距離測量與直線定向-測距儀-全站儀課件

測量技術基礎

第4章距離測量與直線定向7/23/20231山東理工大學建工學院第4章距離測量與直線定向距離測量是測量三項基本工作之一.距離測量的方法主要有:1.鋼尺(皮尺)量距.2.視距測量

3.光電測距要確定地面點的平面位置,還必須測定直線的方向,即直線定向7/23/20232山東理工大學建工學院視距測量圖7/23/20233山東理工大學建工學院利用調制波波長測距B測距儀反光棱鏡S電磁波測距電磁波測距圖A7/23/20234山東理工大學建工學院

第4章距離測量與直線定向

§5.1

鋼尺量距

§5.2

視距測量

§5.3

紅外線測距儀及全站儀

§5.4

直線定向

7/23/20235山東理工大學建工學院§4.1鋼尺量距1.鋼卷尺

尺長與規(guī)格：20米、30米、50米，鋼質，涂塑或不涂塑。刻度與注記：毫米刻度，注記厘米、分米、米。零分劃位置有不同，分刻線尺和端點尺兩種。

4.1.1量距用的工具:鋼卷尺，花桿，測釬一般量距方法

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（量距時標定直線量距的前進方向）3.測釬

量距時在地面標定尺段端點位置。7/23/20236山東理工大學建工學院端點尺刻線尺測釬花桿皮尺測繩鋼卷尺7/23/20237山東理工大學建工學院4.1.2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:

如果量距要求的精度較高,可在其端點A安置經(jīng)緯儀定線.7/23/20238山東理工大學建工學院4.1.3丈量方法（往返丈量)）距離用下式計算：D=nl+Δl

式中：l——整尺段的長度；

n——丈量的整尺段數(shù)；

l——零尺段長度。

往返丈量較差

D=D往-D返距離平均值

D平=（D往-D返）相對誤差

K=1.在平坦地面丈量7/23/20239山東理工大學建工學院2.傾斜地面丈量SDh

(1)斜量法:地面坡度均勻，將量得的傾斜距離S歸算成水平距離D。高差h用水準儀測定?；蛩骄嚯x：(2)在傾斜地面平量7/23/202310山東理工大學建工學院量距相對精度可達11萬14萬。

3.鋼尺量距的精密方法精密量距時采取的措施：

1.用檢定過的鋼尺；

2.經(jīng)緯儀定線；

3.釘尺段樁(概量得)，用水準儀測量樁間高差；

4.對鋼尺施加固定拉力，并測量溫度；

5.對量距結果加三項改正數(shù)。7/23/202311山東理工大學建工學院三項改正數(shù)4.1.4鋼尺量距的成果整理每尺段經(jīng)改正后的水平距離：總的水平距離：

7/23/202312山東理工大學建工學院4.1.5

鋼尺檢定

目的：求得鋼尺兩端點刻劃間的實際長度。

方法：用鋼尺對一段精確的標準長度進行丈量，從而求得鋼尺的尺長改正數(shù)。該檢定場地也稱為“比尺場”。

。。。。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。通過對量距結果的整理，得出該鋼尺的

尺長方程式。

0——鋼尺名義長(m)；t0——標準溫度，一般取20℃；d——尺長改正值(mm)；t——丈量時溫度(℃)

——鋼的膨脹系數(shù)，1.2×10-5/℃；1.尺長方程式：=0+d+(t-t0)×07/23/202313山東理工大學建工學院例：用一檢定過的30米鋼尺沿傾斜地面丈量AB距離，數(shù)據(jù)見下表。該鋼尺的尺長方程式如下，請整理量距成果。(注：鋼尺膨脹系數(shù)

=0.0000115~0.0000125為鋼尺溫度變化1度時，單位長度的變化量。)尺段長度及量距精度計算7/23/202314山東理工大學建工學院

§4.2視距測量4.2.1視距測量概述視距測量是一種間接測距方法;

