cheep测量.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,距离测量,距离测量,钢尺量距（,Steel Taping,）,视距测量,电磁波测距（,Electromagnetic Distance Measurement,EDM,）,直线定向,一般介绍,在工程测量中使用三种距离：,斜距（,slope distance,）,水平距离（,horizontal distance,）,垂直距离或高差（,vertical distance,height difference),高差,h,A,B,平距,D=,Lcosa,过,A,点的水平面,过,B,点的水平面,垂距,v,斜距,L,a,钢尺量距（,Steel taping,），精度,1/2000 1/5000,视距法测距（,Stadia,tacheometry,），精度,1/200 1/300,电磁波测距（,Electromagnetic distance measurement,EDM),，高精度,三种距离测量方法,钢尺量距,视距法测距,反光镜,Reflecting Prism(Reflector),A,B,Distance?,电磁波测距,全站仪测距,Total station,Dept.SE,SWJTU,钢尺量距,Steel Taping,内容提要（,Outline,）,钢尺与量距辅助工具,尺长方程及其检定,丈量方法,成果处理,距离三项改正,钢尺量距误差分析,量距尺,（,Tapes,）,两种量距尺,(length:20 m,30 m,or 50 m),塑料尺（,Plastic tapes,）,钢尺 （,Steel tapes,）,相比于塑料尺，钢尺有以下优点,受温度和拉力,(tension),的影响小,使用寿命,(lifetime),更长,量距一般使用钢尺，而不使用塑料尺,钢尺量距操作较复杂，不易取得高精度的结果，相比于电磁波测距，钢尺量距精度相对偏低,Plastic tape,Steel tape,端点尺,刻划尺,钢尺量距辅助工具,（,Subsidiary Tools,）,花杆（,Ranging rod,）,测钎（,Marking arrow,）,锤球（,Plumb bob,）,钢尺使用应注意几点,野外测量（,Fieldwork,）开始之前，应查看并弄清钢尺的零点处、刻度及标注（,Graduations,）,所有钢尺具有名义长度（,Nominal length,）,精密量距要求钢尺必须具有经检定所得到的,尺长方程,（,Tape,standardisation,formula,）,每隔一段时间，应作尺长检定，以得到新的尺长方程,为什么要检定尺长方程？,在不同的使用条件下，同一把钢尺的长度会随之发生变化，这些影响因素包括,量距时的外界温度 （,热膨冷缩,）,量距时作用在钢尺的拉力（,应力作用,）,其它外界环境变化,基于尺长方程，我们可以对量距结果进行改化（,Correction,），以提高量距精度,尺长方程的形式,l,t,=,钢尺在,t,C,时的实际长度（,Actual length,）,l,0,=,钢尺标准的总长度，即名义长度（,Nominal length,）,l,=,在标准温度,t,0,C,时的尺长改正数（,Correction,）,t,=,丈量时的温度,(,C,),t,0,=,钢尺的标准温度，一般为,20C,a,=,钢尺线膨胀系数（,Coefficient of expansion of the tape material,），一般取,1.2510,-5,/C,),无拉力因素，要求在量距时使用与鉴定时相同的标准拉力,如何得到钢尺的尺长方程,?,方法一：与标准尺比长,待检定尺与标准尺具有相同的名义长度（如,30m,）,将它们并排放在地面上（或悬空比较），两尺始端施加标准拉力（如,98 N,），并将两尺终端对齐，则可在始端的零分划处读出两尺的差值；用温度计测定现场温度,计算待检尺的尺长方程,标准尺（,Reference tape,）,待检尺（,Servicing tape,）,30m,方法二：与已知基线比长,基线的精确长度已知,以精密丈量的方法，用待检钢尺测定基线的名义长度（丈量时对钢尺施加标准拉力）,用温度计测定现场温度,计算待检尺的尺长方程,A,B,基线长如,120.454m,实例一,已知标准尺尺长方程,待检尺尺长方程推算,在,24,C,时，待检尺的长度为,施加的标准拉力,=98 N,现场温度,=24,c,0.007 