第 04 章 距离测量与直线定向.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,4,章 距离测量与直线定向,距离测量,(,distance measurement),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。本章重点介绍前三种距离测量方法，,GPS,测量在第,8,章介绍。,4.1,钢尺量距,(1),量距工具,1),钢尺,(,steel tape),钢尺是用钢制成的带状尺，尺的宽度约,10,15,mm,，,厚度约,0.4,mm,，,长度有,20,m,、,30 m,、,50 m,等几种。,钢尺有卷放在圆盘形的尺壳内的，也有卷放在金属尺架上的，如图,4-1,所示。钢尺的基本分划为厘米，在每厘米、每分米及每米处印有数字注记。,根据零点位置的不同，钢尺有端点尺和刻划尺两种。端点尺是以尺的最外端作为尺的零点，如图,4-2,a,所示；刻线尺是以尺前端的一刻线作为尺的零点，如图,4-2,b,所示。,2),其它辅助工具,测钎,(,measuring rod),标杆,(,measuring bar),垂球,(,plumb bob),精密量距时还需要,弹簧秤,温度计,尺夹。,测钎用于标定尺段，标杆用于直线定线，垂球用于在不平坦地面丈量时将钢尺的端点垂直投影到地面，弹簧秤用于对钢尺施加规定的拉力，温度计用于测定钢尺量距时的温度，以便对钢尺丈量的距离施加温度改正，尺夹用于安装在钢尺末端，以方便持尺员稳定钢尺。,1),目测定线,目测定线适用于钢尺量距的一般方法。,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,点。,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,、,2,、,B,三支标杆成一条线为止。,同法可以定出直线上的其他点。两点间定线，一般应由远到近，即先定,1,点，再定,2,点。,定线时，乙所持标杆应竖直，利用食指和姆指夹住标杆的上部，稍微提起，利用重心使标杆自然竖直。此外，为了不挡住甲的视线，乙应持标杆站立在直线方向的左侧或右侧。,2),经纬仪定线,经纬仪定线适用于钢尺量距的精密方法。,设,A,、,B,两点互相通视，将经纬仪安置在,A,点，用望远镜纵丝瞄准,B,点，制动照准部，望远镜上下转动，指挥在两点间某一点上的助手，左右移动标杆，直至标杆像为纵丝所平分。,为减小照准误差，精密定线时，可以用直径更细的测钎或垂球线代替标杆。,(3),钢尺量距的一般方法,1),平坦地面的距离丈量,丈量工作一般由两人进行。,清除待量直线上的障碍物后，在直线两端点,A,、,B,竖立标杆，后尺手持钢尺的零端位于,A,点，前尺手持钢尺的末端和一组测钎沿,AB,方向前进，行至一个尺段处停下。,后尺手用手势指挥前尺手将钢尺拉在,AB,直线上，,后尺手将钢尺的零点对准,A,点，当两人同时把钢尺拉紧后，前尺手在钢尺末端的整尺段长分划处竖直插下一根测钎,(,如果在水泥地面上丈量插不下测钎时，也可以用粉笔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,AB,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，则最后,A,、,B,两点间的水平距离为,2),倾斜地面的距离丈量,平量法,沿倾斜地面丈量距离，当地势起伏不大时，可将钢尺拉平丈量。,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,ij,段。,(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,1/10001/5000,，当要求量距的相对误差更小时，例如,1/100001/40000,，这就要求用精密方法进行丈量。,精密方法量距的主要工具为：钢尺、弹簧秤、温度计、尺夹等。其中钢尺必须经过检验，并得到其检定的尺长方程式。,随着电磁波测距仪的逐渐普及，现在，测量人员已经很少使用钢尺精密方法丈量距离，需要了解这方面内容的读者请参考有关的书籍。,(5),钢尺量距的误差分析及注意事项,1),钢尺量距的误差分析,钢尺量距的主要误差来源有下列几种：,尺长误差,如果钢尺的名义长度和实际长度不符，则产生尺长误差。尺长误差是积累的，丈量的距离越长，误差越大。因此新购置的钢尺必须经过检定，测出其尺长改正值。,温度误差,钢尺的长度随温度而变化，当丈量时的温度与钢尺检定时的标准温度不一致时，将产生温度误差。按照钢的膨胀系数计算，温度每变化,1,，丈量距离为,30,m,时对距离影响为,0.4,mm,。,钢尺倾斜和垂曲误差,在高低不平的地面上采用钢尺水平法量距时，钢尺不水平或中间下垂而成曲线时，都会使量得的长度比实际要大。因此丈量时必须注意钢尺水平，整尺段悬空时，中间应有人托住钢尺，否则会产生不容忽视的垂曲误差。