三維激光掃描與近景攝影測(cè)量的區(qū)別課件

第四章工程測(cè)量的儀器和方法本章內(nèi)容角度測(cè)量距離測(cè)量高程測(cè)量準(zhǔn)直測(cè)量坐標(biāo)測(cè)量其他測(cè)量4.1角度測(cè)量角度是幾何測(cè)量的基本元素，包括水平角和豎直角。水平角是一點(diǎn)到兩目標(biāo)點(diǎn)的方向線垂直投影在水平面上所構(gòu)成的角度；豎直角是一點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的視線與水平面的夾角，若方向線在水平面之上，豎直角為正，為仰角，否則豎直角為負(fù)，為俯角。豎直角也稱垂直角、俯仰角或高度角，而方向線與鉛垂線的夾角稱為天頂距。當(dāng)已知或直接測(cè)出真北方向，通過角度測(cè)量還可得到方位角。角度測(cè)量的儀器主要是經(jīng)緯儀，分為光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀二大類。4.1.1光學(xué)經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)主要包括照準(zhǔn)部、基座和三腳架部分，核心是照準(zhǔn)部。照準(zhǔn)部又可分為照準(zhǔn)、讀數(shù)、軸系和安平幾部分。照準(zhǔn)部主要是帶十字絲的望遠(yuǎn)鏡，十字絲與物鏡組中心的連線稱為視準(zhǔn)軸。讀數(shù)部分包括水平度盤、豎直度盤，以及為精確讀數(shù)服務(wù)的光路系統(tǒng)和測(cè)微裝置。軸系包括豎直軸（簡(jiǎn)稱豎軸）、水平軸（簡(jiǎn)稱橫軸）和視準(zhǔn)軸，豎軸是照準(zhǔn)部水平旋轉(zhuǎn)的中心軸，橫軸是望遠(yuǎn)鏡在豎直方向旋轉(zhuǎn)的中心軸。經(jīng)緯儀觀測(cè)要求豎軸鉛垂、橫軸正交于豎軸、視準(zhǔn)軸正交于橫軸，其不正交誤差稱為三軸誤差。安平設(shè)備主要指水準(zhǔn)管，其主要用途是將豎軸鉛垂，另外還要使豎直度盤的指標(biāo)線位置正確。經(jīng)緯儀的測(cè)角精度主要取決于軸系誤差和讀數(shù)誤差。我國(guó)光學(xué)經(jīng)緯儀系列分為J07、J1、J2、J6等型號(hào)，J為經(jīng)緯儀漢語拼音的第一個(gè)字母，下標(biāo)表示儀器的精度指標(biāo)。

4.1.2水平角觀測(cè)測(cè)回法全圓測(cè)回法（方向觀測(cè)法）全組合測(cè)角法

在工程測(cè)量實(shí)際應(yīng)用中，相鄰邊長(zhǎng)有時(shí)相差懸殊，很難做到“一測(cè)回中不調(diào)焦”的規(guī)定。這時(shí)，可按下列程序進(jìn)行測(cè)角：①盤左，粗略瞄準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)；②仔細(xì)對(duì)光，消除視差；③精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，取水平度盤讀數(shù)；④不動(dòng)調(diào)焦鏡，盤右，精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，取水平度盤讀數(shù)；⑤對(duì)于下一個(gè)目標(biāo)，重復(fù)上述操作。4.1.3垂直角觀測(cè)豎直角觀測(cè)的具體操作程序如下：①盤左，按上、中、下三根水平絲的順序依次照準(zhǔn)同一目標(biāo)各一次，并分別讀豎盤讀數(shù)；②盤右，同①一樣的觀測(cè)；③分別計(jì)算三根水平絲所測(cè)得的指標(biāo)差和豎直角，并取豎直角的平均值作為一個(gè)目標(biāo)的一測(cè)回之值。該觀測(cè)方法稱為“三絲法”，若僅使用中間水平絲進(jìn)行觀測(cè)，則稱為“中絲法”。垂直角與指標(biāo)差的計(jì)算：4.1.4電子經(jīng)緯儀用電子度盤替代光學(xué)模擬度盤，實(shí)現(xiàn)度盤讀數(shù)的自動(dòng)化，則成為電子經(jīng)緯儀。在電子經(jīng)緯儀中，雖然實(shí)現(xiàn)了度盤讀數(shù)的自動(dòng)輸出，但在角度觀測(cè)的操作方法上，基本上沿用光學(xué)經(jīng)緯儀的一般要求。用于電子經(jīng)緯儀的角度傳感器主要有兩種，編碼度盤和動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)。圖4-4Grey碼盤圖4-5動(dòng)態(tài)測(cè)角原理0LRLS4.1.5目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化

20世紀(jì)90年代中葉，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與照準(zhǔn)技術(shù)的出現(xiàn)，突破了角度測(cè)量中需要人工照準(zhǔn)目標(biāo)的缺陷，使角度測(cè)量發(fā)生了質(zhì)的飛躍，實(shí)現(xiàn)了真正的自動(dòng)化。

