轴方向。61传感器通过屏屏幕显示该两两方向的倾角角和水准气泡泡。据此可用用脚螺旋精确确置平仪器，，而遗留的双双轴倾斜则传传感器按其倾角计算算改正值，自动显示改正正后的度盘读数。纵横方向的倾倾角虚拟水准气泡泡影像46（四）存储器器（五）通讯接接口站仪的存储数数据可以通过RS232C串行接口或USB接口与计算机双向向通讯。一些些全站仪有无无线电收发装装置或蓝牙通讯装置与与外围设备(如遥控器等)双向通信。存储器分为机机内存储器和和存储卡。前前者相当于计计算机的硬盘盘和内存，后后者相当于优优盘。全站仪仪有相当大的的存储量，例例如苏光RTS810全站仪有64MB(RAM)和32MB(ROM)。可以记录数数天的野外观观测，数千个个细部点的距距离角度观测测值和计算的的坐标数据。。6147（六）360°棱镜与镜站遥遥控系统360°棱镜使多台全全站仪可以同同时瞄准一点，也也可使立于细细部点的棱镜镜(镜站)可忽略棱镜的的方向。360°棱镜镜站遥控器61镜站遥控器有有发射和接收收装置，可以以由镜站指挥挥全站仪(全站仪要有目目标自动跟踪踪功能)的操作，实现现无人测站，，因为细部点点的选择主要要由镜站人员员决定。镜站遥控全站站仪进行细部部测量48360°棱镜和发射接收装置全站仪镜站遥控器61三、全站仪的的功能和使用用全站仪的功能能比较全面，，几乎包括地地面测量的所所有工作，例例如各种地面面控制测量（（导线测量、、交会定点、、三角高程测测量）、地形形测量的数据据采集、工程程测量的施工工放样和变形形观测等。经经常使用的操操作功能为：：角度测量、、距离测量、、极坐标法坐坐标测量、极极坐标法施工工方样。4961以下介绍SET230R全站仪的功能能和使用：50（一）SET230R全站仪的功能能及使用1.观测前的准备备工作2.角度测量3.距离测量4.三维坐标测量量仪器技术指标标：测角精度±2″测距精度(激光测距)用棱镜±(2+2××10-6D)mm免棱镜±(3+2××10-6D)mm气象改正(输入气温、气气压)内存容量约10000个细部点61SET230R511.显示屏；2.软键；3.回车键（输入入键）；4.电源开关；5.退回或取消键键；8.大小字母转换换键；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61SET230R功能菜单框图图6152按功能键依次进入各层菜单按ESC键依次次退回回53在操作作面板板上按按ON键打开开电源源，仪仪器进进行自自检，，屏幕显显示测测量模模式（（图(a)）；如果此此时仪仪器置置平未未达到到要求求,则度盘盘读数数行显显示““超出”警告告（图图(b)），应应根据据水准准管气气泡重重新整整平仪仪器，，再进进行屏屏幕操操作。。6154SET230R的角度度测量量61仪器安安置在在测站站S,瞄准左左目标标L,按0SET功能键键,使水平平度盘盘读数数(HAR)为0°,天顶距距读数数(ZA)为88°°45′36″″；转动动照准准部瞄瞄准右右目标标R,水平度度盘读读数即即为水水平角角126°13′′45″，天顶距距读数数为91°°24′18″″：55SET230R的距离离和角角度测测量61距离测测量之之前，，应设设置测测距参参数：：在““测量量模式式”屏屏幕按按“改改正””功能能键，，显示示EDM屏幕幕(下图图)，设设置置测测距距模模式式、、反反射射器器、、棱棱镜镜常常数数、、温温度度、、气气压压等等参参数数：：56距离离和和角角度度测测量量照准准目目标标中中心心，，按按““距距离离””功功能能键键，，进进行行距距离离测测量量，，竖竖盘盘的的天天顶顶距距读读数数和和水水平平度度盘盘读读数数也也同同时时显显示示：：完成成距距离离测测量量后后，，按按““切切换换””功功能能键键可可以以使使距距离离值值在在斜斜距距(S)、平平距距（（H）、、垂垂