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1、第3章 工程測(cè)量學(xué)的理論技術(shù)和方法 主要內(nèi)容 3.1 工程測(cè)量學(xué)的理論3.2 地面測(cè)量技術(shù)和方法3.3 對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和方法3.4 特殊測(cè)量技術(shù)和方法重點(diǎn) 理論、技術(shù)和方法難點(diǎn) 理論及其擴(kuò)展;工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法3.1 工程測(cè)量學(xué)的理論 、測(cè)量誤差理論 測(cè)量誤差:偶然誤差、系統(tǒng)誤差、粗差三種誤差如何處理?偶然誤差:平差粗差:粗差探測(cè)剔除系統(tǒng)誤差:()重復(fù)觀測(cè)()儀器檢測(cè)()基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定點(diǎn)分析()測(cè)站選址3.1 工程測(cè)量學(xué)的理論 誤差分配理論 限差:一般取中誤差的倍誤差為極限誤差或容許誤差。容=2m誤差分配主要依據(jù)三個(gè)原則:l 等影響原則l 忽略不計(jì)原則l 按比例分配原則3.1 工程測(cè)量學(xué)的理論
2、誤差傳播定律觀測(cè)值通過(guò)一定的函數(shù)關(guān)系間接計(jì)算出來(lái)的。例如,水準(zhǔn)測(cè)量中,在一測(cè)站上測(cè)得后、前視讀數(shù)分別為a、b,則高差h=a-b,這時(shí)高差h 就是直接觀測(cè)值a、b 的函數(shù)。當(dāng)a、b 存在誤差時(shí),h 也受其影響而產(chǎn)生誤差,這就是所謂的誤差傳播。闡述觀測(cè)值中誤差與觀測(cè)值函數(shù)中誤差之間關(guān)系的定律稱為誤差傳播定律。3.1 工程測(cè)量學(xué)的理論 誤差傳播定律和差函數(shù)的應(yīng)用3.1 工程測(cè)量學(xué)的理論 、測(cè)量精度理論精度是精度度和準(zhǔn)確度的總稱精度包括:儀器精度和數(shù)值精度。數(shù)據(jù)精度又分為相對(duì)精度和絕對(duì)精度。在統(tǒng)計(jì)學(xué)的質(zhì)量控制術(shù)語(yǔ)中,精度被稱做“設(shè)計(jì)質(zhì)量”精確度和準(zhǔn)確度3.1 工程測(cè)量學(xué)的理論 (邊角)精度匹配理論3.
3、1 工程測(cè)量學(xué)的理論 (邊角)精度匹配理論3.1.2 可靠性理論1 內(nèi)部可靠性TlillvviPQV0,.,0,0,.,0,0某一觀測(cè)值誤差(粗差)對(duì)所有改正數(shù)的影響lijillvvijPQV結(jié)論:任一觀測(cè)值誤差(粗差)對(duì)所有改正數(shù)有影響,作用大小取決于 中第 j 行第 i 列元素。PQllvv圖示:3.1.2 可靠性理論1 內(nèi)部可靠性某一觀測(cè)值誤差對(duì)自身改正數(shù)的影響結(jié)論:結(jié)論:觀測(cè)值誤差對(duì)自身改正數(shù)的影響大小取決于 圖示:liiillvviiPQViillvviPQr3.1.2 可靠性理論1 內(nèi)部可靠性ri為矩陣 主對(duì)角線上的元素,稱ri為觀測(cè)值li的多余觀測(cè)分量,且被定義為觀測(cè)值的內(nèi)部可靠
4、性。 ri具有以下性質(zhì):10iriillvvPQ3.1.2 可靠性理論 外部可靠性當(dāng)觀測(cè)值只含一個(gè)粗差時(shí):綜上所述,發(fā)現(xiàn)(探測(cè))觀測(cè)值粗差的能力稱為內(nèi)部可靠性,抵抗觀測(cè)值粗差對(duì)平差結(jié)果影響的能力稱為外部可靠性。主要通過(guò)多余觀測(cè)分量(或多余觀測(cè)數(shù))來(lái)描述。3.1.2 可靠性理論 廣義可靠性廣義可靠性將粗差擴(kuò)展到粗差、系統(tǒng)誤差和偶然誤差,還涉及測(cè)量管理、設(shè)計(jì)、實(shí)施和表達(dá)等多方面。()項(xiàng)目立項(xiàng)中的可靠性。()測(cè)量方案的可靠性。()測(cè)量?jī)x器的可靠性。()觀測(cè)值的可靠性。()平差系統(tǒng)的可靠性。()測(cè)量成果的可靠性。3.1.3 靈敏度理論3.1.4 工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論過(guò)去,工程控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分為四類
