第3章 距离测量.ppt

1、第三章 距离测量,31 钢尺量距 32 光学测距（视距测量） 33 光电测距（电磁波测距）,距离是地面点定位的直接定位元素；距离测量是工程测量的重要内容之一。 距离测量方法有钢尺量距、视距测量、电磁波测距等。 每个人都曾有过“测距”的经历。 31 钢尺量距（教材P57） 钢尺量距是用钢尺沿地面直接丈量距离。 过去，钢尺量距是主要的精密测距方法。现代也有使用。,钢尺是钢制的薄带尺，长度有20米、30米和50米几种。尺面上有米、分米、厘米、毫米刻划线（有些尺子仅起点处有毫米刻划）；在每米及每分米处有数字注记，注记到厘米。钢尺通常卷放在圆形金属盒内或金属架上，故又称作“钢卷尺”。钢尺外形如下图所示。

2、,钢尺量距的基本工作步骤 一.定线 当待测距离大于整尺长度时，需分段量测，然后累加。 各分段的长度略小于尺长。分段时必须先进行“定线”。 定线是将各分段点定在由起点和终点形成的直线上。 定线的原理是 “三点成一线，两端定中间”。 定线方法有“目估法”和“经纬仪法”。前者用于一般测距，后者用于精密测距。,设A、B两点互相通视，要在A、B两点的直线上标出分段点1、2。 先在A、B点上竖立标杆，甲站在A点标杆后约一米处，指挥乙左右移动标杆，直到甲从在A点沿标杆的同一侧看到A、i、B三支标杆成一条线为止。 同法定出直线上的其他点。一般应由远到近，即先定1点，再定2点。每定好一点，应打木桩、做标记。 采

3、用经纬仪定线法时，是用A点经纬仪望远镜瞄准B点标杆时的视线作为方向线。,二.丈量 定线结束后，即可进行丈量。丈量分为一般方法和精密方法。 （一）.钢尺量距的一般方法 钢尺量距的一般方法又分为平量法和斜量法。 1. 平量法 平量法用于平坦地面或不均匀倾斜地面的距离丈量。 （1）平坦地面平量法 丈量工作一般由23人进行。拉尺员分为“前尺手”和“后尺手”。,在直线两端点A、B竖立标杆（或小测钎,见P60图3.22），后尺手持钢尺的零端位于B点，前尺手持钢尺的末端和一组测钎沿BA方向前进，行至第一个分段点处停下，将钢尺拉在B1方向线上，拉平、拉直。 后尺手将钢尺的零点对准B点。当两人同时把钢尺拉紧后，

4、前尺手在钢尺末端的整尺长分划线位置竖直插下一根测钎(如果在水泥地面上丈量插不下测钎时，也可以在地面上划线做记号)得到1点，即量完一个尺段。,前、后尺手抬尺前进，当后尺手到达插测钎或划记号处时停住，再重复上述操作，量完第二尺段。 后尺手拔起地上的测钎，依次前进，直到量完BA直线的最后一段为止。 最后一段距离一般不会刚好是整尺段的长度，称为余长。丈量余长时，前尺手在钢尺上读取余长值，则B 、 A 两点间的水平距离为： DBA n整尺长 余长,以上过程为往测。为避免出错、提高精度，一般还需进行返测，即从A至B再丈量一次，得到DAB 。 若往、返丈量值符合以下要求，则取平均值作为最后结果。,(2)不均

5、匀倾斜地面平量法 在不均匀倾斜地面可插测钎或挂垂球线（左下图及P61图3.24）作为丈量端点。 丈量由A点向B点进行，甲立于A点，指挥乙将尺拉在AB方向线上。 甲将尺的零端对准A点，乙将钢尺抬高，并且目估使钢尺水平，然后用垂球尖将尺段的末端投影到地面上，插上测钎。 若地面倾斜较大，将钢尺抬平有困难时，可将一个尺段分成几个小段来平量，如图中的i-j段。 在不均匀倾斜地面上采用平量法时，不足一个整尺段的余长可能不只一段。 其它丈量与计算工作，与平地平量法类似。,2. 斜量法 当倾斜地面的坡度比较均匀时，可以沿斜坡先丈量各分段的斜长，然后累加得到A、B间的斜距L。 测出地面倾角或两端点的高差h，然后

6、按下式计算AB的水平距离：,采用斜量法时，同样需进行往、返丈量。较差符合要求时取其均值。,（二）.钢尺量距的精密方法 用一般方法量距，其相对精度只能达到1/10001/5000，当要求量距的相对精度更高时，例如1/100001/40000，这就要求用精密方法进行丈量。 精密量距方法的工具除了钢尺之外还需要弹簧秤、温度计、尺夹等辅助工具。其中钢尺必须经过检验，并得到其检定的尺长方程式。 尺长方程式由检定部门给出，其形式及使用方法见教材P61P62，有兴趣的同学可自学。（不统一要求） 试设想用50米长的钢尺精确丈量一段2km长的距离，定线、分段加往返丈量，45人（拉尺和读数须分别由两人完成）至少需

