第4章-距離測(cè)量課件

第四章

距離測(cè)量與全站儀1《測(cè)量學(xué)》61§4-1距離測(cè)量概述測(cè)距技術(shù)的發(fā)展：

從直接用各種尺子量距—光學(xué)間接測(cè)距—電磁波物理測(cè)距測(cè)距工具：

直接量距—木尺、織物卷尺、鋼卷尺、因瓦鋼線(xiàn)尺光學(xué)測(cè)距—用光學(xué)儀器的視距測(cè)量、基線(xiàn)尺視距測(cè)量、光干涉測(cè)距電磁波測(cè)距—用物理測(cè)距儀器的微波測(cè)距、紅外光測(cè)距、激光測(cè)距

261§4-2卷尺量距一、鋼卷尺和丈量工具3卷于尺盒內(nèi)或尺架上的鋼卷尺尺頭及尺上分劃尺長(zhǎng)20m、30m、50m61廣泛用于地形測(cè)量

和工程測(cè)量的各種鋼卷尺450m長(zhǎng)鋼尺20m鋼尺5m小鋼尺經(jīng)典的測(cè)量工具目前仍有廣泛用途61二、直線(xiàn)定線(xiàn)5目測(cè)定線(xiàn)：

AB兩點(diǎn)之間由于距離過(guò)長(zhǎng)，需要在AB直線(xiàn)上用標(biāo)桿目測(cè)定出1、2兩點(diǎn)。61

用經(jīng)緯儀定線(xiàn)長(zhǎng)距離的直線(xiàn)精密定線(xiàn)得借助于經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡十字絲的瞄準(zhǔn)代替目視瞄準(zhǔn)。6用經(jīng)緯儀延長(zhǎng)直線(xiàn)，如需要將AB直線(xiàn)延長(zhǎng)至C。B點(diǎn)置經(jīng)緯儀，盤(pán)左后視瞄準(zhǔn)A點(diǎn)，制動(dòng)照準(zhǔn)部，倒鏡前視得C′點(diǎn)；盤(pán)右后視瞄準(zhǔn)A點(diǎn)，制動(dòng)照準(zhǔn)部，倒鏡前視得C″點(diǎn)。取C′C″的中點(diǎn)C，則A-B-C精確地位于一直線(xiàn)上。61(一)

平坦地面的丈量方法例如從A量至B，由后尺手定向，先量整尺段，最后量余長(zhǎng)。7三、距離丈量AB的平距：DAB

=

n

×尺段長(zhǎng)+余長(zhǎng)61

沿傾斜地面AB量得的為斜距S，設(shè)兩點(diǎn)間高差為h,則用下式將其歸算為平距D：8（二）傾斜地面丈量方法一般量距相對(duì)精度：往測(cè)距離－返測(cè)距離距離概值<

13000SDhAB61四、鋼尺長(zhǎng)度檢定尺長(zhǎng)方程式：9鋼尺兩端分劃之間的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度稱(chēng)為實(shí)際長(zhǎng)度，末端分劃的注記長(zhǎng)度稱(chēng)為名義長(zhǎng)度。丈量時(shí)的地面溫度對(duì)尺長(zhǎng)也有影響。經(jīng)過(guò)鋼尺長(zhǎng)度檢定，得到尺長(zhǎng)方程式，用以計(jì)算量得的實(shí)際長(zhǎng)度。61五、鋼尺量距的長(zhǎng)度改正用鋼尺沿傾斜地面量得的名義長(zhǎng)度D′：10D'hD長(zhǎng)度改正：改正后長(zhǎng)度：61鋼尺量距長(zhǎng)度改正的計(jì)算數(shù)例11D′=234.943m,

t=32.4°,h=2.54m尺長(zhǎng)方程式:觀測(cè)數(shù)據(jù):長(zhǎng)度改正值:改正后長(zhǎng)度:6112視距測(cè)量是利用測(cè)量望遠(yuǎn)鏡中十字絲平面的視距絲及視距尺，按光學(xué)原理，間接測(cè)定距離的方法。水平視線(xiàn)，上絲在視距尺上讀數(shù)a,下絲讀數(shù)b，則水平距離D：§4-3視距測(cè)量三角高程測(cè)量視距測(cè)量曾廣泛用于地形測(cè)量等,目前已被測(cè)距儀代替，但仍用于水準(zhǔn)測(cè)量中的前后視距離測(cè)定。（n為視距間隔）6113三角高程測(cè)量

