角度测量的原理及其方法

角度测量的原理及其方法角度测量原理一、水平角测量原理地面上两条直线之间的夹角在水平面上的投影称为水平角。如图3-1所示，A、B、O为地面上的任意点，通OA和OB直线各作一垂直面，并把OA和OB分别投影到水平投影面上，其投影线Oa和Ob的夹角∠aOb，就是∠AOB的水平角。如果在角顶O上安置一个带有水平刻度盘的测角仪器，其度盘中心O′在通过测站O点的铅垂线上，设OA和OB两条方向线在水平刻度盘上的投影读数为a1和b1，则水平角为：=b1-a1(3-1)二、竖直角测量原理在同一竖直面内视线和水平线之间的夹角称为竖直角或称垂直角。如图3-2所示，视线在水平线之上称为仰角，符号为正；视线在水平线之下称为俯角，符号为负。图3-1水平角测量原理图图3-2竖直角测量原理图如果在测站点O上安置一个带有竖直刻度盘的测角仪器，其竖盘中心通过水平视线，设照准目标点A时视线的读数为n，水平视线的读数为m，则竖直角为：=n-m(3-2)光学经纬仪一、DJ6级光学经纬仪的构造它主要由照准部(包括望远镜、竖直度盘、水准器、读数设备)、水平度盘、基座三部分组成。现将各组成部分分别介绍如下：１．望远镜望远镜的构造和水准仪望远镜构造基本相同，是用来照准远方目标。它和横轴固连在一起放在支架上，并要求望远镜视准轴垂直于横轴，当横轴水平时，望远镜绕横轴旋转的视准面是一个铅垂面。为了控制望远镜的俯仰程度，在照准部外壳上还设置有一套望远镜制动和微动螺旋。在照准部外壳上还设置有一套水平制动和微动螺旋，以控制水平方向的转动。当拧紧望远镜或照准部的制动螺旋后，转动微动螺旋，望远镜或照准部才能作微小的转动。２．水平度盘水平度盘是用光学玻璃制成圆盘，在盘上按顺时针方向从0°到360°刻有等角度的分划线。相邻两刻划线的格值有1°或30′两种。度盘固定在轴套上，轴套套在轴座上。水平度盘和照准部两者之间的转动关系，由离合器扳手或度盘变换手轮控制。３．读数设备我国制造的DJ6型光学经纬仪采用分微尺读数设备，它把度盘和分微尺的影像，通过一系列透镜的放大和棱镜的折射，反映到读数显微镜内进行读数。在读数显微镜内就能看到水平度盘和分微尺影像,如图3-4所示。度盘上两分划线所对的圆心角，称为度盘分划值。在读数显微镜内所见到的长刻划线和大号数字是度盘分划线及其注记，短刻划线和小号数字是分微尺的分划线及其注记。分微尺的长度等于度盘１°的分划长度，分微尺分成６大格，每大格又分成10，每小格格值为1′，可估读到0.1′。分微尺的0°分划线是其指标线，它所指度盘上的位置与度盘分划线所截的分微尺长度就是分微尺读数值。为了直接读出小数值，使分微尺注数增大方向与度盘注数方向相反。读数时，以在分微尺上的度盘分划线为准读取度数，而后读取该度盘分划线与分微尺指标线之间的分微尺读数的分数，并估读到0.1′，即得整个读数值。在图3-5中水平度盘读数为180°06.4′，竖直度盘读数为75°57.2′。４．竖直度盘竖直度盘固定在横轴的一端，当望远镜转动时，竖盘也随之转动，用以观测竖直角。另外在竖直度盘的构造中还设有竖盘指标水准管，它由竖盘水准管的微动螺旋控制。每次读数前，都必须首先使竖盘水准管气泡居中，以使竖盘指标处于正确位置。目前光学经纬仪普遍采用竖盘自动归零装置来代替竖盘指标水准管。即提高了观测速度又提高了观测精度。５．水准器照准部上的管水准器用于精确整平仪器，圆水准器用于概略整平仪器。６．基座部分基座是支撑仪器的底座。基座上有三个脚螺旋，转动脚螺旋可使照准部水准管气泡居中，从而使水平度盘水平。基座和三脚架头用中心螺旋连接，可将仪器固定在三脚架上，中心螺旋下有一小钩可挂垂球，测角时用于仪器对中。光学经纬仪还装有直角棱镜光学对中器，如图3-5所示。光学对中器比垂球对中具有精确度高和不受风吹摇动干扰的优点。二、DJ2级光学经纬仪DJ2级光学经纬仪的构造，除轴系和读数设备外基本上和DJ6级光学经纬仪相同。我国某光学仪器厂生产的DJ2型光学经纬仪外形，如图3-6所示。