7、要一天时间，并且还有可能出错。而用电磁波测距仪只需几分钟即可完成。 所以，现在已很少使用钢尺精密量距方法来测距，绝大多数情况下都是用光电测距仪或全站仪。只有当距离很短、又没有测距仪时才偶尔使用。,本节内容回顾 钢尺量距的基本工作包括定线和丈量。 钢尺量距的一般方法有平量法和斜量法。 钢尺量距的精密方法可自学。,32 光学测距（教材P64） 钢尺量距费力、费时，速度慢、成本高。 光学测距则方便、快捷得多。光学测距又叫视距测量，只需一台光学经纬仪或水准仪和一把标尺，300米以内的距离一分钟就可测出。视距测量方法广泛用于地形碎部测量中。 最常用的光学测距方法是望远镜视距法，其原理为“定角测距”。,左

8、下图为“定角测距” 原理图。 为固定角，AB是其平分线，ABMN；当MN的长度l已知时，A至B的距离为： 设计经纬仪和水准仪时，望远镜十字丝分划板上的上、下丝相对于仪器中心的张角为3422. 6；并使右下图中的F位于仪器的几何中心（即f+ 0），于是有： D 100 l 式中l为MN的长度，即下丝和上丝在标尺上的读数之差，叫视距读数。,在A点安置仪器，在B点竖立标尺，根据上、下丝在标尺上的读数之差，按上式即可求得A至B的距离，称作视距。 必须注意：上述视距计算式仅在视线水平、即视准轴与标尺垂直时才成立。,当视线倾斜（即存在垂直角时，见下图），视准轴与标尺不正交，则不能直接应用上式。 设想将标尺

9、绕其与望远镜视准轴的交点O旋转一个角度之后，视准轴就与标尺正交，上述视距计算式便又能应用，但须用上下丝在假想标尺上的视距读数l 而不是l 。 因张角很小，仅34，故由下图易得： l l cos 望远镜中心Q至视准轴与标尺交点O的视距为： L100 l 100 l cos A、B两点间的水平距离为：D = L cos 100 l cos2 视距测量的精度不高，误差在0.1米以上，且与距离成正比。,本节内容回顾 光学测距的原理为定角测距。 根据上、下丝在标尺上的视距读数可求得距离D。 光学测距的精度不高，但速度较快。,3-3 光电测距（电磁波测距） 钢尺量距精度高，但费时、费力；光学测距速度快，但

10、精度差，且不能测长距离。光电测距则完全保留了二法的优点，且克服了各自的缺点。但仪器价格昂贵，单价在万元以上。 光电测距又叫电磁波测距（electromagnetic distance measuring），简称EDM。光电测距仪包括激光和红外（光）测距仪。 一. 基本原理 通过测量电磁波在待测距离上往返传播所需的时间来间接测量距离。,如下图所示，欲测量地面上A、B两点间的距离，在A点安置光电测距仪，在B点架设反射棱镜。A点仪器发射的光波（电磁波）经大气传播后射至B点，被反光镜反射回来，仪器便可接收到返回的光波。 （仪器和棱镜见右下图） 设发射光波的时刻为t1，接收光波的时刻为t2，则时间间隔为

11、：t2Dt2t1,t2D即光波在待测的A、B两点间往返传播所花的时间。 设光波在大气中的传播速度为C，则有： 2DC t2D D C t2D /2 由此可见，只要测出发射和接收光波的时间差t2D就可求出距离D。 上式成立的前提条件是光波在大气中的传播速度C为已知。由物理学知，光波在大气中的传播速度C等于光波在真空中的传播速度C0除以大气的折射率n。 光波在真空中的传播速度为： C02997924581.2m/s (米/秒）,实际大气的折射率n是温度、气压、湿度及光波波长的函数。当光波波长为确定值时，实测温度、气压、湿度等参数值便可依公式计算折射率n。 光电测距的实质是“光电测时”。（精度很高，

12、不能用手表或运动跑表测时！) 光电测时方法有相位法、脉冲法等，前者应用比较普遍。 相位法测距是通过测量正弦调制光波在待测距离上往返传播时所产生的相位变化来间接测量光波传播的时间，进而测量距离。（详见教材P4547) 相位法测时的精度可达0.10.01ns（纳秒，即109 s），对应的测距精度约为cm级mm级。,二. 测距仪分类 1.按载波源分：激光测距仪、红外测距仪、微波测距仪。 2.按测程分：短程（3km以内）、中程（315km）和远程（15km以上）。 3.按精度分：一级测距仪每km距离测量中误差小于5mm；二级每km距离测量中误差为510mm；三级每km距离测量中误差大于10mm。 4.