距離較遠(yuǎn)時(shí),考慮地球曲率差和大氣折光差對(duì)高差的影響,應(yīng)對(duì)觀測(cè)得到的高差加“球差改正”和“氣差改正”(總稱(chēng)“兩差改正”)：球差改正：氣差改正：兩差改正：（一般情況取

k=0.14）

D（m)

100

200

500

1000

f

(mm)

1

3

17

676114三角高程測(cè)量?jī)牲c(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)考慮加地球曲率和大氣折光影響的改正（兩差改正）；兩點(diǎn)間對(duì)向觀測(cè)高差取平均，能抵消兩差影響；三角高程測(cè)量通常組成附合或閉合路線(xiàn)，以檢驗(yàn)觀測(cè)精度；用電子全站儀進(jìn)行三角高程測(cè)量，能代替三、四等水準(zhǔn)測(cè)量。三角高程測(cè)量的注意事項(xiàng)：61三角高程測(cè)量的計(jì)算數(shù)例15表4-5光電測(cè)距的平距和高差計(jì)算(單位：m)測(cè)距邊A

B

BC測(cè)

站A

B

B

C目

標(biāo)B

A

C

B斜距S

303.393

303.400

491.360

491.333垂直角α

+11°32′49″-11°33′06″

+6°41′48″

-6°42′04″

D=S﹒cosα

297.253

297.255

488.008

487.976平均平距297.254m

487.992m

V=S﹒sinα

+60.730

-60.756

+57.299

-57.334儀器高i

1.440

1.491

1.491

1.502

-目標(biāo)高l

-1.502

-1.400

-1.522

-1.441兩差改正f

0.006

0.006

0.016

0.016

h=V+i－l+f

+60.674

-60.659

+57.284

-57.257平均高差+60.666m

+57.270m

61§4-4電磁波測(cè)距兩點(diǎn)間,測(cè)定電磁波往返傳遞的速度C和時(shí)間t,計(jì)算距離:16一、電磁波測(cè)距的基本工作原理測(cè)距儀按不同的電磁波作為載波，分為：微波測(cè)距儀紅外光測(cè)距儀激光測(cè)距儀AB測(cè)程，A點(diǎn)安置測(cè)距儀，B點(diǎn)安置反射器。后二者又稱(chēng)光電測(cè)距儀61關(guān)于光速光波在真空中的傳播速度C0是一個(gè)重要的物理量，近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)已精確測(cè)定：C0=

(

299792458±1.2

)

m

/

s

。光波在大氣中的傳播速度C為：17n為大氣折射率，為光波波長(zhǎng)，t、p為大氣溫度及氣壓。關(guān)于測(cè)定光波往返傳播時(shí)間光速近于300000

km

/

sec,地面兩點(diǎn)間傳播時(shí)間極短,直接測(cè)定時(shí)間幾乎不可能。因此必須將光波用高頻電振蕩調(diào)制，用脈沖法或相位法間接測(cè)定兩點(diǎn)間光波傳播時(shí)間。61關(guān)于測(cè)距時(shí)的大氣溫度和氣壓18大氣的溫度和氣壓影響其對(duì)光波的折射率，從而影響光速和光電測(cè)距的計(jì)算,其影響與距離的長(zhǎng)度成正比。因此，長(zhǎng)距離的精密測(cè)距必須用空盒氣壓計(jì)與通風(fēng)溫度計(jì)，測(cè)定觀測(cè)當(dāng)時(shí)的氣溫和氣壓，加以改正。一般情況下只需溫度改正。通風(fēng)溫度計(jì)空盒氣壓計(jì)61（一）脈沖式測(cè)距19將發(fā)射光波的光強(qiáng)調(diào)制成高頻光脈沖，再由時(shí)標(biāo)振蕩器產(chǎn)生時(shí)標(biāo)脈沖(周期T0)，二者都經(jīng)過(guò)電子門(mén)；發(fā)射脈沖光打開(kāi)電子門(mén)，反射回來(lái)的脈沖光關(guān)閉電子門(mén)；在開(kāi)關(guān)門(mén)之間，時(shí)標(biāo)脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為m；則mT0

為脈沖光往返傳播時(shí)間t

，據(jù)此可根據(jù)光速計(jì)算距離：61（二）相位式測(cè)距20用高頻電振蕩(周期T

)將發(fā)射光進(jìn)行振幅調(diào)制,使光強(qiáng)隨電振蕩而產(chǎn)生周期性的明暗(相位φ)變化；調(diào)制光在測(cè)程上往返傳播，同一瞬間儀器的發(fā)射光與接收光產(chǎn)生相位差Δφ，據(jù)此可算出光波往返傳播時(shí)間t