自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR）部件被安裝在經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡上，紅外光束通過光學(xué)部件被同軸地投影在望遠(yuǎn)鏡上，從物鏡發(fā)射出去，反射回來的光束，形成光點(diǎn)由內(nèi)置CCD相機(jī)接收，其位置以CCD相機(jī)中心作為參考點(diǎn)來精確地確定，假如CCD相機(jī)中心與望遠(yuǎn)鏡光軸的調(diào)整是正確的，則可從CCD相機(jī)上光點(diǎn)的位置直接計(jì)算并輸出以ATR方式測(cè)得的水平角度和垂直角。

圖4-6帶ATR望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖與人工照準(zhǔn)目標(biāo)存在視準(zhǔn)差一樣，ATR同樣存在視準(zhǔn)差。ATR視準(zhǔn)差的校準(zhǔn)是提高其測(cè)量精度的重要環(huán)節(jié)。測(cè)定ATR視準(zhǔn)差時(shí)，必須人工將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)棱鏡中心，望遠(yuǎn)鏡十字絲提供的視準(zhǔn)線與CCD相機(jī)中心之間的水平和垂直方向上的偏差由儀器計(jì)算并存貯下來，用于ATR方式測(cè)量時(shí)的角度改正。ATR自動(dòng)識(shí)別并照準(zhǔn)目標(biāo)主要有三個(gè)過程：目標(biāo)搜索過程、目標(biāo)照準(zhǔn)過程和測(cè)量過程。在人工粗略照準(zhǔn)棱鏡后，啟動(dòng)ATR，首先進(jìn)行目標(biāo)搜索過程。在視場(chǎng)內(nèi)如無發(fā)現(xiàn)棱鏡，望遠(yuǎn)鏡在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下按螺旋式或矩形方式連續(xù)搜索目標(biāo)，ATR一旦探測(cè)到棱鏡，望遠(yuǎn)鏡馬上停止搜索，即刻進(jìn)入目標(biāo)照準(zhǔn)過程。圖4-8ATR角度修正與照準(zhǔn)圖4-7ATR目標(biāo)搜索方式ATR需要一塊棱鏡配合進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，在每一次ATR測(cè)量過程中，十字絲中心相對(duì)棱鏡中心的角度偏移量都重新測(cè)定，并相應(yīng)改正水平方向和垂直角。當(dāng)使用ATR方式進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于其望遠(yuǎn)鏡不需要對(duì)目標(biāo)調(diào)焦或人工照準(zhǔn)，因此，不但加快了測(cè)量速度，并且測(cè)量精度與觀測(cè)員的水平無關(guān)，測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。4.1.6全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀與陀螺儀配合使用，成為陀螺經(jīng)緯儀。利用陀螺儀可以尋找真北，因此利用陀螺經(jīng)緯儀可以測(cè)出某一方向與真北方向的夾角，也就是該方向的地理方位角。目前，陀螺經(jīng)緯儀的自動(dòng)化程度已得到較大提高，在工程測(cè)量的應(yīng)用更為廣泛。GYROMAT2000AGP1圖4-9自動(dòng)化陀螺經(jīng)緯儀為了通過觀測(cè)陀螺軸的擺動(dòng)，測(cè)定陀螺軸擺動(dòng)的平衡位置來實(shí)現(xiàn)子午北（真北）定向，以往的光學(xué)陀螺經(jīng)緯儀一般以人工的方式按逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法或中天法進(jìn)行。由于人工觀測(cè)，對(duì)觀測(cè)員的操作技術(shù)要求較高，并且存在效率低，易出錯(cuò)等缺陷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，上個(gè)世紀(jì)八十年代以來，世界上開始研制并使用全自動(dòng)的陀螺經(jīng)緯儀。目前，自動(dòng)化陀螺經(jīng)緯儀的主要產(chǎn)品有德國(guó)威斯特發(fā)倫采礦聯(lián)合公司（WBK）的Gyromat2000和日本索佳公司（SOKKIA）的AGP1等。自動(dòng)化陀螺經(jīng)緯儀在無需人工任何干預(yù)的情況下可快速高精度地實(shí)現(xiàn)定向觀測(cè)。如Gyromat2000陀螺經(jīng)緯儀，在不足10分鐘的時(shí)間內(nèi)可達(dá)到優(yōu)于±3.2″的定向精度。自動(dòng)化陀螺經(jīng)緯儀一般由自動(dòng)陀螺儀和電子經(jīng)緯儀組成。陀螺經(jīng)緯儀按靈敏部的結(jié)構(gòu)方式，可分為懸掛式、液體漂浮式及混合式，近代陀螺經(jīng)緯儀大都采用懸掛式。對(duì)于懸掛式的陀螺經(jīng)緯儀按結(jié)構(gòu)可分為兩類：一類是陀螺儀架在經(jīng)緯儀之上，陀螺儀作為上架附件，不定向時(shí)可將其卸下，經(jīng)緯儀可單獨(dú)使用；另一類是將陀螺儀安裝在經(jīng)緯儀的下部，兩者緊密相連，經(jīng)緯儀不能單獨(dú)使用。圖4-10陀螺儀懸掛結(jié)構(gòu)示意圖注：①陀螺馬達(dá)②靈敏部③懸掛帶自動(dòng)化陀螺儀一般通過數(shù)據(jù)電纜與電子經(jīng)緯儀聯(lián)接，并在計(jì)算機(jī)程序的控制下自動(dòng)完成定向的整個(gè)操作過程。Gyromat2000陀螺經(jīng)緯儀的自動(dòng)定向主要是依靠步進(jìn)測(cè)量（概略尋北）和自動(dòng)積分測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)測(cè)量的目的是減小陀螺在靜態(tài)擺動(dòng)下的擺幅，使擺動(dòng)的信號(hào)處于光電檢測(cè)元件的感光區(qū)內(nèi)，同時(shí)在陀螺啟動(dòng)狀態(tài)下也使擺動(dòng)平衡位置最終接近于北。