m,标准尺,待检尺,30m,标准温度为,20C,实例二,问题：,已知基线长为,120.454m,，用,30m,的待检钢尺、在,28C,的现场温度条件下施加标准拉力精密量得基线长为,120.432m,，,求待检尺的尺长方程,待检尺在,28C,时的尺长改正为,则：在,20C,时待检尺的尺长改正为,故待检尺的尺长方程为,丈量方法,（,Measurement Methodology,）,从精度要求来看,低精度丈量（无须严格的距离改正）,高精度丈量 （基于尺长方程，需要进行尺长、温度、倾斜等多项改正）,从距离长短来看,直接丈量（,Direct measurement,），被量距离,=,钢尺长度，需要使用肉眼或经纬仪（,Theodolite,）来定线（,Alignment,）,借助经纬仪定线,肉眼定线,总距离,=,nl+l,l:,钢尺整尺长度,l,:,不足整尺段长度,l,l,如,l,=30 m,l=,10 m,L=330+10=100 m,分段丈量,在坡度较大的斜坡上量距,借助垂球，可将整尺段分成若干个小段,“斜坡拉链法”：使用经纬仪和花杆，量出斜距,S,i,和竖直角,a,i,成果处理,距离三项改正,尺长改正（,Correction for nominal tape length,）,l,d,温度改正（,Correction for field temperature,）,l,t,倾斜改正（,Correction for slope,）,l,h,因此，水平距离：,d,=,l,+,l,d,+l,t,+,l,h,注意：,因量距时，使用与钢尺检定时采用的相同标准拉力如,98N,，,故无须拉力（,tension,）改正，此外，钢尺的悬曲（,Catenary,）,改正也被忽略,尺长改正,(,L,d,),尺长改正数,所量的初始距离,钢尺名义长度,Dept.SE,SWJTU,温度改正,(,L,t,),标准温度,如,20,C,所量的初始距离,野外温度,膨胀系数,1.2510,-5,/C,Dept.SE,SWJTU,温度改正,(,L,t,),标准温度,如,20,C,所量的初始距离,野外温度,膨胀系数,1.2510-5/C,距离三项改正实例,观测数据,钢尺尺长方程,(T,s,=98 N,t,0,=20,c,):,Line,Length measured,Slope angle,Mean temperature,AB,125.389 m,340,5,c,A,B,求解,（,Solution,）,尺长改正，,温度改正,倾斜改正,故水平距离：,钢尺量距的误差分析,钢尺量距看似简单，但实际操作复杂，没有好的经验，量距精度将受很大影响,误差来源,尺长误差：,具有累积作用，当尺长误差小于尺长的,1/10000,时，可不进行改正，否则，应作尺长改正,钢尺不水平引起的误差：,使距离量大,定线误差：,非直线，而为曲线，使距离量大,拉力误差：,大于或小于标准拉力时，使距离量小或量大，与标准拉力相差,62N,时，对尺长影响为,1/10000,钢尺量距的误差分析（续）,误差来源（续）,温度变化引起的误差：,当温度变化为,8C,时，可使尺长变变化,1/10000,对点与投点误差：,具有较强的偶然性,风的影响：,风吹可使钢尺旁向弯曲，这种影响将距离量长，误差具有累积性质,计错整尺段数、读错数、记录错误等,五、钢尺量距的成果整理,S,量得,s=234.943m;t=27.4;h=2.54m,4-2,视距测量,视 距 测 量,视距测量,利用测量望远镜的视距丝，间接测定,距离和高差的方法。,优点,：,测量速度快，不受地,形限制。,不足,：,精度低，距离相对误,差一般约为,1/300,，高,差一般为分米级。,用途,：,主要用于地形图测绘,(,地形点的距离与高差,),。,视距测量一、视线水平时,十字丝板上有两根视距丝，它们在物镜光心处的张角,基本是不变的。两根视距丝在物方象的间距与距离成正比,f,D,n,一般制作仪器时令,视距测量,一、视线水平时,f,D,n,1.,视距公式：,(4-3-1),(4-3-3),2.,高差公式：,(4-3-4)一.视线水平时视距测量公式,i,v,1,v,2,h,1,h,2,a,1,a,2,b,1,b,2,n,b,二、视线倾斜时,h,i,a,l,D,由于视线与水准尺不垂直,n,a,b,a,a ,b,b ,n,n,S,n,b,二、视线倾斜时,h,i,a,l,D,由于视线与水准尺不垂直,n,a,b,S,v,i,h,一,.,方位角定义,一,.,方位角的定义,方位角,从标准方向起，顺时针量到直线所成的,夹角。从,0,360,。,简称：方向角,地面同一直线，由,于起始的标准方向,不同，其方位角的,名称和数值也不同。