1、工 程 測 量 學,第四章 工程測量的儀器與方法,1,2,第四章 工程測量的儀器與方法,主要內(nèi)容： 工程測量中，進行長度和偏距、角度和方向、高程和傾斜、準直、坐標等測量的儀器及其測量方法 重點： 專用儀器 特殊方法,中國地質(zhì)大學 工程學院 工程測量學,2,4.1 角度測量,角度是幾何測量的基本元素，包括水平角和垂直角。 角度測量的儀器主要是經(jīng)緯儀，分為光學經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀兩大類。,3,4.1 角度測量,一、光學經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu)主要包括照準部（望遠鏡）、讀數(shù)裝置（含水平度盤、垂直度盤）、安平設(shè)備及基座和對點器等。 我國光學經(jīng)緯儀系列分為J07、J1、J2、J6等型號，J為經(jīng)緯儀漢語拼

2、音的第一個字母，下標表示儀器的精度指標。,4,4.1 角度測量,二、水平角觀測,對儀器進行“對中”和“整平”； 盤左，粗略瞄準一個目標； 仔細對光，消除視差； 精確瞄準目標，取水平度盤讀數(shù)； 不動調(diào)焦鏡，盤右，精確瞄準目標，取水平度盤讀數(shù)； 對于下一個目標，重復(fù)上述操作。,5,4.1 角度測量,三、垂直角觀測 三絲法垂直角觀測的具體操作程序：,盤左，按上、中、下三根水平絲的順序依次照準同一目標各一次，并分別讀豎盤讀數(shù)； 盤右，同上一樣的觀測； 分別計算三根水平絲所測得的指標差和垂直角，并取垂直角的平均值作為一個目標的一測回之值。,若僅使用中間的水平絲進行觀測，則稱為“中絲法”,6,4.1 角度

3、測量,五、目標照準自動化（基本原理）,帶ATR望遠鏡結(jié)構(gòu)示意圖,7,4.1 角度測量,五、目標照準自動化 在角度測量時，ATR自動識別并照準目標主 要有三個過程：,目標搜索過程 目標照準過程 測量過程,8,4.1 角度測量,六、全自動陀螺經(jīng)緯儀 經(jīng)緯儀與陀螺儀配合使用，成為陀螺經(jīng)緯儀。目前，自動化陀螺經(jīng)緯儀的主要產(chǎn)品有德國威斯特發(fā)倫采礦聯(lián)合公司的Gyromat2000和日本索佳公司（SOKKIA）的AGP1等。,GYROMAT2000,AGP1,9,4.1 角度測量,六、全自動陀螺經(jīng)緯儀 陀螺經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu) 自動定向原理,注： 陀螺馬達 靈敏部 懸掛帶,10,4.1 角度測量,六、全自動陀螺

4、經(jīng)緯儀 測量步驟,將儀器安置到三腳架上并精確對中、整平； 連接陀螺儀與經(jīng)緯儀之間的數(shù)據(jù)通信電纜； 經(jīng)緯儀開機，陀螺儀開機； 啟動測量程序進行定向測量； 將儀器從任意初始位置步進測量自動實現(xiàn)概略尋北； 測定測前懸?guī)Я阄唬?儀器預(yù)定向，使概略指北方向在0.05g（2 42） 按積分測量精確定向，并顯示照準部零位與真北方向偏角。 經(jīng)緯儀照準測線目標，盤左、盤右觀測兩測回，將結(jié)果輸入到陀螺儀中，即可計算并顯示測線方位角。,11,4.1 角度測量,六、全自動陀螺經(jīng)緯儀,測角裝置采用TDA5005全站儀，還 實現(xiàn)了目標的自動跟蹤功能。,國產(chǎn)TDA5005+Y/JTG-1陀螺經(jīng)緯儀,12,4.2 距離測量,