圖4-11積分測(cè)量原理示意圖Gyromat2000自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀定向的主要操作步驟如下：1、將陀螺經(jīng)緯儀安置到三腳架上，對(duì)中、整平；2、連接自動(dòng)陀螺儀與電子經(jīng)緯儀之間的數(shù)據(jù)通信電纜；3、經(jīng)緯儀開機(jī)，陀螺儀開機(jī)；4、啟動(dòng)測(cè)量程序進(jìn)行定向測(cè)量：（1）將儀器從任意初始位置依靠步進(jìn)測(cè)量自動(dòng)實(shí)現(xiàn)概略尋北；（2）測(cè)定測(cè)前懸?guī)Я阄唬唬?）儀器預(yù)定向，使概略指北方向小于0.05g（2′42″）；（4）按積分測(cè)量精確定向，并顯示照準(zhǔn)部零位與真北方向的偏角；

5、經(jīng)緯儀照準(zhǔn)測(cè)線目標(biāo)，盤左、盤右觀測(cè)兩測(cè)回，將結(jié)果輸入到陀螺儀中，即可計(jì)算并顯示測(cè)線方位角。表4-1自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀的主要技術(shù)指標(biāo)型

號(hào)Gyromat2000AGP1定向精度(1σ)方式1方式2方式3方式1方式2方式33.232.416.263216測(cè)量時(shí)間約10分約2分約5分約10分約2分約4分使用環(huán)境溫

度-20℃~+50℃相對(duì)濕度≤85℅溫度梯度≤5℃儀器重量18.5kg10.4kg4.2距離測(cè)量距離是幾何測(cè)量的基本元素，距離測(cè)量的方法主要有三種：直接丈量、間接視距測(cè)量和物理測(cè)距。直接丈量就是用量尺直接在地面上測(cè)定兩點(diǎn)間的距離，精度要求高的用銦瓦尺，一般用鋼卷尺等。視距測(cè)量是利用裝有視距絲裝置的測(cè)量?jī)x器配合標(biāo)尺，利用相似三角形原理，間接測(cè)定兩點(diǎn)間距離，操作方便，但精度一般較低。物理測(cè)距是利用光波或電磁波的波長(zhǎng)與時(shí)間的關(guān)系來測(cè)定兩點(diǎn)間的距離，精度高，是測(cè)量中應(yīng)用最多的測(cè)距方法，更高精度的干涉測(cè)距技術(shù)一般在計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用。在特殊工程測(cè)量應(yīng)用中距離測(cè)量還包括偏距測(cè)量。4.2.1鋼尺量距鋼尺是目前用于直接丈量的主要工具，它實(shí)際是一卷鋼帶，帶寬10～15mm，厚0.2～0.4mm，長(zhǎng)度有20m、30m、50m三種，尺面的基本分劃為厘米，分米及米處均有毫米分劃，高精度的尺子還有銦瓦線尺，一般長(zhǎng)24m。鋼尺量距需要測(cè)釬、花桿（標(biāo)桿）、垂球、溫度計(jì)、拉力器等。4.2.2電磁波測(cè)距電磁波測(cè)距是通過測(cè)定電磁波束在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間，利用下列基本公式來計(jì)算待測(cè)距離的：相位式測(cè)距原理相位式測(cè)距是通過測(cè)量調(diào)制波在測(cè)線上往返傳播所產(chǎn)生的相位移間接地測(cè)定電磁波在測(cè)線上往返傳播時(shí)間的。

脈沖式測(cè)距原理由脈沖發(fā)射器發(fā)射一束光脈沖，經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)后，射向被測(cè)目標(biāo)。與此同時(shí)，由儀器內(nèi)的取樣棱鏡取出一小部分光脈沖，送入接收光學(xué)系統(tǒng)，再由光電接收器轉(zhuǎn)換為電脈沖（稱為主波脈沖），作為計(jì)時(shí)的起點(diǎn)。當(dāng)從目標(biāo)反射回來的電脈沖通過接收光電系統(tǒng)后，也被光電接收器并轉(zhuǎn)換為電脈沖（稱為回波脈沖），作為計(jì)時(shí)的終點(diǎn)。顯然，主波脈沖和回波脈沖之間的時(shí)間間隔，就是光脈沖在測(cè)線上往返傳播的時(shí)間，可用時(shí)標(biāo)脈沖作為標(biāo)準(zhǔn)器來度量。