下面着重介绍它和DJ6级光学经纬仪的不同之处。１．水平度盘变换手轮水平度盘变换手轮的作用是变换水平度盘的初始位置。水平角观测中，根据测角需要，对起始方向观测时，可先拨开手轮的护盖，再转动该手轮，把水平度盘的读数值配置为所规定的读数。２．换像手轮在读数显微镜内一次只能看到水平度盘或竖直度盘的影像，若要读取水平度盘读数时，要转动换像手轮10，使轮上指标红线成水平状态，并打开水平度盘反光镜5，此时显微镜呈水平度盘的影像。若打开竖直度盘反光镜1时，转动换像手轮，使轮上指标线竖直时，则可看到竖盘影像。３．测微手轮测微手轮是DJ2级光学经纬仪的读数装置。对于DJ2级经纬仪，其水平度盘（或竖直度盘）的刻划形式是把每度分划线间又等分刻成三格，格值等于20′。通过光学系统，将度盘直径两端分划的影像同时反映到同一平面上，并被一横线分成正、倒像，一般正字注记为正像，倒字注记为倒像。图3-7为读数窗示意图，测微尺上刻有600格，其分划影像见图中小窗。当转动测微手轮使分微尺由零分划移动到600分划时，度盘正、倒对径分划影像等量相对移动一格，故测微尺上600格相应的角值为10′，一格的格值等于1″。因此，用测微尺可以直接测定1″的读数，从而起到了测微作用。图3-9中的读数值为30°20′+8′00″=30°28′00″。图3-7DJ2级光学经纬仪读数窗具体读数方法如下；１）转动测微手轮，使度盘正、倒像分划线精密重合。２）由靠近视场中央读出上排正像左边分划线的度数，即30°。３）数出上排的正像30°与下排倒像210°之间的格数再乘以10′，就是整十分的数值，即20′。４）在旁边小窗中读出小于10′的分、秒数。测微尺分划影像左侧的注记数字是分数，右侧的注记数字1、2、3、4、5是秒的十位数，即分别为10″、20″、30″、40″、50″。将以上数值相加就得到整个读数。故其读数为：度盘上的度数30°度盘上整十分数20′测微尺上分、秒数8′00″全部读数为30°28′00″４．半数字化读数方法我国生产的新型TDJ2级光学经纬仪采用了半数字化的读数方法，使读数更为方便，不易出错，如图3-8所示。中间窗口为度盘对径分划影像，没有注记，上面窗口为度和整10′的注记，用小方框“”标记欲读的整10′数，下面窗口的上边大字为分，下边小字为“10秒”。读数时，转动测微手轮使中间窗口的分划线上下重合，从上窗口读得5°10′，下窗口读得2′34″，全部读数为5°12′34″。水平角测量一、经纬仪的技术操作经纬仪的技术操作包括：对中——整平——瞄准——读数。１．对中对中的目的是使仪器的中心与测站的标志中心位于同一铅垂线上。２．整平整平的目的是使仪器的竖轴铅垂，水平度盘水平。进行整平时，首先使水准管平行于两脚螺旋的连线，如图3-9a)所示。操作时，两手同时向内(或向外)旋转两个脚螺旋使气泡居中。气泡移动方向和左手大拇指转动的方向相同；然后将仪器绕竖轴旋转90°，如图3-9b)所示，旋转另一个脚螺旋使气泡居中。按上述方法反复进行，直至仪器旋转到任何位置时，水准管气泡都居中为止。上述两步技术操作称为经纬仪的安置。目前生产的光学经纬仪均装置有光学对中器，若采用光学对中器进行对中，应与整平仪器结合进行，其操作步骤如下：（１）将仪器置于测站点上，三个脚螺旋调至中间位置，架头大致水平。使光学对中器大致位于测站上，将三脚架踩牢。（２）旋转光学对中器的目镜，看清分划板上的圆圈，拉或推动目镜使测站点影像清晰。（３）旋转脚螺旋使光学对中器对准测站点。（４）伸缩三脚架腿，使圆水准气泡居中。（５）用脚螺旋精确整平管水准管转动照准部90゜，水准管气泡均居中。（６）如果光学对中器分划圈不在测站点上，应松开连接螺旋，在架头上平移仪器，使分划圈对准测站点。（７）重新再整平仪器，依此反复进行直至仪器整平后，光学对中器分划圈对准测站点为止。３．瞄准经纬仪安置好后。用望远镜瞄准目标，首先将望远镜照准远处，调节对光螺旋使十字丝清晰；然后旋松望远镜和照准部制动螺旋，用望远镜的光学瞄准器照准目标。