第四章距离测量和直线定线.

第四章距离测量和直线定向§4-1距离丈量§4-2视距测量§4-3光电测距§4-4电子全站仪测量§4-5直线定向§4-6罗盘仪测定磁方位角§4-1距离丈量距离测量是野外测量的重要内容之一，其最终目的与角度测量一样，都是为了确定地面点的位置。所谓距离是指两点间的水平长度。目前，最常用的测距方法有三种，即：直接丈量、视距测量和电磁波测距。本节介绍直接丈量的工具和方法。一、丈量工具1.钢尺钢尺长度有20m、30m和50m三种。根据钢尺零点的位置不同，可分为端点尺和刻线尺两种。端点尺，以尺的最外端边线作为刻划的零线。刻线尺，以刻在钢尺前端的“0”刻线作为尺长的零线。2.皮尺皮尺是用麻丝与金属丝织成的带状尺。常用的有20m、30m和50m等，尺上刻划至厘米，一般为端点尺。皮尺弹性大，只用在精度较低的量距工作中。花杆和测钎是量距的辅助工具。花杆用于直线方向的标定，测钎用来标定丈量尺段的端点和计数尺段。端点尺刻线尺钢尺皮尺花杆测钎三角架二、直线定线当丈量的边长较长，需要在待测直线上插入一些点，并使相邻点在同一条直线上，这项工作称为直线定线。一般量距用目估法定线，当精度要求较高时，也可用经纬仪定线。1.目估定线法A12BA12B图4-1目估定线2.经纬仪定线法在待测距离的一端点A安置经纬仪，然后照准另一端点B的花杆，固定照准部，并指挥另一司尺员在距B小于一整尺段的地方沿垂直于测线方向左右移动，直到与望远镜竖丝完全重合为止。经纬仪定线法示意图三、距离丈量的一般方法距离丈量的目的在于获得两点间的水平距离。根据地面坡度不同，量距可分为平坦地面和倾斜地面量距两种。平坦地段量距首先定线，然后逐段丈量，则所求距离即为各尺段之和。为了提高精度，通常往返丈量。当相对误差低于限差时，取平均值作为最后结果。倾斜地段量距1.平量法如果各尺段两端高差较小，可将尺一端抬高，或两端同时抬高，目估使尺面水平，尺的末端用垂球对点，逐段丈量，最后累加求和即为所求距离。如图4-2所示。图4-2平量法D2.斜量法如倾斜地面的坡度较大，如图4-3所示，而且坡度较均匀，则可沿斜坡量出倾斜距离Dˊ，再测出两点间高差h，然后用公式（4-1）计算水平距离D,也可量出斜距Dˊ后，用仪器测出其地面倾斜角α，按公式（4-2）计算水平距离D。D=(D´2-h2)1/2(4-1)D=D´cosα(4-2)图4-3斜量法DD'αhAB§4-2视距测量视距测量属于光学测距中的定角测距，它是利用望远镜内十字丝平面上的上丝和下丝配合视距尺，根据几何光学和三角学原理，可以同时测定两点间的水平距离和高差。此法具有操作方便、速度快、不受地形起伏限制。但普通视距精度较低，测距时的相对精度约为1/200～1/300。因此，常用于低精度的测量工作。一、视距测量的原理DlFfδMNivABh图4-5视距测量原理（视线水平）dnm1.视线水平时的视距测量原理如图4-5所示，欲测定A、B两点间的平距D及高差h，点安置仪器，点竖立视距尺，使望远镜视线水平照准尺子，读取上下丝读数，则有：d=f／p×l(4-8)又D=d+f+δ=f／p×l+f+δ所以D=kl(4-9)在平坦地区视线水平时，读取十字丝中丝在尺上的读数v，量取仪器高i，则测站点与所测点之间的高差h为h=i–v(4-10)图4-6视准轴倾斜时的测量原理h′2.视线倾斜时的视距测量原理在地形起伏较大的地区进行视距测量时，望远镜视准轴是倾斜的，所以应该加测竖直角。因为视准轴不再垂直于视距尺，所以必须加入两项改正：1)视准轴不垂直于视距尺的改正，由l求出l´，以求得斜距D´；2)视线倾斜的改正，由斜距D´化为平距D。