距离测量和直线定向培训讲义详细

第4章距离测量和直线定向4.1钢尺量距4.2视距测量4.3电磁波测距4.4全站仪及其应用4.5直线定向4.6用罗盘仪测定磁方位角本章内容如下：距离测量(distancemeasurement)是确定地面点位的基本测量工作之一。距离测量方法有钢尺量距、视距测量、电磁波测距和GPS测量等。钢尺量距是用钢卷尺沿地面直接丈量距离；视距测量是利用经纬仪或水准仪望远镜中的视距丝及视距标尺按几何光学原理进行测距；电磁波测距是用仪器发射并接收电磁波，通过测量电磁波在待测距离上往返传播的时间解算出距离；GPS测量是利用两台GPS接收机接收空间轨道上4颗卫星发射的精密测距信号，通过距离空间交会的方法解算出两台GPS接收机之间的距离。本章重点介绍钢尺量距和电磁波测距测量方法。4.1钢尺量距4.1.1丈量工具钢尺(steeltape)：尺的宽度约10～15mm，厚度约0.4mm，

长度有20m、30m、50m等几种。有端点尺、刻线尺；皮尺：端点尺、刻线尺标（花）杆、测钎

和垂球4.1.2直线定线目估定线：适用于钢尺量距的一般方法。经纬仪定线：适用于钢尺量距的精密方法。4.1.3钢尺量距的一般方法1.平坦地面的距离丈量往返测丈量A、B两点之间的距离为2.倾斜地面的距离丈量①平量法

同向丈量两次②斜量法至少丈量两次相对较差应小于1/10004.1.4钢尺量距的精密方法用一般方法量距，其相对误差只能达到1/1000~1/5000，当要求量距的相对误差更小时，例如1/10000~1/40000，就要求用精密方法进行丈量。1.直线定线：采用经纬仪定线2.量距：用经过检定、且有尺长方程式的钢尺量距3.测量桩顶高程4.尺段长度的计算ａ、尺长改正ｂ、温度改正ｃ、倾斜改正5.钢尺的检定：ａ、尺长方程式ｂ、钢尺检定的方法6.钢尺量距的误差分析定线误差、尺长误差、温度误差、拉力误差、尺子不水平的误差、钢尺垂曲和反曲的误差、丈量本身的误差7.钢尺量距注意事项①钢尺易生锈，丈量结束后应用软布擦去尺上的泥和水，涂上机油以防生锈。②钢尺易折断，如果钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。③丈量时，钢尺末端的持尺员应该用尺夹夹住钢尺后手握紧尺夹加力。没有尺夹时，可以用布或者纱手套包住钢尺代替尺夹，切不可手握尺盘或尺架加力，以免将钢尺拖出。④在行人和车辆较多的地区量距时，中间要有专人保护，以防止钢尺被车辆碾压而折断。⑤不准将钢尺沿地面拖拉，以免磨损尺面分划。⑥收卷钢尺时，应按顺时针方向转动钢尺摇柄，切不可逆转，以免折断钢尺。4.2视距测量(stadiameasurement)视距测量是一种间接测距方法；它利用望远镜内十字丝分划板上的视距丝及刻有厘米分划的视距标尺(地形塔尺或普通水准尺)，根据光学原理可以同时测定两点间的水平距离和高差；其中测量距离的相对误差约为1/300，低于钢尺量距；测定高差的精度低于水准测量和三角高程测量；视距测量广泛用于地形测量的碎部测量中。4.2.1视距测量的原理光学和三角学原理特点：具有操作方便、速度快、不受地形起伏限制的优

点，但测量精度低。1.视线水平时视距测量原理由图中的两个三角形相似可得：故：令：，则得：D=KL+C，k为视距乘常数，一般的仪器乘常数为100；内对光望远镜的C很小，经过调整物镜焦距、调焦透镜焦距及上下丝间隔等参数后C≈0上式简化得：D=K

L在平坦地区，当视线水平时，读取中丝在视距尺(即水准尺)上的读数v，量取仪器高i，则高差h为：h＝i-v

2.视线倾斜时的视距测量原理水平距离公式：D=ＫＬcos2α

高差公式：h=h′+i-v＝Dtanα+i-v

4.2.2视距测量的观测与计算1)安置经纬仪，量仪器高ｉ，在另一个点上竖立视距尺。2)盘左瞄准目标尺，分别读出上、下、中丝读数。3)转动指标水准管微动螺旋，使竖盘指标水准管气泡居中，读取竖盘读数。4)计算：

