水利工程測量5距離測量及直線定向講義（59配圖豐富）

水利工程測測量第5章距離離測量與直直線定向主講教師：高飛10/27/20221合肥工業(yè)大大學第5章距距離測量與與直線定向向距離測量是是測量三項項基本工作作之一.距離測量的的方法主要要有:1.鋼尺(皮尺)量距.2.視距測量3.光電測距要確定地面面點的平面面位置,還必須測定定直線的方方向,即直線定向向10/27/20222合肥工業(yè)大大學視距測量圖圖10/27/20223合肥工業(yè)大大學利用調(diào)制波波波長測距B測距儀反光棱鏡S電磁波測距距電磁波測距距圖A10/27/20224合肥工業(yè)大大學第5章距離測量量與直線定定向§5.1鋼尺量距§5.2視距測量§5.3紅外線測距距儀及全站站儀§5.4直線定向10/27/20225合肥工業(yè)大大學§5.1鋼尺量距1.鋼卷尺尺長與規(guī)格格：20米、30米、50米，鋼質(zhì)，，涂塑或不不涂塑?？潭扰c注記記：毫米刻刻度，注記記厘米、分分米、米。。零分劃位位置有不同，，分刻線尺和端點尺兩種。5.1.1量距用的工工具:鋼卷尺，花花桿，測釬釬一般量距方法

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（量量距時標定定直線量距距的前進方方向）3.測釬量距時在地地面標定尺尺段端點位位置。10/27/20226合肥工業(yè)大大學端點尺刻刻線尺尺測釬花花桿皮尺測測繩鋼卷尺10/27/20227合肥工業(yè)大大學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(jīng)緯儀定線線:如果量距要要求的精度度較高,可在其端點點A安置經(jīng)緯儀儀定線.10/27/20228合肥工業(yè)大大學5.1.3丈量方法（（往返丈量量)）距離用下式式計算：D=nl+Δl式中：l——整尺段的長長度；n——丈量的整尺尺段數(shù)；l——零尺段長度度。往返丈量較較差D=D往-D返距離平均值值D平=（D往+D返）1.在平坦地面面丈量相對誤差10/27/20229合肥工業(yè)業(yè)大學2.傾斜地面面丈量SDh(1)斜量法:地面坡度度均勻，，將量得得的傾斜斜距離S歸算成水水平距離離D。高差h用水準儀儀測定。。或水平距離離：(2)在傾斜地地面丈量量10/27/202210合肥工業(yè)業(yè)大學量距相對對精度可可達11萬14萬。3.鋼尺量距距的精密密方法精密量距距時采取取的措施：1.用檢定過過的鋼尺尺；2.經(jīng)緯儀定定線；3.釘尺段樁樁(概量得)，用水準準儀測量量樁間高高差；4.對鋼尺施施加固定定拉力，，并測量量溫度；；5.對量距結(jié)結(jié)果加三三項改正正數(shù)。10/27/202211合肥工業(yè)業(yè)大學三項改正正數(shù)5.1.4鋼尺量距距的成果果整理每尺段經(jīng)經(jīng)改正后后的水平平距離：：總的水平平距離：10/27/202212合肥工業(yè)業(yè)大學5.1.5鋼尺檢定定目的：求求得鋼尺尺兩端點點刻劃間間的實際際長度。。方法：用用鋼尺對對一段精精確的標標準長度度進行丈丈量，從從而求得得鋼尺的尺長改正正數(shù)。該檢定定場地也也稱為““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(jié)果的整理，得出該鋼尺的

尺長方程式。0——鋼尺名義義長(m)；t0——標準溫度度，一般般取20℃；d——尺長改正正值(mm)；t——丈量時溫溫度(℃)——鋼的膨脹脹系數(shù)，，1.2××10-5/℃；1.尺長方程程式：=0+d+(t-t0)×010/27/202213合肥工業(yè)業(yè)大學例：用一檢檢定過的的30米鋼尺沿沿傾斜地地面丈量量AB距離，數(shù)數(shù)據(jù)見下表。該該鋼尺的的尺長方方程式如如下，請請整理量量距成果果。(注：鋼尺膨脹脹系數(shù)=0.0000115~0.0000125為鋼尺溫溫度變化1度時，單單位長度度的變化化量。)尺段長度度及量距距精度計計算10/27/202214合肥工業(yè)業(yè)大學§5.2視距測量量5.2.1視距測量量概述視距測量量是一種種間接測測距方法法;它利用望望遠鏡內(nèi)內(nèi)十字絲絲分劃板板上的視視距絲及及刻有厘厘米分劃劃的視距距標尺(地形塔尺尺或普通通水準尺尺)，根據(jù)光光學原理理可以同同時測定定兩點間間的水平平距離和和高差.