它利用望遠鏡內十字絲分劃板上的視距絲及刻有厘米分劃的視距標尺(地形塔尺或普通水準尺)，根據(jù)光學原理可以同時測定兩點間的水平距離和高差.其中測量距離的相對誤差約為1/300，低于鋼尺量距；測定高差的精度低于水準測量;視距測量廣泛用于地形測量的碎部測量中。7/23/202315山東理工大學建工學院4.2.2視準軸水平時的視距計算公式AB為待測距離，在A點安置經(jīng)緯儀，B點豎立視距尺，設望遠鏡視線水平，瞄準B點的視距尺，此時視線與視距尺垂直。7/23/202316山東理工大學建工學院視線水平時的視距測量公式:(1)水平距離公式:(2)高差公式:(3)B點高程:7/23/202317山東理工大學建工學院4.2.3視線傾斜時的視距測量公式(1)水平距離公式:(2)初算高差:(3)高差公式:7/23/202318山東理工大學建工學院

（1）在測站

A安置經(jīng)緯儀，量取儀器高

i，在測點

B豎立視距尺；

（2）照準視距尺，用上下視距絲分別在尺上讀取讀數(shù)，算出視距間隔

n（n=下絲讀數(shù)-上絲讀數(shù)）。也可先將中絲對準儀器高讀豎直角，然后把上絲對準鄰近整數(shù)刻劃后直接讀取視距間隔；4.2.4視距測量觀測與計算方法7/23/202319山東理工大學建工學院

（3）轉動豎盤指標水準管微動螺旋使豎盤指標水準管氣泡居中，讀取豎盤讀數(shù)，算出豎直角。對有豎盤指標自動歸零裝置的儀器，應打開自動歸零裝置后再讀數(shù)；

4.2.4視距測量觀測與計算方法

（4）根據(jù)視距公式，計算水平距離和高差及立尺點的高程。7/23/202320山東理工大學建工學院一、概述電磁波測距(Electro-magneticDistanceMeasuring，EDM)是用電磁波(光波或微波)作為載波，傳輸測距信號，以測量兩點間距離的一種方法。EDM具有測程長、精度高、作業(yè)快、工作強度低、幾乎不受地形限制等優(yōu)點。§4.3電磁波測距及全站儀7/23/202321山東理工大學建工學院二、電磁波測距儀分類1.按其所采用的載波（光源）可分為：①微波測距儀(microwaveEDMinstrument)；②激光測距儀(laserEDMinstrument)；③紅外測距儀(infraredEDMinstrument);2.按測程分為：①短程測距儀(≤5km)②中程測距儀(5~15km)③遠程測距儀(≥15km）3.按精度分為：①Ⅰ級測距儀(mD

≤5mm)②Ⅱ級測距儀(5≤mD

≤10mm)③Ⅲ級測距儀(mD

≥

10mm）4.按測距原理分為：①脈沖式；②相位式7/23/202322山東理工大學建工學院4.3.1

紅外測距的測距原理

基本公式:c0—光在真空中的速度ng—光在大氣中傳輸?shù)恼凵渎师—光波在AB間往返傳輸時間7/23/202323山東理工大學建工學院直接測時---該類測距儀稱為脈沖式測距儀，該儀器因其精度較低，通常只用于精度較低的遠距離測量、地形測量和炮瞄雷達測距。間接測時----用測定相位的方法來測定距離，此類儀器稱為相位式測距儀。現(xiàn)有的精密光電測距儀都不采用直接測時的方法，而采用間接測時。電磁波測距方式7/23/202324山東理工大學建工學院脈沖式測距原理假設時鐘脈沖的震蕩頻率為,震蕩周期為計數(shù)器記錄的震蕩次數(shù)為N,則脈沖光波在AB兩點間往返的時間為:7/23/202325山東理工大學建工學院2.相位式測距原理

用測定相位的方法來測定距離，此類儀器稱為相位式測距儀。它是用一種連續(xù)波（精密光波測距儀采用光波）作為“運輸工具”（稱為載波），通過一個調制器使載波的振幅或頻率按照調制波的變化做周期性變化。測距時，通過測量調制波在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位變化，間接地確定傳播時間t，進而求得待測距離D。7/23/202326山東理工大學建工學院相位式測距原理調制波的調制頻率f，角頻率，周期T，波長:設調制波在距離D往返一次產(chǎn)生的相位變化為，調制信號一個周期相位變化為2π，則調制波的傳播時間t為：

代入基本公式得

:7/23/202327山東理工大學建工學院相位式測距原理設調制信號為正弦信號，包含2π的整倍數(shù)N2π，和不足2π的尾數(shù)部分ψ，即：代入前面公式:

7/23/202328山東理工大學建工學院相位式測距原理令

:--單位長，“光測尺”，“電子尺”

