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,*,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,本章内容以下：,第1页,距离测量,(distance measurement),是确定地面点位基本测量工作之一。,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，经过测量电磁波在待测距离上往返传输时间解算出距离；,GPS,测量是利用两台,GPS,接收机接收空间轨道上,4,颗卫星发射精密测距信号，经过距离空间交会方法解算出两台,GPS,接收机之间距离。,本章重点介绍钢尺量距和电磁波测距测量方法。,第2页,4.1,钢尺量距,4.1.1,丈量工具,钢尺,(steel tape),：,尺宽度约,10,15 mm,，厚度约,0.4mm,，,长度有,20 m,、,30 m,、,50 m,等几个。,有端点尺、刻线尺；,皮尺：端点尺、刻线尺,标（花）杆、测钎,和垂球,第3页,4.1.2,直线定线,目估定线：,适合用于钢尺量距普通方法。,经纬仪定线：,适合用于钢尺量距精密方法。,4.1.3,钢尺量距普通方法,1.,平坦地面距离丈量,第4页,往返测丈量,A,、,B,两点之间距离为,第5页,2.,倾斜地面距离丈量,平量法,同向丈量两次,斜量法,最少丈量两次,相对较差应小于,1/1000,第6页,4.1.4,钢尺量距精密方法,用普通方法量距，其相对误差只能到达,1/10001/5000,，当要求量距相对误差更小时，比如,1/100001/40000,，就要求用精密方法进行丈量。,1.,直线定线：采取经纬仪定线,2.,量距：用经过检定、且有尺长方程式钢尺量距,3.,测量桩顶高程,4.,尺段长度计算,、尺长更正,、温度更正,、倾斜更正,5.,钢尺检定：、尺长方程式,、钢尺检定方法,第7页,6.,钢尺量距误差分析,定线误差、尺长误差、温度误差、拉力误差、尺子不水平误差、钢尺垂曲和反曲误差、丈量本身误差,7.,钢尺量距注意事项,钢尺易生锈，丈量结束后应用软布擦去尺上泥和水，涂上机油以防生锈。,钢尺易折断，假如钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。,丈量时，钢尺末端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，能够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。,在行人和车辆较多地域量距时，中间要有专员保护，以预防钢尺被车辆碾压而折断。,不准将钢尺沿地面拖拉，以免磨损尺面分划。,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。,第8页,4.2,视距测量,(stadia measurement),视距测量是一个间接测距方法；它利用望远镜内十字丝分划板上视距丝及刻有厘米分划视距标尺,(,地形塔尺或普通水准尺,),，依据光学原理能够同时测定两点间水平距离和高差；其中测量距离相对误差约为,1/300,，低于钢尺量距；测定高差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碎部测量中。,4.2.1,视距测量原理,光学和三角学原理,特点：含有操作方便、速度快、不受地形起伏限制优,点，但测量精度低。