土木工程测量

土木工程测量CivilEngineeringSurvey第三章角度测量角度测量分为水平角（horizontalangle）测量与竖直角(verticalangle)测量。常用仪器是光学经纬仪(theodolite)、电子经纬仪(electronictheodolite,简记为ET)及全站仪(totalstation,简记为TS)等。水平角测量用于求算点的平面坐标，竖直角测量用于测定高差或将倾斜距离改化成水平距离等。3.1水平角测量原理地面上一点至两目标的两条方向线在水平面上投影的夹角，称为水平角，工程测量中水平角通常用β表示，其取值范围为0°～360°。如图所示，为了测出地面上一点C与两目标A和B所夹的水平角，以过C点的铅垂线上任一点O为中心，水平地放置一个带有刻度的圆盘，通过CA、CB，各作一竖直面，设这两个竖直面在刻度盘上截取的读数分别为a和b，则所求水平角之值为β=b-a。水平角测量原理3.2DJ6级光学经纬仪经纬仪的种类繁多，如按工作原理区分，可以分成光学经纬仪和电子经纬仪。现在工程中大量使用的是光学经纬仪，但电子经纬仪发展很快，且在价格上已与同级光经纬仪相当甚至更低，具有很大的发展潜力。我国对经纬仪编制了系列标准，分为DJ07，DJ1、DJ2、DJ6等级别。其中D、J分别为“大地测量”和“经纬仪”的汉语拼音第一个字母，07，2、6等数字，表示该仪器所能达到的精度指标。如DJ6表示一测回水平方向中误差不超过6″。3.2.1、DJ6级光学经纬仪构造DJ6级光学经纬仪是目前工程上使用最为广泛的经纬仪。它由基座，水平度盘和照准部三部分组成。1－望远镜物镜；2－竖直制动扳手；3－竖直微动螺旋；4－水平微动螺旋；5－轴座连接螺旋；6－脚螺旋；7－复测器扳手；8－管水准器；9－读数显微镜；10－望远镜目镜；11－物镜对光螺旋；12－竖盘指标水准管；13－反光镜；14－测微轮；15－水平制动扳手；16－竖盘指标水准管微动螺旋17－竖盘外壳。(1)基座其上有三个脚螺旋，用来整平仪器，操作方法与水准仪整平基本相同。(2)水平度盘水平度盘是光学玻璃制成的圆环，用来测量水平角。其上刻有从0°～360°的分划线，顺时针方向注记，相邻两分划线间的格值一般为1°。经纬仪上通常设有复测系统，常用的有复测扳手和拨盘手轮两种。复测的目的是多次变换起始目标在水平度盘上的位置，重复测角，以减少度盘分划不均匀对测量结果的影响。当复测扳手扳上时，水平度盘与照准部分离，照准部转动而度盘不动。当复测扳手扳下时，水平度盘与照准部结合在一起，没有相对转动，无论照准部如何转动，度盘读数不变。采用拔盘手轮的经纬仪，可以在照准部不动的情况下，拨动水平度盘，从而改变起始目标的读数。（3）照准部照准部包括望远镜及其支架、竖盘、测微装置、照准部水准管、竖轴等。望远镜（提供视准轴CC）与装在支架上的横轴（几何轴线为HH）固结，可绕横轴俯仰。竖轴（几何轴线为VV）插在轴套内，可使整个照准部绕竖轴作水平方向回转。经纬仪的构造确保CC⊥HH，同时HH⊥VV。于是，当望远镜绕横轴旋转其视线将扫过一个铅垂面。这就是经纬仪能够进行工程结构物竖直度校正的基础。经纬仪的轴线关系竖盘装置包括竖盘及其读数设备，用于竖角测量。测微装置用来读取平盘和竖盘的数值，可以估读到0.1′，即6″。另外，在经纬仪上还设有光学对中器，以便将经纬仪的竖轴安置在测角顶点的垂线上。DJ6级光学经纬仪3.2.2、读数方法读数的主要设备为读数窗内的分微尺，如图所示，上面的窗格里是水平度盘及分微尺的影像，用“Hz”表示；下面的窗格里是竖直度盘和分微尺的影像，用“V”表示。水平度盘与竖直度盘上1°的分划间隔，成像后与分微尺的全长相等，分微尺分成60等分，每格表示1′，可估读到0.1′，即6″，所以，这类DJ6级经纬仪的读到的秒值必是6″的整数倍。读数时，首先由落在分微尺上的度盘分划值读出整度数；再由分微尺读出其零线至该度盘刻划线间的整分值及估读的秒值；最后，将两者相加，即得最终读数值。