公式改寫成:上式就是相位式測距原理公式。相位式測距儀是用長度為LS的“測尺”去量測距離，量了N個整尺段加上不足一個LS的長度就是所測距離。采用多個“測尺”組合實現(xiàn)測距技術過程。設計；精測尺+粗測尺測距。7/23/202329山東理工大學建工學院相位式測距原理調制頻率與測尺長度的關系調制頻率f15MHz7.5MHz1.5MHz150kHz75kHz15kHz測尺長度λ/210m20m100m1km2km10km精度1cm2cm10cm1m2m10m7/23/202330山東理工大學建工學院4.3.2

光電測距儀的組成7/23/202331山東理工大學建工學院4.3.2

光電測距儀的組成7/23/202332山東理工大學建工學院4.3.4全站儀及其使用（一）全站儀概述（二）全站儀的功能

（三）幾種全站儀及其基本應用

7/23/202333山東理工大學建工學院南方NTS全站儀TOPCONGTS全站儀7/23/202334山東理工大學建工學院Leica

全站儀7/23/202335山東理工大學建工學院（一）全站儀概述全站儀(totalstation)是由電子測角、光電測距、微型機及其軟件組合而成的智能型光電測量儀器。全站儀的基本功能是測量水平角、豎直角和距離。全站儀具有如下特點：同時進行角度測量(水平角、豎直角)和距離測量(斜距S、平距D、高差h)；測距系統(tǒng)光軸與測角系統(tǒng)視準軸同軸（三軸同一）；顯示測點的角度(方向值)、距離、高差或三維坐標；擁有后方交會、放樣、偏心測量、懸高測量、對邊測量、面積計算等高級測量功能。7/23/202336山東理工大學建工學院全站儀特點擁有較大容量的內部存儲器，以數(shù)據(jù)文件形式存儲已知點和觀測點的點號、編碼、三維坐標；實現(xiàn)全站儀與計算機的數(shù)據(jù)通訊；高精度全站儀測角達0.5秒級，測距精度達(0.1mm+0.1PPM)；

與計算機聯(lián)合組成的智能觀測系統(tǒng)能實現(xiàn)全自動瞄準、觀測、記錄、存儲和數(shù)據(jù)的傳輸，被稱為測量機器人。7/23/202337山東理工大學建工學院

三軸同一望遠鏡

在全站儀的望遠鏡中，照準目標的視準軸、光電測距的紅外光發(fā)射光軸和接收光軸是同軸的，其光路如圖所示。因此，測量時使望遠鏡照準目標棱鏡的中心，就能同時測定水平角、垂直角和斜距7/23/202338山東理工大學建工學院測量儀器總的發(fā)展過程

