第3章 距離測量.ppt

1、第三章 距離測量,31 鋼尺量距 32 光學測距（視距測量） 33 光電測距（電磁波測距）,距離是地面點定位的直接定位元素；距離測量是工程測量的重要內(nèi)容之一。 距離測量方法有鋼尺量距、視距測量、電磁波測距等。 每個人都曾有過“測距”的經(jīng)歷。 31 鋼尺量距（教材P57） 鋼尺量距是用鋼尺沿地面直接丈量距離。 過去，鋼尺量距是主要的精密測距方法。現(xiàn)代也有使用。,鋼尺是鋼制的薄帶尺，長度有20米、30米和50米幾種。尺面上有米、分米、厘米、毫米刻劃線（有些尺子僅起點處有毫米刻劃）；在每米及每分米處有數(shù)字注記，注記到厘米。鋼尺通常卷放在圓形金屬盒內(nèi)或金屬架上，故又稱作“鋼卷尺”。鋼尺外形如下圖所示。

2、,鋼尺量距的基本工作步驟 一.定線 當待測距離大于整尺長度時，需分段量測，然后累加。 各分段的長度略小于尺長。分段時必須先進行“定線”。 定線是將各分段點定在由起點和終點形成的直線上。 定線的原理是 “三點成一線，兩端定中間”。 定線方法有“目估法”和“經(jīng)緯儀法”。前者用于一般測距，后者用于精密測距。,設A、B兩點互相通視，要在A、B兩點的直線上標出分段點1、2。 先在A、B點上豎立標桿，甲站在A點標桿后約一米處，指揮乙左右移動標桿，直到甲從在A點沿標桿的同一側看到A、i、B三支標桿成一條線為止。 同法定出直線上的其他點。一般應由遠到近，即先定1點，再定2點。每定好一點，應打木樁、做標記。 采

3、用經(jīng)緯儀定線法時，是用A點經(jīng)緯儀望遠鏡瞄準B點標桿時的視線作為方向線。,二.丈量 定線結束后，即可進行丈量。丈量分為一般方法和精密方法。 （一）.鋼尺量距的一般方法 鋼尺量距的一般方法又分為平量法和斜量法。 1. 平量法 平量法用于平坦地面或不均勻傾斜地面的距離丈量。 （1）平坦地面平量法 丈量工作一般由23人進行。拉尺員分為“前尺手”和“后尺手”。,在直線兩端點A、B豎立標桿（或小測釬,見P60圖3.22），后尺手持鋼尺的零端位于B點，前尺手持鋼尺的末端和一組測釬沿BA方向前進，行至第一個分段點處停下，將鋼尺拉在B1方向線上，拉平、拉直。 后尺手將鋼尺的零點對準B點。當兩人同時把鋼尺拉緊后，

4、前尺手在鋼尺末端的整尺長分劃線位置豎直插下一根測釬(如果在水泥地面上丈量插不下測釬時，也可以在地面上劃線做記號)得到1點，即量完一個尺段。,前、后尺手抬尺前進，當后尺手到達插測釬或劃記號處時停住，再重復上述操作，量完第二尺段。 后尺手拔起地上的測釬，依次前進，直到量完BA直線的最后一段為止。 最后一段距離一般不會剛好是整尺段的長度，稱為余長。丈量余長時，前尺手在鋼尺上讀取余長值，則B 、 A 兩點間的水平距離為： DBA n整尺長 余長,以上過程為往測。為避免出錯、提高精度，一般還需進行返測，即從A至B再丈量一次，得到DAB 。 若往、返丈量值符合以下要求，則取平均值作為最后結果。,(2)不均

