第5章距离测量与

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1、第第5章章 距离测量与直线定向距离测量与直线定向n5.1 钢尺量距钢尺量距n 5.2 视距测量视距测量n 5.3 红外线测距仪及全站仪红外线测距仪及全站仪n 5.4 直线定向直线定向第第5章章 距离测量与直线定向距离测量与直线定向n距离测量是测量三项基本工作之一距离测量是测量三项基本工作之一.n距离测量的方法主要有距离测量的方法主要有:n 1.钢尺钢尺(皮尺皮尺)量距量距.n 2.视距测量视距测量n 3.光电测距光电测距 4.三角测量法三角测量法 利用三角形的边角关系求距离利用三角形的边角关系求距离n要确定地面点的平面位置要确定地面点的平面位置,还必须测定直线的方向还必须测定直线的方向, 即直

2、线即直线定向定向5.1 钢尺量距钢尺量距n一般量距方法一般量距方法 量距相对精度量距相对精度12000 15000n 精密量距方法精密量距方法 量距相对精度量距相对精度110000 1400005.1.1 量距用的工具量距用的工具:钢卷尺，花杆，测钎钢卷尺，花杆，测钎n1.钢卷尺钢卷尺n 尺长与规格：尺长与规格：20米、米、30米、米、50米，钢质，涂塑或不涂塑。米，钢质，涂塑或不涂塑。n 刻度与注记：毫米刻度，注记厘米、分米、米。零分划刻度与注记：毫米刻度，注记厘米、分米、米。零分划位置有不同，分刻线尺和端点尺两种。位置有不同，分刻线尺和端点尺两种。 n2.花杆花杆 定线用（量距时标定直线量

3、距的前进方向）定线用（量距时标定直线量距的前进方向）n3.测钎测钎 量距时在地面标定尺段端点位置。量距时在地面标定尺段端点位置。钢卷尺钢卷尺皮尺皮尺 测绳测绳测钎测钎 花杆花杆端点尺 刻线尺5.1.2 直线定线直线定线3.经纬仪定线经纬仪定线: 如果量距要求的精度较高如果量距要求的精度较高, 可在其端点可在其端点A安置经纬安置经纬仪定线仪定线 1. 两点间目估定线两点间目估定线2. 两点间互不通视定线两点间互不通视定线5.1.3 丈量方法（往返丈量丈量方法（往返丈量)nn距离用下式计算：距离用下式计算：D=nl+l n式中：式中：l整尺段整尺段的长度；的长度；n n丈量的丈量的整尺段数；整尺段

4、数；n l零尺段零尺段长度。长度。 1. 在平坦地面丈量在平坦地面丈量往返丈量较差往返丈量较差 D = D往往- -D返返距离平均值距离平均值 D平平= （D往往- -D返返）相对误差相对误差 K=DD /1平212.倾斜地面丈量n(1)斜量法斜量法: 地面坡度均匀，将量得的倾斜距离地面坡度均匀，将量得的倾斜距离Sn归算成水平距离归算成水平距离D。高差。高差h用水准仪测定。用水准仪测定。水平距离水平距离ShDDSDhSDhh2222-(2) 在倾斜地面平量在倾斜地面平量n3. 钢尺量距的精密方法钢尺量距的精密方法量距相对精度可达量距相对精度可达1 1万万 1 4万。万。n精密量距时采取的精密量

5、距时采取的措施：措施：n 1.用检定过的钢尺；用检定过的钢尺；n 2.经纬仪定线；经纬仪定线；n 3.钉尺段桩钉尺段桩(概量得概量得)，用水准仪测量桩间高差；，用水准仪测量桩间高差； n 4.对钢尺施加固定拉力，并测量温度；对钢尺施加固定拉力，并测量温度；n 5.对量距结果加三项改正对量距结果加三项改正数。数。 5. 1 . 4 钢尺量距的成果整理钢尺量距的成果整理n三项改正数三项改正数每尺段经改正后的水平距离：每尺段经改正后的水平距离：总的水平距总的水平距离离：idD往htdilllldn4.1.5 钢尺检定钢尺检定目的：求得钢尺两端点刻划间的实际长度。目的：求得钢尺两端点刻划间的实际长度。