。61設(shè)光速為C,調(diào)制振蕩頻率為f,振蕩周期T=1

/

f,則調(diào)制光

的波長(zhǎng)為：21調(diào)制光在測(cè)程的往返傳播時(shí)間t內(nèi)，變化N個(gè)整周(NT)和一個(gè)零數(shù)ΔT，即代入電磁波測(cè)距基本公式，得到：61調(diào)制頻率與光尺長(zhǎng)度由此可見(jiàn),相位式光電測(cè)距和鋼尺量距有一點(diǎn)相似之處：相當(dāng)于用一支長(zhǎng)度為λ／2

(半波長(zhǎng))

的“光波尺”來(lái)量距,N為“整尺段數(shù)”,(

λ

/

2

)×(

Δφ

/

2π

)為“余長(zhǎng)”。光源的波長(zhǎng)λg

在標(biāo)準(zhǔn)氣象狀態(tài)(t

=15°C

,

p=1013

mPa)計(jì)算而得，因此,調(diào)制光的“光尺長(zhǎng)度”，可由調(diào)制頻率確定:

調(diào)制頻率(概值)與光尺長(zhǎng)度(半波長(zhǎng))22相位式測(cè)距基本公式：調(diào)制頻率f

30

MHz

15

MHz

7.5

MHz1.5

MHz150

KHz光尺長(zhǎng)度λ／2

5

m

10

m

20

m

100

m

1000

m6123二、光電測(cè)距儀及反射器開(kāi)始時(shí),光電測(cè)距儀為一架單獨(dú)的測(cè)量?jī)x器；儀器小型化后,可架設(shè)于經(jīng)緯儀上方、成為測(cè)角和測(cè)距的聯(lián)合體。目前，將測(cè)距儀中的光電發(fā)射和接收系統(tǒng)以及脈沖計(jì)、相位計(jì)等微電子元件和經(jīng)緯儀的瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡組裝在一起，而成為同時(shí)可以測(cè)距和測(cè)角的電子全站儀，一般不再使用單獨(dú)的測(cè)距儀。（一）光電測(cè)距儀6124（二）反射器反射器為測(cè)距儀的配套部件。反射器分為全反射棱鏡和反射片兩種，前者經(jīng)常用于控制測(cè)量中長(zhǎng)距離的精密測(cè)距；后者用于近距離的測(cè)距，例如地形測(cè)量和工程測(cè)量。全反射棱鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)反射棱鏡或反光鏡）是用光學(xué)玻璃磨制成的四面體，如同正立方體上切下的一個(gè)角錐體，能使入射光從原光路返回發(fā)射源。61入射光反射光25各種形式的反射器適用于長(zhǎng)距離的三塊棱鏡的組合(三棱鏡)適用于中,短距離的小型棱鏡,可手持或安裝于標(biāo)桿頭上。適用于近距離細(xì)部測(cè)量的反射片6126三、光電測(cè)距的長(zhǎng)度改正（一）測(cè)距儀的乘常數(shù)和加常數(shù)改正（二）氣象改正乘常數(shù)改正數(shù)：加常數(shù)改正數(shù)：測(cè)距儀通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的檢定，得到儀器的乘常數(shù)R

和加常數(shù)C。乘常數(shù)改正與距離長(zhǎng)度成正比，加常數(shù)與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。影響光速的大氣折射率n是氣溫t、氣壓p的函數(shù)。氣象改正數(shù)與距離長(zhǎng)度成正比：某測(cè)距儀的氣象改正系數(shù)改正后長(zhǎng)度：6127四、光電測(cè)距的精度分析（一）光電測(cè)距的誤差來(lái)源1.調(diào)制頻率誤差2.氣象參數(shù)測(cè)定誤差根據(jù)得到：調(diào)制頻率的相對(duì)誤差使距離測(cè)量產(chǎn)生相同的相對(duì)誤差根據(jù)得到：如果氣溫測(cè)定誤差為±1oC,或氣壓測(cè)定誤差為±4mPa,使距離測(cè)量產(chǎn)生相對(duì)誤差為±1×10－661284.反射器常數(shù)誤差5.儀器和目標(biāo)的對(duì)中誤差3.脈沖測(cè)定與相位測(cè)定的誤差相位式測(cè)距儀的相位測(cè)定誤差,或脈沖式測(cè)距儀的脈沖測(cè)定誤差影響距離測(cè)量的尾數(shù)，故與距離長(zhǎng)短無(wú)關(guān)。誤差的大小決定于儀器的精度和測(cè)距時(shí)的自然環(huán)境,例如天氣的陰晴、大氣的透明度、雜散光的干擾等。反射器應(yīng)與測(cè)距儀配套，加常數(shù)各不相同，且在測(cè)距儀中可預(yù)置加常數(shù)自動(dòng)改正。如果不配套、設(shè)置有誤或瞄準(zhǔn)目標(biāo)不準(zhǔn)確，即會(huì)產(chǎn)生這種誤差。測(cè)距儀測(cè)定儀器中心至目標(biāo)標(biāo)志中心的距離，如果儀器或標(biāo)志對(duì)中不正確，會(huì)影響距離測(cè)量的精度。6129（二）光電測(cè)距的精度指標(biāo)光電測(cè)距儀的“標(biāo)稱(chēng)精度”是指測(cè)距儀本身引起的測(cè)距誤差。儀器的測(cè)相誤差、棱鏡常數(shù)誤差與測(cè)距的長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，稱(chēng)為“常誤差”（或稱(chēng)固定誤差），用“a”表示；而儀器的頻率誤差和正常大氣狀態(tài)下的氣象因素誤差則與測(cè)距的長(zhǎng)度D成正比，稱(chēng)為“比例誤差”，其比例系數(shù)用“b”表示。因此，測(cè)距儀的標(biāo)稱(chēng)精度一般用下式表示：