D=KLcos2α例：在A点安置经纬仪，B点竖立视距尺，A点的高程为HA=35.32m，仪器高i=1.39m，上下丝读数分别为1.264m、2.336m，盘左观测的竖盘读数为L=82°26′00″，竖盘指标差为x=+1′，求AB两点间

的水平距离和B点的高程。解：视距间隔为l=2.336-1.264=1.072m竖直角为α＝90°-L+x＝7°35′水平距离为D=KLcos2α=105.33m中丝读数为v=(上丝读数+下丝读数)/2=1.8m高差为hAB=Dtanα+i-v

=+13.61m

B点的高程为HB=HA+

hAB

=35.32+13.61=48.93m4.3电磁波测距(electro-magneticdistancemeasuring，简称EDM)电磁波测距是用电磁波(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。EDM具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形限制等优点。补充内容：电磁波测距技术发展简介1948年，瑞典AGA(阿嘎)公司(现更名为Geotronics(捷创力)公司)研制成功了世界上第一台电磁波测距仪，它采用白炽灯发射的光波作载波，应用了大量的电子管元件，仪器相当笨重且功耗大。为避开白天太阳光对测距信号的干扰，只能在夜间作业，测距操作和计算都比较复杂。1960年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一台氦-氖激光器，1962年砷化镓半导体激光器研制成功。与白炽灯比较，激光器的优点是发散角小、大气穿透力强、传输的距离远、不受白天太阳光干扰、基本上可以全天侯作业。1967年AGA公司推出了世界上第一台商品化的激光测距仪AGA-8。该仪器采用5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为40km，夜间测程达60km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量23kg。武汉地震大队也于1969年研制成功了JCY-1型激光测距仪，1974年又研制并生产了JCY-2型激光测距仪。该仪器采用2.5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量16.3kg。随着半导体技术的发展，从60年代末70年代初起，采用砷化镓发光二极管作发光元件的红外测距仪流行起来。与激光测距仪比较，红外测距仪有体积小、重量轻、功耗小、测距快、自动化程度高等优点。由于红外光的发散角比激光大，所以红外测距仪的测程一般小于15km。现在的红外测距仪已经和电子经纬仪及计算机软硬件制造在一起，形成了全站仪，并向着自动化、智能化和利用蓝牙技术实现测量数据的无线传输方向飞速发展。4.3.1电磁波测距基本原理

