水利工程測量

第5章距離測量與直線定向主講教師：高飛3/14/2023

1合肥工業(yè)大學第5章距離測量與直線定向距離測量是測量三項基本工作之一.距離測量的方法主要有:1.鋼尺(皮尺)量距.2.視距測量3.光電測距要確定地面點的平面位置,還必須測定直線的方向,即直線定向3/14/2023

2合肥工業(yè)大學視距測量圖3/14/2023

3合肥工業(yè)大學利用調制波波長測距B測距儀反光棱鏡S電磁波測距電磁波測距圖A3/14/2023

4合肥工業(yè)大學

第5章距離測量與直線定向

§5.1鋼尺量距§5.2視距測量§5.3紅外線測距儀及全站儀§5.4

直線定向

3/14/2023

5合肥工業(yè)大學§5.1鋼尺量距1.鋼卷尺

尺長與規(guī)格：20米、30米、50米，鋼質，涂塑或不涂塑?？潭扰c注記：毫米刻度，注記厘米、分米、米。零分劃位置有不同，分刻線尺和端點尺兩種。

5.1.1量距用的工具:鋼卷尺，花桿，測釬一般量距方法

量距相對精度1200015000精密量距方法

量距相對精度1100001400002.花桿

定線用（量距時標定直線量距的前進方向）3.測釬

量距時在地面標定尺段端點位置。3/14/2023

6合肥工業(yè)大學端點尺刻線尺測釬花桿皮尺測繩鋼卷尺3/14/2023

7合肥工業(yè)大學5.1.2直線定線

1.兩點間目估定線2.兩點間互不通視定線3.經緯儀定線:

如果量距要求的精度較高,可在其端點A安置經緯儀定線.3/14/2023

8合肥工業(yè)大學5.1.3丈量方法（往返丈量)）距離用下式計算：D=nl+Δl

式中：l——整尺段的長度；n——丈量的整尺段數；

l——零尺段長度。

往返丈量較差

D=D往-D返距離平均值

D平=（D往+D返）1.在平坦地面丈量相對誤差3/14/2023

9合肥工業(yè)大學2.傾斜地面丈量SDh

(1)斜量法:地面坡度均勻，將量得的傾斜距離S歸算成水平距離D。高差h用水準儀測定。或水平距離：(2)在傾斜地面丈量3/14/2023

10合肥工業(yè)大學量距相對精度可可達11萬14萬。3.鋼尺量距的精密密方法精密量距時采取取的措施：1.用檢定過的鋼尺尺；2.經緯儀定線；3.釘尺段樁(概量得)，用水準儀測量量樁間高差；4.對鋼尺施加固定定拉力，并測量量溫度；5.對量距結果加三三項改正數。3/7/202311合肥工業(yè)大學三項改正數5.1.4鋼尺量距的成果果整理每尺段經改正后后的水平距離：：總的水平距離：3/7/202312合肥工業(yè)大學5.1.5鋼尺檢定目的：求得鋼尺尺兩端點刻劃間間的實際長度。。方法：用鋼尺對對一段精確的標標準長度進行丈丈量，從而求得得鋼尺的尺長改正數。該檢定場地也也稱為“比尺場場”。。。。。L比尺場示意圖作法：“比尺場”為理想的砼條形場地，埋有尺段標志。將待檢定的鋼尺，用精密量距的方法，對該標準距離L進行丈量。通過對量距結果的整理，得出該鋼尺的

