第四章 距離測(cè)量與三角高程測(cè)量.ppt

1、第四章 距離測(cè)量與,第 四 章 距離測(cè)量與三角高程測(cè)量 學(xué) 習(xí) 要 點(diǎn),卷尺量距 視距測(cè)量 電磁波測(cè)距 三角高程測(cè)量,測(cè)距技術(shù)的發(fā)展,直接測(cè)距法 步測(cè)：雙步1.5m,光學(xué)視距測(cè)量,步弓、尺鏈 線(xiàn)尺、竹尺、 皮尺、鋼尺,電磁波測(cè)距,間接測(cè)距法,距離測(cè)量方法概述,距離測(cè)量是測(cè)量的三項(xiàng)基本工作之一： 測(cè)定地面點(diǎn)之間的水平距離。 距離測(cè)量的主要方法有： 鋼卷尺量距 主要指鋼卷尺量距 視距測(cè)量 利用測(cè)量?jī)x器的視距絲測(cè)距 電磁波測(cè)距 測(cè)距儀測(cè)距 三角測(cè)量法 利用三角形的邊角關(guān)系求距離,距離測(cè)量概述,三角高程測(cè)量： 是間接測(cè)定兩點(diǎn)間高差的方法。,卷尺量距概述,4-1 卷尺量距,精密量距方法 量距相對(duì)精度：1

2、10000140000 主要用途：砼、鋼結(jié)構(gòu)等較精密工程的 放樣等。,一般量距方法 量距相對(duì)精度： 1200015000 主要用途：圖根導(dǎo)線(xiàn)邊長(zhǎng)丈量、一般工 程的距離放樣。,1.一般方法量距,鋼尺量距的作業(yè)要求 1.一般方法量距： 直 目估定線(xiàn)，保證量距時(shí)沿直線(xiàn)方向進(jìn)行 平 地面平整，鋼尺水平 準(zhǔn) 每尺段端點(diǎn)標(biāo)志精確,直線(xiàn)定向 1、兩點(diǎn)間定線(xiàn),2、過(guò)山頭定線(xiàn),3、延長(zhǎng)直線(xiàn),A,C1,B,C2,C,2.精密方法量距,2.精密方法量距：,精密量距時(shí)采取的措施： 1.用檢定過(guò)的鋼尺； 2.經(jīng)緯儀定線(xiàn)； 3.釘尺段樁，逐段量測(cè)； 4.對(duì)鋼尺施加固定拉力； 5.對(duì)量距結(jié)果加三項(xiàng)改正數(shù)：,尺長(zhǎng)鑒定,鋼尺長(zhǎng)

3、度方程式,鋼是彈性體，在拉力作用下會(huì)變形（伸長(zhǎng)）,簡(jiǎn)單的尺長(zhǎng)鑒定,在平坦的地面（宜在室內(nèi)，使兩尺溫度相同）把待檢定的尺子與高精度的標(biāo)準(zhǔn)尺比較而求得k,l,lt,檢定場(chǎng)：在平整的條形場(chǎng)地兩端地面埋設(shè)兩個(gè)穩(wěn)定的標(biāo)志，其間距比待檢定鋼尺長(zhǎng)度n倍略短一些。高精度測(cè)量?jī)蓸?biāo)志的間距作為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度S標(biāo)準(zhǔn)。,設(shè)尺子的溫度膨脹系數(shù)已知。用待檢定的尺子（先假定k=0），在工作時(shí)的正常拉力下，測(cè)量檢定場(chǎng)兩標(biāo)志的間距S。從而可得,鋼尺尺長(zhǎng)鑒定,尺號(hào): 015,名義長(zhǎng)度 : 30m,膨脹系數(shù):0.012,鋼尺鋪地丈量（在標(biāo)準(zhǔn)拉力下）,量得 s=234.943; t=27.4; h=2.54,距離測(cè)量的誤差源,尺長(zhǎng)誤差 系

