測量學角距離測量與全站儀第1頁/共99頁第五章角度、距離測量與全站儀《測量學》第2頁/共99頁教學目標掌握角度測量的原理與方法掌握光電測距儀的測距原理了解全站儀的結(jié)構(gòu)掌握全站儀的操作了解影響全站儀測角、測距的誤差第3頁/共99頁主要內(nèi)容角度測量原理經(jīng)緯儀角度觀測方法水平角觀測的誤差和精度經(jīng)緯儀的檢驗與校正距離測量光電測距誤差分析光電測距儀的檢驗全站儀和自動全站儀三角高程測量第4頁/共99頁§5.1

角度測量原理水平角測量原理豎直角測量原理第5頁/共99頁水平角：相交的兩直線之間的夾角在水平面上的投影(0~360°)。一、水平角測量原理儀器安置的高低及瞄準目標的高低不同部位對水平角的觀測有無影響？OO1A1B1AB水平面ab鉛垂線O2第6頁/共99頁豎直角：同一豎面內(nèi)，目標方向與一特定方向之間的夾角。二、豎直角測量原理儀器安置的高低對豎直角的觀測有無影響？ABO水平線方向鉛垂線方向天頂方向高度角：同一豎面內(nèi)，目標方向與水平方向間的夾角（）。天頂距Z

：同一豎面內(nèi)，目標方向與天頂方向間的夾角（）。天頂距與高度角的關(guān)系：第7頁/共99頁§5.2

經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀的基本構(gòu)造經(jīng)緯儀的分類電子經(jīng)緯儀第8頁/共99頁一、經(jīng)緯儀的基本構(gòu)造照準部水平度盤基座照準部測量望遠鏡豎直度盤水準器：圓水準器、水準管光學對中器豎軸：儀器的旋轉(zhuǎn)軸橫軸：望遠鏡的旋轉(zhuǎn)軸視準軸：望遠鏡十字絲中心與物鏡中心的連線水準軸：水準管水準軸與圓水準器的水準軸豎軸橫軸視準軸水準管軸圓水準軸1、構(gòu)造第9頁/共99頁2、經(jīng)緯儀的軸系關(guān)系橫軸豎軸圓水準軸豎直度盤水準管軸水平度盤視準軸豎軸必須豎直（與水準管軸垂直）橫軸應垂直于豎軸水平度盤必須水平（與豎軸垂直），其分劃中心應位于豎軸上望遠鏡上下轉(zhuǎn)動時，視準軸形成的視準面必須是豎直面（視準軸應垂直于橫軸）望遠鏡中十字橫絲應垂直于十字豎絲第10頁/共99頁二、經(jīng)緯儀的分類游標經(jīng)緯儀光學經(jīng)緯儀電子經(jīng)緯儀我國經(jīng)緯儀系列按野外“一測回方向觀測中誤差”這一精度指標劃分為DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ15五個等級。例如“DJ6”表示經(jīng)緯儀野外“一測回方向觀測中誤差”不超過6″，簡寫為“J6”。第11頁/共99頁采用光電掃描度盤將角度值變?yōu)殡娦盘?，利用電子技術(shù)測角，最后再將電信號轉(zhuǎn)換為角度值，使測角能自動顯示、自動記錄和自動傳輸數(shù)據(jù)，從而完成自動化測角的全過程，這種經(jīng)緯儀稱為電子經(jīng)緯儀。三、電子經(jīng)緯儀第12頁/共99頁1、電子經(jīng)緯儀與光學經(jīng)緯儀的區(qū)別三、電子經(jīng)緯儀仍具有照準部、度盤、基座及相應軸系的結(jié)構(gòu)形式。望遠鏡、水準器、光學對中器及制、微動機構(gòu)類似。無讀數(shù)顯微鏡，增設(shè)電子顯示窗和操作按鍵。電子經(jīng)緯儀和光學經(jīng)緯儀的主要不同點：在于電子經(jīng)緯儀采用了由微處理器控制的光電掃描度盤和自動顯示系統(tǒng)。根據(jù)光電掃描度盤取得電信號的方式不同，目前電子測角系統(tǒng)有：編碼度盤測角系統(tǒng)、光柵度盤測角系統(tǒng)。第13頁/共99頁2、編碼度盤測角系統(tǒng)采用編碼度盤及編碼測微器的測角系統(tǒng)。碼道：n＝4區(qū)間：S＝2n＝16四碼道度盤每個方向都單值對應一個狀態(tài)（編碼輸出），根據(jù)兩區(qū)間的不同狀態(tài)，便可測出該兩區(qū)間的夾角。8719603542101312111514最低位最高位純二進制編碼度盤如何識別望遠鏡照準方向落在哪個區(qū)間？第14頁/共99頁旋轉(zhuǎn)軸發(fā)光二級管光電二級管R1001-E-E角分辨率：四碼道度盤的角分辨率為22.5°編碼度盤不可能達到較高的測角精度第15頁/共99頁3、光柵度盤測角系統(tǒng)光敏二極管光柵度盤指示光柵發(fā)光二極管aadd在光學玻璃度盤的徑向上均勻地刻制明暗相間的等角距細線條就構(gòu)成光柵度盤。第16頁/共99頁3、光柵度盤測角系統(tǒng)光敏二極管光柵度盤指示光柵發(fā)光二極管aadd度盤每轉(zhuǎn)動一條光柵，莫爾條紋移動一周期。莫爾條紋的光信號強度變化一周期，光電管輸出的電流也變化一周期。在照準目標的過程中，儀器的接收元件根據(jù)電流的周期性變化，可累計出條紋的移動量，從而經(jīng)轉(zhuǎn)換可得到角度值。第17頁/共99頁§5.3角度觀測方法經(jīng)緯儀的安置水平角觀測豎直角觀測第18頁/共99頁