尺長方程式。0——鋼尺名義長(m)；t0——標準溫度，一般般取20℃；d——尺長改正值(mm)；t——丈量時溫度(℃)——鋼的膨脹系數，，1.2×10-5/℃；1.尺長方程式：=0+d+(t-t0)×03/7/202313合肥工業(yè)大學例：用一檢定過的的30米鋼尺沿傾斜地地面丈量AB距離，數據見下表。該鋼尺的的尺長方程式如如下，請整理量量距成果。(注：鋼尺膨脹系數=0.0000115~0.0000125為鋼尺溫度變化1度時，單位長度度的變化量。)尺段長度及量距距精度計算3/7/202314合肥工業(yè)大學學§5.2視距測量5.2.1視距測量概述視距測量是一種間間接測距方法;它利用望遠鏡內十十字絲分劃板上的的視距絲及刻有厘厘米分劃的視距標標尺(地形塔尺或普通水水準尺)，根據光學原理可可以同時測定兩點點間的水平距離和和高差.其中測量距離的相相對誤差約為1/300，低于鋼尺量距；；測定高差的精度低低于水準測量;視距測量廣泛用于于地形測量的碎部測量中。3/7/202315合肥工業(yè)大學5.2.2視準軸水平時的視視距計算公式AB為待測距離，在A點安置經緯儀，B點豎立視距尺，設望遠鏡視視線水平，瞄準B點的視距尺，此時視線與視距尺尺垂直。3/7/202316合肥工業(yè)大學視線水平時的視距距測量公式:(1)水平距離公式:(2)高差公式:(3)B點高程:3/7/202317合肥工業(yè)業(yè)大學5.2.3視線傾斜斜時的視視距測量量公式(1)水平距離離公式:(2)初算高差差:(3)高差公式式:3/7/202318合肥工業(yè)業(yè)大學（1）在測站A安置經緯緯儀，量量取儀器器高i，在測點B豎立視距距尺；（2）照準視距距尺，用用上下視視距絲分分別在尺尺上讀取取讀數，，算出視視距間隔隔l（l=下絲讀數數-上絲讀數數）。也也可先將將中絲對對準儀器器高讀豎豎直角，，然后把把上絲對對準鄰近近整數刻刻劃后直直接讀取取視距間間隔；5.2.4視距測量量觀測與計計算方法法3/7/202319合肥工工業(yè)大大學（3）轉動豎豎盤指指標水水準管管微動動螺旋旋使豎豎盤指指標水水準管管氣泡泡居中中，讀讀取豎豎盤讀讀數，，算出出豎直直角。。對有有豎盤盤指標標自動動歸零零裝置置的儀儀器，，應打打開自自動歸歸零裝裝置后后再讀讀數；；5.2.4視距測測量觀測與與計算算方法法（4）根據據視距距公式式，計計算水水平距距離和和高差差及立立尺點點的高高程。。3/7/202320合肥工工業(yè)大大學一、概概述電磁波波測距距(Electro-magneticDistanceMeasuring，EDM)是用電電磁波波(光波或或微波波)作為載載波，，傳輸輸測距距信號號，以以測量量兩點點間距距離的的一種種方法法。EDM具有測測程長長、精精度高高、作作業(yè)快快、工工作強強度低低、幾幾乎不不受地地形限限制等等優(yōu)點點。1948年，瑞瑞典AGA(阿嘎)公司(現更名名為Geotronics捷創(chuàng)力力公司司)研制成成功了了世界界上第第一臺臺電磁磁波測測距儀儀，它采用用白熾熾燈發(fā)發(fā)射的的光波波作載載波，，應用用了大大量的的電子子管元元件，，儀器器相當當笨重重且功功耗大大。為避開開白天天太陽陽光對對測距距信號號的干干擾，，只能能在夜夜間作作業(yè)，，測距距操作作和計計算都都比較較復雜雜。§5.3電磁波波測距距及全站站儀3/7/202321合肥工工業(yè)大大學1960年世界界上成成功研研制出出了第第一臺臺紅寶寶石激激光器器和第第一臺臺氦-氖激光光器，，1962年砷化化鎵半半導體體激光光器研研制成成功。。與白熾熾燈比比較，，激光光的優(yōu)優(yōu)點是是發(fā)散散角小小、穿穿透力力強、、傳輸輸的距距離遠遠、不不受太太陽光光干擾擾、基基本上上可以以全天天侯作作業(yè)。。1967年AGA公司推推出了了世界界上第第一臺臺商品品化的的激光光測距距儀AGA-8。該儀器器采用用5mw的氦-氖激光光器作作發(fā)光光元件件，白白天測測程為為40km，夜間測測程達達60km，測距精精度(5mm+1ppm)，主機重重量23kg。