其中測量量距離的的相對誤誤差約為為1/300，低于鋼鋼尺量距距；測定高差差的精度度低于水水準測量量;視距測量量廣泛用用于地形形測量的的碎部測量量中。10/27/202215合肥工業(yè)業(yè)大學5.2.2視準軸水水平時的的視距計計算公式式AB為待測距距離，在在A點安置經(jīng)緯緯儀，B點豎立視視距尺，設(shè)設(shè)望遠鏡鏡視線水水平，瞄準準B點的視距距尺，此時視線線與視距距尺垂直直。10/27/202216合肥工業(yè)業(yè)大學視線水平平時的視視距測量量公式:(1)水平距離離公式:(2)高差公式式:(3)B點高程:10/27/202217合肥工業(yè)大學學5.2.3視線傾斜時的的視距測量公公式(1)水平距離公式式:(2)初算高差:(3)高差公式:10/27/202218合肥工業(yè)大學學（1）在測站A安置經(jīng)緯儀，，量取儀器高高i，在測點B豎立視距尺；；（2）照準視距尺，，用上下視距距絲分別在尺尺上讀取讀數(shù)數(shù)，算出視距距間隔l（l=下絲讀數(shù)-上絲讀數(shù)）。。也可先將中中絲對準儀器器高讀豎直角角，然后把上上絲對準鄰近近整數(shù)刻劃后后直接讀取視視距間隔；5.2.4視距測量觀測與計算方方法10/27/202219合肥工業(yè)大學學（3）轉(zhuǎn)動豎盤指標標水準管微動動螺旋使豎盤盤指標水準管管氣泡居中，，讀取豎盤讀讀數(shù)，算出豎豎直角。對有有豎盤指標自自動歸零裝置置的儀器，應(yīng)應(yīng)打開自動歸歸零裝置后再再讀數(shù)；5.2.4視距測量觀測與計算方方法（4）根據(jù)視距公公式，計算水水平距離和高高差及立尺點點的高程。10/27/202220合肥工業(yè)大學學一、概述電磁波測距(Electro-magneticDistanceMeasuring，EDM)是用電磁波(光波或微波)作為載波，傳傳輸測距信號號，以測量兩兩點間距離的的一種方法。。EDM具有測程長、、精度高、作作業(yè)快、工作作強度低、幾幾乎不受地形形限制等優(yōu)點點。1948年，瑞典AGA(阿嘎)公司(現(xiàn)更名為Geotronics捷創(chuàng)力公司)研制成功了世世界上第一臺臺電磁波測距距儀，它采用白熾燈燈發(fā)射的光波波作載波，應(yīng)應(yīng)用了大量的的電子管元件件，儀器相當當笨重且功耗耗大。為避開白天太太陽光對測距距信號的干擾擾，只能在夜夜間作業(yè)，測測距操作和計計算都比較復復雜?！?.3電磁波測距及全站儀10/27/202221合肥工業(yè)大學學1960年世界上成功功研制出了第第一臺紅寶石石激光器和第第一臺氦-氖激光器，1962年砷化鎵半導導體激光器研研制成功。與白熾燈比較較，激光的優(yōu)優(yōu)點是發(fā)散角角小、穿透力力強、傳輸?shù)牡木嚯x遠、不不受太陽光干干擾、基本上上可以全天侯侯作業(yè)。1967年AGA公司推出了世世界上第一臺臺商品化的激激光測距儀AGA-8。該儀器采用5mw的氦-氖激光器作發(fā)發(fā)光元件，白白天測程為40km，夜間測程達60km，測距精度(5mm+1ppm)，主機重量23kg。我國的武漢地地震大隊也于于1969年研制成功了了JCY-1型激光測距儀儀，1974年又研制并生生產(chǎn)了JCY-2型激光測距儀儀。該儀器采采用2.5mw的氦-氖激光器作發(fā)發(fā)光元件，白白天測程為20km，測距精度(5mm+1ppm)，主機重量16.3kg。10/27/202222合肥工業(yè)大學學隨著半導體技技術(shù)的發(fā)展，，從60年代末70年代初起，采采用砷化鎵發(fā)發(fā)光二極管作作發(fā)光元件的的紅外測距儀儀逐漸在世界界上流行起來來。與激光測距儀儀比較，紅外外測距儀有體體積小、重量量輕、功耗小小、測距快、、自動化程度度高等優(yōu)點。。由于紅外光的的發(fā)散角比激激光大，所以以紅外測距儀儀的測程一般般小于15km。現(xiàn)在的紅外測測距儀已經(jīng)和和電子經(jīng)緯儀儀及計算機軟軟硬件制造在在一起，形成成了全站儀，，并向著自動動化、智能化化和利用藍牙牙技術(shù)實現(xiàn)測測量數(shù)據(jù)的無無線傳輸方向向飛速發(fā)展。。