,1.,视线水平时视距测量原理,第9页,由图中两个三角形相同可得：故：,令：，,则得：,D,=,K L,+,C,，,k,为视距乘常数，普通仪器乘常数为,100,；内对光望远镜,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,在平坦地域，当视线水平时，读取中丝在视距尺,(,即水准尺,),上读数,v,，量取仪器高,i,，则高差,h,为：,h,i,-,v,第10页,2.,视线倾斜时视距测量原理,水平距离公式：,D,=,cos,2,高差公式：,h,=,h,+,i-v,D,tan,+,i-v,第11页,4.2.2,视距测量观察与计算,1,),安置经纬仪，量仪器高，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,=,KL,cos,2,第12页,例：,在,A,点安置经纬仪，,B,点竖立视距尺，,A,点高程为,H,A,=35.32m,，仪器高,i,=1.39m,，上下丝读数分别为,1.264m,、,2.336m,，盘左观察竖盘读数为,L,=822600,，竖盘指标差为,x,=+1,，求,A B,两点间,水平距离和,B,点高程。,解：视距间隔为,l,=2.336-1.264=1.072m,竖直角为,90,-,L,+,x,735,水平距离为,D,=,K L,cos,2,=105.33m,中丝读数为,v,=(,上丝读数,+,下丝读数,)/2=1.8m,高差为,h,AB,=,D,tan,+,i-v,=+13.61m,B,点高程为,H,B,=,H,A,+,h,AB,=35.32+13.61=48.93m,第13页,4.3,电磁波测距,(,electro-magnetic distance measuring,，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，以测量两点间距离一个方法。,EDM,含有测程长、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介绍,1948,年，瑞典,AGA,(,阿嘎,),企业,(,现更名为,Geotronics,(,捷创力,),企业,),研制成功了世界上第一台电磁波测距仪，它采取白炽灯发射光波作载波，应用了大量电子管元件，仪器相当粗笨且功耗大。为避开白天太阳光对测距信号干扰，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。,第14页,与白炽灯比较，激光器优点是发散角小、大气穿透力强、传输距离远、不受白天太阳光干扰、基本上能够全天侯作业。,1967,年,AGA,企业推出了世界上第一台商品化激光测距仪,AGA-8,。该仪器采取,5mw,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。该仪器采取,2.5mw,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,。,伴随半导体技术发展，从,60,年代末,70,年代初起，采取砷化镓发光二极管作发光元件红外测距仪流行起来。,第15页,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。,因为红外光发散角比激光大，所以红外测距仪测程普通小于,15km,。,现在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无线传输方向飞速发展。,4.3.1,电磁波测距基本原理,经过测定电磁波束在待测距离上往返传输时间来计算待测距离。,第16页,其中 所以，,第17页,第18页,第19页,第20页,第21页,第22页,为光波在真空中传输速度，其准确值为,n,为大气折射率,(,n,1),，其为光波长、大气温度和气压函数。