《數(shù)字測量》課件 第6章 距離測量

第6章

距離測量目錄06-5月-242鋼尺量距I.電磁波測距III.視距測量II.傳感器測距IV.06-5月-243如何確定地面點平面位置？

·天津在哪里？06-5月-244如何確定地面點平面位置？

·距離測量和直線定向也是測量的基本工作之一

·距離測量鋼尺(皮尺)量距視距測量電磁波測距大地測量技術(shù)GPSVLBISLR【測距輪】【甘特氏測鏈】06-5月-2456.1鋼尺量距6.1.1鋼尺量距工具

·鋼尺量距利用經(jīng)檢定的鋼尺直接量測地面兩點間的距離，又稱為距離丈量?；静襟E：定線、尺段丈量、成果計算鋼尺、標桿、測釬和垂球精密量距時，還需要有彈簧秤、溫度計

·鋼尺量距的工具06-5月-2466.1鋼尺量距6.1.1鋼尺量距工具

·鋼尺特點用薄鋼片制成，寬10～15mm，厚0.2～0.4mm鋼尺長度：20m、30m、50m等基本分劃為cm；最小分劃為mm；m和cm處有數(shù)字注記按鋼尺零點位置不同，可分為：端點尺

(a)：以尺子的端點(拉環(huán)的外邊緣)為零；刻劃尺

(b)：以尺子的端部某一位置為零刻劃。06-5月-2476.1鋼尺量距6.1.1鋼尺量距工具

·輔助工具測釬：標定尺段標桿：直線定線垂球：用于不平坦地面丈量時將鋼尺的端點垂直投影到地面彈簧秤：對鋼尺施加規(guī)定的拉力溫度計：用于測定鋼尺量距時溫度，對所測距離施加溫度改正【測釬】【垂球】【溫度計】【彈簧秤】【標桿】分段測量：地面兩點之間的距離較長或地形起伏較大時，需要分段直線定線：為了使所量各尺段在同一條直線上，需要將每一尺段首尾的標桿標定在待測直線上，這種在直線方向上標定若干點位的工作按精度可分為：目測標桿定線、經(jīng)緯儀定線適用于一般鋼尺量距首尾點互相通視由遠到近定線06-5月-2486.1鋼尺量距6.1.2直線定線

·1.目測花桿定線適用于精密鋼尺量距A、B兩點需通視經(jīng)緯儀安置在A點，用望遠鏡縱絲照準B點，上下轉(zhuǎn)動望遠鏡，指揮標桿像為縱絲平分06-5月-2496.1鋼尺量距6.1.2直線定線

·2.經(jīng)緯儀定線06-5月-24106.1鋼尺量距6.1.3鋼尺量距的一般方法

·1.平坦地面的距離丈量一般由兩個人進行丈量清除待量直線上的障礙物，在直線兩端點A、B豎立標桿后尺手持鋼尺零端位于A點，前尺手持鋼尺的末端和測釬沿AB方向前進，行至一個尺段處停下，拉緊拉平鋼尺，前尺手在整尺段分劃處插下測釬得到1點，即完成一個尺段余長讀數(shù)至mm06-5月-241106-5月-24126.1鋼尺量距§6.1.3鋼尺量距的一般方法

·平坦地面的距離丈量AB測釬lqlllllDAB=nl+q

n為整尺段數(shù)l為整尺段長q為余長A、B兩點間的水平距離為：06-5月-24136.1鋼尺量距6.1.3鋼尺量距的一般方法

·1.平坦地面的距離丈量為了防止丈量錯誤和提高量距的精度，需往、返丈量。返測時鋼尺要調(diào)頭。

往、返丈量距離的相對誤差

K為：相對誤差為分子為1的分數(shù)，相對誤差的分母越大，說明量距的精度越高。對圖根鋼尺量距導線，鋼尺量距往返丈量的相對誤差不應大于1/3000。當量距相對誤差沒有超過規(guī)定時，取往、返丈量的平均值