,定线误差,丈量时钢尺没有准确地放在所量距离的直线方向上，使所量距离不是直线而是一组折线，造成丈量结果偏大，这种误差称为定线误差。丈量,30,m,的距离，当偏差为,0.25,m,时，量距偏大,1,mm,。,拉力误差,钢尺在丈量时所受拉力应与检定时的拉力相同。若拉力变化,2.6,kg,，,尺长将改变,1,mm,。,丈量误差,丈量时在地面上标志尺端点位置处插测钎不准，前、后尺手配合不佳，余长读数不准等都会引起丈量误差，这种误差对丈量结果的影响可正可负，大小不定。在丈量中要尽力做到对点准确，配合协调。,2),钢尺的维护,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。,钢尺易折断，如果钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。,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。,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。,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。,4.2,视距测量,(,stadia,measurement),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。,(1),视准轴水平时的视距计算公式,如图,4-9,所示，,AB,为待测距离，在,A,点安置经纬仪，,B,点竖立视距尺，设望远镜视线水平，瞄准,B,点的视距尺，此时视线与视距尺垂直。,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。,4.3.1,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5,mw,的氦,-,氖激光器作发光元件，白天测程为,40,km,，,夜间测程达,60,km,，,测距精度,(5,mm+1ppm),，,主机重量,23,kg,。,我国的武汉地震大队也于,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,2.5,mw,的氦,-,氖激光器作发光元件，白天测程为,20,km,，,测距精度,(5,mm+1ppm),，,主机重量,16.3,kg,。,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逐渐在世界上流行起来。,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,15,km,。,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。,电磁波测距仪按其所采用的载波可分为：,用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪,(,microwave EDM instrument),；,用激光作为载波的激光测距仪,(,laser EDM instrument),；,用红外光作为载波的红外测距仪,(,infrared EDM instrument),，,后两者又统称为光电测距仪。微波和激光测距仪多属于长程测距，测程可达,60,km,，,一般用于大地测量，,而红外测距仪属于中、短程测距仪,(,测程为,15,km,以下,),，一般用于小地区控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。,本节主要介绍光电测距仪的基本原理和测距方法。,4.3.3,红外测距仪及其使用,红外测距仪按其照准目标的方式可以分成带望远镜和不带望远镜的两种。,图,4-15,是南方测绘公司生产的,ND3000,红外相位式测距仪，,它自带望远镜，望远镜的视准轴、发射光轴和接收光轴同轴，,有垂直制动螺旋和微动螺旋，可以安装在光学经纬仪上或电子经纬仪上。,测距时，测距仪瞄准棱镜测距，经纬仪瞄准棱镜测量竖直角，,通过测距仪面板上的键盘，将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中，,可以计算出水平距离和高差。,图,4-16,为与仪器配套的棱镜对中杆与支架，它用于放样测量非常方便。,图,4-17,是徕卡公司生产的,DI1000,红外相位式测距仪，,它不带望远镜，发射光轴和接收光轴是分立的，,仪器通过专用连接装置安装到徕卡公司生产的光学经纬仪或电子经纬仪上。,测距时，当经纬仪的望远镜瞄准棱镜下的照准觇牌时，,测距仪的发射光轴就瞄准了棱镜，,使用仪器的附加键盘将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中，,即可计算出水平距离和高差。