5、,即:零類設(shè)計(jì)(ZOD,基準(zhǔn)設(shè)計(jì)),一類設(shè)計(jì)(SOD,觀測(cè)精度設(shè)計(jì))和三類設(shè)計(jì)(THOD,已有網(wǎng)改進(jìn))。網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法又分為解析法和模擬法兩種?,F(xiàn)在:模擬計(jì)算法3.1.4 工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基于可靠性的工程控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法l 根據(jù)網(wǎng)的用途、精度要求和使用儀器,先作圖上設(shè)計(jì)和實(shí)地踏勘。l 初始觀測(cè)方案應(yīng)對(duì)所有可能觀測(cè)的邊和方向進(jìn)行全測(cè),是一個(gè)“肥網(wǎng)”或“密網(wǎng)”。l 在觀測(cè)值精度基本合理的基礎(chǔ)上,可基于觀測(cè)值內(nèi)部可靠性指標(biāo)按眾“肥”到“瘦”,從“密”到“疏”的策略進(jìn)行網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.1.5 測(cè)量基準(zhǔn)理論測(cè)量基準(zhǔn)由測(cè)量坐標(biāo)系和參考點(diǎn)(稱基準(zhǔn)點(diǎn)或已知點(diǎn))組成。l 掛靠坐標(biāo)系l 工程坐標(biāo)系屬于
6、獨(dú)立坐標(biāo)系,采用平面直角坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系。坐標(biāo)軸與工程的軸線平行,如軸與大壩軸線、大橋軸線、隧道軸線或廠房軸線平行。工程坐標(biāo)系中,常采用固定一點(diǎn)和一方向的最小約束基準(zhǔn)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:平移、旋轉(zhuǎn)和尺度共七參數(shù)。我國(guó)現(xiàn)采用的三維地心大地測(cè)量坐標(biāo)系為CGCS2000。 3.2.1 角度測(cè)量 角度是幾何測(cè)量的基本元素,包括水平角 和垂直角。 角度測(cè)量的儀器主要是經(jīng)緯儀,分為光學(xué) 經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀兩大類。 3.2.1 角度測(cè)量 一、光學(xué)經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu)主要包括照 準(zhǔn)部(望遠(yuǎn)鏡)、讀數(shù)裝 置(含水平度盤(pán)、垂直度 盤(pán))、安平設(shè)備及基座和 對(duì)點(diǎn)器等。 我國(guó)光學(xué)經(jīng)緯儀系列分為 J07、J1、J2、J6
7、等型號(hào),J為經(jīng)緯儀漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字 母,下標(biāo)表示儀器的精度指標(biāo)。 3.2.1 角度測(cè)量 二、水平角觀測(cè) 對(duì)儀器進(jìn)行“對(duì)中”和“整平”; 盤(pán)左,粗略瞄準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo); 仔細(xì)對(duì)光,消除視差; 精確瞄準(zhǔn)目標(biāo),取水平度盤(pán)讀數(shù); 不動(dòng)調(diào)焦鏡,盤(pán)右,精確瞄準(zhǔn)目標(biāo),取水平度盤(pán)讀數(shù); 對(duì)于下一個(gè)目標(biāo),重復(fù)上述操作。 3.2.1 角度測(cè)量 三、垂直角觀測(cè) 三絲法垂直角觀測(cè)的具體操作程序: 盤(pán)左,按上、中、下三根水平絲的順序依次 照準(zhǔn)同一目標(biāo)各一次,并分別讀豎盤(pán)讀數(shù); 盤(pán)右,同上一樣的觀測(cè); 分別計(jì)算三根水平絲所測(cè)得的指標(biāo)差和垂直 角,并取垂直角的平均值作為一個(gè)目標(biāo)的一測(cè) 回之值。 若僅使用中間的水平絲進(jìn)行觀測(cè),則