10/27/202223合肥肥工工業(yè)業(yè)大大學學二、、電電磁磁波波測測距距儀儀分分類類1.按其其所所采采用用的的載載波波（（光光源源））可可分分為為：：①微微波波測測距距儀儀(microwaveEDMinstrument)；②激光光測測距距儀儀(laserEDMinstrument)；③紅外外測測距距儀儀(infraredEDMinstrument);2.按測測程程分分為為：：①短短程程測測距距儀儀(≤≤5km)②中程程測測距距儀儀(5~15km)③遠程程測測距距儀儀(≥≥15km）3.按精精度度分分為為：：①Ⅰ級測測距距儀儀(mD≤5mm)②Ⅱ級測測距距儀儀(5≤≤mD≤10mm)③Ⅲ級測測距距儀儀(mD≥10mm）4.按測測距距原原理理分分為為：①脈脈沖沖式式；；②相位位式式10/27/202224合肥肥工工業(yè)業(yè)大大學學5.3.1紅外外測測距距的的測測距距原原理理基本本公公式式:c0—光在在真真空空中中的的速速度度ng—光在在大大氣氣中中傳傳輸輸?shù)牡恼壅凵渖渎事师—光波波在在AB間往往返返傳傳輸輸時時間間10/27/202225合肥肥工工業(yè)業(yè)大大學學直接接測測時時---該類類測測距距儀儀稱稱為為脈沖沖式式測測距距儀儀，該該儀儀器器因因其其精精度度較較低低，，通通常常只只用用于于精精度度較較低低的的遠遠距距離離測測量量、、地地形形測測量量和和炮炮瞄瞄雷雷達達測測距距。。間接接測測時時----用測測定定相相位位的的方方法法來來測測定定距距離離，，此此類類儀儀器器稱稱為為相位位式式測測距距儀儀?，F(xiàn)有有的的精精密密光光電電測測距距儀儀都都不不采采用用直直接接測測時時的的方方法法，，而而采采用用間間接接測測時時。。電磁磁波波測測距距方方式式10/27/202226合肥肥工工業(yè)業(yè)大大學學脈沖沖式式測距距原原理理假設(shè)設(shè)時時鐘鐘脈脈沖沖的的震震蕩蕩頻頻率率為為,震蕩蕩周周期期為為計數(shù)數(shù)器器記記錄錄的的震震蕩蕩次次數(shù)數(shù)為為N,則脈脈沖沖光光波波在在AB兩點點間間往返返的的時時間間為為:10/27/202227合肥肥工工業(yè)業(yè)大大學學2.相位位式式測距距原原理理用測測定定相相位位的的方方法法來來測測定定距距離離，，此此類類儀儀器器稱稱為為相相位位式式測測距距儀儀。。它是是用用一一種種連連續(xù)續(xù)波波（（精精密密光光波波測測距距儀儀采采用用光光波波））作作為為““運運輸輸工工具具””（（稱稱為為載載波波）），，通通過過一一個個調(diào)調(diào)制制器器使使載載波波的的振振幅幅或或頻頻率率按按照照調(diào)調(diào)制制波波的的變變化化做做周周期期性性變變化化。。測距距時時，，通通過過測測量量調(diào)調(diào)制制波波在在待待測測距距離離上上往往返返傳傳播播所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的相相位位變變化化，，間間接接地地確確定定傳傳播播時間間t，進而而求求得得待測測距距離離D。10/27/202228合肥肥工工業(yè)業(yè)大大學學相位位式式測測距距原原理理調(diào)制制波波的的調(diào)調(diào)制制頻頻率率f，角頻頻率率，，周周期期T，波長長:設(shè)調(diào)調(diào)制制波波在在距距離離D往返返一一次次產(chǎn)產(chǎn)生生的的相相位位變變化化為為，，調(diào)調(diào)制制信信號號一一個個周周期期相相位位變變化化為為2ππ，則調(diào)調(diào)制制波波的的傳傳播播時時間間t為：：代入入基本本公公式得得:10/27/202229合肥肥工工業(yè)業(yè)大大學學相位位式式測測距距原原理理設(shè)調(diào)調(diào)制制信信號號為為正正弦弦信信號號，，包包含含2π的整倍倍數(shù)N2ππ，和不足足2π的尾數(shù)數(shù)部分分ψ，即：代入前前面公公式:10/27/202230合肥工工業(yè)大大學相位式式測距距原理理令:--單位長長，““光測測尺””，““電子子尺””公式改改寫成成:上式就是是相位位式測測距原原理公公式。。