图3.2-3中，平盘的读数值是，而竖盘的读数是（工程测量中要求分和秒的值必须写成两位，以减少错误）。DJ6经纬仪的读数3.3DJ2级光学经纬仪在结构上，除望远镜的放大倍数稍大（30倍），照准部水准管灵敏度较高（分划值为20″/2mm）、度盘格值更精细外，主要表现为读数设备的不同。DJ2级光学经纬仪的读数设备有如下两个特点：(1)DJ6级光学经纬仪采用单指标读数，受度盘偏心的影响。DJ2级经纬仪采用对径重合读数法，相当于利用度盘上相差180°的两个指标读数并取其平均值，可消除度盘偏心的影响。(2)DJ2级光学经纬仪在读数显微镜中只能看到水平度盘或竖直度盘中的一种，读数时，必须通过转动换像手轮，选择所需要的度盘影像。以下简介DJ2经纬仪的读数方法。如图所示，瞄准目标后调节经纬仪上的测微轮（此时照准部已固定），使度盘正倒像精确吻合。首先从读数窗中读取整度数74；再从“分”读数的十位和个位得到整分数47；最后从“秒”读数的十位和分划线得到秒的整数值及估计值16.0″；最终读数即为74°47′16.0″。显然，这种经纬仪可以估读的最小值是0.1″。分读数的个位分读数的十位度盘正倒像吻合分读数的十位3.4水平角观测3.4.1、经纬仪安置用经纬仪观测水平角，应先将经纬仪安置在角的顶点上，安置仪器包括对中和整平两项内容，现分述如下。（1）、对中（centering）对中可以采用垂球(suspendedweight)和光学对中器(opticalplummet)。垂球通常悬挂在三脚架上，用垂球对中时，悬挂垂球的线长要调节合适，对中误差一般可小于3mm。要求精确对中时，应使用光学对中器，其对中误差不应大于1mm。使用光学对中时，首先旋转对中器的目镜，使分划板的刻划圈清晰；再推进或拉出对中器的目镜管，使地面点标志呈像清晰；然后在架头上平移经纬仪，直到地面标志中心与对中器刻划圈中心重合。（2）、整平（leveling-up）整平是利用基座上三个脚螺旋(或称整平螺旋)使照准部水准管气泡居中，从而使竖轴竖直。整平误差，即整平后气泡的偏离量，最大不应超过一格。整平与对中这两步工作需反复交替进行，才能满足安置仪器的精度要求。（3）、瞄准（alignment）先松开望远镜制动螺旋和照准部水平制动螺旋，将望远镜指向天空，调节目镜使十字丝清晰（因为测量员的视力基本稳定，这项工作不需每次瞄准都做）。然后通过瞄准器瞄准目标，使目标成像在望远镜中近于中央的部位，旋紧照准部和望远镜制动螺旋。转动物镜对光螺旋，使目标成像清晰并注意消除视差。最后，用望远镜竖直微动螺旋和照准部水平微动螺旋精确瞄准目标。瞄准时应尽量瞄准目标位置固定的底部，以减少目标偏心差。3.4.2、测回法观测水平角测回法常用于测量两个方向之间的单角，下面以图中测量∠123为例，说明其步骤。测回法测角（1）、在角的顶点2上安置经纬仪，对中、整平。（2）、将经纬仪安置成盘左位置（竖盘在望远镜左侧，又称正镜）。转动照准部并俯仰望远镜，精确瞄准左侧目标点1，读取水平度盘读数aL=0°12′42″，记入测回法观测手簿。（3）、松开照准部水平制动螺旋，顺时针转动照准部至右侧目标3，读取水平度盘读数bL=38°48′06″，记入手簿；则角值βL=bL-aL=38°35′24″，记入观测手簿中“半测回角值栏”中。至此，完成上半测回的观测，βL为上半测回得的角值。（4）、松开制动螺旋，倒转望远镜成盘右位置（竖盘在望远镜右侧，又称倒镜）。首先转动照准部瞄准右侧目标3，读取水平度盘读数bR=218°48′36″，记入手簿。（5）、逆时针转动照准部，瞄准左侧目标1，读取水平度盘读数aR=180°12′54″，记入手簿，则角值βR=38°25′42″。测回法记录手薄上、下半测回合为一个测回(observationset)。当用DJ6级光学经纬仪观测时，βL与βR之差的绝对值应不大于40″。