,(1),DI1000,的主要技术指标,1),红外光源波长：,0.865,m,2),测尺长及对应的调制频率,精测尺长,=20,m,，,f,=7.492700MHz,粗测尺长,=2000,m,，,f,=74.92700kHz,3),测程：,800,m(,单棱镜,),1600,m(,三棱镜,),4),标称精度：正常测距,(,按图,4-18,的“,DIST”,键,),为,(5,mm+5ppm),跟踪测距,(,按图,4-18,的“,TRK”,键,),为,(10,mm+5ppm),5),测量时间：正常测距,4.5,s10s,跟踪测距 初始测距,3,s,，,以后每次测距,0.3,s,6),显示：带有灯光照明的,7,位数字液晶显示，最小显示距离,1,mm,7),工作温度范围：,-20+50,储存温度范围：,-40+70,8),功率消耗：开机但不测距时,1,W(0.09A/12V),测距或测试时,2.4,W(0.2A/12V),9),供电：镍镉,(,NiCd,),可充电电池，,12,V,直流电，在电池充满电,(,电池用完后必须连续充电,14,个小时,),的情况下,GEB76,迷你电池，容量,0.5,Ah,，,重,0.4,kg,，,可以连续测距,500,次或者连续测距,8,个小时,(,假设每分钟测距一次,),(4),测相误差,测相误差包括自动数字测相系统的误差，,测距信号在大气传输中的信噪比误差,信噪比为接收到的测距信号强度与大气中杂散光的强度之比,前者决定于测距仪的性能与精度，后者与测距时的自然环境有关，,例如空气的透明程度、干扰因素的多少、视线离地面及障碍物的远近。,(5),仪器对中误差,光电测距是测定测距仪中心至棱镜中心的距离，,因此仪器对中误差包括测距仪的对中误差和棱镜的对中误差。,用经过校准的光学对中器对中，此项误差一般不大于,2,mm,。,4.3.5,光电测距仪使用注意事项,(1),红外测距仪是使用镍镉可充电电池作为供电电源，,由于镍镉电池具有记忆效应，所以一定要确认电池的电量已经全部用完后,才可以充电，否则电池的容量会逐渐减小而损坏电池；,(2),光电测距仪属于精密贵重仪器，运输、携带、装卸、操作过程中,都必须十分小心。运输和携带中要防震、防潮，装卸和操作中要注意连接牢固、,电源插接正确、严格按操作程序使用仪器，搬站时必须将仪器装箱。,(3),有阳光的天气必须撑伞保护仪器，在通电作业时，,严防阳光及其它强光直射接收物镜，更不能将接收物镜对准太阳，,以免损坏接收镜内的光敏二极管。,(4),设置测站时要避免强电磁场的干扰，例如在变压器、高压线附近不宜设站。,(5),气象条件对光电测距有较大的影响。,不宜在阳光强烈、视线靠近地面或者高温,(35,以上,),的环境条件下观测。,4.4,直线定向,确定地面直线与标准方向间的水平夹角称为直线定向,(,line orientation),。,(1),标准方向的分类,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的,平面与地球表面的交线称为,P,点的真子午线,(,true meridian),，,真子午线在,P,点的切线方向称为,P,点的真子午线方向,。,可以应用天文测量,(,astrometry),方法,或者陀螺经纬仪,(,gyro,theodolite,),来测定地表任一点的真子午线方向。,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的平面与地球表面交线称为点的磁子午线,(,magnetic meridian),，,磁子午线在点的切线方向称为点的磁子午线方向,。,可以应用罗盘仪,(,compass),来测定，在点安置罗盘，磁针自由静止时其轴线所指的方向即为点的磁子午线方向。,3),坐标纵轴方向,(,ordinates axis direction),过地表任一点且与其所在的高斯平面直角坐标系或者假定坐标系的坐标纵轴平行的直线称为点的坐标纵轴方向,。,(4),用罗盘仪测定磁方位角,1),罗盘仪的构造,罗盘仪,(,compass),是测量直线磁方位角的仪器，如图,4-23,所示。,该仪器构造简单，使用方便，但精度不高，外界环境对仪器的影响较大，如钢铁建筑和高压电线都会影响其精度。,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的平面控制网时，可用罗盘仪测量磁方位角，作为该控制网起始边的坐标方位角。,罗盘仪的主要部件有磁针、刻度盘、望远镜和基座。,磁针：磁针用人造磁铁制成，磁针在度盘中心的顶针尖上可自由转动。为了减轻顶针尖的磨损，在不用时，可用位于底部的固定螺旋升高杠杆，将磁针固定在玻璃盖上。,刻度盘：用钢或铝制成的圆环，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的管水准器，用手控制气泡居中，使罗盘仪水平。,望远镜：罗盘仪的望远镜与经纬仪的望远镜结构基本相似，也有物镜对光、目镜对光螺旋和十字丝分划板等，其望远镜的视准轴与刻度盘的,0,分划线共面，如图,4-24,所示。,基座：采用球臼结构，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。