6、 方法：用钢尺对一段精确的标准长度进行丈量，从而求得方法：用钢尺对一段精确的标准长度进行丈量，从而求得钢尺的尺长改正数。该检定场地也称为钢尺的尺长改正数。该检定场地也称为“比场比场”。L比尺场示意图作法：作法： “比尺场比尺场”为理想的砼条形场地，埋有尺段标志。将为理想的砼条形场地，埋有尺段标志。将 待检定的钢尺，用精密量距的方法，对该标准距离待检定的钢尺，用精密量距的方法，对该标准距离L 进行丈量。通过对量距结果的整理，得出该钢尺的进行丈量。通过对量距结果的整理，得出该钢尺的 尺长方程式尺长方程式。1.尺长方程式：尺长方程式： = 0+d+(t-t0)00 钢尺名义长(m)； t0 标准温度

7、，一般取20； d 尺长改正值(mm)； t 丈量时温度() 钢的膨胀系数，1.210-5 / ；尺段长度及量距精度计算尺段长度及量距精度计算例例：用一检定过的用一检定过的30米钢尺沿倾斜地面丈量米钢尺沿倾斜地面丈量AB距离，数据见下表。该距离，数据见下表。该钢尺的尺长方程式如下，请整理量距成果。钢尺的尺长方程式如下，请整理量距成果。 mCtmmm30)20(102 .18 .1305-(注：钢尺膨胀系数注：钢尺膨胀系数 =0.00001150.0000125为钢尺温度变为钢尺温度变 化化1度时，度时，单位长度的变化量。单位长度的变化量。)5.2 视距测量视距测量n5.2.1 视距测量概述视距

8、测量概述n视距测量视距测量利用测量望远镜的视距丝，间接测定利用测量望远镜的视距丝，间接测定n 距离和高差的方法。距离和高差的方法。优点：优点：测量速度快，不受地 形限制。不足：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：用途：主要用于地形图测绘 (地形点的距离与高差)。5.2.2 视准轴水平时的视距计算公式视准轴水平时的视距计算公式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。n视线水平时的视距测量公式视线水平时的视距测量公式:lcKlD100(1) 水平距离公式:(2) 高差公式:vihAB-(3)

9、B点高程:viHhHHAABAB-5.2.3 视线倾斜时的视距测量公式视线倾斜时的视距测量公式 (1) 水平距离公式:2coscosKlLD(2) 初算高差:(3) 高差公式:viKlhAB-2sin21viKlhAB-2sin21n为水准尺与视线垂直时的尺间隔 nn5.2.4 视距测量观测与计算方法视距测量观测与计算方法观测：观测：在测站安置经纬仪，对中、整平、量仪器高； 在测点竖水准尺，瞄准(要求三丝都能读数)。读数：读数：每个测点读四个读数 上丝读数 a 读至毫米 下丝读数 b 读至毫米 中丝读数 读至厘米 竖盘读数 L 读至分米视距测量通常只测盘左（或盘右），测量前要对竖盘指标差进行检

10、验与校正。liDHhHHliDhbaDAAp-tantancos1002计算公式计算公式5.3 电磁波测距电磁波测距及全站仪n电磁波测距电磁波测距(Electro-magnetic Distance Measuring，EDM) 是用电磁波是用电磁波(光波或微波光波或微波)作为载波，传输测距信号，以测作为载波，传输测距信号，以测量两点间距离的一种方法。量两点间距离的一种方法。nEDM具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形限制等优点。不受地形限制等优点。n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现在的红外测距仪已经和电子经纬仪及

11、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。牙技术实现测量数据的无线传输方向飞速发展。B测距仪测距仪反光棱镜反光棱镜CtS21n电磁波测距仪分类电磁波测距仪分类n1. 按其所采用的载波（光源）可分为：按其所采用的载波（光源）可分为：n微波测距仪微波测距仪(microwave EDM instrument)；n激光测距仪激光测距仪(laser EDM instrument)；n红外测距仪红外测距仪(infrared EDM instrument);2. 按测程分为：按测程分为：短程测