4、統(tǒng) 溫度的影響 部分系統(tǒng)，部分偶然 傾斜的影響 系統(tǒng) 拉力不準(zhǔn)引起的誤差 部分系統(tǒng),部分偶然 尺子垂曲與反曲引起的誤差 系統(tǒng) 定線(xiàn)誤差 系統(tǒng) 讀數(shù)誤差 偶然,4-2光學(xué)測(cè)距,一、間接測(cè)距，視差法測(cè)距,間接測(cè)距可跨越障礙,b,s,r,b,s,視差法測(cè)距：專(zhuān)用的基線(xiàn)尺+高精度的角,視距測(cè)量,二、 視 距 測(cè) 量,視距測(cè)量利用測(cè)量望遠(yuǎn)鏡的視距絲，間接測(cè)定 距離和高差的方法。,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量速度快，不受地 形限制。 不足：精度低，距離相對(duì)誤 差一般約為1/300，高 差一般為分米級(jí)。 用途：主要用于地形圖測(cè)繪 (地形點(diǎn)的距離與高差)。,（一）視線(xiàn)水平時(shí),十字絲板上有兩根視距絲，它們?cè)谖镧R光心處的張角基本是

5、不變的。兩根視距絲在物方象的間距與距離成正比 一般制作儀器時(shí)令,一.視線(xiàn)水平時(shí)視距測(cè)量,讀數(shù)要求：上下絲讀數(shù)a、b讀至毫米，中絲 讀至厘米， 儀器高 i 量至厘米。,1.視距公式： (4-2-1) (4-2-2),2.高差公式： (4-2-4) (4-2-5),二.視線(xiàn)傾斜時(shí)視距測(cè)量公式,二.視線(xiàn)傾斜時(shí)視距測(cè)量公式,三.視距測(cè)量觀測(cè)和計(jì)算,觀測(cè)：在測(cè)站安置經(jīng)緯儀，對(duì)中、整平、量?jī)x器高； 在測(cè)點(diǎn)豎水準(zhǔn)尺，瞄準(zhǔn)(要求三絲都能讀數(shù))。,讀數(shù)：每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀四個(gè)讀數(shù) 上絲讀數(shù) a 讀至毫米 下絲讀數(shù) b 讀至毫米 中絲讀數(shù) 讀至厘米 豎盤(pán)讀數(shù) L 讀至分,三.視距測(cè)量觀測(cè)和計(jì)算,視距測(cè)量通常只測(cè)盤(pán)左（或盤(pán)

6、右），測(cè)量前 要對(duì)豎盤(pán)指標(biāo)差進(jìn)行檢驗(yàn)與校正。,視距測(cè)量表,視距測(cè)量表,4-3電磁波測(cè)距,1941年瑞典物理學(xué)家Bergstrand在研究光速時(shí)開(kāi)發(fā)了高精度測(cè)量t的技術(shù) 1948年瑞典AGA廠推出了第一臺(tái)光波測(cè)距儀 隨著需求的增長(zhǎng)和光學(xué)、微電子學(xué)的發(fā)展使電磁波測(cè)距的技術(shù)迅速發(fā)展。進(jìn)一步推進(jìn)了測(cè)量學(xué)的發(fā)展 盡管GPS應(yīng)用很廣，短程電磁波測(cè)距儀仍然大有用途,一、基本原理,依據(jù)測(cè)定時(shí)間的方法不同，光電測(cè)距有如下幾種： 1、變頻法 2、相位法 3、干涉法 4、脈沖法,二、電磁波測(cè)距儀的分類(lèi) 1、按載波分,2、按測(cè)程分 短程 15km,（B 用 ppm表示 mm/km）,微波測(cè)距儀 激光測(cè)距儀 紅外光測(cè)距

7、儀,三、光電脈沖法測(cè)距,時(shí)間測(cè)定：1、脈沖計(jì)數(shù)測(cè)時(shí) 2、模擬數(shù)字測(cè)時(shí)（電容充電）,已知： 時(shí)標(biāo)脈沖頻率： f=15 Mhz 電磁波速度： v=310 8 m/s 時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)： n=100 求：距離 D,D= 1/f nv / 2= 1000 米,脈沖測(cè)距舉例,電磁波測(cè)距原理,按電磁波理論： 光是電磁橫波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 它表達(dá)了光波在轉(zhuǎn)播空間任一位置上電磁振動(dòng)的狀態(tài)。 其中： 波動(dòng)過(guò)程就是振動(dòng)的相位沿波動(dòng)方向移動(dòng)的過(guò)程。,S,相位測(cè)量,要測(cè)量測(cè)距信號(hào)（U1）與參考信號(hào)（U2）之間的相位差 1）濾波：取出調(diào)制波（頻率低）的信號(hào) 2）混頻：把調(diào)制波信號(hào)與“本振”信號(hào)混合，經(jīng)處理后可以得到頻率更低