測量儀器總的發(fā)展過程：光學經(jīng)緯儀電子經(jīng)緯儀

速測全站儀 全站儀。全站儀的發(fā)展過程：

1.普通型全站儀

2.功能型全站儀

3.磁卡型全站儀

4.內存式全站儀

5.全自動智能全站儀全站儀生產(chǎn)廠家：

瑞士：徠卡Leica

德國：蔡司Zeiss

日本：拓普康TOPCON，索佳SOKKIA，賓得,尼康

中國：南方、蘇州、北京7/23/202339山東理工大學建工學院（二）全站儀的功能對邊測量、懸高測量、后方交會、放樣、偏心測量、面積計算等高級測量功能。7/23/202340山東理工大學建工學院全站儀的功能1、對邊測量如圖，分別瞄準兩個目標點處的棱鏡并觀測后，儀器即可顯示出兩個棱鏡之間的平距(HD)、斜距(S)、高差(V)和坡度（%）。對邊測量可以連續(xù)進行。VSHD%7/23/202341山東理工大學建工學院全站儀的功能2、懸高測量如圖，要測量某些不能設置反射棱鏡的目標（高壓電線、橋梁桁架）的高度時，可在目標正上方或正下方處安置棱鏡，輸入棱鏡高h1，瞄準棱鏡并觀測后，再瞄準目標，儀器即可顯示目標的高度HHh1h27/23/202342山東理工大學建工學院全站儀的功能3、后方交會測量如圖，全站儀安置在某一待定點上，通過對兩個以上的已知點處的棱鏡進行觀測，并輸入各已知點三維坐標及儀器高和棱鏡高后，全站儀即可顯示待定點的三維坐標。7/23/202343山東理工大學建工學院4、三維坐標測量如圖，將全站儀安置在已知點A，棱鏡設置在待定點P，輸入A點已知坐標及儀器高和棱鏡高后，先后視已知點B并輸入B點坐標（后視已知點是為了設置方向位角）然后瞄準P點處棱鏡并進行觀測，儀器即可顯示待定P的三維坐標。APB全站儀的功能7/23/202344山東理工大學建工學院全站儀的功能5、放樣測量將要測設的角度和邊長（或坐標值）輸入全站儀，在放樣過程中儀器顯示角度和邊長的實測值與放樣值之差，根據(jù)顯示的偏離值及符號調整棱鏡位置，直至偏離值為零，此時棱鏡所處位置即為要測設的點位。有的電子全站儀還可通過圖形顯示出棱鏡上下左右前后的移動方向。7/23/202345山東理工大學建工學院全站儀的功能6、偏心測量如圖，若侍定點處不能設置棱鏡，可將棱鏡設置在待定點的左側或右側，并使棱鏡至站點的距離相當，瞄準棱鏡并進行觀測，再照準待定點，儀器即可顯示待定點的坐標。不同廠家生產(chǎn)的電子全站儀其鍵盤設計并不完全相同，實現(xiàn)相同測量功能的按鍵程序和步驟也不完全一樣，具體使用應參見廠家的使用說明書。7/23/202346山東理工大學建工學院全站儀測量的流程野外采集數(shù)據(jù)：南方NTS、TOPCON全站儀+PDA（測圖精靈）傳輸數(shù)據(jù)：將數(shù)據(jù)文件傳入計算機處理數(shù)據(jù)：用測圖軟件（南方測繪CASS）處理、編輯輸出成果：數(shù)字化地形圖、電子地圖（.dwg）、工程圖。7/23/202347山東理工大學建工學院§

4.4直線定向4.4.1直線定向的概念確定地面上兩點之間的相對位置，僅知道兩點之間的水平距離是不夠的，還必須確定此直線與標準方向之間的水平夾角。確定直線與標準方向之間的水平角度稱為直線定向。

7/23/202348山東理工大學建工學院標準方向的種類

1．真子午線方向

通過地球表面某點真子午線的切線方向，稱為該點的真子午線方向，真子午線方向是用天文測量方法或用陀螺經(jīng)緯儀測定的。

2．

磁于午線方向

磁子午線方向是磁針在地球磁場的作用下，磁針自由靜止時其軸線所指的方向。磁子午線方向可用羅盤儀測定。

7/23/202349山東理工大學建工學院標準方向的種類

3．坐標縱軸方向(中央子午線方向)

第二章已述及，我國采用高斯平面直角坐標系，每一6°帶或3°帶內都以該帶的中央子午線為坐標縱軸方向。因此，該帶內直線定向，就用該帶的坐標縱軸方向作為標準方向。如假定坐標系，則用假定的坐標縱軸(X軸)作為標準方向。

7/23/202350山東理工大學建工學院4.4.2表示直線方向的方法

測量工作中，常采用方位角來表示直線的方向。

由標準方向的北端起，順時針方向量到某直線的夾角，稱為該直線的方位角，其角值從0°~360°。由不同的標準方向所得到的方位角，分別為：

真方位角：A

磁方位角：Am

坐標方位角：α標準方向OP7/23/202351山東理工大學建工學院幾種方位角之間的關系

1．真方位角與磁方位角之間的關系

由于地磁南北極與地球的南北極并不重合，因此，過地面上某點的真子午線方向與磁子午線方向常不重合，兩者之間的夾角稱為磁偏角δ，磁針北端偏于其子午線以東稱東偏，偏于其子午線以西稱西偏。δ東偏取正值，西偏取負值。我國磁偏角的變化大約在+6°到-10°之間。直線的真方位角與磁方位7/23/202352山東理工大學建工學院幾種方位角之間的關系

2．真方位角與坐標方位角之間的關系

中央子午線在高斯平面上是一條直線，作為該帶的坐標縱軸，而其它子午線投影后為收斂于兩極的曲線，地面點M、N等點的真子午線方向與中央子午線之間的夾角，稱為子午線收斂角γ。在中央子午線以東地區(qū)，各點的坐標縱軸偏在真子午線的東邊，γ為正值；在中央子午線以西地區(qū)，γ為負值。

直線的真方位角與磁方位角之間可用下式進行換算7/23/202353山東理工大學建工學院幾種