12、距仪短程测距仪(5km)中程测距仪中程测距仪(515km)远程测距仪远程测距仪( 15km）3. 按精度分为：按精度分为：级测距仪级测距仪(mD 5mm) 级测距仪级测距仪(5 mD 10mm) 级测距仪级测距仪(mD 10mm4. 按测距原理分为：按测距原理分为： 脉冲式；脉冲式； 相位式相位式光波测距仪光波测距仪 AGA 2A激光测距仪激光测距仪 AGA8AGA8微波测距仪微波测距仪 CMW20CMW20红外测距仪红外测距仪 DI5DI55.3.1 红外测距的测距原理红外测距的测距原理n基本公式基本公式tncDg021c0光在真空中的速度光在真空中的速度ng光在大气中传输的折射率光在大气中

13、传输的折射率t光波在光波在AB间往返传输间间往返传输间光在真空中的传播速度为C0=299792458米/秒。电磁波测距方式电磁波测距方式直接测时直接测时-该类测距仪称为该类测距仪称为脉冲式测距仪脉冲式测距仪，该仪器因其精，该仪器因其精度较低，通常只用于精度较低的远距离测量、地形测量和度较低，通常只用于精度较低的远距离测量、地形测量和炮瞄雷达测距。炮瞄雷达测距。间接测时间接测时-用测定相位的方法来测定距离，此类仪器称用测定相位的方法来测定距离，此类仪器称为相位式测距仪。为相位式测距仪。现代测时的精度可达10-8秒，但引起的距离误差达 1.5m.现有的精密光电测距仪都不采用直接测时的方法，而采用现

14、有的精密光电测距仪都不采用直接测时的方法，而采用间接测时。间接测时。n1脉冲式脉冲式测距原理测距原理n 假设时钟脉冲的震荡频率为假设时钟脉冲的震荡频率为 , 震荡周期为震荡周期为计数器记录的震荡次数为计数器记录的震荡次数为N, 则脉冲光波在则脉冲光波在AB两点间往返的时间为两点间往返的时间为:0f001fT 00fNNTttncDg021脉冲法测距原理框图时标脉冲电子门计数显示触发器放大器光脉冲发生器光电接收器fcpt2D脉冲法测距应用脉冲法测距应用-激光测卫激光测卫上海人卫站上海人卫站n2. 相位式相位式测距原理测距原理n用测定相位的方法来测定距离，此类仪器称为相位式测距仪。n它是用一种连续

15、波（精密光波测距仪采用光波）作为“运输工具”（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。n测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间t，进而求得待测距离D。B测距仪测距仪反光棱镜反光棱镜CtS21f2fccT 调制波的调制频率f，角频率 ，周期T， 波长: 设调制波在距离D往返一次产生的相位变化为 ，调制信号一个周期相位变化为2，则调制波的传播时间t为： 代入基本公式得 :ft2fcD4f2fccT 设调制信号为正弦信号，包含2的整倍数N2，和不足2的尾数部分，即：)(2)2(22NNNN2N代入前面公式: )(2)(2NNN

16、NfcD 令 : -单位长，“光测尺”，“电子尺” 22fcLs公式改写成 :)(NNLDs上式就是相位式测距原理公式相位式测距原理公式。n相位式测距仪是用长度为相位式测距仪是用长度为LS的的“测尺测尺”去量测距离，量了去量测距离，量了N个整尺段加上不足一个个整尺段加上不足一个LS的长度就是所测距离。的长度就是所测距离。利用相位器可测定，但而不能求得“整周数N”。 因此只可以求得“余长”，而不能求得整长。 采用多个采用多个“测尺测尺”组合实现测距技术过程。组合实现测距技术过程。n设计；精测尺设计；精测尺+粗测尺测距。粗测尺测距。调制频率与测尺长度的关系调制频率与测尺长度的关系调制频率f15MH