8、（以便于更精確測(cè)量相位差），但相位依舊的差分信號(hào),相位測(cè)量,3）把正弦波處理成方波 4）把U1和U2分別接在門(mén)電路的兩個(gè)觸發(fā)器上，U2負(fù)跳變時(shí)把與門(mén)打開(kāi)，U1負(fù)跳變時(shí)把與門(mén)關(guān)閉。在門(mén)開(kāi)啟的這段時(shí)間內(nèi)讓計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)，從而可以測(cè)得。,U2,U1,電磁波測(cè)距原理,設(shè)光從發(fā)射器發(fā)出，抵達(dá)反光鏡后返回儀器的接收器，稱(chēng)為信號(hào)2。而從發(fā)射器發(fā)出的光分出一路直接進(jìn)入處理裝置，稱(chēng)為信號(hào)1。這兩個(gè)信號(hào)之間存在相位差和整周數(shù)N。 利用相位器可測(cè)定，但而不能求得“整周數(shù)N”。 因此只可以求得“余長(zhǎng)”，而不能求得整長(zhǎng)。,電磁波測(cè)距原理,測(cè)距儀把一定波長(zhǎng)的電磁波從A點(diǎn)射向B點(diǎn)，經(jīng)B點(diǎn)的反光棱鏡反射后由測(cè)距儀接收，射出與接

9、收波之間的相位差可用微電子技術(shù)自動(dòng)測(cè)量是電磁波在AB點(diǎn)之間往返時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式。用它可以算得測(cè)距儀至反光鏡之間斜距長(zhǎng)度的“尾數(shù)”。用幾個(gè)不同波長(zhǎng)的電磁波調(diào)制波測(cè)量同一段距離可以既擴(kuò)大測(cè)程又保持精度。,測(cè)程和精度,測(cè)相的精度是有限的。例如可以把細(xì)分1000倍，則測(cè)量的精度為測(cè)尺的1/1000。設(shè) ，這時(shí)最小讀數(shù)為cm。若要提高讀數(shù)精度，就應(yīng)縮短電子尺。但由于憑一個(gè)無(wú)法求得整尺段數(shù)N，即不知待測(cè)距離的大數(shù)。就是說(shuō)：用短的電子尺測(cè)量精度高但測(cè)程小。如果用長(zhǎng)的電子尺能擴(kuò)大測(cè)程，但由于細(xì)分技術(shù)的限制，不能求得精確的尾數(shù)。即測(cè)程大但進(jìn)度低。如果用兩個(gè)頻率的波（兩個(gè)不同的電子尺）進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)用來(lái)測(cè)量距離的

10、大數(shù)，另一個(gè)用于精確測(cè)量距離的尾數(shù)。就可以既擴(kuò)大測(cè)程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測(cè)量。,數(shù)字拼接,用f1=150kHz， 測(cè)得距離986.4m 用f2=15MHz， 測(cè)得距離6.574m 兩組數(shù)字拼接為986.574m,內(nèi)光路,當(dāng)內(nèi)光路棱鏡移到出光口時(shí)測(cè)量到內(nèi)光路的“距離” 移開(kāi)內(nèi)光路棱鏡后測(cè)量到外光路的“距離” 外光路“距離”減去內(nèi)光路“距離”后才是需要測(cè)量的距離。 這是消除儀器系統(tǒng)誤差的重要措施之一,加常數(shù),測(cè)距儀的機(jī)械中心與調(diào)制波發(fā)射和接收的等效面不一致；測(cè)距儀的機(jī)械中心與內(nèi)光路等效面不一致使儀器產(chǎn)生（與所測(cè)距離長(zhǎng)短無(wú)關(guān)的）加常數(shù)。 加常數(shù)通過(guò)檢定可以求得。,乘常數(shù),電磁波測(cè)距