06-5月-24146.1鋼尺量距§6.1.3鋼尺量距的一般方法

·平坦地面的距離丈量一般量距精度要求：K≤1/3000(平坦)，≤1/1000(山區(qū))

例如，A、B兩點間用鋼尺量距，往測距離為125.468m，返測距離為125.436m，則其相對誤差為：在計算相對誤差時，因分子為1故只需計算其分母值；計算分母時只需計算出前兩位有效數(shù)字，后面補零。1)平量法2)斜量法06-5月-24156.1鋼尺量距6.1.3鋼尺量距的一般方法

·2.傾斜地面的距離丈量1234地面坡度不大時，可將尺子拉平，然后用垂球在地面標出端點。L=l1+l2+……+ln地面坡度比較均勻，可沿斜坡丈量出傾斜距離L，并測出傾斜角

或高差h。ABL

Dh06-5月-24166.1鋼尺量距6.1.4鋼尺量距的精密方法

·相對誤差要求在1/10000以上時一般量距精度只能達到1/1000~1/5000精密方法量距工具：鋼尺+彈簧秤+溫度計因電磁波測距儀的普及，現(xiàn)在很少使用鋼尺應送計量單位或設有比長臺的測繪單位檢定，并得到尺長方程式鋼尺在量距時的實際長度與其名義長度、量距溫度的關(guān)系方程式尺長方程式：溫度為t

時的鋼尺實際長度t0溫度下,鋼尺尺長改正值鋼尺名義長度量距時的溫度鋼尺膨脹系數(shù)鋼尺檢定時的溫度(一般為1.15×10-5~

1.25×10-5)06-5月-24176.1鋼尺量距6.1.4鋼尺量距的精密方法

·精密量距步驟第一步：用經(jīng)緯儀定線第二步：用串尺法，每尺段串動尺子量3次，用彈簧稱控制拉力，并讀丈量時的溫度。A、B之間的距離=前端尺讀數(shù)b?后端尺讀數(shù)a第三步：測量各樁頂高差(利用水準測量測定，以便作傾斜改正)ABab30后前彈簧秤鋼尺撐桿彈簧秤鋼尺扣環(huán)平衡錘06-5月-2418/distance_tools/theb1670_650.jpgThisphotographshowsasurveyorusingatapestretcher.Intheearly1900s,tapeseventuallyreplacedthebarapparatusasthepracticalmeansformeasuringdistances.6.1鋼尺量距06-5月-2419Beforetheadventofelectronicdistancemeasuringinstruments,surveyorsusedtapesmadeofanalloycalled"invar,"tomeasurebaselines.

/theodolites/welcome.html#measuring6.1鋼尺量距06-5月-24206.1鋼尺量距6.1.4鋼尺量距的精密方法

·精密量距步驟第四步：量距成果整理對每尺段都要作三項改正：尺長改正溫度改正傾斜改正改正后距離：量距精度計算：06-5月-24216.1鋼尺量距6.1.4鋼尺量距的精密方法

·精密量距計算例【已知】Lt

=30?0.003+1.25×10?5

(t?20)×30m，測量A?1，L1

=29.486m，t1=26.0℃，h1=1.12m，試求：A?1水平距d1【解】：∴d1=L1+ΔLd+ΔLt+ΔLh=29.486?0.0029+0.0022?0.0213=29.464m06-5月-24226.1鋼尺量距6.1.5鋼尺量距的誤差分析及注意事項

·誤差來源與削弱尺長誤差：鋼尺名義長度與實際長度不符，需測出尺長改正值溫度誤差：鋼尺長度隨溫度而變化，應測定鋼尺本身的溫度1oC的溫度變化，丈量30m距離的誤差為0.4mm(按鋼的膨脹系數(shù)計算)鋼尺傾斜和垂曲誤差：高精度量距應加傾斜改正定線誤差：所量為折線，結(jié)果偏大。目估定線偏差<0.1m，影響極小丈量30m距離，偏差為0.25m時，距離偏大1mm拉力不均勻誤差：高精度量距應使用彈簧稱控制拉力鋼尺對點及讀數(shù)誤差：屬偶然誤差，丈量時應認真，采用多次丈量06-5月-24236.2視距測量6.2.1視線水平時的視距測量