5、距離是幾何測量的基本元素，距離測量的 方法主要有三種：,直接丈量 間接視距測量 物理測距,13,4.2 距離測量,一、鋼尺量距（鋼尺的尺長方程式） 鋼尺量距一般包括以下幾方面工作： 二、電磁波測距 電磁波測距是通過測定電磁波在待測距離上往返傳播的時間，利用下列基本公式來計算待測距離的。,定線 量距 測量定向樁之間的高差 成果整理,14,4.2 距離測量,二、電磁波測距 特點： 相位式測距是通過測量調(diào)制波在測線上往返傳播所產(chǎn)生的相位移間接地測定電磁波在測線上往返傳播時間的。,相位式測距原理,相位式測距原理：,15,4.2 距離測量,二、電磁波測距 ,電磁波測距儀分類,按載波分：光波測距儀、微波測

6、距儀和多載波測距儀； 按測程分：短程測距儀（2km）、中程測距儀（27km）、遠程測距儀（715km）和超遠程測距儀； 按精度分：超高精度測距儀、高精度測距儀、一般精度測距儀； 按測距方式分：脈沖式測距儀（測程遠但精度低）、 相位式測距儀 （測程較短但精度高） 和混合式測距儀,16,4.2 距離測量,二、電磁波測距 電磁波測距儀的使用（P73） 測距儀一般由照準頭、控制器、電源和反射器四部分組成，一般與經(jīng)緯儀連接使用。各種型號的電磁波測距儀結(jié)構(gòu)不同，操作方法也有差異，使用時應(yīng)嚴格按照說明書進行操作。,儀器加常數(shù)和乘常數(shù)改正 Dc=a DR=b*D 氣象改正 傾斜改正,17,4.2 距離測量,三

7、、雙頻激光干涉測距,18,4.2 距離測量,三、雙頻激光干涉測距,干涉儀、測距儀反射鏡,用雙頻激光干涉儀檢定測距儀,19,4.2 距離測量,四、偏距測量 尼龍絲準直系統(tǒng)系統(tǒng) 由三部分組成：尼龍絲，帶有探測器的尺子及控制裝置。 激光準直系統(tǒng) 該系統(tǒng)由一帶有專門光學系統(tǒng)的激光源及一臺差示光電管接收機組成。,20,4.3 高程測量,一、幾何水準測量 電子水準儀基本結(jié)構(gòu) 基本構(gòu)造由光學機械部分、自動安平補償裝置和電子設(shè)備組成。電子設(shè)備主要包括：調(diào)焦編碼器、光電傳感器（即線陣CCD器件）、讀數(shù)電子元件、單片微處理機、接口（外部電源和外部存儲記錄）、顯示器件、鍵盤以及影像數(shù)據(jù)處理軟件等，標尺采用條形碼標尺

8、供電子測量使用。,21,4.3 高程測量,一、幾何水準測量,徠卡DNA03/10,徠卡DNA03/蔡司DINI1010,徠卡D拓普康 DL101/102NA03/10,徠卡DNA索佳SDL203/10,部分電子水準儀的外觀圖,22,4.3 高程測量,一、幾何水準測量 電子水準儀的測量原理 由于生產(chǎn)電子水準儀的各廠家采用不同的專利，測量標尺也各不相同，因此讀數(shù)原理各異，下面主要介紹徠卡和蔡司兩家公司生產(chǎn)的電子水準儀的測量原理。,23,4.3 高程測量,幾何水準測量（徠卡電子水準儀原理）,24,4.3 高程測量,幾何水準測量（蔡司電子水準儀原理）,25,4.3 高程測量,一、幾何水準測量 幾何水準

9、測量是經(jīng)典高差測量方法，使用的儀器是水準儀，其原理是借助于水平視線獲取樹立在兩點上的標尺讀書，從而測定兩立尺間的高差。 它與傳統(tǒng)光學水準儀相比有以下：,電子水準儀的性能及特點,優(yōu)點： 讀數(shù)客觀 精度高 速度快 效率高 操作簡單,缺點： 電子水準儀對標尺進行讀數(shù)不如光學水準儀靈活 電子水準儀受外界條件影響較大,26,4.3 高程測量,一、幾何水準測量 電子水準儀的應(yīng)用 由于電子水準儀優(yōu)點顯著，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、工業(yè)測量等領(lǐng)域。,27,4.3 高程測量,二、液體靜力水準測量,連通器內(nèi)液體的平衡,液體靜力水準測量原理,28,4.3 高程測量,三、三角高程測量,29,4.3 高程測