17、z7.5MHz1.5MHz150kHz75kHz15kHz测尺长度10m20m100m1km2km10kmn5.3.2 光电测距仪的组成光电测距仪的组成 宾得 徕卡 拓普康 尼康 索佳 蔡司Zeiss苏州一光苏州一光 全站仪全站仪南方南方NTSNTS全站仪全站仪北光全站仪北光全站仪（一）（一） 全站仪概述全站仪概述全站仪(total station)是由电子测角、光电测距、微型机及其软件组合而成的智能型光电测量仪器。q全站仪的基本功能是测量水平角、竖直角和距离。q全站仪具有如下特点：同时进行角度测量(水平角、竖直角) 和距离测量(斜拥有较大容量的内部存储器，以数据文件形式存储已拥有较大容量的内

18、部存储器，以数据文件形式存储已知点和观测点的点号、编码、三维坐标；知点和观测点的点号、编码、三维坐标； 实现全站仪与计算机的数据通讯；实现全站仪与计算机的数据通讯； 高精度全站仪测角达高精度全站仪测角达0.5秒级，测距精度达秒级，测距精度达(0.1mm+0.1PPM)； 与计算机联合组成的智能观测系统能实现全自动瞄准、与计算机联合组成的智能观测系统能实现全自动瞄准、观测、记录、存储和数据的传输，被称为测量机器人。观测、记录、存储和数据的传输，被称为测量机器人。对边测量、悬高测量、后方交会、放样、偏心测量、面积计算等高级测量功能。n如图，分别瞄准两个目标点处的棱镜并观测后，仪器即可显示出两个棱镜

19、之间的平距(HD)、斜距(S)、高差(V)和坡度（%）。对边测量可以连续进行。SHD%n如图，要测量某些不能设置反射棱镜的目标（）的高度时，可在目标正上方或正下方处安置棱镜，输入棱镜高h1，瞄准棱镜并观测后，再瞄准目标，仪器即可显示目标的高度HHh1h2n如图，全站仪安置在某一待定点上，通过对两个以上的已知点处的棱镜进行观测，并输入各已知点三维坐标及仪器高和棱镜高后，全站仪即可显示待定点的三维坐标。如图，将全站仪安置在已知点A，棱镜设置在待定点P，输入A点已知坐标及仪器高和棱镜高后，先后视已知点B并输入B点坐标（后视已知点是为了设置方向位角）然后瞄准P点处棱镜并进行观测，仪器即可显示待定P的三

20、维坐标。将要测设的角度和边长（或坐标值）输入全站仪，在放样过程中仪器显示角度和边长的实测值与放样值之差，根据显示的偏离值及符号调整棱镜位置，直至偏离值为零，此时棱镜所处位置即为要测设的点位。有的电子全站仪还可通过图形显示出棱镜上下左右前后的移动方向。如图，若侍定点处不能设置棱镜，可将棱镜设置在待定点的左侧或右侧，并使棱镜至站点的距离相当，瞄准棱镜并进行观测，再照准待定点，仪器即可显示待定点的坐标。不同厂家生产的电子全站仪其键盘设计并不完全相同，实现相同测量功能的按键程序和步骤也不完全一样，具体使用应参见厂家的使用说明书。n n n （1）操作键）操作键 n n（七）悬高测量（七）悬高测量 n为

21、了得到不能放置棱镜的目标点高度，只须将棱镜架为了得到不能放置棱镜的目标点高度，只须将棱镜架设于目标点所在铅垂线上的任一点，然后进行悬高测量。设于目标点所在铅垂线上的任一点，然后进行悬高测量。1.有棱镜高（有棱镜高（h）输入的情形（例：）输入的情形（例：h=1.3m） 2.没有棱镜高输入的情形没有棱镜高输入的情形 （八）点放样（八）点放样 n1.设置测站点：设置测站点：可采用直接可采用直接 n 输入测站点坐输入测站点坐标标 n2.设置后视点：设置后视点：n可采用直接可采用直接n 输入后视点坐标输入后视点坐标 3.实施放样：有两种方法可供选择，即通过点号调用内存中实施放样：有两种方法可供选择，即通