在儀器說(shuō)明書(shū)中，比例系數(shù)b一般以百萬(wàn)分率(ppm)表示。例如a=5mm，b=5mm/km，距離D的單位為千米(km)。例如各種測(cè)距儀和全站儀的測(cè)距標(biāo)稱(chēng)精度有：

±(5+5×10－6

D)

mm

±(3+2×10－6

D)mm

±(2+2×10－6

D)

mm

±(1+1×10－6

D)mma、b的數(shù)值越小，則測(cè)距儀的精度級(jí)別越高。6130一、近距離的平距和高差計(jì)算B點(diǎn)的高程為：測(cè)得AB的傾斜距離S，A點(diǎn)高程HA，在測(cè)站A觀測(cè)直角，則兩點(diǎn)間點(diǎn)水平距離D和高差為：§4-5光電測(cè)距的歸算6131二、遠(yuǎn)距離測(cè)量的高程歸算距離測(cè)量是在測(cè)區(qū)的地面上進(jìn)行的，測(cè)站與目標(biāo)離大地水準(zhǔn)面都有一定的高度。測(cè)站A和目標(biāo)B的平均高程是測(cè)距時(shí)視線(xiàn)的平均高程Hm,因此測(cè)得的水平距離是視線(xiàn)平均高程面上的距離D，需要將D歸算至大地水準(zhǔn)面上，其長(zhǎng)度為D0，則

平距高程歸算改正值

6132遠(yuǎn)距離三角高程測(cè)量受大氣垂直折光影響傾斜視線(xiàn)穿過(guò)密度逐步變稀的各層空氣介質(zhì)，層面上的折射角R

總是大于入射角I，使視線(xiàn)成為一條向上凸的曲線(xiàn)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為”大氣垂直折光”，使視線(xiàn)的切線(xiàn)方向向上抬高，以致測(cè)得的垂直角和高差偏大，對(duì)于遠(yuǎn)距離的三角高程測(cè)量，需要進(jìn)行改正。61

§4-6電子全站儀

一、電子全站儀概述33電子全站儀是一種利用機(jī)械、光學(xué)、微電腦等元件組合而成、可以同時(shí)進(jìn)行角度測(cè)量和距離測(cè)量、并可進(jìn)行有關(guān)計(jì)算的高科技測(cè)量?jī)x器。由于只要在測(cè)站上一次安置該儀器,便可以完成該測(cè)站上所有的測(cè)量工作,故稱(chēng)為“電子全站儀”,簡(jiǎn)稱(chēng)“全站儀”（TotalStation

Instrument）。起初的全站儀是將電子經(jīng)緯儀和測(cè)距儀組裝在一起，并可分離成兩個(gè)獨(dú)立的部分，稱(chēng)為積木式全站儀。后來(lái)改進(jìn)為將光電測(cè)距儀的調(diào)制光發(fā)射接收系統(tǒng)的光軸和經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸組合成分光同軸的整體式全站儀，并配置電子計(jì)算機(jī)的微處理機(jī)和系統(tǒng)軟件，使具有將測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、計(jì)算、輸入、輸出等功能。6134全站儀的組合框圖6135地面測(cè)量?jī)x器發(fā)展簡(jiǎn)史－全站儀誕生前1952197019211973測(cè)距儀器：測(cè)角儀器：197819801990199019806136地面測(cè)量?jī)x器發(fā)展簡(jiǎn)史－全站儀誕生90年代起：電腦型全站儀特點(diǎn)：菜單操作，機(jī)載軟件，可系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，與GNSS接收機(jī)聯(lián)合。