,4.3.2,电磁波测距仪分类,依据测定时间方法不一样，分为脉冲式测距仪和相位式测距仪,按载波分类：微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪,按测程分为短程测距仪,(15km,）,按精度分类：,I,级,(5mm,）、,II,级,(5mm,10mm,）、,III,级,(,10mm,20mm,）,第23页,4.3.2,相位式光电测距仪使用,1,）仪器安置,2,）开机,3,）瞄准,4,）测距和测角,第24页,第25页,1.,仪器常数更正,2.,气象更正,3.,倾斜更正,4.3.4,光电测距结果整理,第26页,4.3.5,手持激光测距仪介绍,1,连续测量按钮,2,长度测量按钮,3,面积测量按钮,4,开关按钮,5,测量按钮,6,显示器,7,显示灯按钮,8,显示激光束按钮,9,体积测量按钮,10,去除按钮,11,间接长度测量按钮,12,读取存放数据按钮,13,储存“减”操作按钮,14,储存“加”操作按钮,6,5,4,7,8,11,12,9,10,3,2,1,14,13,第27页,4.4,电子全站仪（,total station,）及其应用,4.4.1,电子全站仪概述,全站型电子速测仪简称，是指在测站上一经观察，必要,观察数据（水平角、竖直角、平距、斜距、高差、高程、坐标）,均能自动显示。如经过传输接口把全站仪野外采集数据与终端计算机、绘图仪连接起来，配以数据处理软件和绘图软件，即可实现测图自动化。,全站仪主要由控制系统、测角系统、测距、统计系统及通信系统组成。,工程建设中应用广泛（测定、测设）,4.4.2,电子全站仪基本测量功效操作概要,第28页,第29页,第30页,4.4.3,电子全站仪使用,1.,仪器安置与开关机,2.,角度测量,第31页,3.,距离测量,第32页,4.,坐标测量：设置测站坐标、测站高、后视方位角,或后视点坐标及棱镜高,第33页,第34页,5.,放样,（,1,）已知角度和距离放样,第35页,（,2,）已知坐标放样,第36页,6.,悬高测量,(REM),第37页,7.,遥距测量,(RMD),第38页,8.,任务管理器,第39页,9.,通讯,第40页,4.4.4,全站仪使用主要事项,仪器安置在三脚架上之前，应检验三脚架三个伸缩螺旋是否已旋紧，在用连接螺旋将仪器固定在三脚架上之后才能放开仪器，不要过分拧紧制动螺旋。在整个操作过程中，观察者决不能离开仪器，以防止发生意外事故。,在阳光下或阴雨天气进行作业时，应打伞遮阳、遮雨。,该仪器棱镜棱镜常数总是,0,，不论是单棱镜还是三棱镜。,凡迁站都应先关闭电源并将仪器取下装箱搬运。,禁止在开机状态下插拔电缆。,电池充电时间不能超出专用充电器要求充电时间，不然有可能将电池烧坏或者缩短电池使用寿命。,第41页,4.5,直线定向,确定地面直线与标准方向间水平夹角称为直线定向,(line orientation),。,4.5.1,标准方向分类,1.,真子午线方向,(true meridian direction),地表任一点,P,与地球旋转轴所组成平面与地球表面交线称为,P,点真子午线,(true meridian),，真子午线在,P,点切线方向称为,P,点真子午线方向。,能够应用天文测量,(astrometry),方法或者陀螺经纬仪,(gyro theodolite),来测定地表任一点真子午线方向。,2.,磁子午线方向,(magnetic meridian direction),地表任一点与地球磁场南北极连线所组成平面与地球表面交线称为点磁子午线,(magnetic meridian),，磁子午线在,第42页,点切线方向称为点,磁子午线方向。,能够应用罗盘仪,(compass),来测定，在直,线端点安置罗盘，磁针,自由静止时其轴线所指,方向即为点磁子午,线方向。,3.,坐标纵轴方向,(ordinates axis direction),过地表任一点且与其所在高斯平面直角坐标系或者假定坐标系坐标纵轴平行直线称为点坐标纵轴方向。,第43页,4.5.2,直线方向表示方法,方位角,由标准方向北端，顺时针方向量至某直线水平夹角，称为该直线方位角，改变范围：,0360,。,1.,真方位角,(true meridian azimuth),：,以真北方向为标准方向所度量方,位角；,真,2.,磁方位角,(magnetic meridian azimuth),：以磁北方向为标准方向所度量方,位角；,磁,3.,坐标方位角,(grid bearing),：以坐标纵轴北向,为标准方向所度量方位角；,N,标准方向,1,2,12,第44页,4.5.3,正、反方位角关系,任何一条直线都有正反两个方向，在直线起点量得直线方向称直线正方位角，反之在直线终点量得直线方向称直线反方位角。