測(cè)距儀分類按載波可分為光波測(cè)距儀、微波測(cè)距儀和多載波測(cè)距儀；按測(cè)程可分為短程測(cè)距儀（２km以內(nèi)）、中程測(cè)距儀（2～7km）、遠(yuǎn)程測(cè)距儀（7～15km）和超遠(yuǎn)程測(cè)距儀；按精度可分為超高精度測(cè)距儀、高精度測(cè)距儀和一般精度測(cè)距儀；按測(cè)距方式可將測(cè)距儀分為脈沖式測(cè)距儀、相位式測(cè)距儀和混合式測(cè)距儀。成果整理

測(cè)距讀數(shù)平均值，須經(jīng)多項(xiàng)改正后，才能得到兩點(diǎn)間正確的水平距離。儀器常數(shù)改正：加常數(shù)改正、乘常數(shù)改正；氣象改正：影響光速的大氣折射率是光的波長(zhǎng)、氣溫、氣壓的函數(shù)。傾斜改正：將斜距改化為平距。投影改正：投影到設(shè)計(jì)的投影面。4.2.3雙頻激光干涉測(cè)量雙頻激光干涉儀是目前測(cè)長(zhǎng)儀中精度較高的一種儀器，它能在較差的環(huán)境中達(dá)到5×10-7左右的測(cè)量精度，測(cè)程可達(dá)幾十米，而且自動(dòng)化程度高。由于雙頻激光干涉儀高精度和自動(dòng)化的特點(diǎn)，因此非常適合于高精度工程測(cè)量應(yīng)用，以及測(cè)距儀、全站儀的測(cè)距精度自動(dòng)檢測(cè)。

基本原理光源采用縱向塞曼He-Ne激光器，產(chǎn)生頻差約為1.3MHz的左右旋圓偏振光，頻率分別為f1、f2。經(jīng)1/4玻片轉(zhuǎn)換為電振動(dòng)方向正交的兩線偏振光。由分光器分出一小部分光，經(jīng)過檢偏器P1實(shí)現(xiàn)拍頻，光電檢測(cè)器1得到頻率為f=f1-f2的參考信號(hào)。其余從光頭中射出，進(jìn)入由偏振分光鏡PBS、固定角錐棱鏡M1和可移動(dòng)角錐棱鏡M2組成的邁克爾遜干涉系統(tǒng)。激光在PBS上分成兩束，f1頻率的光經(jīng)固定角錐棱鏡返回；f2頻率的光由可動(dòng)角錐棱鏡返回，兩束光匯合，經(jīng)偏振器P2實(shí)現(xiàn)拍頻。當(dāng)可動(dòng)反射鏡靜止時(shí)，光電檢測(cè)器2得到拍頻信號(hào)f=f1-f2。如果可動(dòng)角錐棱鏡移動(dòng)，則得到的拍頻頻率是f=f1-（f2±Δf），其中Δf為可動(dòng)棱鏡運(yùn)動(dòng)速度V引起的多普勒頻移。4.2.4偏距測(cè)量在許多精密工程測(cè)量的實(shí)際工作中，往往需要測(cè)定一點(diǎn)至一條直線的垂直距離，我們叫它偏距。偏距測(cè)量工作的特點(diǎn)是垂直距離一般比較小，如不超過2m，絕對(duì)精度很高，一般要求達(dá)到幾十個(gè)微米。尼龍絲準(zhǔn)直系統(tǒng)該系統(tǒng)由三部分組成：尼龍絲、帶有探測(cè)器的尺子及控制裝置。直徑0.25mm的尼龍絲，靠點(diǎn)針對(duì)中，并采用一端固定，另一端引張的方法在兩基準(zhǔn)點(diǎn)間拉緊，形成一條基準(zhǔn)線。帶有探測(cè)器的尺子用定位圓筒強(qiáng)制對(duì)中在基準(zhǔn)點(diǎn)的插座中，并靠插座的豎直性保證尺子水平，用手整置尺子垂直于尼龍絲，從而建立一條通過基準(zhǔn)點(diǎn)中心且垂直于尼龍絲的垂線。探測(cè)器是安裝在滾筒上的滑座，滾筒由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的精密螺絲桿使之滾動(dòng)，螺距4mm。用一個(gè)安裝在螺絲桿一端且與其精密配合，并和帶有顯示器的可逆計(jì)數(shù)器相聯(lián)的增量編碼器，來測(cè)量探測(cè)器的位置。激光準(zhǔn)直系統(tǒng)該系統(tǒng)由一帶有專門光學(xué)系統(tǒng)的激光源及一臺(tái)差示光電管接收機(jī)組成?；鶞?zhǔn)線由一束激光束標(biāo)定。由氦氖激光器發(fā)出的功率1mW的激光束。光電接收機(jī)是在螺絲桿驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)的滑座?；刂萁z桿的移動(dòng)，位置的測(cè)量和計(jì)數(shù)以及激光束中心位置的探測(cè)等與尼龍絲準(zhǔn)直系統(tǒng)都是相似的。