5、勻傾斜地面平量法 在不均勻傾斜地面可插測釬或掛垂球線（左下圖及P61圖3.24）作為丈量端點。 丈量由A點向B點進行，甲立于A點，指揮乙將尺拉在AB方向線上。 甲將尺的零端對準A點，乙將鋼尺抬高，并且目估使鋼尺水平，然后用垂球尖將尺段的末端投影到地面上，插上測釬。 若地面傾斜較大，將鋼尺抬平有困難時，可將一個尺段分成幾個小段來平量，如圖中的i-j段。 在不均勻傾斜地面上采用平量法時，不足一個整尺段的余長可能不只一段。 其它丈量與計算工作，與平地平量法類似。,2. 斜量法 當傾斜地面的坡度比較均勻時，可以沿斜坡先丈量各分段的斜長，然后累加得到A、B間的斜距L。 測出地面傾角或兩端點的高差h，然后

6、按下式計算AB的水平距離：,采用斜量法時，同樣需進行往、返丈量。較差符合要求時取其均值。,（二）.鋼尺量距的精密方法 用一般方法量距，其相對精度只能達到1/10001/5000，當要求量距的相對精度更高時，例如1/100001/40000，這就要求用精密方法進行丈量。 精密量距方法的工具除了鋼尺之外還需要彈簧秤、溫度計、尺夾等輔助工具。其中鋼尺必須經(jīng)過檢驗，并得到其檢定的尺長方程式。 尺長方程式由檢定部門給出，其形式及使用方法見教材P61P62，有興趣的同學可自學。（不統(tǒng)一要求） 試設想用50米長的鋼尺精確丈量一段2km長的距離，定線、分段加往返丈量，45人（拉尺和讀數(shù)須分別由兩人完成）至少需

7、要一天時間，并且還有可能出錯。而用電磁波測距儀只需幾分鐘即可完成。 所以，現(xiàn)在已很少使用鋼尺精密量距方法來測距，絕大多數(shù)情況下都是用光電測距儀或全站儀。只有當距離很短、又沒有測距儀時才偶爾使用。,本節(jié)內(nèi)容回顧 鋼尺量距的基本工作包括定線和丈量。 鋼尺量距的一般方法有平量法和斜量法。 鋼尺量距的精密方法可自學。,32 光學測距（教材P64） 鋼尺量距費力、費時，速度慢、成本高。 光學測距則方便、快捷得多。光學測距又叫視距測量，只需一臺光學經(jīng)緯儀或水準儀和一把標尺，300米以內(nèi)的距離一分鐘就可測出。視距測量方法廣泛用于地形碎部測量中。 最常用的光學測距方法是望遠鏡視距法，其原理為“定角測距”。,左

8、下圖為“定角測距” 原理圖。 為固定角，AB是其平分線，ABMN；當MN的長度l已知時，A至B的距離為： 設計經(jīng)緯儀和水準儀時，望遠鏡十字絲分劃板上的上、下絲相對于儀器中心的張角為3422. 6；并使右下圖中的F位于儀器的幾何中心（即f+ 0），于是有： D 100 l 式中l(wèi)為MN的長度，即下絲和上絲在標尺上的讀數(shù)之差，叫視距讀數(shù)。,在A點安置儀器，在B點豎立標尺，根據(jù)上、下絲在標尺上的讀數(shù)之差，按上式即可求得A至B的距離，稱作視距。 必須注意：上述視距計算式僅在視線水平、即視準軸與標尺垂直時才成立。,當視線傾斜（即存在垂直角時，見下圖），視準軸與標尺不正交，則不能直接應用上式。 設想將標尺

9、繞其與望遠鏡視準軸的交點O旋轉一個角度之后，視準軸就與標尺正交，上述視距計算式便又能應用，但須用上下絲在假想標尺上的視距讀數(shù)l 而不是l 。 因張角很小，僅34，故由下圖易得： l l cos 望遠鏡中心Q至視準軸與標尺交點O的視距為： L100 l 100 l cos A、B兩點間的水平距離為：D = L cos 100 l cos2 視距測量的精度不高，誤差在0.1米以上，且與距離成正比。,本節(jié)內(nèi)容回顧 光學測距的原理為定角測距。 根據(jù)上、下絲在標尺上的視距讀數(shù)可求得距離D。 光學測距的精度不高，但速度較快。,3-3 光電測距（電磁波測距） 鋼尺量距精度高，但費時、費力；光學測距速度快，但