·視距測量(早期)視距法(subtensemethod)是在測線的一端安置經(jīng)緯儀，而在另一端水平安置基線橫尺或布設短基線，用經(jīng)緯儀測取基線橫尺或短基線所對應的水平角(視差角)，再利用平面三角公式推求測線水平距離的距離測量方法。在電磁波測距儀出現(xiàn)之前，視差法測距常用于較精密的距離測量。/topic/surveying06-5月-24246.2視距測量6.2.1視線水平時的視距測量

·視距測量一種間接測距方法，它是利用望遠鏡內(nèi)十字絲分劃板上的視距絲(上、下絲)及標尺(水準尺)，根據(jù)光學原理同時測定兩地面點間水平距離和高差的一種簡易方法特點：同時測定兩點的水平距離和高差操作方便，速度快測距精度1：300，低于鋼尺量距高差精度低于水準測量適用于模擬法地形測量的碎部測量視距絲十字絲06-5月-24256.2視距測量6.2.1視線水平時的視距測量計算

·計算原理望遠鏡十字絲分劃板上有二條短的橫絲稱為視距絲，它們與儀器中心形成一個固定角

φ。上、下絲讀數(shù)之差稱為視距間隔用l

表示，所以l=下絲讀數(shù)?上絲讀數(shù)。水平距D的大小與l成正比。物鏡中心到儀器中心的距離望遠鏡物鏡焦距上、下視距絲間距06-5月-24266.2視距測量6.2.1視線水平時的視距測量

·計算原理?n′m′F∽?NMF?d/f=l/p

?d=f/p*lA、B間水平距離：D=d+f+δ=f/p*l+(f+δ

)物鏡中心到儀器中心的距離望遠鏡物鏡焦距上、下視距絲間距06-5月-24276.2視距測量6.2.1視線水平時的視距測量

·計算原理A、B間水平距離：D=d+f+δ=f/p*l+(f+δ

)物鏡中心到儀器中心的距離望遠鏡物鏡焦距上、下視距絲間距K視距乘常數(shù)，通常為100C視距加常數(shù)，接近于零06-5月-24286.2視距測量6.2.1視線水平時的視距測量

·計算公式水平距計算公式

DAB=Kl=100(下絲?上絲)

其中，K為視距乘常數(shù)等于100

高差計算公式hAB=i?υ

其中，i為儀器高，υ

為中絲讀數(shù)06-5月-24296.2視距測量6.2.2視線傾斜時的視距測量

·計算原理假設水準尺繞與望遠鏡視線的交點旋轉(zhuǎn)α

角后，就能與視線垂直；φ角很小，可忽視。水平距計算公式

DAB=Klcos2α

其中，α為垂直角

高差計算公式hAB=DABtgα+i?υ

其中，i為儀器高，υ

為中絲讀數(shù)06-5月-24306.2視距測量

·計算公式6.2.2視線傾斜時的視距測量ABDNMLDtanαihABSα06-5月-2431【已知】HA=142.60m，經(jīng)緯儀上絲讀數(shù)為0.900m，下絲讀數(shù)為1.900m，υ

=1.40m，i=1.40m，α=?11o29'。試求：DAB，hAB和HB

【解】

DAB=Klcos2α=100(1.900?0.900)