,标准方向 方位角名称 测定方法,真北方向,(,真子午线方向,),真方位角,A,天文方法测定,磁北方向,(,磁子午线方向,),磁方位角,Am,罗盘仪测定,坐标纵轴,(,中央,子午线方向,),坐标方位角,计算而得,标准方向,O,P,P,O,真北,A,磁北,Am,坐标纵轴,1.,正反方向角,二,.,坐标方位角,X,Y,A,B,AB,BA,AB,BA,=,AB,180,例,1,已知,CD,=,78,2024,，,JK,=,326,1230,，,求,DC,，,KJ,：,解：,DC,=,258,2024,KJ,=,146,12,30,1.,正反方向角,2.,方向角与象限角的关系,2.,方向角与象限角的关系,0,X,Y,(2),方向角与象限角的关系,(,表,7-9),第,象限,=R,第,象限,=180,-,|R|=180,+,R,第,象限,=180,+R,第,象限,=360,-|,R|,=360,+,R,P,1,R,1,1,P,2,R,2,2,P,3,R,3,3,P,4,R,4,4,(1),象限角,直线与,X,轴的夹角，,R=0,90,。,2.,方向角与象限角的关系,2.,方向角与象限角的关系,0,X,Y,(2),方向角与象限角的关系,(,表,7-9),第,象限,=R,第,象限,=180,-,R,第,象限,=180,+R,第,象限,=360,-,R,P,1,R,1,1,P,2,R,2,2,P,3,R,3,3,P,4,R,4,4,(1),象限角,直线与,X,轴的夹角，,R=0,90,。,三直角坐标与极坐标换算,三,.,直角坐标与极坐标的换算,D,12,12,1,2,X,y,0,X,12,Y,12,2.,已知两点的极坐标关系，求它,们的直角坐标关系,(,坐标正算,),：,X,12,=,D,12,cos,12,Y,12,=,D,12,sin,12,(7-2-3),3.,已知两点的直角,坐标关系，求它,们的极坐标关系,(,坐标反算,),：,(7-2-5),(7-2-6),1.,在坐标系中表示两个点的关系：,极坐标表示：,D,12,，,12,；,直角坐标表示：,X,12,，,Y,12,(X,12,=X,2,-X,1,，,Y,12,=Y,2,-Y,1,),4.3,电磁波测距,E,lectromagnetic,D,istance,M,easurement,（,EDM,）,内容提要（,Outline,）,电磁波测距原理,测距仪检测,数据处理,全站仪介绍,电磁波测距误差分析,背景,（,Backgrounds,）,“电磁波测距（,Electromagnetic Distance Measurement,EDM,）”的概念是由瑞典的,Geodimeter,Inc.,公司于上世纪,50,年代率先提出来的,电磁波测距仪（,EDM instruments,）的出现，使距离测量变得更容易、更精确（相对于钢尺测距来说）,早期的测距仪体积庞大、笨重、复杂、昂贵,随微电子与计算机技术的发展，测距仪变得轻巧、性能大为改善、价格逐渐降低，目前其应用已相当普遍,反光镜,Reflecting Prism(Reflector),电磁波往返传播,Rotatable,Tribrach,-mounted,Pole-mounted,反射棱镜,测距仪分类,按测距方式分,脉冲式，以激光（,Laser,）作光源,相位式，以红外光（,Infrared light,）作光源，近来还出现了以微波（,Microwave,）作能源的微波测距仪,脉冲,相位式,按最大测程（,Maximum range,）分,短程：,3km,以来；,中程：,315km,远程：,15100km,；,超远程：,100km,按构造分,组合式（测距仪,+,经纬仪）；,整体式（全站仪）,组合式：测距头,+,经纬仪,Liquid Crystal Display(LCD),Function Keys,Joints used to mount on a,theodolite,组合式,实例,测距头,（,EDM Instrument,）,光学,经纬仪,（,Optical,theodolite,）,功能键盘,电缆,（,Cable,）,电池,发光与接收轴,液晶显示器,望远镜视准轴,Total Station,(,全站仪,),-,电子经纬仪与测距仪的无逢结合（,seamless