相位式式測距距儀是是用長長度為為LS的“測測尺””去量量測距距離，，量了了N個整尺尺段加加上不不足一一個LS的長度度就是是所測測距離離。采用多多個“測尺尺”組組合實實現(xiàn)測測距技技術(shù)過過程。。設(shè)計；；精測測尺+粗測尺尺測距距。10/27/202231合肥工工業(yè)大大學相位式式測距距原理理調(diào)制頻頻率與與測尺尺長度度的關(guān)關(guān)系調(diào)制頻率f15MHz7.5MHz1.5MHz150kHz75kHz15kHz測尺長度λ/210m20m100m1km2km10km精度1cm2cm10cm1m2m10m10/27/202232合肥工工業(yè)大大學5.3.2光電測測距儀儀的組組成10/27/202233合肥工工業(yè)大大學5.3.2光電測測距儀儀的組組成10/27/202234合肥工工業(yè)大大學5.3.4全站儀儀及其其使用用（一））全全站儀儀概述述（二））全站儀儀的功功能（三））幾幾種全全站儀儀及其其基本本應(yīng)用用10/27/202235合肥工工業(yè)大大學南方NTS全站儀儀TOPCONGTS全站儀儀10/27/202236合肥工工業(yè)大大學Leica全站儀儀10/27/202237合肥工工業(yè)大大學（一））全全站儀儀概述述全站儀儀(totalstation)是由電電子測測角、、光電電測距距、微微型機機及其其軟件件組合合而成成的智智能型型光電電測量量儀器器。全站儀儀的基基本功功能是是測量水水平角角、豎豎直角角和距距離。全站儀儀具有有如下下特點點：同時進進行角角度測測量(水平角角、豎豎直角角)和距離離測量量(斜距S、平距D、高差h)；測距系系統(tǒng)光光軸與與測角角系統(tǒng)統(tǒng)視準準軸同同軸（（三軸同同一）；顯示測測點的的角度度(方向值值)、距離離、高高差或或三維維坐標標；擁有后后方交交會、、放樣樣、偏心測測量、、懸高高測量量、對對邊測測量、、面積積計算算等高級級測量量功能能。10/27/202238合肥工工業(yè)大大學全站儀儀特點點擁有較較大容容量的的內(nèi)部部存儲儲器，，以數(shù)數(shù)據(jù)文文件形形式存存儲已已知點和和觀測測點的的點號號、編編碼、、三維維坐標標；實現(xiàn)全全站儀儀與計計算機機的數(shù)數(shù)據(jù)通通訊；；高精度度全站站儀測測角達達0.5秒級，，測距距精度度達(0.1mm+0.1PPM)；與計算算機聯(lián)聯(lián)合組組成的的智能能觀測測系統(tǒng)統(tǒng)能實實現(xiàn)全全自動動瞄準準、觀觀測、、記錄錄、存存儲和和數(shù)據(jù)據(jù)的傳傳輸，，被稱稱為測測量機機器人人。10/27/202239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10/27/202240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(jīng)經(jīng)緯儀儀電電子子經(jīng)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(nèi)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(chǎn)產(chǎn)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、北北京10/27/202241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。10/27/202242合肥工工業(yè)大大學全站儀儀的功功能1、對邊邊測量量如圖，，分別別瞄準準兩個個目標標點處處的棱棱鏡并并觀測測后，，儀器器即可可顯示示出兩兩個棱棱鏡之之間的的平距距(HD)、斜距(S)、高差(V)和坡度度（%）。對對邊測測量可可以連連續(xù)進進行。。VSHD%10/27/202243合肥工工業(yè)大大學全站儀儀的功功能2、懸高高測量量如圖，，要測測量某某些不不能設(shè)設(shè)置反反射棱棱鏡的的目標標（高高壓電電線、、橋梁梁桁架架）的的高度度時，，可在在目標標正上上方或或正下下方處處安置置棱鏡鏡，輸輸入棱棱鏡高高h1，瞄準棱棱鏡并并觀測測后，，再瞄瞄準目目標，，儀器器即可可顯示示目標標的高高度HHh1h210/27/202244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。。