cos2(?11o29')=96.04m

hAB=DABtgα+i?υ

=96.04tg(?11o29')+1.40?1.40=?19.51mHB=HA+hAB=142.60?19.51=123.09m6.2視距測量

·計算例6.2.2視線傾斜時的視距測量06-5月-24326.2視距測量

·觀測步驟6.2.3視距測量的觀測與計算在測站點A上安置經(jīng)緯儀，對中、整平后，量取儀器高i，在待測點B上豎立水準尺

轉(zhuǎn)動儀器照準部，照準B點上豎立的水準尺，先將中絲照準尺上i處附近，并將上絲對準附近一整分米數(shù)，由上、下絲讀數(shù)直接讀取視距用中絲對儀器高(以使i?υ=0)，調(diào)豎盤指標水準管氣泡居中(有豎盤指標自動補償器的經(jīng)緯儀，無需此項操作)，讀取豎盤讀數(shù)，再計算豎直角將有關(guān)數(shù)據(jù)代人公式，即可計算得到相應的水平距離和高差06-5月-24336.2視距測量

·記錄計算表6.2.3視距測量的觀測與計算視距測量記錄計算表06-5月-24346.3光電測距

·測距方法的發(fā)展6.3.1光電測距儀的測距原理鋼尺量距：勞動強度大、工作效率低，精度不高視距測量：迅速、簡便，精度較低光電測距儀(Geodimeter)：20世紀40年代：1948年瑞典物理學家伯哥斯崔德(ErikBergstrand)提出

采用白熾燈、高壓汞燈等光源，儀器較重、需夜間觀測、觀測距離40km1957年：第一臺微波測距儀由南非的沃德利(T.L.Wadley)設計并開發(fā)使用

觀測距離達80km20世紀60年代：激光成為光源20世紀90年代：全站儀的出現(xiàn)電磁波測距(Electro-magneticDistanceMeasuring,EDM)利用電磁波(光波或微波)作為載波傳輸測距信號微波測距儀、光電測距儀(普通光測距儀、激光測距儀、紅外測距儀)06-5月-2435

·光電測距儀的分類6.3.1光電測距儀的測距原理按測定載波傳播時間方式：脈沖式、相位式按測程：短程、中程、遠程按精度：I、II、III級測程分類儀器種類短程光電測距儀中程光電測距儀遠程光電測距儀測程(km)<33~15>15精度±(5mm+5×10-6D)±(5mm+2×10-6D)±(5mm+1×10-6D)光源紅外光源(GaAs發(fā)光二極管)紅外光源(GaAs發(fā)光二極管)激光光源(激光光源)He-Ne激光器*GaAs(砷化鎵)【發(fā)光二極管，LED】*Helium–neon(氦氖)【氦氖激光器】6.3光電測距06-5月-2436早期光電測距儀(1959年，50kg)6.3.1光電測距儀的測距原理

·光電測距儀6.3光電測距06-5月-2437后期光電測距儀(1966年)Frontandbackviews

·光電測距儀6.3.1光電測距儀的測距原理6.3光電測距06-5月-2438

·光電測距儀6.3.1光電測距儀的測距原理美國地質(zhì)勘探局科學家使用光電測距儀測量圣海倫斯山的北麓(USGSPhotographtakenonMay4,1980,byC.DanMiller.)6.3光電測距06-5月-2439

·微波測距儀6.3.1光電測距儀的測距原理【微波測距儀M/RA1】1959年由南非科學與工業(yè)研究委員會的

沃德利(TrevorLloydWadley)發(fā)明6.3光電測距1962年的微波測距儀(9kg)1970年代微波(1.7kg)06-5月-2440

·微波測距儀6.3.1光電測距儀的測距原理6.3光電測距06-5月-2441

·微波測距儀6.3.1光電測距儀的測距原理6.3光電測距06-5月-24423.電磁波測量

·記錄計算表§3.1光電測距儀的測距原理CA1000

型微波測距儀，廣泛應用在20世紀70～80年代06-5月-2443

·測距原理6.3.1光電測距儀的測距原理LReflectorLengthofmeasuredpathis2xL測定光波的往返時間t，計算被測距離D被測距離電磁波在大氣中的傳播速度(3×108m/s)電磁波在被測距離上一次往返傳播的時間式中：c=c0/nc0：真空中的光度(299792458m/s±1.2m/s)n：大氣折射率(n≥1)