8、稱為“中絲法” 3.2.1 角度測(cè)量 四、電子經(jīng)緯儀 在光學(xué)經(jīng)緯儀的照準(zhǔn)部中,將讀數(shù)系統(tǒng) 用電子度盤(pán)替代光學(xué)模擬度盤(pán),實(shí)現(xiàn)度盤(pán)讀 數(shù)的自動(dòng)化,則成為電子經(jīng)緯儀 。 用于電子經(jīng)緯儀的角度傳感器主要有兩 種:編碼度盤(pán)和動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)。 3.2.1 角度測(cè)量 五、目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化(基本原理) 帶帶 ATR ATR 望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖 3.2.1 角度測(cè)量 五、目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化 在角度測(cè)量時(shí),ATR自動(dòng)識(shí)別并照準(zhǔn)目標(biāo)主 要有三個(gè)過(guò)程: 目標(biāo)搜索過(guò)程 目標(biāo)照準(zhǔn)過(guò) 程和測(cè)量過(guò)程 3.2.1 角度測(cè)量 六、全自動(dòng)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(dòng)化陀螺經(jīng)緯儀的主要產(chǎn)品有
9、德 國(guó)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 。 AGP1 GYROMAT2000 3.2.1 角度測(cè)量 六、全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀 陀螺經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu) 注: 陀螺馬達(dá) 靈敏部 懸掛帶 自動(dòng)定向原理 陀螺儀懸掛結(jié)構(gòu)示意圖 3.2.1 角度測(cè)量 六、全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀 測(cè)量步驟 將儀器安置到三腳架上并精確對(duì)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(kāi)機(jī),陀螺儀開(kāi)機(jī); 啟動(dòng)測(cè)量程序進(jìn)行定向測(cè)量; 經(jīng)緯儀照準(zhǔn)測(cè)線目標(biāo),盤(pán)左、盤(pán)右觀測(cè)兩測(cè) 回,將結(jié)果輸入到陀螺儀中,即可計(jì)算并顯示 測(cè)線方位角。 3.2.1 角度測(cè)量 六、全自動(dòng)陀
10、螺經(jīng)緯儀 測(cè)角裝置采用 TDA5005 全 站儀,還實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的自 動(dòng)跟蹤功能。 國(guó)產(chǎn)TDA5005+Y/JTG-1陀螺經(jīng)緯儀 3.2.2 方向測(cè)量 確定地面任一方向與真北方向間夾角的測(cè)量稱方向測(cè)量(又稱方位角測(cè)量),方法主要有三種: 羅盤(pán) GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)) 陀螺儀 3.2.3 距離測(cè)量 距離是幾何測(cè)量的基本元素,距離測(cè)量的 方法主要有三種: 直接丈量 間接視距測(cè)量 物理測(cè)距 3.2.3 距離測(cè)量 一、鋼尺量距 鋼尺量距一般包括以下幾方面工作: 定線 量距 測(cè)量定向樁之間的高差 成果整理 4.2 距離測(cè)量 二、電磁波測(cè)距 電磁波測(cè)距是通過(guò)測(cè)定電磁波在待測(cè) 距離上往返傳播的時(shí)間,利用
11、下列基 本公式來(lái)計(jì)算待測(cè)距離的。 4.2 距離測(cè)量 二、電磁波測(cè)距 相位式測(cè)距原理: 相位式測(cè)距是通過(guò)測(cè)量調(diào)制波在測(cè)線 上往返傳播所產(chǎn)生的相位移間接地測(cè)定電 磁波在測(cè)線上往返傳播時(shí)間的。 相位式測(cè)距原理 4.2 距離測(cè)量 二、電磁波測(cè)距 電磁波測(cè)距儀分類 按載波分:光波測(cè)距儀、微波測(cè)距儀和多載 波測(cè)距儀; 按測(cè)程分:短程測(cè)距儀、中程測(cè)距儀、遠(yuǎn)程 測(cè)距儀和超遠(yuǎn)程測(cè)距儀; 按精度分:超高精度測(cè)距儀、高精度測(cè)距儀、 一般精度測(cè)距儀; 按測(cè)距方式分:脈沖式測(cè)距儀、相位式測(cè)距 儀和混合式測(cè)距儀 4.2 距離測(cè)量 二、電磁波測(cè)距 電磁波測(cè)距儀的使用 測(cè)距儀一般由照準(zhǔn)頭、控制器、電源和反 射器四部分組成,一