對中——使儀器的中心和測站點的標志中心在同一鉛垂線上。整平——使儀器的豎軸豎直。即水平度盤水平。一、經(jīng)緯儀的安置1、粗對中——固定三腳架一條腿，移動兩條腿；2、粗平——升降三腳架使圓水準器氣泡居中；3、精平——調(diào)腳螺旋（首先，水準管平行兩個腳螺旋方向，調(diào)該兩個腳螺旋，使水準管氣泡居中，旋轉(zhuǎn)90°使水準管垂直該兩個腳螺旋方向，調(diào)第三個腳螺旋，使水準管氣泡居中。檢查任何方向氣泡居中。）4、檢查對中——若對中器十字絲已偏離標志中心，則平移（不可旋轉(zhuǎn)）基座使精確對中；再檢查整平是否已被破壞，若已被破壞則再用腳螺旋整平；5、反復進行3、4操作，直到對中和整平都滿足要求。用光學對中器進行對中和整平步驟：第19頁/共99頁二、水平角的觀測方法1、測回法OAB(1)、盤左位置瞄準目標A，讀數(shù)a左；(2)、瞄準目標B，讀數(shù)b左；(3)、倒轉(zhuǎn)望遠鏡，瞄準目標B，讀數(shù)b右；(4)、瞄準目標A，讀數(shù)a右；上半測回或盤左半測回下半測回或盤右半測回一測回為了減小度盤刻劃的誤差，使用多個測回時，須配度盤每次改變限差：1、兩個半測回方向值之差；2、各測回方向值之差第20頁/共99頁測回法記錄表格目標讀數(shù)半測回方向一測回平均方向各測回平均方向附注盤左盤右123456789第一測回°′″°′″°′″°′″°′″AB第二測回AB0032479203025920 4818003 367917061279170990021816919302700212349192479171879171212791715第21頁/共99頁二、水平角的觀測方法2、方向觀測法盤左半測回：先瞄準零方向A讀數(shù)，順時針依次瞄準B、C、D讀數(shù)，再瞄準零方向A歸零讀數(shù)。盤右半測回：先瞄準零方向A讀數(shù)，逆時針依次瞄準D、C、B讀數(shù)，再瞄準零方向A歸零讀數(shù)。OABCD一測回為了減小度盤刻劃的誤差，使用多個測回時，須配度盤每次改變限差：1、歸零差；2、上、下半測回同一方向值之差；

3、各測回同一方向值之差第22頁/共99頁方向觀測法的各項限差（″）經(jīng)緯儀型號光學測微器兩次重合讀數(shù)差半測回歸零差一測回內(nèi)2C較差同一方向各測回較差DJ11696DJ238139DJ6－18－242C=L