我國的的武漢漢地震震大隊隊也于于1969年研制制成功功了JCY-1型激光光測距距儀，，1974年又研研制并并生產產了JCY-2型激光光測距距儀。。該儀儀器采采用2.5mw的氦-氖激光光器作作發(fā)光光元件件，白白天測測程為為20km，測距精精度(5mm+1ppm)，主機重重量16.3kg。3/7/202322合肥工工業(yè)大大學隨著半半導體體技術術的發(fā)發(fā)展，，從60年代末末70年代初初起，，采用用砷化化鎵發(fā)發(fā)光二二極管管作發(fā)發(fā)光元元件的的紅外外測距距儀逐逐漸在在世界界上流流行起起來。。與激光光測距距儀比比較，，紅外外測距距儀有有體積積小、、重量量輕、、功耗耗小、、測距距快、、自動動化程程度高高等優(yōu)優(yōu)點。。由于紅紅外光光的發(fā)發(fā)散角角比激激光大大，所所以紅紅外測測距儀儀的測測程一一般小小于15km。現在的的紅外外測距距儀已已經和和電子子經緯緯儀及及計算算機軟軟硬件件制造造在一一起，，形成成了全全站儀儀，并并向著著自動動化、、智能能化和和利用用藍牙牙技術術實現現測量量數據據的無無線傳傳輸方方向飛飛速發(fā)發(fā)展。。3/7/202323合肥工工業(yè)大大學二、電電磁波波測距距儀分分類1.按其所所采用用的載載波（（光源源）可可分為為：①微波波測距距儀(microwaveEDMinstrument)；②激光測測距儀儀(laserEDMinstrument)；③紅外測測距儀儀(infraredEDMinstrument);2.按測程程分為為：①短程程測距距儀(≤5km)②中程測測距儀儀(5~15km)③遠程測測距儀儀(≥15km）3.按精度度分為為：①Ⅰ級測距距儀(mD≤5mm)②Ⅱ級測距距儀(5≤≤mD≤10mm)③Ⅲ級測距距儀(mD≥10mm）4.按測距距原理理分為為：①脈沖沖式；；②相位式式3/7/202324合肥工業(yè)大學學5.3.1紅外測距的測測距原理基本公式:c0—光在真空中的的速度ng—光在大氣中傳傳輸的折射率率Δt—光波在AB間往返傳輸時時間3/7/202325合肥工業(yè)大學學直接測時---該類測距儀稱稱為脈沖式測距儀儀，該儀器因其其精度較低，，通常只用于于精度較低的的遠距離測量量、地形測量量和炮瞄雷達達測距。間接測時----用測定相位的的方法來測定定距離，此類類儀器稱為相位式測距儀儀?，F有的精密光光電測距儀都都不采用直接接測時的方法法，而采用間間接測時。電磁波測距方方式3/7/202326合肥工業(yè)大學脈沖式測距原理假設時鐘脈沖的震震蕩頻率為,震蕩周期為計數器記錄的震蕩蕩次數為N,則脈沖光波在AB兩點間往返的時間為:3/7/202327合肥工業(yè)大學2.相位式測距原理用測定相位的方法法來測定距離，此此類儀器稱為相位位式測距儀。它是用一種連續(xù)波波（精密光波測距距儀采用光波）作作為“運輸工具””（稱為載波），，通過一個調制器器使載波的振幅或或頻率按照調制波波的變化做周期性性變化。測距時，通過測量量調制波在待測距距離上往返傳播所所產生的相位變化化，間接地確定傳傳播時間t，進而求得待測距離D。3/7/202328合肥工業(yè)大學相位式測距原理調制波的調制頻率率f，角頻率，，周期T，波長:設調制波在距離D往返一次產生的相相位變化為，，調制信號一個個周期相位變化為為2π，則調制波的傳播時時間t為：代入基本公式得:3/7/202329合肥工業(yè)大學相位式測距原理設調制信號為正弦弦信號，包含2π的整倍數N2π，和不足2π的尾數部分ψ，即：代入前面公式:3/7/202330合肥工業(yè)大學相位式測距原理令:--單位長，“光測尺尺”，“電子尺””公式改寫成:上式就是相位式測距距原理公式。相位式測距儀是用用長度為LS的“測尺”去量測測距離，量了N個整尺段加上不足足一個LS的長度就是所測距距離。采用多個“測尺”組合實現現測距技術過程。。設計；精測尺+粗測尺測距。