测量学距离测量与直线定向

第4章距离测量和直线定向4.1钢尺量距4.2视距测量4.3电磁波测距4.4全站仪及其应用4.5直线定向4.6用罗盘仪测定磁方位角本章内容如下：•距离测量(distancemeasurement)是确定地面点位的基本测量工作之一。距离测量方法有钢尺量距、视距测量、电磁波测距和GPS测量等。钢尺量距是用钢卷尺沿地面直接丈量距离；视距测量是利用经纬仪或水准仪望远镜中的视距丝及视距标尺按几何光学原理进行测距；电磁波测距是用仪器发射并接收电磁波，通过测量电磁波在待测距离上往返传播的时间解算出距离；GPS测量是利用两台GPS接收机接收空间轨道上4颗卫星发射的精密测距信号，通过距离空间交会的方法解算出两台GPS接收机之间的距离。本章重点介绍钢尺量距和电磁波测距测量方法。4.1钢尺量距4.1.1丈量工具•钢尺(steeltape)：尺的宽度约10～15mm，厚度约0.4mm，长度有20m、30m、50m等几种。有端点尺、刻线尺；•皮尺：端点尺、刻线尺•标（花）杆、测钎和垂球4.1.2直线定线•目估定线：适用于钢尺量距的一般方法。•经纬仪定线：适用于钢尺量距的精密方法。4.1.3钢尺量距的一般方法1.平坦地面的距离丈量•往返测丈量A、B两点之间的距离为3000112DDDDDKDDDqnlDqnlD平均平均返往返往平均返返往往2.倾斜地面的距离丈量①平量法•同向丈量两次②斜量法•至少丈量两次•相对较差应小于1/1000nDDDD2122coshSSD4.1.4钢尺量距的精密方法•用一般方法量距，其相对误差只能达到1/1000~1/5000，当要求量距的相对误差更小时，例如1/10000~1/40000，就要求用精密方法进行丈量。1.直线定线：采用经纬仪定线2.量距：用经过检定、且有尺长方程式的钢尺量距3.测量桩顶高程4.尺段长度的计算ａ、尺长改正ｂ、温度改正ｃ、倾斜改正5.钢尺的检定：ａ、尺长方程式ｂ、钢尺检定的方法6.钢尺量距的误差分析定线误差、尺长误差、温度误差、拉力误差、尺子不水平的误差、钢尺垂曲和反曲的误差、丈量本身的误差7.钢尺量距注意事项①钢尺易生锈，丈量结束后应用软布擦去尺上的泥和水，涂上机油以防生锈。②钢尺易折断，如果钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。③丈量时，钢尺末端的持尺员应该用尺夹夹住钢尺后手握紧尺夹加力。没有尺夹时，可以用布或者纱手套包住钢尺代替尺夹，切不可手握尺盘或尺架加力，以免将钢尺拖出。④在行人和车辆较多的地区量距时，中间要有专人保护，以防止钢尺被车辆碾压而折断。⑤不准将钢尺沿地面拖拉，以免磨损尺面分划。⑥收卷钢尺时，应按顺时针方向转动钢尺摇柄，切不可逆转，以免折断钢尺。4.2视距测量(stadiameasurement)•视距测量是一种间接测距方法；它利用望远镜内十字丝分划板上的视距丝及刻有厘米分划的视距标尺(地形塔尺或普通水准尺)，根据光学原理可以同时测定两点间的水平距离和高差；其中测量距离的相对误差约为1/300，低于钢尺量距；测定高差的精度低于水准测量和三角高程测量；视距测量广泛用于地形测量的碎部测量中。4.2.1视距测量的原理•光学和三角学原理•特点：具有操作方便、速度快、不受地形起伏限制的优点，但测量精度低。1.视线水平时视距测量原理fdD•由图中的两个三角形相似可得：故：•令：，•则得：D=KL+C，k为视距乘常数，一般的仪器乘常数为100；内对光望远镜的C很小，经过调整物镜焦距、调焦透镜焦距及上下丝间隔等参数后C≈0•上式简化得：D=KL•在平坦地区，当视线水平时，读取中丝在视距尺(即水准尺)上的读数v，量取仪器高i，则高差h为：h＝i-vlpfd)(flpfDpfKfC2.视线倾斜时的视距测量原理水平距离公式：D=ＫＬcos2α高差公式：h=h′+i-v＝Dtanα+i-v4.2.2视距测量的观测与计算1)安置经纬仪，量仪器高ｉ，在另一个点上竖立视距尺。2)盘左瞄准目标尺，分别读出上、下、中丝读数。3)转动指标水准管微动螺旋，使竖盘指标水准管气泡居中，读取竖盘读数。