,望远镜：罗盘仪的望远镜与经纬仪的望远镜结构基本相似，也有物镜对光、目镜对光螺旋和十字丝分划板等，其望远镜的视准轴与刻度盘的,0,分划线共面，如图,4-24,所示。,基座：采用球臼结构，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。,2),用罗盘仪测定直线磁方位角的方法,欲测直线,AB,的磁方位角，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,(,一般为黑色一端,),所指的度盘分划值读数，即为,AB,边的磁方位角角值，如图,4-25,所示。,使用时，要避开高压电线和避免铁质物体接近罗盘，在测量结束后，要旋紧固定螺旋将磁针固定。,(2),陀螺经纬仪的构造,图,4-28,是国产,JT15,陀螺经纬仪,(,gyro,theodolite,),的结构图，,使用它测定地面任一点的真子午线方向的精度可以达到,15,。,陀螺经纬仪由,DJ6,经纬仪和陀螺仪组成，陀螺仪安装在,DJ6,经纬仪上的连接支架上。,陀螺仪由摆动系统、观察系统和锁紧限幅机构组成。,陀螺仪由摆动系统、观察系统和锁紧限幅机构组成。,1),摆动系统,摆动系统包括悬吊带,16,、导线,15,、转子,(,马达,)10,、转子底盘,7,等，它们是整个陀螺仪的灵敏部件。转子要求运转平稳，重心要通过悬吊带的对称轴，可以通过转子底盘上的六个螺钉进行调节。悬吊带采用特种合金材料制成，断面尺寸为,0.560.03,mm,，,拉断力为,2.4,kg,，,实际荷重为,0.78,kg,。,2),观测系统,观测系统是用来观察摆动系统的工作情况的。照明灯泡,13,将灵敏部件上的双线光标,12,照亮，通过成像透镜组,19,使双线光标成像在分划板,18,上，以便在观察窗中观察。,3),锁紧限幅机构,锁紧限幅机构包括凸轮,4,、限幅盘,5,、转子底盘,7,、锁紧圈,8,，用凸轮,4,使限幅盘沿导向轴,3,向上滑动，使限幅盘,5,托起转子的底盘靠在与支架连接的锁紧圈,8,上。限幅盘上的三个泡沫塑料块,6,在下放转子部分时，能起到缓冲和摩擦限幅的作用。,(3),陀螺经纬仪的操作方法,陀螺仪转子的额定旋转速度,21500,转,/,分，可以形成很大的内力矩，如果操作不正确，很容易毁坏仪器，因此，正确使用陀螺仪非常重要。,在需要测定真子午线方向的点上安置好经纬仪后，应按下列步骤操作陀螺经纬仪：,1),粗定向：将仪器附带的罗盘仪安装在支架上的定位盘,20,上，旋转经纬仪照准部，使视线方向指向近似的真子午线北方向,(,误差,12),，将经纬仪的水平微动螺旋旋至行程的中间位置，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的定位盘,20,上，旋紧固连螺环,21,，接好电源线，打开电源开关，启动陀螺转子，信号灯亮，当其转速达到额定转速后,(,大约需要,3,分钟,),信号灯熄灭,(,有些仪器是信号灯颜色改变，具体参见仪器使用手册,),。缓慢旋松锁紧机构，将摆动系统平稳放下，在陀螺仪的观察窗中观察陀螺的进动方向和速度，如果陀螺的进动速度很慢，就可以开始进行观测。观测方法有逆转点法和中天法。,3),观测完成后，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止转动以后才允许卸下陀螺仪装箱。,(4),陀螺经纬仪的观测方法,1),逆转点法,(,reversal points method),陀螺仪转轴在东、西两处的反转位置称为逆转点,(,reversal points),。,逆转点法的实质就是通过旋转经纬仪的水平微动螺旋，在陀螺仪的观察窗中，用零线指标线,22,跟踪双线光标影像,23,，当摆动系统到达逆转点时，在经纬仪读数窗中读取水平度盘读数,(,称为逆转点读数,),。,摆动系统到达逆转点并稍作停留后，将开始向真子午线方向摆动，反方向旋转经纬仪的水平微动螺旋继续跟踪摆动系统直至下一个逆转点，并读取水平度盘读数。重复上述基本操作，可以分别获得个逆转点读数为，,日本索佳公司生产的两种陀螺全站仪,GP1-2A,自动陀螺式全站仪,仪器特点是测量过程无须手工记录、记时或计算。所有工作通过对配套的全站仪的键盘或者,SF10,外接键盘的简单操作完成。真方位角观测中误差为,20,，观测时间约,20,分钟，陀螺部分的重量为,3.8,kg,。,AGP1,全自动陀螺仪,它由马达驱动全站仪和陀螺仪组成，观测前无须罗盘确定近似北方向，只需随意将仪器架设在特定的脚架上，按一下键，其电子马达即驱动仪器自动工作，并在屏幕上显示真北方向数据。陀螺部分的重量为,10.4,kg,。,根据所需精度不同，提供三种测量模式：,模式,1,：真方位角观测中误差为,6,，观测时间,10,分钟,模式,2,：真方位角观测中误差为,32,，观测时间,2,分钟,模式,3,：真方位角观测中误差为,16,，观测时间,4,分钟,当影响测量结果的变化，如温度变化、位移等发生时，,警示灯发出警告，以确保测量结果的可靠性。仪器包含一台经改进的与陀螺仪配套的全站仪。,