–(R±180°)第23頁/共99頁站點讀數(shù)半測回方向一測回平均方向各測回平均方向附注盤左盤右123456789第一測回°′″°′″°′″°′″°′″ABCDA180011827154003333248340606180011812001069154061533248214061200118180000091525415331362140500915248000001533133214045442300448方向法水平角觀測手簿第24頁/共99頁方向法水平角觀測手簿站點讀數(shù)半測回方向一測回平均方向各測回平均方向附注盤左盤右123456789第二測回°′″°′″°′″°′″°′″ABCDA27001240154186333061240618270013624900118181540024332543040636900130300000091523615331302140512000009152421533133214050048360448第25頁/共99頁站點讀數(shù)半測回方向一測回平均方向各測回平均方向附注盤左盤右123456789°′″°′″°′″°′″°′″第一測回ABCDA第二測回ABCD91524800000153313321404540000091524515331332140500方向法水平角觀測手簿0000091524215331332140500第26頁/共99頁三、豎直角觀測豎盤是和望遠鏡固連在一起的。注記的形式有順時針和逆時針兩種。豎角計算公式：（1）、當視線上傾，豎盤讀數(shù)增加，則豎角＝目標讀數(shù)－視線水平讀數(shù)；（2）、當視線上傾，豎盤讀數(shù)減小，則豎角＝視線水平讀數(shù)－目標讀數(shù)。090180270盤左盤右0901802701、高度角的計算第27頁/共99頁2、豎盤指標差090180270盤左盤右090180270x的符號：所偏的方向和注記的方向一致，則為正，反之為負。x第28頁/共99頁3、豎角觀測方法1）在測站上安置好儀器，對中、整平；2）盤左位置瞄準目標，使十字中絲切于目標某一位置，讀取豎盤盤左讀數(shù)；3）盤右的位置照準原目標位置，讀取盤右豎盤讀數(shù)。第29頁/共99頁測站儀器高/m覘點覘標高/m豎盤位置豎盤讀數(shù)指標差半測回豎角一測回豎角照準覘標位置°′″″°′″°′″No.41.43九峰山4.10左覘標頂右葛嶺4.40左覘標頂右王家灣3.82左覘標頂右豎角觀測記錄5920303004000714412288161212403422355654303930304000181548181612-340342-340306-340324181600303945181215第30頁/共99頁§5.4水平角觀測的誤差和精度水平角觀測的誤差水平角觀測精度第31頁/共99頁一、水平角觀測的誤差1、儀器誤差2、對中誤差3、目標偏心誤差4、照準誤差與讀數(shù)誤5、外界條件的影響第32頁/共99頁1、儀器誤差1)

水平度盤偏心誤差：是指水平度盤分劃中心與照準部旋轉(zhuǎn)中心不重合，稱為水平度盤偏心。水平度盤偏心對水平度盤讀數(shù)的影響可采用盤左盤右觀測取平均值的方法來消除或減弱其影響。MM’902701800°ROO’Ce第33頁/共99頁2）視準軸誤差：視準軸不垂直于橫軸aA’Aa’O第34頁/共99頁一般規(guī)定盤左時視準軸物鏡向左偏斜的c值為正，向右偏斜為負，則對于同一目標，若盤左觀測時為正（負），則盤右觀測時即為負（正），而α值不變，故盤左、盤右的xc值的絕對值相等而符號相反。所以，取盤左、盤右讀數(shù)的中數(shù)，可消除視準軸誤差的影響。第35頁/共99頁3）橫軸傾斜誤差：橫軸不垂直于豎軸所產(chǎn)生的誤差hAHaH1H1A1A1O第36頁/共99頁規(guī)定盤左時橫軸左端低于另一端時的i角為正，高于另一端時為負，則在豎軸是豎直的情況下，因橫軸不垂直于豎軸所引起的橫軸傾斜，盤左觀測時為正（負），則盤右觀測時即為負（正），而α值不變，故盤左、盤右的xi值的絕對值相等而符號相反。所以，取盤左、盤右讀數(shù)的中數(shù)，可消除橫軸傾斜誤差的影響。第37頁/共99頁4）豎軸傾斜誤差：若視準軸與橫軸垂直，橫軸垂直于豎軸，而豎軸與照準部水準管軸已垂直，僅由于儀器未嚴格整平而使豎軸不在豎直位置，豎軸偏離鉛垂線一微小角度，這就是豎軸傾斜誤差。TO1O2OT’VPP’NN’R’RV無論盤左盤右照準同一目標，β均相同，即xv的符號不變，故盤左盤右的平均值不能消除豎軸傾斜誤差對水平方向的影響。第38頁/共99頁2、儀器對中誤差:在觀測中，儀器中心與測站點中心不在同一鉛垂線上，稱為對中誤差。第39頁/共99頁儀器對中誤差對水平角的影響：與A、B之間的距離SAB