integration,）,一体化式：全站仪,北京博飞仪器公司,视准轴,发光轴与接收轴三轴同轴,在工程测量中，经常使用的是中、短程、以,红外光作光源的相位式测距仪,因相位式测距仪的体积小、重量轻、测距精度高，在土木工程勘测中已被广泛使用，,下面将重点介绍相位式测距仪的基本原理,相位式测距原理,电磁波基本知识回顾,传播方向,x,y,光速,，约为,310,8,m/s,波长,（,m,）,频率,（周,/,秒，,Hz,）,基于时间测距的弱点,通过测量光波往返传播时间，距离可如下确定,D,=,待测距离,c,=,光速,(3,10,5,km/s),t,=,双程传播时间,(,如果测时精度为,110,-7,s,则距离误差为,15m,),D=ct/,2,因此,，测距仪采用间接测量时间的相位式测距法,相位式测距仪一般使用调制光波,测距波,(,Measuring wave,),，低频信号,载波,(,Carrier wave,),，高频信号,调制波,(,Carrier wave modulated by measuring wave,),如：砷化镓二极管产生近红外光，易于调制,DC source,为什么要采用调制光波呢,?,低频波在大气中传输时、信号衰减,(Signal attenuation),较严重，为防止过分衰减，可通过,显著加大发射器的尺寸（,a huge-size transmitter,）,或增加发射能量（,high power of transmitter,）,高频波信号衰减较轻，但相位量测不准确,为便于相位量测与保证回波信号强度，且降低仪器体积与制造成本，合理的解决方案是：,调制（高频波搭载低频测距波）,发射,返回,解调（提取出低频测距波）,相位式测距的本质,通过测量光波发射时与返回时的相位差或者说相位延迟，距离可被确定,:,可测相位延迟,(,小于,2,的相位,),n:,整波长个数,(,未知整数，,ambiguous integer),测距仪,反光镜,R,D,S,相位式测距与钢尺量距类似吗？,l,l,总距离,=,nl+l,l:,钢尺整尺长度,l,:,不足整尺段长度,可测相位延迟检测基本流程,Carrier source,(,砷化镓二极管,),Modulator,(,调制器,),Transmitter,(,发射器,),Modulation oscillator(,测距波,),Receiver,(,接收器,),Demodulator,(,解调器,),Phase comparison,(,比相器,),Resolve ambiguity,Display distance,10m,2m,1m,10cm,1cm,测距精度,15KHz,75KHz,150KHz,1,.,5MHz,15MHz,测尺频率（,f,）,10km,2km,1km,100m,10m,测尺长度,测尺长度与测距精度,为了解决扩大测程与提高精度的矛盾，目前的测距仪一般采用两个调制频率，即两把“光尺”进行测距。用长测尺（称为,粗尺,）测定距离的大数，以满足测程的需要；用短测尺（称为,精尺,）测定距离的尾数，以保证测距的精度。将两者结果衔接组合起来，就是最后的距离值，并自动显示出来。,如何确定整波长个数？,此问题也被称为整周模糊度（,Ambiguity,）确定问题,相位式测距仪靠发射多种频率（,Multi-frequency,）的测距波来解决模糊度问题,高频测距波,负责测定微小距离，精测尺,低频测距波,负责测定较大距离，粗测尺,实际上，多频率或称为多尺度的概念应用很广泛，如我们的手表就是一个典型的例子,时针,走得最慢，测大数（小时）,分针,走得较快，测相对小的数（分）,秒针,走得最快，测最小的数（秒）,Think over,多频率测距举例,一段距离使用了两种频率来测定,f,1,=15 MHz,f,2,=150 KHz,如果各频率上所得到的可测相位延迟分别为：,n,1,=0.698,（周）,n,2,=0.387,（周）,问题：,已知要测定的距离小于,1km,，准确距离到底是多少呢,?,求解,对于粗测尺：,f,2,=150 KHz,2,/2=1 km,因为待定距离,1km,则,n,2,=0,因为,n,2,=0.387,，则粗测距离,=0.3871000=387m,对于精测尺：,f,1,=15 MHz,1,/2=10 