12、般與經(jīng)緯儀連接使用。 儀器加常數(shù)和乘常數(shù)改正 氣象改正 傾斜改正 4.2 距離測(cè)量 三、雙頻激光干涉測(cè)距 4.2 距離測(cè)量 三、雙頻激光干涉測(cè)距 用雙頻激光干涉儀檢定測(cè)距儀 干涉儀、測(cè)距儀反射鏡 4.2 距離測(cè)量 四、偏距測(cè)量 尼龍絲準(zhǔn)直系統(tǒng) 系統(tǒng)由三部分組成:尼龍絲,帶有探測(cè) 器的尺子及控制裝置 激光準(zhǔn)直系統(tǒng) 該系統(tǒng)由一帶有專門(mén)光學(xué)系統(tǒng)的激光源 及一臺(tái)差示光電管接收機(jī)組成 4.3 高程測(cè)量 一、幾何水準(zhǔn)測(cè)量 電子水準(zhǔn)儀基本結(jié)構(gòu) 基本構(gòu)造由光學(xué)機(jī)械部分、自動(dòng)安平補(bǔ)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(jī)、接口 (外
13、部電源和外部存儲(chǔ)記錄)、顯示器件、 鍵盤(pán)以及影像數(shù)據(jù)處理軟件等,標(biāo)尺采用條 形碼標(biāo)尺供電子測(cè)量使用。 4.3 高程測(cè)量 一、幾何水準(zhǔn)測(cè)量 部 分 電 子 水 徠卡徠卡 DNA03/10 徠卡徠卡 DNA03/ 蔡司蔡司 DINI1010 準(zhǔn) 儀 的 外 觀 圖 徠卡 D 拓普康 徠卡徠卡 DNA 索佳索佳 SDL203/10 DL101/102NA03/10 4.3 高程測(cè)量 一、幾何水準(zhǔn)測(cè)量 電子水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理 由于生產(chǎn)電子水準(zhǔn)儀的各廠家采用不同的專 利,測(cè)量標(biāo)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(zhǔn)儀的測(cè)量原理。 4.3 高程測(cè)量 一、幾何水準(zhǔn)測(cè)量
14、 (徠卡電子水準(zhǔn)儀原理) 4.3 高程測(cè)量 一、幾何水準(zhǔn)測(cè)量 (蔡司電子水準(zhǔn)儀原理 ) 4.3 高程測(cè)量 一、幾何水準(zhǔn)測(cè)量 電子水準(zhǔn)儀的性能及特點(diǎn) 它與傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀相比有以下: 優(yōu)點(diǎn): 缺點(diǎn): 電子水準(zhǔn)儀對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行讀 讀數(shù)客觀 數(shù)不如光學(xué)水準(zhǔn)儀靈活 精度高 電子水準(zhǔn)儀受外界條件影 速度快 響較大 效率高 操作簡(jiǎn)單 4.3 高程測(cè)量 一、幾何水準(zhǔn)測(cè)量 電子水準(zhǔn)儀的應(yīng)用 由于電子水準(zhǔn)儀優(yōu)點(diǎn)顯著,目前已經(jīng)廣 泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、工業(yè)測(cè) 量等領(lǐng)域。 4.3 高程測(cè)量 二、液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量 4.3 高程測(cè)量 三、三角高程測(cè)量 4.3 高程測(cè)量 四、傾斜測(cè)量 雖然地面或建筑物的傾斜可用常規(guī)的測(cè)量
15、 方法測(cè)定兩點(diǎn)間高差的變化,從而求出傾斜 值,但在一些工作面傾斜測(cè)量和連續(xù)自動(dòng)化傾 斜監(jiān)測(cè)中,一般采用專用的傾斜測(cè)量?jī)x。目前 傾斜儀的種類很多,大體可以分為“短基線” 傾斜儀和“長(zhǎng)基線”傾斜儀兩種。前者一般用 垂直擺錘或水準(zhǔn)氣泡作為參考線;后者一般根 據(jù)靜力水準(zhǔn)測(cè)量的原理做成。 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 一、全站儀測(cè)量 速測(cè)術(shù)與速測(cè)儀 全站型電子速測(cè)儀 全站儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 全站儀的分類 全站儀的發(fā)展趨勢(shì) 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 二、全球定位系統(tǒng)( GPS ) 偽距法定位原理 載波相位測(cè)量原理 GPS作業(yè)方式 GPS數(shù)據(jù)處理 GPS定位的誤差來(lái)源 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 三、 激光跟蹤儀 目前,國(guó)際上主要有三家儀器公