4)计算：D=KLcos2α例：在A点安置经纬仪，B点竖立视距尺，A点的高程为HA=35.32m，仪器高i=1.39m，上下丝读数分别为1.264m、2.336m，盘左观测的竖盘读数为L=82°26′00″，竖盘指标差为x=+1′，求AB两点间的水平距离和B点的高程。解：视距间隔为l=2.336-1.264=1.072m竖直角为α＝90°-L+x＝7°35′水平距离为D=KLcos2α=105.33m中丝读数为v=(上丝读数+下丝读数)/2=1.8m高差为hAB=Dtanα+i-v=+13.61mB点的高程为HB=HA+hAB=35.32+13.61=48.93m4.3电磁波测距(electro-magneticdistancemeasuring，简称EDM)电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，传输测距信号，以测量两点间距离的一种方法。EDM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。补充内容：电磁波测距技术发展简介1948年，瑞典AGA(阿嘎)公司(现更名为Geotronics(捷创力)公司)研制成功了世界上第一台电磁波测距仪，它采用白炽灯发射的光波作载波，应用了大量的电子管元件，仪器相当笨重且功耗大。为避开白天太阳光对测距信号的干扰，只能在夜间作业，测距操作和计算都比较复杂。1960年世界上成功研制出了第一台红宝石激光器和第一台氦-氖激光器，1962年砷化镓半导体激光器研制成功。与白炽灯比较，激光器的优点是发散角小、大气穿透力强、传输的距离远、不受白天太阳光干扰、基本上可以全天侯作业。1967年AGA公司推出了世界上第一台商品化的激光测距仪AGA-8。该仪器采用5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为40km，夜间测程达60km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量23kg。武汉地震大队也于1969年研制成功了JCY-1型激光测距仪，1974年又研制并生产了JCY-2型激光测距仪。该仪器采用2.5mw的氦-氖激光器作发光元件，白天测程为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量16.3kg。随着半导体技术的发展，从60年代末70年代初起，采用砷化镓发光二极管作发光元件的红外测距仪流行起来。与激光测距仪比较，红外测距仪有体积小、重量轻、功耗小、测距快、自动化程度高等优点。由于红外光的发散角比激光大，所以红外测距仪的测程一般小于15km。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。4.3.1电磁波测距基本原理•通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间来计算待测距离。•其中所以，ncc0tncS20•为光波在真空中的传播速度，其精确值为•n为大气折射率(n≥1)，其为光的波长、大气温度和气压的函数。4.3.2电磁波测距仪的分类•根据测定时间的方法不同，分为脉冲式测距仪和相位式测距仪•按载波分类：微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪•按测程分为短程测距仪(3km）、中程测距仪(3~15km）、远程测距仪(15km）•按精度分类：I级(5mm）、II级(5mm～10mm）、III级(10mm～20mm）0csmsmc/2.1/29979245804.3.2相位式光电测距仪使用1）仪器安置2）开机3）瞄准4）测距和测角1.仪器常数改正2.气象改正3.倾斜改正4.3.4光电测距的成果整理KSRKSSRStpSA61000366.012904.0279cosASKSRSD4.3.5手持激光测距仪简介1．持续测量按钮2．