正反坐标方位角相差,180,。,AB,BA,180,第45页,4.5.4,三种方位角之间关系,1.,经过地面上某点磁北方向与真北方向夹角为磁偏角,(magetic declination),，用,表示。以真北方向为准，东偏为正，西偏为负。,我国磁偏角改变在,+6-10,之间。,2.,经过地面上某点坐标纵轴方向与真北方向夹角为子午线收敛角,(mapping angle),，用,表示。以真北方向为准，东偏为正，西偏为负。,3.,三种方位角之间关系,第46页,4.6,用罗盘仪测定磁方位角,4.6.1,罗盘仪结构,罗盘仪,(compass),是测量直线磁,方位角仪器，如图所表示。,第47页,当测区内没有国家控制点可用，需要在小范围内建立假定坐标系平面控制网时，可用罗盘仪测量磁方位角，作为该控制网起始边坐标方位角。,罗盘仪主要部件有磁针、刻度盘、望远镜和基座。,磁针：磁针用人造磁铁制成，磁针在度盘中心顶针尖上可自由转动。为了减轻顶针尖磨损，在不用时，可用位于底部固定螺旋升高杠杆，将磁针固定在玻璃盖上。,刻度盘：用钢或铝制成圆环，随望远镜一起转动，每隔,10,有一注记，按逆时针方向从,0,注记到,360,，最小分划为,1,或,30,。刻度盘内装有一个圆水准器或者两个相互垂直管水准器，用手控制气泡居中，使罗盘仪水平。,望远镜：与经纬仪望远镜结构基本相同，也有物镜,第48页,对光、目镜对光螺旋和十字丝分划板等，其望远镜视准轴与刻度盘,0,分划线共面。,基座：采取球臼结构，松开球臼接头螺旋，可摆动刻度盘，使水准气泡居中，度盘处于水平位置，然后拧紧接头螺旋。,4.6.2,罗盘仪测定直线磁方位角,欲测直线,AB,磁方位角，将罗盘仪安置在直线起点,A,，挂上垂球对中，松开球臼接头螺旋，用手前、后、左、右转动刻度盘，使水准器气泡居中，拧紧球臼接头螺旋，使仪器处于对中和整平状态。松开磁针固定螺旋，让它自由转动，然后转动罗盘，用望远镜照准,B,点标志，待磁针静止后，按磁针北端,(,普通为黑色一端,),所指度盘分划值读数，即为,AB,边磁方位角角值，如图所表示。,使用时，要避开高压电线和防止铁质物体靠近罗盘，在测量结束后，要旋紧固定螺旋将磁针固定。,第49页,补充知识,陀螺经纬仪,陀螺经纬仪与真方位角测定,一、陀螺仪（,gyroscope,）定向原理,由物理学可知，一个对称刚性转子（见图）转动惯量,J,定义为,式中，,r,为质点到转轴垂直距离；,dm,为刚体上每一质点质量。,当转子以角速度 绕其对称轴,X,旋,转时，其转动惯量 为,第50页,假如转子质量大部分集中在其边缘，当转子高速旋转时，就能够形成很大转动惯量,H,。它有两个特征：,1.,在没有外力矩作用下，转子旋转轴,X,在宇宙空间中保持不变，即定轴性；,2.,在外力矩作用下，转子旋转轴,X,方位将向外力矩作用方向发生改变，这种运动称为“进动”。,陀螺仪定向，就是利用陀螺仪转子上述两个特征进行。,二、陀螺经纬仪结构,图是国产,JT15,陀螺经纬仪,(gyro theodolite),结构图；使用它测定地面任一点真子午线方向精度能够到达,15,。,第51页,陀螺经纬仪由,DJ6,经纬仪和陀螺仪组成，陀螺仪安装在,DJ6,经纬仪上连接支架上。,陀螺仪由摆动系统、观察系统和锁紧限幅机构组成。,第52页,1.,摆动系统：包含悬吊带、导线、转子,(,马达,),、转子底盘等，它们是整个陀螺仪灵敏部件。转子要求运转平稳，重心要经过悬吊带对称轴，能够经过转子底盘上六个螺钉进行调整。悬吊带采取特种合金材料制成，断面尺寸为,0.560.03mm,，拉断力为,2.4kg,，实际荷重为,0.78kg,。,2.,观察系统：是用来观察摆动系统工作情况。