16、司生產(chǎn)激光 跟蹤儀,分別是瑞士徠卡公司,美國(guó)SMX公司 (現(xiàn)已并如FARO)、API公司。 徠卡徠卡 LTD500 SMXTracker4500 API TrackerII 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 三、 激光跟蹤儀 激光跟蹤儀的基本組成 角度測(cè)量部分 距離測(cè)量部分 跟蹤部分 控制部分 支撐部分 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 三、 激光跟蹤儀 激光跟蹤儀的測(cè)量原理和坐標(biāo)系 激光干涉測(cè)距原理 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 三、 激光跟蹤儀 激光跟蹤儀的測(cè)量原理和坐標(biāo)系 激光跟蹤儀坐標(biāo)測(cè)量原理圖 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 三、 激光跟蹤儀 激光跟蹤儀應(yīng)用 CCD傳感器的校準(zhǔn) 車(chē)身在線檢測(cè)設(shè)備 4.5 坐標(biāo)測(cè)量 四、 激光掃描儀 LR20
17、0 激光雷達(dá) 不同廠家激光掃描儀外型 4.7 其他測(cè)量?jī)x器 一、手持式激光測(cè)距儀 4.7 其他測(cè)量?jī)x器 一、手持式激光測(cè)距儀 手持式激光測(cè)距儀的應(yīng)用 測(cè)量不便時(shí) 環(huán)境干擾時(shí) 裝修與房產(chǎn) 4.7 其他測(cè)量?jī)x器 二、激光掃平儀 水平面 垂 直 面 水平和垂直平面掃描 激光掃平儀和探測(cè)器 4.7 其他測(cè)量?jī)x器 三、投點(diǎn)儀 A. 天頂儀 B. 天底儀 C. 天頂天底儀 D. 激光天頂儀 光學(xué)或激光投點(diǎn)儀 3.4 特殊測(cè)量技術(shù)和方法 3.4.1 基準(zhǔn)線法測(cè)量、光學(xué)法、光電法、機(jī)械法基準(zhǔn)線法測(cè)量是構(gòu)成一條基準(zhǔn)線(或基準(zhǔn)面),通過(guò)測(cè)量獲取沿基準(zhǔn)線所布設(shè)的測(cè)量點(diǎn)到基準(zhǔn)線(或基準(zhǔn)面)的偏離值(稱偏距或垂距),以
18、確定測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)線的距離的測(cè)量。3.4 特殊測(cè)量技術(shù)和方法 、光學(xué)法3.4 特殊測(cè)量技術(shù)和方法 、光學(xué)法活動(dòng)覘牌法活動(dòng)覘牌法:偏距是直接利用安置在測(cè)點(diǎn)上的活動(dòng)覘牌測(cè)定的,活動(dòng)覘牌讀數(shù)尺上的最小分劃為1mm,用游標(biāo)可讀到0.1mm。測(cè)小角法和活動(dòng)覘牌法的主要誤差來(lái)源都是儀器照準(zhǔn)覘牌時(shí)的照準(zhǔn)誤差,它們的測(cè)量偏距的精度基本相當(dāng)。3.4 特殊測(cè)量技術(shù)和方法 、光學(xué)法活動(dòng)覘牌法活動(dòng)覘牌法:偏距是直接利用安置在測(cè)點(diǎn)上的活動(dòng)覘牌測(cè)定的,活動(dòng)覘牌讀數(shù)尺上的最小分劃為1mm,用游標(biāo)可讀到0.1mm。測(cè)小角法和活動(dòng)覘牌法的主要誤差來(lái)源都是儀器照準(zhǔn)覘牌時(shí)的照準(zhǔn)誤差,它們的測(cè)量偏距的精度基本相當(dāng)。謝 謝 大 家!
19、 4.4 準(zhǔn)直 測(cè)量 一、光的相干性原理 因?yàn)楣饩哂胁▌?dòng)性,所以如機(jī)械波那樣, 當(dāng)兩列光波頻率相同、方向相同、相位相同或 相位差恒定時(shí),這兩列光波將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 光的相干性 4.4 準(zhǔn)直 測(cè)量 二、 波帶板激光準(zhǔn)直測(cè)量的設(shè)備 波帶板激光準(zhǔn)直設(shè)備主要有以下部件組成: He-Ne激光器,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(cè)器 4.4 準(zhǔn)直 測(cè)量 三、波帶板激光準(zhǔn)直測(cè)量方法 波帶板激光準(zhǔn)直測(cè)量步驟如下: 在一基準(zhǔn)點(diǎn) A 安置激光器; 在另一基準(zhǔn)點(diǎn) B 安置探測(cè)器; 在待測(cè)點(diǎn) i 安置一特定 “ 焦距 ” 的波帶板。 i s Ai i i i i s AB A(S) B(K) 激光波帶板準(zhǔn)直測(cè)量 4.4 準(zhǔn)直 測(cè)量 四、激光準(zhǔn)直測(cè)量的精度與應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)表明用這種裝置準(zhǔn)直,測(cè)定偏離值的 精度可達(dá)測(cè)線長(zhǎng)度的 10 -6 ;由于激光準(zhǔn)直受大
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