11、好象是用電子尺丈量的。如果電子尺不準(zhǔn)就會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。這就是乘常數(shù)。 乘常數(shù)主要是由調(diào)制頻率偏離設(shè)計(jì)值引起的。乘常數(shù)是尺度比例系數(shù)，可以經(jīng)檢定求得。,與測(cè)程有關(guān)的因素,測(cè)程主要取決于接收光的強(qiáng)度能保證測(cè)相的精度。而接收光的強(qiáng)度與下述因素有關(guān)： 激光器的功率 激光發(fā)散角的大小 大氣對(duì)光的吸收程度 反光鏡的有效面積和其幾何精度 接收鏡筒的口徑 接收光電元器件的靈敏度等,電磁波測(cè)距成果的處理,1）儀器常數(shù)改正 乘常數(shù)改正數(shù) 加常數(shù)改正數(shù) 2）氣象改正 3）傾斜改正,傾斜的附加改正數(shù),如果測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡高度與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的高度不一致，則在視線(xiàn)傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加改正數(shù)。因?yàn)檫@時(shí)測(cè)距儀的中心會(huì)偏離測(cè)站中心，而

12、反光鏡中心卻多半不會(huì)作相同的偏離。 測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡同軸的儀器沒(méi)有這項(xiàng)改正數(shù)。,電磁波測(cè)距成果的處理,3）氣象改正 電子尺長(zhǎng)是光速的函數(shù) 而光速又是折射率的函數(shù) 空氣的折射率首先與波長(zhǎng)有關(guān) 物理學(xué)家測(cè)算得,3）氣象改正,空氣的折射率也與氣象條件有關(guān) 儀器制造者根據(jù)儀器所用電磁波的波長(zhǎng)并顧及一般工作時(shí)的參考溫度及標(biāo)準(zhǔn)氣壓的濕度設(shè)定空氣的折射率。 如果實(shí)際工作時(shí)的大氣條件與此參考條件相同，就不加氣象改正數(shù)。否則要相對(duì)于參考折射率加改正數(shù)。,傾斜的附加改正數(shù),如果測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡高度與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的高度不一致，則在視線(xiàn)傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加改正數(shù)。因?yàn)檫@時(shí)測(cè)距儀的中心會(huì)偏離測(cè)站中心，而反光鏡中心卻多

13、半不會(huì)作相同的偏離。 測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡同軸的儀器沒(méi)有這項(xiàng)改正數(shù)。,電子全站儀圖,電子全站儀,棱 鏡,全 站 儀,三角高程測(cè)量,4-4 三角高程測(cè)量,掌握三角高程測(cè)量的基本原理和計(jì)算方法； 熟悉三角高程測(cè)量的作業(yè)方法。,已知兩點(diǎn)之間的水平距離D(或斜距S)，觀測(cè)垂直角， 從而計(jì)算高差。 使用于山區(qū)或不便于進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的地區(qū)。 三角高程測(cè)量要求考慮地球曲率的影響。,一.三角高程測(cè)量原理 二.較遠(yuǎn)距離的三角高程測(cè)量 三.三角高程測(cè)量的其他特點(diǎn),三角高程測(cè)量是一種間接測(cè)定兩點(diǎn)之間高差的方法,一.三角高程測(cè)量原理,一.三角高程測(cè)量原理,在距離200米以?xún)?nèi)，把大地水準(zhǔn)面看成水平面,二.一般情況下的三角高程測(cè)量,二.一般情況下的三角高程測(cè)量,距離較遠(yuǎn)時(shí)，考慮地球曲率差和大氣折光差對(duì)高差 的影響，應(yīng)對(duì)觀測(cè)得到的高差加“兩差”改正：,顧及兩差改正時(shí)，三角高程測(cè)量的高差計(jì)算公式為:,三、三角高程測(cè)量的觀測(cè)與計(jì)算,（一）三角高程測(cè)量的觀測(cè) 中橫絲 切 豎泡居中 讀L、