22、过点号调用内存中的坐标值和直接键入坐标值例：调用内存中的坐标值的坐标值和直接键入坐标值例：调用内存中的坐标值 n（九）距离放样（九）距离放样n 该功能可显示出该功能可显示出测量的距离与输入的测量的距离与输入的放样距离之差。放样距离之差。n 测量距离测量距离 - 放样放样距离距离=显示值显示值n 放样时可选择平距放样时可选择平距（HD），高差（），高差（VD）和斜距（和斜距（SD）中的任）中的任意一种放样模式意一种放样模式 n（十）面积计算（十）面积计算n 该模式用于计算闭合图形的面积，面积计算有如下两该模式用于计算闭合图形的面积，面积计算有如下两种方法：种方法：n 1.用坐标数据文件计算面积用

23、坐标数据文件计算面积n 2.用测量数据计算面积用测量数据计算面积n 注意：注意：n 如果图形边界线相互交叉，则面积不能正确计算。如果图形边界线相互交叉，则面积不能正确计算。n 混合坐标文件数据和测量数据来计算面积是不可能的。混合坐标文件数据和测量数据来计算面积是不可能的。n 面积计算所用的点数是没有限制的。面积计算所用的点数是没有限制的。n 所计算的面积不能超过所计算的面积不能超过200000平方米或平方米或2000000平方英平方英尺。尺。1.用坐标数据文件计算面积用坐标数据文件计算面积 2.用测量数据计算面积用测量数据计算面积 n标准方向的种类 1 真子午线方向 通过地球表面某点真子午线的

24、切线方向，称为该点的真子午线方向，真子午线方向是用天文测量方法或用陀螺经纬仪测定的。 2 磁于午线方向 磁子午线方向是磁针在地球磁场的作用下，磁针自由静止时其轴线所指的方向。磁子午线方向可用罗盘仪测定。5.4.2 表示直线方向的方法n3 坐标纵轴方向(中央子午线方向)n我国采用高斯平面直角坐标系，每一6带或3带内都以该带的n中央子午线为坐标纵轴方向。因此，该带内直线定向，就用该带的坐标纵轴方向作为标准方向。n 如假定坐标系，则用假定的坐标纵轴(X轴)作为标准方向。 n5.4.2 表示直线方向的方法表示直线方向的方法 测量工作中，常采用方位角来表示直线的方向。 n 由标准方向的北端起，顺时针方向

25、量到某直线的夹角，称为该直线的方位角，其角值从0 360。n 由不同的标准方向所n得到的方位角，分别为：n 真方位角：An 磁方位角：Amn 坐标方位角：标标准准方方向向O OP P几种方位角之间的关系几种方位角之间的关系 1 1 真方位角与磁方位角之间的关系真方位角与磁方位角之间的关系n由于地磁南北极与地球的南北极并不重合，因此，过地面上某点的由于地磁南北极与地球的南北极并不重合，因此，过地面上某点的真子午线方向与磁子午线方向常不重合，两者之间的夹角称为磁偏真子午线方向与磁子午线方向常不重合，两者之间的夹角称为磁偏角角，磁针北端偏于其子午线以东称东偏，偏于其子午线以西称西，磁针北端偏于其子午

26、线以东称东偏，偏于其子午线以西称西偏。偏。n东偏取正值，西偏取负值。我国磁偏角的变化大约在东偏取正值，西偏取负值。我国磁偏角的变化大约在+6到到-10之间。之间。n直线的真方位角与磁方位直线的真方位角与磁方位mAA磁子午线磁子午线真子午线真子午线n2真方位角与坐标方位角之间的关系 坐标纵轴，而其它子午线投影后为收敛于两极的曲线，地面点M、N等点的真子午线方向与中央子午线之间的夹角，称为子午线收敛角。在中央子午线以东地区，各点的坐标纵轴偏在真子午线的东边，为正值；在中央子午线以西地区，为负值。 直线的真方位角与磁方位角之间可用下式进行换算An3坐标方位角与磁方位角的关系若已知某点的磁偏角与子午线收敛角，则坐标方位角与磁方位角之间的换算式为mmmmAAAA-m为磁坐偏角n5.4.3 正、反坐标方位角及其推算正、反坐标方位角及其推算n当标准方向为坐标纵轴(中央子午线)方向时，直线的方n位角称为坐标方位角(，简称方向角)。正、反方位角关系正、反方位角关系nBA= AB180左后前180左角公式：右角公式：方位角的范围：右后前-1803600当当 时，应减去时，应减去360