4.3高程測(cè)量高程測(cè)量，即高差測(cè)量。主要有幾何水準(zhǔn)測(cè)量、液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量以及三角高程測(cè)量等方法。4.3.1幾何水準(zhǔn)測(cè)量

電子水準(zhǔn)儀

電子水準(zhǔn)儀（或稱數(shù)字水準(zhǔn)儀）以自動(dòng)安平光學(xué)水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測(cè)器（ChargeCoupledDevice，或簡(jiǎn)稱CCD），并采用編碼標(biāo)尺和圖像處理系統(tǒng)，另外還包括微處理器、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器、串行接口、顯示與操作面板、蓄電池等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、傳輸及各種處理的自動(dòng)化。電子水準(zhǔn)儀是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。各廠家的電子水準(zhǔn)儀采用了大體一致的結(jié)構(gòu)?；緲?gòu)造由光學(xué)機(jī)械部分、自動(dòng)安平補(bǔ)償裝置和電子設(shè)備組成。電子設(shè)備主要包括：調(diào)焦編碼器、光電傳感器（即線陣CCD器件）、讀數(shù)電子元件、單片微處理機(jī)、GSI接口（外部電源和外部存儲(chǔ)記錄）、顯示器件、鍵盤以及影像數(shù)據(jù)處理軟件等。標(biāo)尺采用條形碼標(biāo)尺供電子測(cè)量使用。各廠家標(biāo)尺編碼的條碼圖案不同，不能互換使用。

徠卡DNA03/10蔡司DINI10索佳SDL2拓普康DL101/102儀器類型指標(biāo)項(xiàng)目徠卡拓普康蔡司索佳DNA03DNA10DL101CDL102CDiNi12DiNi22SDL1SDL2高程測(cè)量精度mm電子讀數(shù)±0.3±0.9±0.4±1.0±0.3±0.7±0.3±0.7光學(xué)讀數(shù)±2.0±2.0±1.0±1.5±1.0±1.3±1.5±2.0高程最小讀數(shù)mm0.010.10.010.10.010.10.010.1距離測(cè)量精度1cm/20m1cm～5cm20mm25mm20mm25mm測(cè)量范圍1.8m～110m2m～60m1.5m～100m1.5m～100m補(bǔ)償工作范圍±10′±10′±12′±15′±15′±15′±15′±15′補(bǔ)償精度±0.3″±0.8″±0.3″±0.5″±0.2″±0.5″±0.2″±0.5″望遠(yuǎn)鏡孔徑36mm45mm40mm40mm測(cè)量視場(chǎng)角2°1°20″5°3°CCD工作光譜紅外光可見光可見光紅外光象素間距/數(shù)量25/25611/60014/18008/1800條碼基本間距mm2.0251020/1016望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)2424323032263226測(cè)量時(shí)間3秒4秒3秒2秒4秒2.5秒圓氣泡靈敏度8′/2mm10′/2mm8′/2mm8′/2mm顯示屏中文8行2行4行4行重量2.85kg2.8kg3.5kg3.2kg3.0kg主要優(yōu)點(diǎn)：（1）讀數(shù)客觀。因?yàn)閿?shù)字水準(zhǔn)儀采用CCD光學(xué)傳感器和圖像處理、識(shí)別系統(tǒng)對(duì)編碼標(biāo)尺的視線高進(jìn)行自動(dòng)讀數(shù)，所以與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量相比，它避免了人為的讀數(shù)誤差和記錄誤差。（2）測(cè)量精度高。視線高和視距讀數(shù)都是采用多個(gè)條碼的圖像經(jīng)過處理后取平均得出來的，因此削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響。同時(shí)，測(cè)量時(shí)要求儀器市場(chǎng)范圍內(nèi)的可見條碼不能少于一個(gè)碼區(qū)的條碼個(gè)數(shù)。（3）測(cè)量速度快。因?yàn)闇y(cè)量過程中省去了讀數(shù)、報(bào)數(shù)、記錄、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算以及人為出錯(cuò)的重測(cè)時(shí)間，所以，利用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間比利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀測(cè)量節(jié)省1/3左右。（4）測(cè)量效率高。在測(cè)量過程中，只需進(jìn)行認(rèn)為調(diào)焦、瞄準(zhǔn)，按下測(cè)量鍵就可以進(jìn)行自動(dòng)讀數(shù)、記錄，減輕了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。除此，儀器還能自動(dòng)檢核和處理測(cè)量數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)線可以將各種數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。（5）操作簡(jiǎn)單。由于儀器實(shí)現(xiàn)了讀數(shù)和記錄的自動(dòng)化，并預(yù)存了大量測(cè)量和檢核程序，在操作時(shí)還有實(shí)時(shí)提示，因此，測(cè)量人員可以很快熟悉與掌握儀器的使用方法，即使不熟練的作業(yè)人員也能進(jìn)行高精度測(cè)量。（6）自動(dòng)改正測(cè)量誤差。由于儀器內(nèi)部配有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以對(duì)條碼尺的分化誤差、CCD傳感器的畸變、電子i角、大氣折光等系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。主要缺點(diǎn)：