m,n,1,未知,因为,n,1,=0.698,，则精测距离,=0.69810=6.98m,D,光电测距仪检测,检测项目,三轴（视准轴、发光轴、接收轴）三轴的平行性,加常数与乘常数,周期误差（不显著，一般不考虑）,注意：,加常数,测距仪发射,/,接收中心与经纬仪中心不重合、反光镜中心与其支撑杆或脚架铅垂中心不重合等因素引起测距误差，此种误差与所测距离长短无关，具有固定特性,乘常数,光速值、调制频率、大气折射等因素引起测尺长度不准确，由此引入的测距误差与所测距离长短有关，具有比例特性,三轴不平行性检测检校方法,将单块反射棱镜安置在至少,100m,处，先使望远镜的十字丝照准标志中心,记下电流计指针摆动的位置或显示窗口中显示的反射信号强度,然后转动经纬仪的微动螺旋，使望远镜左右及上下移动，若电流计指针继续向大的位置摆动或反射信号强度增加，说明三轴不平行,校正时，对于组合式仪器，须调整望远镜十字丝分化板中心，对于全站仪，须送专业检修部门,加常数与乘常数的检测,六段基线全组合比较法，采用一元线性回归求解加、乘常数,0,1,2,3,4,5,6,a,=,加常数，有时也以,K,表示,b,=,乘常数，有时也以,R,表示,x,i,=,各段已知基线长,y,i,=,各段观测距离与基线长之差,n,=,基线段总数，为,21,=,为,x,i,、,y,i,的平均值,71,观测成果处理,光电测距观测数据与环境参数,斜距,:,S,倾斜角,:,温度与气压,:,t,and,pS,A,B,D=?,实例,全站仪,TC1610,S,=1578.567m,p,=910(10,2,Pa),t,=25,C,=+15,30,00,;,a,=+2mm,b,=+2.510,-6,水平距离,=?,S,A,B,D=?,气象改正（,Correction for atmospheric effects,）,加常数与乘常数改正（,Corrections for addition and multiplication constants,）,求解,(Contd),改正后的斜距（,Slope distance corrected,）,AB,点间水平距离（,Horizontal distance光电测距误差分析,距离表达式与误差源,K,=,仪器加常数,c,0,=,真空光速,n,g,=,大气折射率,比例误差,：,由,c,0,、,n,g,、,f,的误差引起的测距误差与,D,成正比,固定误差,：,由,及,K,的误差引起的测距误差与,D,成无关,其它误差：对中误差、照准误差、反射镜倾斜误差、周期误差等,光电测距精度评定,测距精度：一般是指经过加常数和乘常数改正之后的观测精度,影响测距精度的主要因素为常数的测定误差和观测误差，测距精度可按下式计算,其中,：,m,D,=,测距中误差；,m,K,=,加常数检测中误差；,m,R,=,乘常数,R,的检测中误差；,m,d,=,观测中误差,光电测距精度评定（续）,测距仪标称精度：是指仪器未经加常数、乘常数改正的测距精度，它表征了某一类测距仪的整体精度，在仪器说明书常以下式表示,其中,：,A,=,与距离无关的固定误差,B,=,与距离长度有关的比例误差系数（即,mm/km,）,如：,TC1610,的标称精度为：,又称全站型电子速测仪,(ELECTRONIC),4,.4.1,定义及分类,一、定义,能同时测定距离、角度、高差的仪器。,二、分类,按结构分类如下,4.4,全站仪（,Total Stations,）,相对于组合式测距仪，全站仪具有显著的技术优势,因三轴合一，仪器结构更紧凑,使测距、测角结果自动显示,仪器操作简便,内置微处理器和相关软件包通过全站仪的操作键盘完成相关计算，如相关改正、水平距离计算、高差计算、三维坐标计算等,可与计算机通讯、进行数据传输,已在线路勘测、土木工程放样等中广泛采用,博飞,Leica,Leica,Topcon,Nikon,1,、精度,2,、测程 单棱镜,3000,m,多棱镜,4000,m,3,、最小测距时间 （精测、粗测、跟踪）,4,、工作环境,(,防水、防尘、温度等,),4,.4.2,主要技术指标,1,、角度模式（左、右角，零方向，对度盘、水平角、竖直角等）,2,、距离测量模式,（,1,）,常数设置，气象改正数设置,（,2,）精测、粗测、距离跟踪方式的选择,（,3,）施工放样值设定及测设,（,4,）同时完成角度、距离、高差测量,3,、坐标测量模式,4,、特殊模式（菜单模式），又称为,“,仪器内部程序测量模式,”,4,.4.3,全站仪测量模式,悬高测量、对边测量、支导线测量等,1,、全站仪与棱镜安置,2,、开机（检查电池电量）,3,、选择测角、测距模式,4,、输入棱镜常数,5,、输入仪器加、乘常数,6,、输入气象改正参数,-,自动完成气象改正,7,、输入仪器高与棱镜高,-,自动完成倾斜改正,4,.4.4,全站仪操作,1,、全站仪每年按规定必须送仪器检定中心进行仪器检验,主要项目有,2,、阳光下作业要打伞遮阳,3,、防止仪器淋雨、进水,4,、尽可能避开高压线、变电站等强电场干扰源,4,.4.5,全站仪使用注意事项,5,、搬站一定关机、装箱，不可以带脚架搬站,6,、运输和存储过程中应防震、防潮、防高温,7,、电池要注意及时充电，仪器不用时，将电,池分开存放。,