13、按测时方式分：脉冲式测距仪、相位式测距仪。 5.按测频方式分：固频式（调制频率固定不变）、变频式。,6.按功能分： 专用型：只用于测量距离。 半站型：测距仪与光学经纬仪组合在一起，称为半站仪。 全站型：测距仪与电子经纬仪组合成一体，称为全站仪。,三. 测距操作 现代光电测距仪的自动化程度都很高，测时、计算、显示均可由仪器内部相应部件自动完成。测距操作实现了“傻瓜型作业”模式。 在架好仪器、瞄准反光镜之后，只需轻按一下仪器操作面板上的测距按钮，几秒钟之后即可将距离值（自动重复测量上千次的平均值）显示在屏幕上。 不同型号的测距仪，操作面板上的“测距”按钮会有所不同，但都类似于计算器上的操作键。一般

14、在测距键上冠有“DIST”、“D”或“MEA”、“M”或“测距”、“距离”等字样，稍加留意就能辨认。,需要注意的是：在照准反光镜时，对于三轴（发射、接收、视准轴）异轴的仪器，须用十字丝交点瞄准镜下的标志中心（横丝对准两个横向顶点的连线，纵丝对准两个纵向顶点的连线）。 对于三轴同轴的仪器，则须用十字丝交点瞄准反光镜中心（反光镜中心与标志中心重合）。 测距之时还需测量温度和气压，以进行气象改正。,四. 测距成果处理 在野外用测距仪测得的距离值（多为斜距）还需进行处理，即需加上各种改正之后才是最终结果。一般需对距离观测值进行仪器因素改正、大气因素改正（即气象改正）和倾斜改正（即平距化算）。,（一）仪

15、器因素的改正 1. 加常数改正 当用测距仪在精度很高的已知边上观测时，其观测值总与已知值相差一个固定值k，则这个固定差值就叫测距仪（包括反射镜）的加常数，即 kD0D （ D0为已知值，D为观测值） 引起加常数存在的主要原因是： 仪器发射与接收系统的等效中心与其对中中心不一致； 反射镜的等效反射中心与其对中中心不一致； 仪器内部传送光电信号的相位延迟。 将测距仪送至专业检定部门可得到加常数k之值。,2. 频率改正 由于长途搬运振动、外界气象条件影响以及电路元件参数老化等原因，仪器的调制频率会发生变化（即存在“频率漂移”现象），从而导致“光尺”长度变化，对距离测量结果产生影响。 当存在“频漂”时

16、，需进行频率改正。频率改正计算公式为： DfD (f0f) / f0 式中， f0为调制频率的标称值，由仪器说明书给出；f 为调制频率的实际值，需用“校频仪”在野外实测得到。,3. 剩余常数改正 在光电测距实践中人们发现，除了频率改正、气象改正等与距离成正比的改正系数外，还存在原因不明的比例改正系数，称为剩余常数（或乘常数），用r表示。存在剩余常数时，其改正公式为： Drr D 将测距仪送至专业检定部门可得到剩余常数r 之值。 （二）大气因素改正 由于实际测距时的大气状态跟设计仪器时的参考大气状态不一致，仪器本身又不能直接测定大气折射率，因此须对距离观测值施加大气因素改正，即气象改正。 气象改

17、正的原理公式为： Dn （n0 n)D 式中， n0为设计仪器时的参考大气状态的折射率，n为实际大气折射率。,大气折射率是温度t、气压p和湿度e的函数，所以气象改正Dn也必然是t、p、e的函数。一般只需考虑t、p的影响，e的影响可忽略。 气象改正的实用公式：,式中，c1、c2为常系数，由仪器使用说明书给出。仪器不同， c1、c2亦有所不同；温度t以为单位，气压p以hpa为单位；Dn、D以m为单位。 经过仪器因素和大气因素改正之后的距离仍为斜距，用D表示： DDk Df Dr Dn,（三）倾斜改正（平距化算） 倾斜改正是将斜距化算为测站和镜站平均高程面上的平距。有两种方法。 1. 根据高差进行改正,式中，S为改正后的平距，h为两点间的高差。 2. 根据垂直角进行改正 （1）简易公式 SDcos,（2）精密公式 根据斜距D（图中AB）求平距S（图中A B ）。 由右图知：A B AE SDcos c （c 14 Dkm,与距离有关) c地球曲率差地球表面是曲率半径为R的曲面。欲在A点看到远处同高的B，须将B 抬高才行，抬高的角度