10、精度差，且不能測長距離。光電測距則完全保留了二法的優(yōu)點，且克服了各自的缺點。但儀器價格昂貴，單價在萬元以上。 光電測距又叫電磁波測距（electromagnetic distance measuring），簡稱EDM。光電測距儀包括激光和紅外（光）測距儀。 一. 基本原理 通過測量電磁波在待測距離上往返傳播所需的時間來間接測量距離。,如下圖所示，欲測量地面上A、B兩點間的距離，在A點安置光電測距儀，在B點架設反射棱鏡。A點儀器發(fā)射的光波（電磁波）經(jīng)大氣傳播后射至B點，被反光鏡反射回來，儀器便可接收到返回的光波。 （儀器和棱鏡見右下圖） 設發(fā)射光波的時刻為t1，接收光波的時刻為t2，則時間間隔為

11、：t2Dt2t1,t2D即光波在待測的A、B兩點間往返傳播所花的時間。 設光波在大氣中的傳播速度為C，則有： 2DC t2D D C t2D /2 由此可見，只要測出發(fā)射和接收光波的時間差t2D就可求出距離D。 上式成立的前提條件是光波在大氣中的傳播速度C為已知。由物理學知，光波在大氣中的傳播速度C等于光波在真空中的傳播速度C0除以大氣的折射率n。 光波在真空中的傳播速度為： C02997924581.2m/s (米/秒）,實際大氣的折射率n是溫度、氣壓、濕度及光波波長的函數(shù)。當光波波長為確定值時，實測溫度、氣壓、濕度等參數(shù)值便可依公式計算折射率n。 光電測距的實質(zhì)是“光電測時”。（精度很高，

12、不能用手表或運動跑表測時！) 光電測時方法有相位法、脈沖法等，前者應用比較普遍。 相位法測距是通過測量正弦調(diào)制光波在待測距離上往返傳播時所產(chǎn)生的相位變化來間接測量光波傳播的時間，進而測量距離。（詳見教材P4547) 相位法測時的精度可達0.10.01ns（納秒，即109 s），對應的測距精度約為cm級mm級。,二. 測距儀分類 1.按載波源分：激光測距儀、紅外測距儀、微波測距儀。 2.按測程分：短程（3km以內(nèi)）、中程（315km）和遠程（15km以上）。 3.按精度分：一級測距儀每km距離測量中誤差小于5mm；二級每km距離測量中誤差為510mm；三級每km距離測量中誤差大于10mm。 4.

13、按測時方式分：脈沖式測距儀、相位式測距儀。 5.按測頻方式分：固頻式（調(diào)制頻率固定不變）、變頻式。,6.按功能分： 專用型：只用于測量距離。 半站型：測距儀與光學經(jīng)緯儀組合在一起，稱為半站儀。 全站型：測距儀與電子經(jīng)緯儀組合成一體，稱為全站儀。,三. 測距操作 現(xiàn)代光電測距儀的自動化程度都很高，測時、計算、顯示均可由儀器內(nèi)部相應部件自動完成。測距操作實現(xiàn)了“傻瓜型作業(yè)”模式。 在架好儀器、瞄準反光鏡之后，只需輕按一下儀器操作面板上的測距按鈕，幾秒鐘之后即可將距離值（自動重復測量上千次的平均值）顯示在屏幕上。 不同型號的測距儀，操作面板上的“測距”按鈕會有所不同，但都類似于計算器上的操作鍵。一般