10、量,四、傾斜測量 雖然地面或建筑物的傾斜可用常規(guī)的測量方法測定兩點間高差的變化，從而求出傾斜值，但在一些工作面傾斜測量和連續(xù)自動化傾斜監(jiān)測中，一般采用專用的傾斜測量儀。目前傾斜儀的種類很多，大體可以分為“短基線”傾斜儀和“長基線”傾斜儀兩種。前者一般用垂直擺錘或水準氣泡作為參考線；后者一般根據(jù)靜力水準測量的原理做成。,30,4.4 準直測量,一、光的相干性原理 因為光具有波動性，所以如機械波那樣，當兩列光波頻率相同、方向相同、相位相同或相位差恒定時，這兩列光波將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,光的相干性,31,4.4 準直測量,二、波帶板激光準直測量的設(shè)備 波帶板激光準直設(shè)備主要有以下部件組成：,He-Ne激

11、光器，用于發(fā)射激光。 波帶板,(a)圓形波帶板,(b)方形波帶板,激光探測器,32,4.4 準直測量,三、波帶板激光準直測量方法 波帶板激光準直測量步驟如下：,在一基準點A安置激光器； 在另一基準點B安置探測器； 在待測點i安置一特定“焦距”的波帶板。,激光波帶板準直測量,33,4.4 準直測量,四、激光準直測量的精度與應(yīng)用 實驗表明用這種裝置準直，測定偏離值的精度可達測線長度的10-6；由于激光準直受大氣的影響，如果將高精度激光準直系統(tǒng)安裝在真空管道內(nèi)，則準直精度還可達10-710-8。 由于波帶板激光準直測量的高精度，目前已被廣泛應(yīng)用于線狀工程建筑物的變形觀測，如大壩變形觀測，精密導(dǎo)軌標定

12、和高能粒子加速器直線段的安裝與變形檢測中，也用于高能粒子加速器環(huán)形網(wǎng)三角形高的測量中。,34,4.5 坐標測量,一、全站儀測量,全站儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 全站儀的分類,速測術(shù)與速測儀 全站型電子速測儀 全站儀的發(fā)展趨勢,35,4.5 坐標測量,二、全球定位系統(tǒng)（GPS） ,偽距法定位原理 載波相位測量原理 GPS作業(yè)方式 GPS數(shù)據(jù)處理 GPS定位的誤差來源,36,4.5 坐標測量,三、激光跟蹤儀 目前，國際上主要有三家儀器公司生產(chǎn)激光跟蹤儀，分別是瑞士徠卡公司，美國SMX公司（現(xiàn)已并如FARO）、API公司。,徠卡LTD500,SMXTracker4500,API TrackerII,37,4.5

13、坐標測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀的基本組成,角度測量部分 距離測量部分 跟蹤部分 控制部分 支撐部分,38,4.5 坐標測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀的測量原理和坐標系,激光干涉測距原理,39,4.5 坐標測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀的測量原理和坐標系,激光跟蹤儀坐標測量原理圖,40,4.5 坐標測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀應(yīng)用,車身在線檢測設(shè)備,CCD傳感器的校準,41,4.5 坐標測量,四、激光掃描儀,不同廠家激光掃描儀外型,LR200激光雷達,42,4.6 水深測量,一、回聲測深儀,回聲測深原理,為超聲波在水中的傳播速度，約為1500m/s,為水面至水底反射往返的時間間隔,

14、43,4.6 水深測量,二、多波束測深儀 與傳統(tǒng)的單波束測深儀比較，多波束測深儀具有測量范圍大、速度快、精度高、記錄數(shù)字化以及成圖自動化等優(yōu)點，它把測深技術(shù)從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，從而使水下地形測量技術(shù)發(fā)展到了一個較高的水平。,44,4.6 水深測量,三、水位觀測 水深測量需與陸地上平面位置與高程聯(lián)系起來才具有水下地形測繪等實用價值。測深的平面定位可籍助陸地測量技術(shù)，如傳統(tǒng)的方向交會、距離交會、極坐標法等，目前主要采用GPS動態(tài)定位方法和無線電定位等。,45,四、深度基準面的概念 在工程測量中，水下地形點豎向位置的描述可使用與陸地同樣的高程系統(tǒng)，由此得到水下地形圖。但有時需用水深