光波波長、測線上大氣溫度/氣壓/濕度的函數(shù)6.3光電測距06-5月-2444

·測距原理6.3.1光電測距儀的測距原理由距離D的計算式（6-16）可知，測距精度主要取決于時間t的測定精度，由于，當要求測距誤差dD＜1㎝時，時間測定精度dt要求準確到6.7×10-11s，現(xiàn)今直接測量時間難以達到這樣高的精度。因此，時間的測定一般采用間接測量的方式來實現(xiàn)。間接測定時間的方法有相位法。

·1.脈沖法測距【LeicaDI3000測距儀】脈沖法測距是指由測距儀的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光脈沖，經(jīng)反射棱鏡反射后，又回到測距儀而被其接收系統(tǒng)接收，測出這一光脈沖往返所需時間間隔，進而求得距離。由于鐘脈沖計數(shù)器的頻率所限，所以測距精度只能達到0.6-1m。此法常用在激光雷達、微波雷達等遠距離測距上。20世紀80年代，出現(xiàn)了將測線上往返的時間延遲△t變成電信號，對一個精密電容進行充電,同時記錄充電次數(shù)，然后用電容放電來測定△t的方法，這種方法的測量精度可達到毫米級。06-5月-2445

·2.相位法測距6.3.1光電測距儀的測距原理

06-5月-2446

·2.相位法測距6.3.1光電測距儀的測距原理

相當于鋼尺測距的尺長06-5月-2447

·2.相位法測距6.3.1光電測距儀的測距原理測距儀的測相裝置（相位計）只能分辨出0-2π的相位變化，故只能測出不足整周（2π）的尾數(shù)相位值，而不能測定整周數(shù)N，這樣相位法測距公式（6-20）將產(chǎn)生多值解。只有當待測距離小于測尺長度時才有確定的距離值。又由于儀器測相裝置的測相精度一般小于1/1000，故測尺越長測距誤差越大。人們通過在相位式光電測距儀中設置多個測尺，用各測尺分別測距，然后將測距結(jié)果組合起來的方法來解決距離的多值解問題。在儀器的多個測尺中，稱長度最短的測尺為精測尺，其余為粗測尺。用精測尺測定距離的尾數(shù)，以保證測距的精度，用粗測尺測定距離的大數(shù)，以滿足測程的需要。例如：某測程為1km的光電測距儀設置了10m和1000m兩把測尺，以10m作精尺，顯示米及米以下的距離值，以1000m作粗尺，顯示百米位、十米位距離值。如實測距離為386.118m，則粗測尺測距結(jié)果：380，精測尺測距結(jié)果：6.118，顯示距離值：386.118m。06-5月-2448

·ND3000紅外測距儀6.3.1光電測距儀的測距原理電池外接電源插口電源開關(guān)顯示屏數(shù)據(jù)接口粗瞄器望遠鏡目鏡望遠鏡目鏡調(diào)焦螺旋垂直制動螺旋垂直微動螺旋水平調(diào)整螺釘6.3光電測距06-5月-2449

·ND3000紅外測距儀6.3.1光電測距儀的測距原理6.3光電測距6.3.2全站儀測距圖6-10

STS-722全站儀6.3光電測距全站儀種類、型號很多，全站儀測距的基本操作大同小異。本節(jié)以三鼎STS-720系列全站儀為例（圖6-10）。STS-720是2013年三鼎光電為專業(yè)工程測量推出的全站儀系列。免棱鏡測程350m，單棱鏡5000m，測距精度2mm+2ppm。精選簡化的測量程序，IP55級防固的堅毅機身，為工程測量量身設計。絕對編碼測角、激光免棱鏡測角，保證測量的速度與精度。

06-5月-24516.3.2全站儀測距全站儀種類、型號很多，全站儀測距的基本操作大同小異。本節(jié)以三鼎STS-720系列全站儀為例（圖6-10）。STS-720是2013年三鼎光電為專業(yè)工程測量推出的全站儀系列。免棱鏡測程350m，單棱鏡5000m，測距精度2mm+2ppm。精選簡化的測量程序，IP55級防固的堅毅機身，為工程測量量身設計。絕對編碼測角、激光免棱鏡測角，保證測量的速度與精度。6.3光電測距圖6-10