（1）電子水準(zhǔn)儀對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行讀數(shù)不如光學(xué)水準(zhǔn)儀靈活，電子水準(zhǔn)儀只能對(duì)其配套標(biāo)尺進(jìn)行照準(zhǔn)讀數(shù)，而在有些部門的應(yīng)用中，使用自制的標(biāo)尺，甚至是普通的鋼板尺，只要有刻劃線，光學(xué)水準(zhǔn)儀就能讀數(shù)，而電子水準(zhǔn)儀則無法工作。同時(shí)，電子水準(zhǔn)儀要求有一定的視場(chǎng)范圍，但有些情況下，只能通過一個(gè)較窄的狹縫進(jìn)行照準(zhǔn)讀數(shù)，這時(shí)就只能使用光學(xué)水準(zhǔn)儀；（2）電子水準(zhǔn)儀受外界條件影響較大。由于電子水準(zhǔn)儀是由CCD探測(cè)器來分辨標(biāo)尺條碼的圖象，進(jìn)而進(jìn)行電子讀數(shù)，而CCD只能在有限的亮度范圍內(nèi)將圖象轉(zhuǎn)換為用于測(cè)量的有效電信號(hào)。因此，水準(zhǔn)標(biāo)尺的亮度是很重要的，要求標(biāo)尺亮度均勻，并且亮度適中。應(yīng)用中的一些問題：

1．光照的強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度影響不大。只有當(dāng)光照特別強(qiáng)或特別弱的時(shí)候，儀器會(huì)自動(dòng)中止測(cè)量，并提示“光線錯(cuò)誤”。因此，在實(shí)際測(cè)量過程中，不必過于擔(dān)心光照強(qiáng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2．光照的均勻度對(duì)測(cè)量工作有一定的影響。當(dāng)標(biāo)尺的光照很不均勻時(shí)，儀器會(huì)中止測(cè)量。因此，在野外測(cè)量時(shí)，若自然光足以讓儀器進(jìn)行讀數(shù)，就沒有必要對(duì)標(biāo)尺施加額外照明，因?yàn)槟菢訒?huì)因光照的不均勻使儀器中止測(cè)量，從而影響測(cè)量進(jìn)程。

3．不同照明光譜對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量結(jié)果沒有顯著影響。

4．調(diào)焦不準(zhǔn)確對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大。當(dāng)調(diào)焦不足或調(diào)焦過度時(shí)，其測(cè)量精度會(huì)受到較大影響，且距離越大，所產(chǎn)生的誤差也越大。因此，在測(cè)量過程中，應(yīng)該對(duì)調(diào)焦給予足夠的重視，以保證測(cè)量的精度。

5．在一般情況下，陰影干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不大。當(dāng)標(biāo)尺上陰影的灰度與標(biāo)尺上黑碼灰度相近時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)中止測(cè)量。

6．標(biāo)尺偏離視場(chǎng)中心對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大。當(dāng)十字絲照準(zhǔn)在條碼區(qū)域內(nèi)時(shí)，儀器能夠正常進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)十字絲照準(zhǔn)在條碼區(qū)域外時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)中止測(cè)量。

7.在有少數(shù)條狀物遮擋的情況下，一般也能保證較高的測(cè)量精度，在條件不利的情況下，儀器的觀測(cè)精度仍較穩(wěn)定，在觀測(cè)條件十分不利，達(dá)不到觀測(cè)要求時(shí)，儀器會(huì)中止測(cè)量，并提示測(cè)量錯(cuò)誤。

8.在塊狀物遮擋的情況下，水準(zhǔn)儀的讀數(shù)能保證較高的精度,在觀測(cè)條件達(dá)不到要求時(shí),儀器會(huì)自動(dòng)中止測(cè)量，并提示測(cè)量出錯(cuò)。

9.在標(biāo)尺被柵格遮擋的情況下，水準(zhǔn)儀的測(cè)量精度會(huì)受到明顯的影響。特別是在黑色條碼被部分遮擋后，標(biāo)尺在儀器內(nèi)部會(huì)呈現(xiàn)錯(cuò)誤的圖像，從而使讀數(shù)產(chǎn)生粗差。因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)十分注意標(biāo)尺被部分遮擋的情況，特別是當(dāng)水準(zhǔn)測(cè)量路線穿越灌木林時(shí)，應(yīng)注意清除視線上的遮擋物，以避免測(cè)量數(shù)據(jù)中含有粗差。4.3.2液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量

直接利用靜止液體表面求兩點(diǎn)高差的方法稱為液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量。