3/7/202331合肥工業(yè)大學相位式測距原理調制頻率與測尺長長度的關系調制頻率f15MHz7.5MHz1.5MHz150kHz75kHz15kHz測尺長度λ/210m20m100m1km2km10km精度1cm2cm10cm1m2m10m3/7/202332合肥工業(yè)大學5.3.2光電測距儀的組成成3/7/202333合肥工業(yè)大學5.3.2光電測距儀的組組成3/7/202334合肥工業(yè)大學5.3.4全站儀及其使用用（一）全站儀儀概述（二）全站儀的功能（三）幾種全全站儀及其基本本應用3/7/202335合肥工業(yè)大學南方NTS全站儀TOPCONGTS全站儀3/7/202336合肥工業(yè)大學Leica全站儀3/7/202337合肥工業(yè)大學（一）全站儀儀概述全站儀(totalstation)是由電子測角、、光電測距、微微型機及其軟件件組合而成的智智能型光電測量量儀器。全站儀的基本功功能是測量水平角、豎豎直角和距離。全站儀具有如下下特點：同時進行角度測測量(水平角、豎直角角)和距離測量(斜距S、平距D、高差h)；測距系統光軸與與測角系統視準準軸同軸（三軸同一）；顯示測點的角度度(方向值)、距離、高差或或三維坐標；擁有后方交會、、放樣、偏心測量、懸高高測量、對邊測測量、面積計算算等高級測量功能能。3/7/202338合肥工業(yè)大學全站儀特點擁有較大容量的的內部存儲器，，以數據文件形形式存儲已知點和觀測點的的點號、編碼、、三維坐標；實現全站儀與計計算機的數據通通訊；高精度全站儀測測角達0.5秒級，測距精度度達(0.1mm+0.1PPM)；與計算機聯合組組成的智能觀測測系統能實現全全自動瞄準、觀觀測、記錄、存存儲和數據的傳傳輸，被稱為測測量機器人。3/7/202339合肥工工業(yè)大大學三軸同同一望望遠鏡鏡在全站站儀的的望遠遠鏡中中，照照準目目標的的視準準軸、、光電電測距距的紅紅外光光發(fā)射射光軸軸和接接收光光軸是是同軸軸的，，其光光路如如圖所所示。。因此此，測測量時時使望望遠鏡鏡照準準目標標棱鏡鏡的中中心，，就能能同時時測定定水平平角、、垂直直角和和斜距距3/7/202340合肥工工業(yè)大大學測量儀儀器總總的發(fā)發(fā)展過過程測量儀儀器總總的發(fā)發(fā)展過過程：：光學經經緯儀儀電電子子經緯緯儀速測全全站儀儀全全站站儀。。全站儀儀的發(fā)發(fā)展過過程：：1.普通型型全站站儀2.功能型型全站站儀3.磁卡型型全站站儀4.內存式式全站站儀5.全自動動智能能全站站儀全站儀儀生產產廠家家：瑞士：：徠卡卡Leica德國：：蔡司司Zeiss美國:天寶trimble日本：：拓普普康TOPCON，索佳SOKKIA，賓得,尼康中中國國：南南方、、蘇州州、北北京3/7/202341合肥工工業(yè)大大學（二））全站儀儀的功功能對邊測測量、懸高測測量、后方交交會、放樣、偏心測測量、、面積計計算等高級級測量量功能能。3/7/202342合肥工業(yè)業(yè)大學全站儀的的功能1、對邊測測量如圖，分分別瞄準準兩個目目標點處處的棱鏡鏡并觀測測后，儀儀器即可可顯示出出兩個棱棱鏡之間間的平距距(HD)、斜距(S)、高差(V)和坡度（（%）。對邊邊測量可可以連續(xù)續(xù)進行。。VSHD%3/7/202343合肥工業(yè)業(yè)大學全站儀的的功能2、懸高測測量如圖，要要測量某某些不能能設置反反射棱鏡鏡的目標標（高壓壓電線、、橋梁桁桁架）的的高度時時，可在在目標正正上方或或正下方方處安置置棱鏡，，輸入棱棱鏡高h1，瞄準棱鏡鏡并觀測測后，再再瞄準目目標，儀儀器即可可顯示目目標的高高度HHh1h23/7/202344合肥工業(yè)業(yè)大學全站儀的的功能3、后方交會會測量如圖，全全站儀安安置在某某一待定定點上，，通過對對兩個以以上的已已知點處處的棱鏡鏡進行觀觀測，并并輸入各各已知點點三維坐坐標及儀儀器高和和棱鏡高高后，全全站儀即即可顯示示待定點點的三維維坐標。。3/7/202345合肥工業(yè)業(yè)大學4、三維坐坐標測量量如圖，將將全站儀儀安置在在已知點點A，棱鏡設置置在待定定點P，輸入A點已知坐坐標及儀儀器高和和棱鏡高高后，先先后視已已知點B并輸入B點坐標（（后視已已知點是是為了設設置方向向位角））然后瞄瞄準P點處棱鏡鏡并進行行觀測，，儀器即即可顯示示待定P的三維坐坐標。