14、在測距鍵上冠有“DIST”、“D”或“MEA”、“M”或“測距”、“距離”等字樣，稍加留意就能辨認。,需要注意的是：在照準反光鏡時，對于三軸（發(fā)射、接收、視準軸）異軸的儀器，須用十字絲交點瞄準鏡下的標志中心（橫絲對準兩個橫向頂點的連線，縱絲對準兩個縱向頂點的連線）。 對于三軸同軸的儀器，則須用十字絲交點瞄準反光鏡中心（反光鏡中心與標志中心重合）。 測距之時還需測量溫度和氣壓，以進行氣象改正。,四. 測距成果處理 在野外用測距儀測得的距離值（多為斜距）還需進行處理，即需加上各種改正之后才是最終結果。一般需對距離觀測值進行儀器因素改正、大氣因素改正（即氣象改正）和傾斜改正（即平距化算）。,（一）儀

15、器因素的改正 1. 加常數(shù)改正 當用測距儀在精度很高的已知邊上觀測時，其觀測值總與已知值相差一個固定值k，則這個固定差值就叫測距儀（包括反射鏡）的加常數(shù)，即 kD0D （ D0為已知值，D為觀測值） 引起加常數(shù)存在的主要原因是： 儀器發(fā)射與接收系統(tǒng)的等效中心與其對中中心不一致； 反射鏡的等效反射中心與其對中中心不一致； 儀器內(nèi)部傳送光電信號的相位延遲。 將測距儀送至專業(yè)檢定部門可得到加常數(shù)k之值。,2. 頻率改正 由于長途搬運振動、外界氣象條件影響以及電路元件參數(shù)老化等原因，儀器的調(diào)制頻率會發(fā)生變化（即存在“頻率漂移”現(xiàn)象），從而導致“光尺”長度變化，對距離測量結果產(chǎn)生影響。 當存在“頻漂”時

16、，需進行頻率改正。頻率改正計算公式為： DfD (f0f) / f0 式中， f0為調(diào)制頻率的標稱值，由儀器說明書給出；f 為調(diào)制頻率的實際值，需用“校頻儀”在野外實測得到。,3. 剩余常數(shù)改正 在光電測距實踐中人們發(fā)現(xiàn)，除了頻率改正、氣象改正等與距離成正比的改正系數(shù)外，還存在原因不明的比例改正系數(shù)，稱為剩余常數(shù)（或乘常數(shù)），用r表示。存在剩余常數(shù)時，其改正公式為： Drr D 將測距儀送至專業(yè)檢定部門可得到剩余常數(shù)r 之值。 （二）大氣因素改正 由于實際測距時的大氣狀態(tài)跟設計儀器時的參考大氣狀態(tài)不一致，儀器本身又不能直接測定大氣折射率，因此須對距離觀測值施加大氣因素改正，即氣象改正。 氣象改

17、正的原理公式為： Dn （n0 n)D 式中， n0為設計儀器時的參考大氣狀態(tài)的折射率，n為實際大氣折射率。,大氣折射率是溫度t、氣壓p和濕度e的函數(shù)，所以氣象改正Dn也必然是t、p、e的函數(shù)。一般只需考慮t、p的影響，e的影響可忽略。 氣象改正的實用公式：,式中，c1、c2為常系數(shù)，由儀器使用說明書給出。儀器不同， c1、c2亦有所不同；溫度t以為單位，氣壓p以hpa為單位；Dn、D以m為單位。 經(jīng)過儀器因素和大氣因素改正之后的距離仍為斜距，用D表示： DDk Df Dr Dn,（三）傾斜改正（平距化算） 傾斜改正是將斜距化算為測站和鏡站平均高程面上的平距。有兩種方法。 1. 根據(jù)高差進行改正,式中，S為改正后的平距，h為兩點間的高差。 2. 根據(jù)垂直角進行改正 （1）簡易公式 SDcos,（2）精密公式 根據(jù)斜距D（圖中AB）求平距S（圖中A B ）。 由右圖知：A B AE SDcos c （c 14 Dkm,與距離有關) c地球曲率差地球表面是曲率半徑為R的曲面。欲在A點看到遠處同高的B，須將B 抬高才行，抬高的角度