如符合要求，取两个半测回角值的平均值作为该测回的最后结果：1()=3835332LR本例中。1()2LR为了提高测角精度，往往要观测多个测回。为了减少度盘分划误差的影响，各测回之间应根据测回数，按下式变换水平度盘位置。1801--ajnnj（）式中：测回数；测回序号。例如，欲观测两个测回，则第一测回的起始方向读数可安置在略大于0°处；第二测回的起始方向读数应安置在90°附近处。安置水平度盘起始方向读数为某一指定值的方法，按仪器构造的不同而异。对于装有复测扳钮的经纬仪，先扳上复测扳钮，转动照准部，使水平度盘置于所需要的读数，然后扳下复测扳钮，此时转动照准部，水平度盘读数保持不变，当瞄准目标后，再将复测扳钮往上扳，即可继续进行观测。对于安装有水平度盘位置变换手轮的经纬仪，先转动照准部，用望远镜瞄准目标，然后转动水平度盘位置变换手轮，使水平度盘读数为所需要的度盘读数，随即关上水平度盘位置变换手轮的护罩，以防在观测过程中碰动该手轮。有些经纬仪的水平度盘位置变换手轮装有弹簧保护装置，使用时将手轮推压进去，转动手轮，使水平度盘转到所需要的读数，然后松开手轮，即可继续进行观测。当观测两个或两个以上测回时，各测回所测得的角值之差，对于DJ6级经纬仪应不大于24″。经检验合格后，取各测回角值的平均值作为最后结果，记入观测手簿中“各测回平均角值”栏内。3.4.3、方向观测法观测水平角在一个测站上，当观测方向超过两个时，常采用方向观测法。用此方法观测时，在依次观测所需的各个目标之后，应再次观测起始方向（称为归零），故这种方法也称为全圆方向法。如图，O为测站点，A、B、C、D为目标点，欲测定O到各目标及各目标之间的水平角，观测步骤如下：（1）、将经纬仪安置于O点，对中、整平。（2）、选择距离较远的点作为起始方向，称为零方向，本例中选择A为起始方向。用盘左位置瞄准A点，设置水平度盘位置（0°01′06″），记入方向观测法记录手簿。（3）、松开水平制动螺旋，顺时针方向转动照准部，依次瞄准B、C、D三个目标点，并读数、记录。继续顺时针方向转动照准部，再次瞄准A点，称为归零，并读数（0°01′18″）、记录。至此，完成上半测回的观测。A目标两次读数之差称为半测回归零差，其限值见方向观测法记录手簿。（4）、倒转望远镜成盘右位置，瞄准A点并读数（180°01′06″）、记录，然后逆时针方向转动照准部，依次瞄准D、C、B、A各目标点，并读数、记录。至此，完成下半测回的观测。上、下半测回合为一个测回。无论采用测回法或方向观测法，在同一测回内均不能第二次改变水平度盘位置，需测多个测回时，各测回间设置起始目标点水平度盘位置。方向观测法记录手簿（5）、方向观测法成果计算（a）、归零差的计算分别计算上、下半测回归零差，应符合水平角方向观测法的技术要求表要求。一旦超限，应及时重测。如本例中，第一测回下半测回时，零方向归零差为：0010600118=12（b）、两倍照准差2C计算同一方向盘左、盘右的读数差值称为两倍照准差2C，应符合技术要求。2C＝盘左读数－（盘右读数±180°）如本例中，第一测回OA方向两倍照准差为：2C＝0°01′06″－（180°01′00″±180°）＝＋6″（c）、计算各方向平均读数1=[+]2平均读数盘左读数（盘右读数180）如本例中，第一测回OA方向的平均读数为：oo1[00106+1800100180]=001032（）由于起始方向有两个平均读数，故将这两个值再取平均值记入“平均读数”一栏上方的括号内。100103+00112=001082（）（d）、计算归零后的方向值将各方向的平均读数减去括号内的起始方向平均读数，即得各方向归零后的方向值。起始方向归零后的方向值均化为0°00′00″。如本例中，第一测回OB方向归零后的方向值为：25404800108=253940（e）、计算各测回归零后的方向值之平均值先检验各测回归零后的方向值之间的较差，