APB全站儀的的功能3/7/202346合肥工業(yè)業(yè)大學全站儀的的功能5、放樣測測量將要測設設的角度度和邊長長（或坐坐標值））輸入全全站儀，，在放樣樣過程中中儀器顯顯示角度度和邊長長的實測測值與放放樣值之之差，根根據顯示示的偏離離值及符符號調整整棱鏡位位置，直直至偏離離值為零零，此時時棱鏡所所處位置置即為要要測設的的點位。。有的全全站儀還還可通過過圖形顯顯示出棱棱鏡上下下左右前前后的移移動方向向。3/7/202347合肥工業(yè)業(yè)大學全站儀的的功能6、偏心測測量如圖，若若侍定點點處不能能設置棱棱鏡，可可將棱鏡鏡設置在在待定點點的左側側或右側側，并使使棱鏡至至站點的的距離相相當，瞄瞄準棱鏡鏡并進行行觀測，，再照準準待定點點，儀器器即可顯顯示待定定點的坐坐標。不同廠家家生產的的電子全全站儀其其鍵盤設設計并不不完全相相同，實實現相同同測量功功能的按按鍵程序序和步驟驟也不完完全一樣樣，具體體使用應應參見廠廠家的使使用說明明書。3/7/202348合肥工工業(yè)大大學全站儀儀測量量的流流程野外采采集數數據：南方NTS、TOPCON全站儀儀+PDA（測圖精精靈））傳輸數數據：將數數據文文件傳傳入計計算機機處理數數據：用測測圖軟軟件（（南南方測測繪CASS）處理、、編輯輯輸出成成果：數字字化地地形形圖、、電子子地圖圖（.dwg）、工程圖圖。3/7/202349合肥工工業(yè)大大學§5.4直線定定向5.4.1直線定定向的的概念念確定地地面上上兩點點之間間的相相對位位置，，僅知知道兩兩點之之間的的水平平距離離是不不夠的的，還還必須須確定定此直直線與與標準準方向向之間間的水水平夾夾角。。確定直直線與與標準方方向之間的的水平平角度度稱為直線定定向。3/7/202350合肥工工業(yè)大大學標準方方向的的種類類1．真子午午線方方向通過地地球表表面某某點真子午午線的切線線方向向，稱稱為該該點的的真子子午線線方向向，真真子午午線方方向是是用天天文測測量方方法或或用陀陀螺經經緯儀儀測定定的。。2．磁于午午線方方向磁子午午線方向是是磁針針在地地球磁磁場的的作用用下，，磁針針自由由靜止止時其其軸線線所指指的方方向。。磁子子午線線方向向可用用羅盤盤儀測測定。。3/7/202351合肥工工業(yè)大大學標準方方向的的種類類3．坐標縱縱軸方方向(中央子子午線線方向)第二章章已述述及，，我國國采用用高斯斯平面面直角角坐標標系，，每一一6°帶或3°帶內都都以該該帶的的中央子子午線線為坐標標縱軸軸方向向。因因此，，該帶帶內直直線定定向，，就用用該帶帶的坐坐標縱縱軸方方向作作為標標準方方向。。如假定定坐標標系，，則用用假定定的坐坐標縱縱軸(X軸)作為標標準方方向。。3/7/202352合肥工工業(yè)大大學5.4.2表示直直線方方向的的方法法測量工工作中中，常常采用用方位角角來表示示直線線的方方向。。由標準準方向向的北北端起起，順順時針針方向向量到到某直直線的的夾角角，稱稱為該該直線線的方位角角，其角值值從0°~360°。由不同同的標標準方方向所所得到的的方位位角，，分別別為：真方位位角：：A磁方位位角：：Am坐標方方位角角：α標準方向OP3/7/202353合肥工工業(yè)大大學幾種方方位角角之間間的關關系1．真方位位角與與磁方方位角角之間間的關關系由于地地磁南南北極極與地地球的的南北北極并并不重重合，，因此此，過過地面面上某某點的的真子子午線線方向向與磁磁子午午線方方向常常不重重合，，兩者者之間間的夾夾角稱稱為磁偏角角δ，磁針北北端偏偏于其其子午午線以以東稱稱東偏偏，偏偏于其其子午午線以以西稱稱西偏偏。直線的的真方方位角角與磁磁方位位角，可可用下下式進進行換換算δ東偏取正正值，西西偏取負負值。我國國磁偏角角的變化化大約在+6°到-10°°之間。3/7/202354合肥工業(yè)業(yè)大學幾種方位位角之間間的關系系2．真方位角角與坐標標方位角角之間的的關系中央子午午線在高高斯平面面上是一一條直