长度测量按钮3．面积测量按钮4．开关按钮5．测量按钮6．显示屏7．显示灯按钮8．显示激光束按钮9．体积测量按钮10．清除按钮11．间接长度测量按钮12．读取存储数据按钮13．储存“减”操作按钮14．储存“加”操作按钮65478111291032114134.4电子全站仪（totalstation）及其应用4.4.1电子全站仪概述•全站型电子速测仪的简称，是指在测站上一经观测，必要的观测数据（水平角、竖直角、平距、斜距、高差、高程、坐标）均能自动显示。如通过传输接口把全站仪野外采集的数据与终端计算机、绘图仪连接起来，配以数据处理软件和绘图软件，即可实现测图的自动化。•全站仪主要由控制系统、测角系统、测距、记录系统及通信系统组成。•工程建设中应用广泛（测定、测设）4.4.2电子全站仪的基本测量功能操作概要4.4.3电子全站仪的使用1.仪器安置与开关机2.角度测量3.距离测量4.坐标测量：设置测站坐标、测站高、后视方位角或后视点坐标及棱镜高5.放样（1）已知角度和距离放样（2）已知坐标放样6.悬高测量(REM)7.遥距测量(RMD)8.任务管理器9.通讯4.4.4全站仪使用主要事项仪器安置在三脚架上之前，应检查三脚架的三个伸缩螺旋是否已旋紧，在用连接螺旋将仪器固定在三脚架上之后才能放开仪器，不要过分拧紧制动螺旋。在整个操作过程中，观测者决不能离开仪器，以避免发生意外事故。在阳光下或阴雨天气进行作业时，应打伞遮阳、遮雨。该仪器棱镜的棱镜常数总是0，不论是单棱镜还是三棱镜。凡迁站都应先关闭电源并将仪器取下装箱搬运。严禁在开机状态下插拔电缆。电池充电时间不能超过专用充电器规定的充电时间，否则有可能将电池烧坏或者缩短电池的使用寿命。4.5直线定向•确定地面直线与标准方向间的水平夹角称为直线定向(lineorientation)。4.5.1标准方向的分类1.真子午线方向(truemeridiandirection)•地表任一点P与地球旋转轴所组成的平面与地球表面的交线称为P点的真子午线(truemeridian)，真子午线在P点的切线方向称为P点的真子午线方向。•可以应用天文测量(astrometry)方法或者陀螺经纬仪(gyrotheodolite)来测定地表任一点的真子午线方向。2.磁子午线方向(magneticmeridiandirection)地表任一点与地球磁场南北极连线所组成的平面与地球表面交线称为点的磁子午线(magneticmeridian)，磁子午线在点的切线方向称为点的磁子午线方向。•可以应用罗盘仪(compass)来测定，在直线端点安置罗盘，磁针自由静止时其轴线所指的方向即为点的磁子午线方向。3.坐标纵轴方向(ordinatesaxisdirection)•过地表任一点且与其所在的高斯平面直角坐标系或者假定坐标系的坐标纵轴平行的直线称为点的坐标纵轴方向。4.5.2直线方向的表示方法—方位角•由标准方向的北端，顺时针方向量至某直线的水平夹角，称为该直线的方位角，变化范围：0~360º。1.真方位角(truemeridianazimuth)：以真北方向为标准方向所度量的方位角；α真2.磁方位角(magneticmeridianazimuth)：以磁北方向为标准方向所度量的方位角；α磁3.坐标方位角(gridbearing)：以坐标纵轴北向为标准方向所度量的方位角；αN标准方向12α124.5.3正、反方位角的关系•任何一条直线都有正反两个方向，在直线起点量得的直线方向称直线的正方位角，反之在直线终点量得的直线方向称直线的反方位角。正反坐标方位角相差180°。αAB＝αBA±180°4.5.4三种方位角之间的关系1.通过地面上某点的磁北方向与真北方向的夹角为磁偏角(mageticdeclination)，用δ表示。以真北方向为准，东偏为正，西偏为负。•我国磁偏角的变化在+6°~-10°之间。2.通过地面上某点的坐标纵轴方向与真北方向的夹角为子午线收敛角(mappingangle)，用γ表示。以真北方向为准，东偏为正，西偏为负。3.三种方位角之间的关系ABAB真ABAB真磁ABAB