照明灯泡将灵敏部件上双线光标照亮，经过成像透镜组使双线光标成像在分划板上，方便在观察窗中观察。,3.,锁紧限幅机构：包含凸轮、限幅盘、转子底盘、锁紧圈，用凸轮使限幅盘沿导向轴向上滑动，使限幅盘托起转子底盘靠在与支架连接锁紧圈上。限幅盘上三个泡沫塑料块在下放转子部分时，能起到缓冲和摩擦限幅作用。,第53页,三、陀螺经纬仪操作方法,陀螺仪转子额定旋转速度,21500,转,/,分，能够形成很大内力矩，假如操作不正确，很轻易毁坏仪器，所以，正确使用陀螺仪非常主要。,在需要测定真子午线方向点上安置好经纬仪后，应按以下步骤操作陀螺经纬仪：,1.,粗定向：将仪器附带罗盘仪安装在支架上定位盘上，旋转经纬仪照准部，使视线方向指向近似真子午线北方向,(,误差,12,),，将经纬仪水平微动螺旋旋至行程中间位置，制动照准部，取下罗盘仪。,2.,安置陀螺仪：将陀螺仪安装到支架上定位盘上，旋紧固连螺环，接好电源线，打开电源开关，开启陀螺转子，,第54页,信号灯亮，当其转速到达额定转速后,(,大约需要,3,分钟,),信号灯熄灭,(,有些仪器是信号灯颜色改变，详细参见仪器使用手册,),。迟缓旋松锁紧机构，将摆动系统平稳放下，在陀螺仪观察窗中观察陀螺进动方向和速度，假如陀螺进动速度很慢，就能够开始进行观察。观察方法有逆转点法和中天法。,3.,观察完成后，要先旋紧锁紧机构，将摆动系统托起，才能关闭电源，拔掉电源线。待陀螺仪转子完全停顿转动以后才允许卸下陀螺仪装箱。,四、,陀螺经纬仪观察方法,1.,逆转点法,(reversal points method),陀螺仪转轴在东、西两处反转位置称逆转点。,第55页,逆转点法实质就是经过旋转经纬仪水平微动螺旋，在陀螺仪观察窗中，用零线指标线跟踪双线光标影像，当摆动系统抵达逆转点时，在经纬仪读数窗中读取水平度盘读数,(,称为逆转点读数,),。,2.,中天法（,transit method,）,第56页,日本索佳企业生产两种陀螺全站仪,AGP1,全自动陀螺仪,它由马达驱动全站仪和陀螺仪组成，观察前无须罗盘确定近似北方向，只需随意将仪器架设在特定脚架上，按一下键，其电子马达即驱动仪器自开工作，并在屏幕上显示真北方向数据。陀螺部分重量为,10.4kg,。依据所需精度不一样，提供三种测量模式：,模式,1,：真方位角观察中误差为,6,，观察时间,10,分钟；,模式,2,：真方位角观察中误差为,32,，观察时间,2,分钟；,第57页,模式,3,：真方位角观察中误差为,16,，观察时间,4,分钟；,当影响测量结果改变，如温度改变、位移等发生时，警示灯发出警告，以确保测量结果可靠性。仪器包含一台经改进与陀螺仪配套全站仪。,GP1-2A,自动陀螺式全站仪,仪器特点是测量过程无须手工统计、记时或计算。全部工作经过对配套全站仪键盘或者,SF10,外接键盘简单操作完成。真方位角观察中误差为,20,，观察时间约,20,分钟，陀螺部分重量为,3.8kg,。,第58页,延伸知识北京中轴线,北京中轴线有着七百三十年历史，其并非想象中正南正北，而是逆时针偏离子午线两度十几分。北京中轴线南起永定门，往北经过正阳门、紫禁城、景山、钟楼、鼓楼，全长大约七点七公里。由此造成距永定门北六公里多地安门向西偏离子午线二百多米，距永定门北约八公里鼓楼向西偏离子午线近三百米。北京中轴线偏斜可能有以下原因：之一因中轴线建于元代，主持兴建汉臣刘秉中、郭守敬有意弄偏，以此反抗元朝统治；之二可能是采取磁针定位法，造成了技术上误差；这两种说法都不可信。之三可能因为自然原因破坏；之四是最有说服力，北京中轴线往北延伸后直指忽必烈建立元上都,古开平（,1230,年），其遗址位于蒙锡林郭勒盟正蓝旗上都镇东北面。依据卫星定位仪测量元上都遗址中从北京延伸过来中轴线只差一分经度，即几百米误差，而北京距正蓝旗直线距离二百七十公里，鉴于当初测量精度，这么误差还是很小。,第59页,
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