转动物镜对光螺旋使目标影像清晰；而后旋紧望远镜和照准部的制动螺旋，通过旋转望远镜和照准部的微动螺旋，使十字丝交点对准目标，并观察有无视差，如有视差，应重新对光，予以消除。４．读数打开读数反光镜，调节视场亮度，转动读数显微镜对光螺旋，使读数窗影像清晰可见。读数时，除分微尺型直接读数外，凡在支架上装有测微轮的，均需先转动测微轮，使双指标线或对径分划线重合后方能读数，最后将度盘读数加分微尺读数或测微尺读数，才是整个读数值。二、水平角观测方法在水平角观测中，为发现错误并提高测角精度，一般要用盘左和盘右两个位置进行观测。当观测者对着望远镜的目镜。竖盘在望远镜的左边时称为盘左位置，又称正镜；若竖盘在望远镜的右边时称为盘右位置，又称倒镜。水平角观测方法，一般有测回法和方向观测法两种。１．测回法图3-10测回法观测水平角示意图设O为测站点，A、B为观测目标，∠AOB为观测角，见图3-10所示。先在O点安置仪器，进行整平、对中，然后按以下步骤进行观测：（１）盘左位置：先照准左方目标，即后视点A，读取水平度盘读数为a左，并记入测回法测角记录表中，见表3-1。然后顺时针转动照准部照准右方目标，即前视点B，读取水平度盘读数为b左，并记入记录表中。以上称为上半测回，其观测角值为左=b左-a左测回法测角记录表表3-1测站盘位目标水平度盘读数水平角备注半测回角测回角0左A0゜01′24″60゜49′06″60゜49′03″B60゜50′30″右C180゜01′30″60゜49′00″D240゜50′30″（２）盘右位置：先照准右方目标，即前视点B，读取水平度盘读数为b左，并记入记录表中，再逆时针转动照准部照准左方目标，即后视点A，读取水平度盘读数为a右，并记入记录表中，则得下半测回角值为：右＝b右-a左（３）上、下半测回合起来称为一测回。一般规定，用J6级光学经纬仪进行观测，上、下半测回角值之差不超过40″时，可取其平均值作为一测回的角值，即：＝21（左+右(3-3)２．方向观测法上面介绍的测回法是对两个方向的单角观测。如要观测三个以上的方向，则采用方向观测法（又称为全圆测回法）进行观测。方向观测法应首先选择一起始方向作为零方向。如图3-11所示，设A方向为零方向。要求零方向应选择距离适中、通视良好、呈像清晰稳定、俯仰角和折光影响较小的方向。将经纬仪安置于O站，对中整平后按下列步骤进行观测：（１）盘左位置，瞄准起始方向A，转动度盘变换纽把水平度盘读数配置为0°00′，而后再松开制动，重新照准A方向，读取水平度盘读数a，并记入方向观测法记录表中，见表3-2。（２）按照顺时针方向转动照准部，依次瞄准B、C、D目标，并分别读取水平度盘读数为b、c、d，并记入记录表中。图3-11方向观测法观测水平角示意图（３）最后回到起始方向A，再读取水平度盘读数为a′。这一步称为“归零”。a与a′之差称为“归零差”，其目的是为了检查水平度盘在观测过程中是否发生变动。“归零差”不能超过允许限值（J2级经纬仪为12″，J6级经纬仪为18″）。以上操作称为上半测回观测。（４）盘右位置，按逆时针方向旋转照准部，依次瞄准A、D、C、B、A目标，分别读取水平度盘读数，记入记录表中，并算出盘右的“归零差”，称为下半测回。上、下两个半测回合称为一测回。观测记录及计算如表3-2所列。(５)限差，当在同一测站上观测几个测回时，为了减少度盘分划误差的影响，每测回起始方向的水平度盘读数值应配置在(180°/n+60′/n)的倍数(n为测回数)。在同一测回中各方向2c误差(也就是盘左、盘右两次照准误差)的差值，即2c互差不能超过限差要求(J2级经纬仪为18″)。表3-2中的数据是用J6级经纬仪观测的，故对2c互差不作要求。同一方向各测回归零方向值之差，即测回差，也不能超过限值要求（J2级经纬仪为12″，J6级经纬仪为24″）。竖直角测量一、竖直度盘的构造竖直度盘垂直固定在望远镜旋转轴的一端，随望远镜的转动而转动。