STS-722全站儀06-5月-24526.3.2全站儀測距將儀器安裝在三腳架上，精確整平和對中，以保證測量成果的精度。(1)架設三腳架，將全站儀安置在架頭上。(2)全站儀開機，移動兩個三腳架腿使激光點對好測站點標志中心。(3)通過伸縮三腳架腿使圓水準器氣泡居中。(4)檢查激光點對中，如激光點沒對好測站點標志中心，松開中心連接螺旋，儀器在架頭移動精確對中。(5)調(diào)三個腳螺旋使長水準管氣泡在互相垂直的兩個方向均居中。(6)最后再檢查激光點是否對好測站點標志中心。6.3光電測距

·1.安置儀器06-5月-24536.3.2全站儀測距（1）對準明亮地方，旋轉(zhuǎn)目鏡筒，調(diào)焦看清十字絲。（2）利用望遠鏡上瞄準器內(nèi)的三角形標志的頂尖瞄準目標點，制動儀器。（3）利用望遠鏡調(diào)焦螺旋使目標成像清晰。6.3光電測距

·2.瞄準目標

·3.EDM設置（1）設置EDM模式（2）設置目標類型（3）設置棱鏡常數(shù)（4）設置氣象數(shù)據(jù)06-5月-24546.3.2全站儀測距圖6-15為基本測量界面，基本測量分兩頁顯示和兩頁功能菜單，包括了所有常用的測量功能，如角度測量、距離測量以及坐標測量。按[F1]翻到第2頁，按[F2]“測量”鍵，約1秒鐘后，屏幕上就會顯示斜距、平距。6.3光電測距

·4.距離測量06-5月-2455

·測距儀的標定精度6.3.4光電測距的誤差分析測距儀距離計算公式：利用誤差傳播規(guī)律可求得D的方差：被測距離電磁波在真空中的傳播速度大氣折射率電磁波頻率不足一整尺段之余數(shù)測距儀加常數(shù)6.3光電測距06-5月-24566.3光電測距

·測距儀的標定精度6.3.4光電測距的誤差分析利用誤差傳播規(guī)律可求得D的方差：比例誤差：C0、f、n的誤差與距離成正比固定誤差：?N、K的誤差與距離無關(guān)可寫成常用經(jīng)驗公式：

mD=±(a+bD)如：如三鼎STS-720系列全站儀的標稱精度可按式（6-24）表示為±（2mm+2Dppm）。1ppm=1mm/1km=1×10-6，即每測量1km的距離將產(chǎn)生1mm的比例誤差06-5月-24576.3光電測距

·測距儀的誤差6.3.4光電測距的誤差分析主要有三種：固定誤差，比例誤差及周期誤差固定誤差：與被測距離無關(guān)，主要包括儀器對中誤差、儀器加常數(shù)測定誤差及測相誤差。比例誤差：與被測距離成正比，主要包括：大氣折射率的誤差，在測線一端或兩端測定的氣象因素不能完全代表整個測線上平均氣象因素。調(diào)制光頻率測定誤差，調(diào)制光頻率決定測尺的長度。周期誤差：由于送到儀器內(nèi)部數(shù)字檢相器不僅有測距信號，還有儀器內(nèi)部的竄擾信號，而測距信號的相位隨距離值在0~360o內(nèi)變化，因而合成信號的相位誤差大小也以測尺為周期而變化，故稱周期誤差。06-5月-24586.3.4光電測距的誤差分析

6.3光電測距

·對光電測距的誤差進行簡要分析

06-5月-24596.3.4光電測距的誤差分析

6.3光電測距

·對光電測距的誤差進行簡要分析06-5月-24606.3.4光電測距的誤差分析

6.3光電測距

·對光電測距的誤