測(cè)定液面高度的方法主要有以下兩類：①目視接觸法。也可利用轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)微圓環(huán)帶動(dòng)水中的觸針上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)光學(xué)折射原理，在觀測(cè)窗口可以觀測(cè)到觸針尖端的實(shí)像和虛像，當(dāng)兩像尖端接觸時(shí)，在測(cè)微圓環(huán)上可讀出觸針接觸水面時(shí)的高度。②電子傳感器法。通過電子（電感式、光電式或電容式）傳感器不僅可以提高靜力水準(zhǔn)的讀數(shù)精度，而且可實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化。誤差分析：

連通管中液體不能殘存氣泡，否則測(cè)量結(jié)果將有粗差；如幾何水準(zhǔn)測(cè)量一樣，液體靜力水準(zhǔn)儀也存在零點(diǎn)差，交換兩臺(tái)液體靜力水準(zhǔn)儀的位置可以消除其影響；溫度差影響；氣壓差影響；液面到標(biāo)志高度量測(cè)誤差；液體蒸發(fā)影響；液體弄臟影響；儀器擱置誤差；儀器傾斜誤差影響；儀器結(jié)構(gòu)變化影響等。4.3.3三角高程測(cè)量

三角高程測(cè)量是根據(jù)兩點(diǎn)間的水平距離和經(jīng)緯儀觀測(cè)的豎直角，應(yīng)用三角公式計(jì)算兩地面點(diǎn)間的高差。當(dāng)A、B兩點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，三角高程需做球氣差改正：4.3.4傾斜測(cè)量地面或建筑物的傾斜除了用常規(guī)的測(cè)量方法測(cè)定兩點(diǎn)間高差的變化之外，也可以用傾斜儀測(cè)量。目前傾斜儀的種類很多，大體可以分為“短基線”傾斜儀和“長(zhǎng)基線”傾斜儀兩種。前者一般用垂直擺錘或水準(zhǔn)氣泡作為參考線；后者一般根據(jù)靜力水準(zhǔn)測(cè)量的原理做成。4.4準(zhǔn)直測(cè)量準(zhǔn)直測(cè)量用于測(cè)定某一方向上點(diǎn)位的相對(duì)變化，可以是水平方向，也可以是垂直方向。準(zhǔn)直測(cè)量方法很多，有測(cè)小角法、活動(dòng)標(biāo)牌法、激光準(zhǔn)直法和引張線法等。激光準(zhǔn)直法根據(jù)其原理分為兩類：①利用激光方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)行直接測(cè)量；②利用激光單色性好的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行衍射法準(zhǔn)直。在大氣條件下，激光準(zhǔn)直的精度為10-5~10-6，提高精度的主要障礙是大氣折光的影響。在真空條件下，準(zhǔn)直精度可達(dá)10-7~10-8

。水平激光準(zhǔn)直廣泛用于大壩等線狀工程建筑物的變形觀測(cè)。在沒有氣流影響的地方，也可以采用鋼絲或尼龍絲準(zhǔn)直，由于它們不受折光影響，精度也能達(dá)到10-6。垂直激光準(zhǔn)直（激光鉛直儀）可用于測(cè)定高層建筑物的擺動(dòng)。機(jī)械法垂直準(zhǔn)直有正錘或倒錘兩種，它們用于觀測(cè)建筑物的撓度和傾斜。埋設(shè)在穩(wěn)固基巖上的倒錘還可以用作變形觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)。4.4.1光的相干性原理

因?yàn)楣饩哂胁▌?dòng)性，所以如機(jī)械波那樣，當(dāng)兩列光波頻率相同、方向相同、相位相同或相位差恒定時(shí)，這兩列光波將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

4.4.2波帶板激光準(zhǔn)直測(cè)量設(shè)備He-Ne激光器；波帶板；激光探測(cè)器。

①在基準(zhǔn)點(diǎn)A安置激光器；②在基準(zhǔn)點(diǎn)B安置探測(cè)器；③在待測(cè)點(diǎn)i安置一特定的波帶板。當(dāng)激光照滿波帶板時(shí)，在B點(diǎn)探測(cè)器上測(cè)得i，從而：4.4.3波帶板激光準(zhǔn)直測(cè)量方法4.5坐標(biāo)測(cè)量工程測(cè)量的主要任務(wù)之一是測(cè)量空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過邊、角測(cè)量能直接得到空間點(diǎn)的相對(duì)或絕對(duì)三維坐標(biāo)的技術(shù)稱為坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)。所使用的主要儀器有全站儀、GPS接收機(jī)以及激光跟蹤儀和激光掃描儀等。4.5.1全站儀測(cè)量全站儀（totalstation），又稱全站型電子速測(cè)儀，是一種兼有電子測(cè)距、電子測(cè)角、計(jì)算和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄及傳輸功能的自動(dòng)化、數(shù)字化的三維坐標(biāo)測(cè)量與定位系統(tǒng)。全站型電子速測(cè)儀（ElectronicTotalStation）是由電子測(cè)角、電子測(cè)距等系統(tǒng)組成，測(cè)量結(jié)果能自動(dòng)顯示、計(jì)算和存儲(chǔ)，并能與外圍設(shè)備自動(dòng)交換信息的多功能測(cè)量?jī)x器。通常簡(jiǎn)稱為全站儀。LeicaTc400全站儀博飛博飛Geodimeter