TC16101991雙軸補(bǔ)償菜單功能鍵操作

TPS10001994雙軸補(bǔ)償軟功能鍵操作(圖標(biāo)操作)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別

TPS11001999雙軸補(bǔ)償軟功能鍵操作(圖標(biāo)操作)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別免棱鏡測(cè)距

TPS12002004雙軸補(bǔ)償軟功能鍵+快捷鍵操作(圖標(biāo)操作)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別免棱鏡測(cè)距與GNSS聯(lián)合作業(yè)61通過(guò)輸入、輸出設(shè)備，可以與計(jì)算機(jī)交互通訊，使測(cè)量數(shù)據(jù)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，據(jù)此進(jìn)行計(jì)算和繪圖；測(cè)量作業(yè)所需要的已知數(shù)據(jù)也可以從計(jì)算機(jī)輸入全站儀。一些全站儀將電荷耦合器件（CCD—ChargeCoupledDevice）與傳動(dòng)馬達(dá)相結(jié)合，使具有對(duì)目標(biāo)棱鏡的自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和瞄準(zhǔn)（ATR，

AutomaticTargetRecognition）功能；CCD還用于度盤(pán)讀數(shù)、構(gòu)成電子水準(zhǔn)器等。一些全站儀將全球定位系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)與之結(jié)合，以解決儀器自由設(shè)站的定位問(wèn)題。全站儀的這些功能不僅使測(cè)量的外業(yè)工作高效化，而且可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量作業(yè)的高度自動(dòng)化。電子全站儀已廣泛用于控制測(cè)量、地形測(cè)量、施工放樣等方面的測(cè)量工作。37全站儀功能的逐步改進(jìn)6138全站儀的發(fā)展趨勢(shì)－儀器作業(yè)進(jìn)一步自動(dòng)化儀器對(duì)中自動(dòng)化基座安平自動(dòng)化儀高量取自動(dòng)化對(duì)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤和瞄準(zhǔn)目標(biāo)中心位置十字絲中心位置搜索跟蹤照準(zhǔn)6139蘇光810系列全站儀特點(diǎn)：彩色觸摸屏,可實(shí)時(shí)成圖,WINCE5.0操作系統(tǒng),64M存儲(chǔ)器。61測(cè)角精度±2″測(cè)距精度±(2＋2D×10-6)mmSET-230R

全站儀40操作面板61TCA2003全站儀41操作面板61高精度多功能測(cè)角精度±0.5″測(cè)距精度±(1+D×10－6)mm42二、全站儀的特殊部件與功能（一）多功能同軸望遠(yuǎn)鏡

將瞄準(zhǔn)用的物鏡、目鏡、調(diào)焦透鏡與紅外測(cè)距、激光測(cè)距的發(fā)射和接收安裝在同一光學(xué)系統(tǒng)中，成為多功能的同軸望遠(yuǎn)鏡。61（二）顯示屏和鍵盤(pán)43操作面板包括控制按鍵、數(shù)碼(字母和數(shù)字)按鍵和較大的顯示屏，顯示屏包含軟鍵(功能鍵)以及觸摸功能；顯示屏還可以分頁(yè)，可展示主菜單和若干級(jí)子菜單；顯示屏還可以顯示圖形，例如野外實(shí)時(shí)顯示所測(cè)地形圖的局部圖形，便于檢查和修測(cè)或補(bǔ)測(cè)。（三）傳感器全站儀中的傳感器包括：度盤(pán)讀數(shù)傳感器,縱軸傾斜傳感器,目標(biāo)搜索傳感器等。利用發(fā)光二極管或外來(lái)光線(xiàn)及CCD(電荷耦合器件)陣列。61

441.度盤(pán)讀數(shù)傳感器

較先進(jìn)的全站儀用條碼度盤(pán)和CCD傳感器讀數(shù)，發(fā)光管發(fā)光透過(guò)度盤(pán)編碼，由一組線(xiàn)性CCD陣列讀數(shù)。一般在度盤(pán)對(duì)徑設(shè)置一對(duì)線(xiàn)性CCD傳感器，以消除度盤(pán)偏心誤差。度盤(pán)條碼條碼度盤(pán)發(fā)光二極管線(xiàn)性CCD陣列反光棱鏡612.縱軸傾斜傳感器45儀器的縱軸傾斜影響視準(zhǔn)軸的瞄準(zhǔn)、水平度盤(pán)和垂直度盤(pán)的讀數(shù)