通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间来计算待测距离。其中所以，为光三波在三真空三中的三传播三速度三，其三精确三值为n为大三气折三射率(n≥1三)，其三为光三的波三长、三大气三温度三和气三压的三函数三。4.三3.三2电磁三波测三距仪三的分三类根据三测定三时间三的方三法不三同，分为三脉冲三式测三距仪三和相三位式三测距三仪按载三波分三类：三微波三测距三仪、三激光三测距三仪、三红外三测距三仪按测三程分三为短三程测三距仪(<三3k三m）、三中程三测距三仪(3三~1三5k三m）、三远三程测三距仪(>三15三km）按精三度分三类：I级(<三5m三m）三、II级(5三mm～10三mm）、II三I级(10三mm～20三mm）4.三3.三2相位三式光三电测三距仪三使用1）仪三器安三置2）开三机3）瞄三准4）测三距和三测角1.仪器三常数三改正2.气象三改正3.倾斜三改正4.三3.三4光电三测距三的成三果整三理4.三3.三5手持三激光三测距三仪简三介1．持三续测三量按三钮2．长三度测三量按三钮3．面三积测三量按三钮4．开三关按三钮5．测三量按三钮6．显三示屏7．显三示灯三按钮8．显三示激三光束三按钮9．体三积测三量按三钮10．清三除按三钮11．间三接长三度测三量按三钮12．读三取存三储数三据按三钮13．储三存“三减”三操作三按钮14．储三存“三加”三操作三按钮65478111291032114134.三4电子三全站三仪（to三ta三l三st三at三io三n）及三其应三用4.三4.三1电子三全站三仪概三述全站三型电三子速三测仪三的简三称，三是指三在测三站上三一经三观测三，必三要的观测三数据三（水三平角三、竖三直角三、平三距、三斜距三、高三差、三高程三、坐三标）均能三自动三显示三。如三通过三传输三接口三把全三站仪三野外三采集三的数三据与三终端三计算三机、三绘图三仪连三接起三来，三配以三数据三处理三软件三和绘三图软三件，三即可三实现三测图三的自三动化三。全站三仪主三要由三控制三系统三、测三角系三统、三测距三、记三录系三统及三通信三系统三组成三。工程三建设三中应三用广三泛（三测定三、测三设）4.三4.三2电子三全站三仪的三基本三测量三功能三操作三概要4.三4.三3电子三全站三仪的三使用1.仪器三安置三与开三关机2.角度三测量3.距离三测量4.坐标三测量三：三设置三测站三坐标三、测三站高三、后三视方三位角或后三视点三坐标三及棱三镜高5.放样（1）已三知角三度和三距离三放样（2）已三知坐三标放三样6.悬高三测量(R三EM三)7.遥距三测量(R三MD三)8.任务三管理三器9.通讯4.三4.三4全站三仪使三用主三要事三项仪器三安置三在三三脚架三上之三前，三应检三查三三脚架三的三三个伸三缩螺三旋是三否已三旋紧三，在三用连三接螺三旋将三仪器三固定三在三三脚架三上之三后才三能放三开仪三器，三不要三过分三拧紧三制动三螺旋三。在三整个三操作三过程三中，三观测三者决三不能三离开三仪器三，以三避免三发生三意外三事故三。在阳三光下三或阴三雨天三气进三行作三业时三，应三打伞三遮阳三、遮三雨。该仪三器棱三镜的三棱镜三常数三总是0，不三论是三单棱三镜还三是三三棱镜三。凡迁三站都三应先三关闭三电源三并将三仪器三取下三装箱三搬运三。严禁三在开三机状三态下三插拔三电缆三。电池三充电三时间三不能三超过三专用三充电三器规三定的三充电三时间三，否三则有三可能三将电三池烧三坏或三者缩三短电三池的三使用三寿命三。4.三5直线三定向确定三地面三直线三与标三准方三向间三的水三平夹三角称三为直三线定三向(l三in三e三or三ie三nt三at三io三n)。4.三5.三1标准三方向三的分三类1.真子三午线三方向(t三ru三e三me三ri三di三an三d三ir三ec三ti三on三)地表三任一三点P与地三球旋三转轴三所组三成的三平面三与地三球表三面的三交线三称为P点的三真子三午线(t三ru三e三me三ri三di三an三)，真三子午三线在P点的三切线三方向三称为P点的三真子三午线三方向三。可以三应用三天文三测量(a三st三ro三me三tr三y)方法三或者三陀螺三经纬三仪(g三yr三o三th三eo三do三li三te三)来测三定地三表任三一点三的真三子午三线方三向。2.磁子三午线三方向(m三ag三ne三ti三c三me三ri三di三an三d三ir三ec三ti三on三)地表三任一三点与三地球三磁场三南北三极连三线所三组成三的平三面与三地球三表面三交线三称为三点的三磁子三午线(m三ag三ne三ti三c三me三ri三di三an三)，磁三子午三线在点的三切线三方向三称为三点的磁子三午线三方向三。可以三应用三罗盘三仪(c三om三pa三ss三)来测三定，三在直线端三点安三置罗三盘，三磁针自由三静止三时其三轴线三所指的方三向即三为点三的磁三子午线方三向。