成正比，即水平角在180°時影響最大；與測站至目標的距離S1和S2的乘積成反比；距離愈短，影響愈大。對于短邊的角度要特別注意對中。第40頁/共99頁3、目標偏心誤差：目標偏心是指目標點上豎立的標志中心與地面點標志中心不在同一鉛垂線上。A、B為標志實際中心，A′、B′為照準的中心，β為正確的角度，β′為觀測的角度第41頁/共99頁目標偏心誤差對水平角的影響與測站至目標的距離S1和S2有關(guān)，距離越短，影響越大。第42頁/共99頁4、照準誤差與讀數(shù)誤差影響照準精度的主要因素有：望遠鏡的放大率目標與照準標志的形狀和大小目標影象的亮度和清晰度人眼的判別能力等觀測時，應注意消除視差，正確完成照準操作。第43頁/共99頁外界條件影響的因素很多,主要有：（1）大風會影響儀器和標桿的穩(wěn)定，（2）溫度變化會影響儀器的正常狀態(tài)，如改變視準軸位置（3）大氣折光可導致視線改變方向，地面輻射熱又會加劇大氣折光的影響。（4）大氣的透明度會影響照準精度，如霧氣使目標成象模糊。（5）地面堅實與否會影響儀器的穩(wěn)定。5、外界條件的影響第44頁/共99頁二、水平角觀測的精度J6光學經(jīng)緯儀半測回方向值的中誤差一測回角值的中誤差同一方向各測回較差歸零差的中誤差第45頁/共99頁§5.5經(jīng)緯儀的檢驗和校正經(jīng)緯儀主要軸線間應滿足的條件經(jīng)緯儀的常規(guī)檢驗和校正第46頁/共99頁一、經(jīng)緯儀主要軸線間應滿足的條件1、經(jīng)緯儀上的主要軸線有：（1）儀器的旋轉(zhuǎn)軸VV(簡稱豎軸)；（2）望遠鏡的旋轉(zhuǎn)軸HH(簡稱橫軸)；（3）望遠鏡的視準軸CC

；（4）照準部水準管軸LL。HHVLLC第47頁/共99頁2、經(jīng)緯儀在水平角觀測時應滿足的條件1）豎軸必須豎直；2）水平度盤必須水平，其分劃中心應在豎軸上3）望遠鏡上下轉(zhuǎn)動時，視準軸形成的視準面必須是豎直平面3、經(jīng)緯儀應滿足的條件

1）照準部水準管軸應垂直于豎軸；

2）視準軸應垂直于橫軸；

3）橫軸應垂直于豎軸；

4）十字絲豎絲應垂直于橫軸；

5）豎盤指標差在限差范圍內(nèi)。第48頁/共99頁二、經(jīng)緯儀的常規(guī)檢驗和校正以J6光學經(jīng)緯儀為例，需進行檢驗和校正的項目有如下幾項：1、照準部水準管軸應垂直于豎軸的檢驗和校正；2、十字絲豎絲應垂直于橫軸的檢驗和校正；3、視準軸應垂直于橫軸的檢驗和校正；4、橫軸應垂直于豎軸的檢驗和校正；5、豎盤指標差的檢驗和校正；6、光學對中器的檢驗和校正。第49頁/共99頁角度測量小結(jié)掌握角度測量原理掌握經(jīng)緯儀（全站儀）的安置掌握角度測量方法（測回法和方向法）了解影響水平角觀測的誤差及消除方法第50頁/共99頁§5.6距離測量傾斜距離：AB間連線的長度水平距離：AB間連線投影在水平面上的長度ABA’B’S第51頁/共99頁§5.6距離測量鋼尺量距視距法測距光電測距第52頁/共99頁一、鋼尺量距尺長方程式:在一定拉力下，用以溫度為自變量的函數(shù)來表示在某一溫度時鋼尺的實際長度，該函數(shù)式稱作尺長方程式。:丈量溫度時的鋼尺實際長度（m）:鋼尺刻劃上注記的長度，即名義長度（m）:鋼尺在檢定溫度t0時的尺長改正數(shù):鋼尺膨脹系數(shù)，約為11.6×10-6-12.5×10-6m/（m·℃）:鋼尺檢定溫度，又稱標準溫度，一般取20℃:丈量時溫度第53頁/共99頁例:用名義長度為30m的鋼尺量某一基準線的距離，丈量結(jié)果為300.124m，丈量時的溫度是12°C，已知基準線的真實長度為300.047m。假設(shè)鋼尺的膨脹系數(shù)為12.5×10-6，求該鋼尺對應標準溫度（20°C）的尺長方程式。（1）、12°C時的尺長方程式：（2）、12°C時的實際長度：，每米實際長度：因此：第54頁/共99頁（3）、12°C時的尺長方程式：（4）、20°C時的實際長度：（5）、20°C時的尺長方程式：第55頁/共99頁1、外業(yè)測量當直線距離超過一個尺段時，需進行直線定線如果地面平坦，就沿地面直接丈量ABABqlll第56頁/共99頁沿傾斜地面量距時，可將鋼尺拉平丈量；也可沿斜坡丈量斜距，測出地面傾角，算出水平距離llqllLABABh第57頁/共99頁2、距離丈量成果的整理尺長改正名義長度每米改正：尺長改正：溫度改正名義長度每米溫度改正：溫度改正：第58頁/共99頁例:用名義長度為30m的鋼尺量某一水平距離為209.62m