全站儀600s使用Geodimeter

全站儀600sGeodimeter

全站儀數(shù)據(jù)采集器Geodimeter

全站儀電子手簿Geodimeter650s全站儀Tpcon全站儀南方ET02/05全站儀南方ETD2/5速測(cè)全站儀南方ET02全站儀PENTAXPTS-V2全站儀索佳索佳索佳索佳索佳尼康大地LeicaTCA2003全站儀發(fā)展趨勢(shì)：1、全站儀的小型化、系列化發(fā)展趨勢(shì)。2、全站儀的本地化發(fā)展趨勢(shì)。3、全站儀的功能集成化發(fā)展趨勢(shì)。超站儀及其炮兵定位定向系統(tǒng)4.5.3激光跟蹤儀和全站儀一樣，激光跟蹤儀是一種精密三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，它具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)快速、動(dòng)態(tài)測(cè)量、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。在航空航天、汽車制造、電子工業(yè)、高能粒子加速器工程的設(shè)備檢測(cè)與安裝，以及大尺寸計(jì)量等行業(yè)中，有廣泛應(yīng)用。

徠卡LTD500SMXTracker4500APITrackerII激光跟蹤儀LTD500Tracker4500TrackerII測(cè)量范圍水平±235°280°±235°垂直±235°115°±55°距離0—35米35米35米測(cè)量精度分辨率0.14″1.26μm0.25″0.16μm0.27″1μm重復(fù)性±5ppm（坐標(biāo)）近目標(biāo)：1μm+3ppm遠(yuǎn)目標(biāo)：1μm+1ppm±3ppm（坐標(biāo)）坐標(biāo)測(cè)量絕對(duì)精度靜態(tài)：±10ppm動(dòng)態(tài)：±20—40ppm近目標(biāo)：2μm+12ppm遠(yuǎn)目標(biāo)：0.8μm+5ppm靜態(tài)：±5ppm動(dòng)態(tài)：±10ppm跟蹤參數(shù)最大加速度≥2g縱向：無限制橫向：180°/s2≥2g跟蹤速度縱向：6m/s橫向：4m/s縱向：4m/s橫向：180°/s≥3m/s環(huán)境參數(shù)工作溫度5℃—40℃4℃—43℃相對(duì)濕度10—90％（非凝結(jié)）0—95％（非凝結(jié)）海拔要求0—3000米0—3150米外形參數(shù)尺寸220×280×855mm高400×寬220mm重量（跟蹤頭）31.5Kg26Kg11.6Kg基本組成：角度測(cè)量部分；距離測(cè)量部分；跟蹤部分；控制部分；支撐部分。車身在線檢測(cè)設(shè)備4.5.4激光掃描儀LR200激光雷達(dá)

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，利用這一先進(jìn)技術(shù)，可快速獲取特定目標(biāo)的立體模型。與傳統(tǒng)的激光測(cè)距技術(shù)即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離測(cè)量不同，無合作目標(biāo)激光掃描技術(shù)的發(fā)展，為人們?cè)诳臻g信息的獲取方面提供了全新的技術(shù)手段，使人們從傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，提高了觀測(cè)的精度和速度。

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其工作目標(biāo)就是快速、方便、準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型，以便對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析和數(shù)據(jù)處理。其應(yīng)用與攝影測(cè)量大致相同，但激光掃描系統(tǒng)具有精度高，測(cè)量方式更加靈活、方便的特點(diǎn)，因此三維激光掃描可更精密地用來測(cè)量古建筑和珍貴文物的三維模型。根據(jù)實(shí)際工作的應(yīng)用需要，由模型可以生成斷面圖、投影圖、等值線圖等，并可將模型以AutoCAD和Microstation的格式輸出。

激光掃描采樣

三維激光掃描儀的工作過程，實(shí)際上就是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，它通過具有一定分辨率的空間點(diǎn)所組成的點(diǎn)云圖來表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。

原始觀測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)2個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值；根據(jù)脈沖激光傳播的時(shí)間而計(jì)算得到的儀器到掃描點(diǎn)的距離值；掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度等。

前2種數(shù)據(jù)用來計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度則用來給反射點(diǎn)匹配顏色。

模型生成及坐標(biāo)匹配

在任意一幅點(diǎn)云圖中，掃描點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系是正確的，而不同點(diǎn)云圖間點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系的正確與否，則取決于它們是否處于同一個(gè)坐標(biāo)系下。大多數(shù)情況下，一幅掃描點(diǎn)云圖無法建立物體的整個(gè)模型，因此，如何將多幅點(diǎn)云圖精確地“裝配”在一起，處于同一個(gè)坐標(biāo)系下，是要解決的問題。目前采用的方法稱之為坐標(biāo)匹配。坐標(biāo)匹配是在掃描