3.坐标三纵轴三方向(o三rd三in三at三es三a三xi三s三di三re三ct三io三n)过地三表任三一点三且与三其所三在的三高斯三平面三直角三坐标三系或三者假三定坐三标系三的坐三标纵三轴平三行的三直线三称为三点的三坐标三纵轴三方向三。4.三5.三2直线三方向三的表三示方三法—方位三角由标三准方三向的三北端三，顺三时针三方向三量至三某直三线的三水平三夹角三，称三为该三直线三的方三位角三，变三化范三围：0~三36三0º。1.真方三位角(t三ru三e三me三ri三di三an三a三zi三mu三th三)：以真三北方三向为三标准三方向三所度三量的三方位角三；α真2.磁方三位角(m三ag三ne三ti三c三me三ri三di三an三a三zi三mu三th三)：以三磁北三方向三为标三准方三向所三度量三的方位角三；α磁3.坐标三方位三角(g三ri三d三be三ar三in三g)：以三坐标三纵轴三北向为标三准方三向所三度量三的方三位角三；αN标准三方向12α124.三5.三3正、三反方三位角三的关三系任何三一条三直线三都有三正反三两个三方向三，在三直线三起点三量得三的直三线方三向称三直线三的正三方位三角，三反之三在直三线终三点量三得的三直线三方向三称直三线的三反方三位角三。正三反坐三标方三位角三相差18三0°。αAB＝αBA±1三80三°4.三5.三4三种三方位三角之三间的三关系1.通过三地面三上某三点的三磁北三方向三与真三北方三向的三夹角三为磁三偏角(m三ag三et三ic三d三ec三li三na三ti三on三)，用δ表示三。以三真北三方向三为准三，东三偏为三正，三西偏三为负三。我国三磁偏三角的三变化三在+6三°~三-三10三°之间三。2.通过三地面三上某三点的三坐标三纵轴三方向三与真三北方三向的三夹角三为子三午线三收敛三角(m三ap三pi三ng三a三ng三le三)，用γ表示三。以三真北三方向三为准三，东三偏为三正，三西偏三为负三。3.三种三方位三角之三间的三关系4.三6用罗三盘仪三测定三磁方三位角4.三6.三1罗盘三仪的三构造罗盘三仪(c三om三pa三ss三)是测三量直三线磁方位三角的三仪器三，如三图所三示。当测三区内三没有三国家三控制三点可三用，三需要三在小三范围三内建三立假三定坐三标系三的平三面控三制网三时，三可用三罗盘三仪测三量磁三方位三角，三作为三该控三制网三起始三边的三坐标三方位三角。罗盘三仪的三主要三部件三有磁三针、三刻度三盘、三望远三镜和三基座三。①三磁针三：磁三针用三人造三磁铁三制成三，磁三针在三度盘三中心三的顶三针尖三上可三自由三转动三。为三了减三轻顶三针尖三的磨三损，三在不三用时三，可三用位三于底三部的三固定三螺旋三升高三杠杆三，将三磁针三固定三在玻三璃盖三上。②刻度三盘：三用钢三或铝三制成三的圆三环，三随望三远镜三一起三转动三，每三隔10三°有一三注记三，按三逆时三针方三向从0°注记三到36三0°，最三小分三划为1°或30三′。刻三度盘三内装三有一三个圆三水准三器或三者两三个相三互垂三直的三管水三准器三，用三手控三制气三泡居三中，三使罗三盘仪三水平三。③三望远三镜：三与经三纬仪三的望三远镜三结构三基本三相似三，也三有物三镜对光三、目三镜对三光螺三旋和三十字三丝分三划板三等，三其望三远镜三的视三准轴三与刻三度盘三的0°分划三线共三面。④三基座三：采三用球三臼结三构，三松开三球臼三接头三螺旋三，可三摆动三刻度三盘，三使水三准气三泡居三中，三度盘三处于三水平三位置三，然三后拧三紧接三头螺三旋。4.三6.三2罗盘三仪测三定直三线磁三方位三角欲测三直线AB的磁三方位三角，三将罗三盘仪三安置三在直三线起三点A，挂三上垂三球对三中，三松开三球臼三接头三螺旋三，用三手前三、后三、左三、右三转动三刻度三盘，三使水三准器三气泡三居中三，拧三紧球三臼接三头螺三旋，三使仪三器处三于对三中和三整平三状态三。松三开磁三针固三定螺三旋，三让它三自由三转动三，然三后转三动罗三盘，三用望三远镜三照准B点标三志，三待磁三针静三止后三，按三磁针三北端(一般三为黑三色一三端)所指三的度三盘分三划值三读数三，即三为AB边的三磁方三位角三角值三，如三图所三示。使用三时，三要避三开高三压电三线和三避免三铁质三物体三接近三罗盘三，在三测量三结束三后，三要旋三紧固三定螺三旋将三磁针三固定三。补充三知识—陀螺三经纬三仪陀螺三经纬三仪与三真方三位角三的测三定一、三陀螺三仪（gy三ro三sc三op三e）定三向原三理由物三理学三可知三，一三个对三称刚三性转三子（三见图三）的三转动三惯量J定义三为式中三，r为质三点到三转轴三的垂三直距三离；dm为刚三体上三每一三质点三的质三量。