10/27/202245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(shè)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(shè)設(shè)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10/27/202246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(shè)設(shè)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(jù)顯示示的偏離離值及符符號調(diào)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(shè)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。10/27/202247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(shè)置棱棱鏡，可可將棱鏡鏡設(shè)置在在待定點點的左側(cè)側(cè)或右側(cè)側(cè)，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(chǎn)的的電子全全站儀其其鍵盤設(shè)設(shè)計并不不完全相相同，實實現(xiàn)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(yīng)應(yīng)參見廠廠家的使使用說明明書。10/27/202248合肥工業(yè)業(yè)大學全站儀測測量的流流程野外采集集數(shù)據(jù)：南方NTS、TOPCON全站儀+PDA（測圖精靈靈）傳輸數(shù)據(jù)據(jù)：將數(shù)據(jù)據(jù)文件傳傳入計算算機處理數(shù)據(jù)據(jù)：用測圖圖軟件（（南方方測繪CASS）處理、編編輯輸出成果果：數(shù)字化化地形形圖、電電子地圖圖（.dwg）、工程圖。。10/27/202249合肥工業(yè)業(yè)大學§5.4直線定向向5.4.1直線定向向的概念念確定地面面上兩點點之間的的相對位位置，僅僅知道兩兩點之間間的水平平距離是是不夠的的，還必必須確定定此直線線與標準準方向之之間的水水平夾角角。確定直線線與標準方向向之間的水水平角度度稱為直線定向向。10/27/202250合肥工業(yè)大學學標準方向的種種類1．真子午線方向向通過地球表面面某點真子午線的切線方向，，稱為該點的的真子午線方方向，真子午午線方向是用用天文測量方方法或用陀螺螺經(jīng)緯儀測定定的。2．磁于午線方向向磁子午線方向是磁針在在地球磁場的的作用下，磁磁針自由靜止止時其軸線所所指的方向。。磁子午線方方向可用羅盤盤儀測定。10/27/202251合肥工業(yè)大學學標準方向的種種類3．坐標縱軸方向向(中央子午線方向)第二章已述及及，我國采用用高斯平面直直角坐標系，，每一6°帶或3°帶內(nèi)都以該帶帶的中央子午線為坐標縱軸方方向。因此，，該帶內(nèi)直線線定向，就用用該帶的坐標標縱軸方向作作為標準方向向。如假定坐標系系，則用假定定的坐標縱軸軸(X軸)作為標準方向向。10/27/202252合肥工業(yè)大學學5.4.2表示直線方向向的方法測量工作中，，常采用方位角來表示直線的的方向。由標準方向的的北端起，順順時針方向量量到某直線的的夾角，稱為為該直線的方位角，其角值從0°~360°。由不同的標準準方向所得到的方位角角，分別為：真方位角：A磁方位角：Am坐標方位角：：α標準方向OP10/27/202253合肥工業(yè)大學學幾種方位角之之間的關(guān)系1．真方位角與磁磁方位角之間間的關(guān)系由于地磁南北北極與地球的的南北極并不不重合，因此此，過地面上上某點的真子子午線方向與與磁子午線方方向常不重合合，兩者之間間的夾角稱為為磁偏角δ，磁針北端偏于于其子午線以以東稱東偏，，偏于其子午午線以西稱西西偏。直線的真方位位角與磁