，丈量時的溫度是16°C，已知尺長方程式為：試求改正后的實際距離。解：丈量時的實際長度為：30.006m實際長度為：第59頁/共99頁綜合以上三項，實際水平距離D應為：一般采用往返測量，若相對誤差在限差內(nèi)，則取往、返測距平均值。傾斜改正第60頁/共99頁二、光學視距法測距視距測量距離的相對精度一般為：1、概述

視距測量是根據(jù)幾何光學原理間接測距方法。視距法測距操作簡便、較鋼尺量距速度快、不受地面高低起伏限制等優(yōu)點，但測距精度較低。視線水平時，視距測量測得是水平距離。視線傾斜時，為求得水平距離還須測出豎角。同時也可求得測站至目標的高差，即視距三角高程測量。第61頁/共99頁2、普通視距測量原理和公式1)、視準軸水平時的視距公式lRS’Sf1abP’PF1L1F2f2儀器中心L2十字絲平面第62頁/共99頁2)、視準軸傾斜時的視距公式DSvihGM’G’M第63頁/共99頁三、光電測距1、電磁波測距概述

電磁波測距是指利用電磁波作為載波傳輸測距信號，測量空間兩點間的距離。AB第64頁/共99頁基本原理

過測定電磁波在待測距離兩端點間往返一次的傳播時間t，利用電磁波在大氣中的傳播速度C來確定距離。關(guān)鍵：精確測定傳播時間tABD第65頁/共99頁2、電磁波測距儀的分類光電測距儀微波測距儀激光測距儀紅外測距儀脈沖式測距儀、相位測距儀3)、按測程分：短程<3km，中程3-15km，遠程>15km

1)、按采用的載波分：2)、按測定時間的方式分：4)、按載波數(shù)分：單載波，雙載波，三載波

5)、按發(fā)射目標分：漫反射，合作目標，有源反射

第66頁/共99頁3、脈沖式測距時標脈沖脈沖發(fā)射脈沖接收BA電子門計數(shù)顯示觸發(fā)器反射器D第67頁/共99頁4、相位式測距

通過測量調(diào)制光在測線上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，來求得距離。第68頁/共99頁測相儀只能測出不足整周期的相位差若l

/2>測程時N=0，N無需確定，但測相精度一定，當測程較大時，測距精度將降低測距儀采用多頻率組合測距來求得N并保證測距精度

如：測定一段距離

l

/2=10m測得結(jié)果為

3.682m

l

/2=1000m測得結(jié)果為573.6m

兩個結(jié)果組合為573.682m整周數(shù)N的確定方法第69頁/共99頁5、電磁波測距成果的整理加常數(shù)改正乘常數(shù)改正氣象改正傾斜改正第70頁/共99頁ABD加常數(shù)改正D’KrKiD=D’+KK=Ki+Kr儀器安置中心儀器安置中心發(fā)射等效面反射等效面第71頁/共99頁標準頻率

,實際工作頻率乘常數(shù)改正第72頁/共99頁氣象改正假定大氣狀態(tài)：，氣象改正數(shù)公式：第73頁/共99頁傾斜改正ABA’B’S第74頁/共99頁南方測距儀ND3000第75頁/共99頁南京1002廠DCH-2A測距儀第76頁/共99頁常州大地儀器廠D3030測距儀第77頁/共99頁日本尼康ND-21測距儀第78頁/共99頁徠卡DI3000s測距儀第79頁/共99頁徠卡DI4-4L手持測距儀第80頁/共99頁徠卡DISTO系列手持測距儀第81頁/共99頁比例誤差固定誤差周期誤差§5.7光電測距誤差分析第82頁/共99頁一、比例誤差由調(diào)制頻率的誤差、真空中光速值的誤差、大氣折射率誤差引起，它與被測距離成正比，稱為比例誤差。二、固定誤差由測相誤差、儀器加常數(shù)誤差、測距儀和反射鏡的對中誤差引起，它與距離無關(guān)，稱為固定誤差。三、周期誤差