当转三子以三角速三度三绕三其对三称轴X旋转时三，其三转动三惯量三为如果三转子三的质三量大三部分三集中三在其三边缘三，当三转子三高速三旋转三时，三就可三以形三成很三大的三转动三惯量H。它三有两三个特三性：1.在没三有外三力矩三的作三用下三，转三子旋三转轴X在宇三宙空三间中三保持三不变三，即三定轴三性；2.在外三力矩三的作三用下三，转三子旋三转轴X的方三位将三向外三力矩三作用三方向三发生三变化三，这三种运三动称三为“三进动三”。陀螺三仪定三向，三就是三利用三陀螺三仪转三子的三上述三两个三特性三进行三的。二、三陀螺三经纬三仪的三构造图是三国产JT三15陀螺三经纬三仪(g三yr三o三th三eo三do三li三te三)的结三构图三；使三用它三测定三地面三任一三点的三真子三午线三方向三的精三度可三以达三到±1三5″。陀螺三经纬三仪由DJ三6经纬三仪和三陀螺三仪组三成，三陀螺三仪安三装在DJ三6经纬三仪上三的连三接支三架上三。陀螺三仪由三摆动三系统三、观三察系三统和三锁紧三限幅三机构三组成三。1.摆动三系统三：包三括悬三吊带三、导三线、三转子(马达)、转三子底三盘等三，它三们是三整个三陀螺三仪的三灵敏三部件三。转三子要三求运三转平三稳，三重心三要通三过悬三吊带三的对三称轴三，可三以通三过转三子底三盘上三的六三个螺三钉进三行调三节。三悬吊三带采三用特三种合三金材三料制三成，三断面三尺寸三为0.三56三×0三.0三3m三m，拉三断力三为2.三4k三g，实三际荷三重为0.三78三kg。2.观测三系统三：是三用来三观察三摆动三系统三的工三作情三况的三。照三明灯三泡将三灵敏三部件三上的三双线三光标三照亮三，通三过成三像透三镜组三使双三线光三标成三像在三分划三板上三，以三便在三观察三窗中三观察三。3.锁紧三限幅三机构三：包三括凸三轮、三限幅三盘、三转子三底盘三、锁三紧圈三，用三凸轮三使限三幅盘三沿导三向轴三向上三滑动三，使三限幅三盘托三起转三子的三底盘三靠在三与支三架连三接的三锁紧三圈上三。限三幅盘三上的三三个三泡沫三塑料三块在三下放三转子三部分三时，三能起三到缓三冲和三摩擦三限幅三的作三用。三、三陀螺三经纬三仪的三操作三方法陀螺三仪转三子的三额定三旋转三速度三≥21三50三0转/分，三可以三形成三很大三的内三力矩三，如三果操三作不三正确三，很三容易三毁坏三仪器三，因三此，三正确三使用三陀螺三仪非三常重三要。在需三要测三定真三子午三线方三向的三点上三安置三好经三纬仪三后，三应按三下列三步骤三操作三陀螺三经纬三仪：1.粗定三向：三将仪三器附三带的三罗盘三仪安三装在三支架三上的三定位三盘上三，旋三转经三纬仪三照准三部，三使视三线方三向指三向近三似的三真子三午线三北方三向(误差±1三°~三2°)，将三经纬三仪的三水平三微动三螺旋三旋至三行程三的中三间位三置，三制动三照准三部，三取下三罗盘三仪。2.安置三陀螺三仪：三将陀三螺仪三安装三到支三架上三的定三位盘三上，三旋紧三固连三螺环三，接三好电三源线三，打三开电三源开三关，三启动三陀螺三转子三，信号三灯亮三，当三其转三速达三到额三定转三速后(大约三需要3分钟)信号三灯熄三灭(有些三仪器三是信三号灯三颜色三改变三，具三体参三见仪三器使三用手三册)。缓三慢旋三松锁三紧机三构，三将摆三动系三统平三稳放三下，三在陀三螺仪三的观三察窗三中观三察陀三螺的三进动三方向三和速三度，三如果三陀螺三的进三动速三度很三慢，三就可三以开三始进三行观三测。三观测三方法三有逆三转点三法和三中天三法。3.观测三完成三后，三要先三旋紧三锁紧三机构三，将三摆动三系统三托起三，才三能关三闭电三源，三拔掉三电源三线。三待陀三螺仪三转子三完全三停止三转动三以后三才允三许卸三下陀三螺仪三装箱三。四、陀螺三经纬三仪的三观测三方法1.逆转三点法(r三ev三er三sa三l三po三in三ts三m三et三ho三d)陀螺三仪转三轴在三东、三西两三处的三反转三位置三称逆三转点三。逆转三点法三的实三质就三是通三过旋三转经三纬仪三的水三平微三动螺三旋，三在陀三螺仪三的观三察窗三中，三用零三线指三标线三跟踪三双线三光标三影像三，当三摆动三系统三到达三逆转三点时三，在三经纬三仪读三数窗三中读三取水三平度三盘读三数(称为三逆转三点读三数)。2.中天三法（tr三an三si三t三me三th三od）日本三索佳三公司三生产三的两三种陀三螺全三站仪AG三P1全自三动陀三螺仪它由三马达三驱动三全站三仪和三陀螺三仪组三成，三观测三前无三须罗三盘确三定近三似北三方向三，只三需随三意将三仪器三架设三在特三定的三脚架三上，三按一三下键三，其三电子三马达三即驱三动仪三器自三动工三作，三并在三屏幕三上显三示真三北方三向数三据。三陀螺三部分三的重三量为10三.4三kg。根三据所三需精三度不三同，三提供三三种三测量三模式三：模式1：真三方位三角观三测中三误差三为±6三″，观三测时三间10分钟三；模式2：真三方位三角观