l´=lcosα(l尺间隔，α竖直角，i仪器高v中丝读数)D´=kl´=klcosαD=D´cosα=klcos2α(4-11)h=h´+i–v=Dtgα+i–v(4-12)二、视距测量的观测与计算（一）视距测量1.在测站点上安置经纬仪，量取仪器高i，记入手簿。在另一个点上竖立标尺。2.盘左位置瞄准目标尺，读取下丝读数a、上丝读数b和中丝读数v。3.转动指标水准管微动螺旋，使竖盘指标水准管气泡居中，读取竖盘读数并记入手簿。4.倒转望远镜，用盘右位置瞄准标尺，重复2、3步骤的观测和记录。称为一个测回。若精度要求较高，可以增加测回数；若精度要求较低，一般只用盘左观测半个测回。为了简化计算，在观测中可使中丝读数v等于仪器高i或为比仪器高大或小的整米数，如i=1.430m,可使中丝读数v=1.430m,这样式（4-11）中-v=0,则高差h=h´。（二）视距测量的计算视距测量计算可直接用普通函数计算器按公式（4-10）和（4-11）计算出测站点至待定点的水平距离、高差。也可用编程计算器预先编制成程序进行计算。D=D´cosα=klcos2α(4-11)h=h´+i–v=Dtgα+i–v(4-12)§4-3光电测距随着现代电子技术的发展，出现了用电磁波进行测距的方法，这大大改善了作业条件，提高了测距精度和效率，使测距发生了革命性的变化，本节仅简单介绍电磁波测距仪的分类、基本原理以及在地形测量中常见的测距方法。一、分类1.按载波可分为：2.按测程可分为：①微波测距仪1）短程测距仪（3km)②激光测距仪2）中程测距仪（3~15km）③红外测距仪3）远程测距仪（15km）3.按测距精度4.按测距方式1)超高精度测距仪1)脉冲式测距仪2)高精度测距仪3)一般精度测距仪2)相位式测距仪二、基本原理电磁波测距的基本原理是通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间t2D，见图4-7，利用如下的基本公式来计算待测距离D的：D=ct2D/2(4-13)根据测定时间t的方法不同，又分为脉冲法和相位法两种。ABD测距仪反射器图4-7光电测距原理BA'起点Tλλλλ2π2π2π2πΔφφ往程返程A返回到起点图4-8相位式测距原理Δλ能分能合测距仪•测程:3¬5km•精度:5+3ppm/3+3ppm•§4-4电子全站仪测量一、电子全站仪概述电子全站仪是全站型电子速测仪的简称，它是指在测站上一经观测，必要的观测数据如斜距、天顶距（竖直角）、水平角等均能自动显示，而且几乎是在同一瞬间内得到平距、高差和点的坐标。如通过传输接口把全站型速测仪野外采集的数据终端与计算机、绘图仪连接起来，配以数据处理软件和绘图软件，即可实现测图的自动化。徕卡TPS全站仪的主要特点采用先进技术摩擦制动、无限位微调红外测距与激光测距结合绝对度盘编码技术激光对中技术自动加温技术热触发键NTS-352（2）NTS-355（5）NTS-355S（5）3.NTS-352/355/355S系列技术指标：精度2″∕5″，3+2ppm,测程2.6KM/2.3KM功能：中文内存+数字键NTS-352（2）NTS-355（5）NTS-355S（5）§4-5直线定向确定一条直线与标准方向的角度关系，称为直线定向。要确定两点间平面位置的相对关系，除了测量两点间的距离外，还要知道直线的方向。一、标准方向的种类测量工作采用的标准方向有真子午线、磁子午线和坐标纵轴方向(三北方向)。三北方向图1.真子午线方向（真北）通过地面上某点指向地球南北极的方向线，叫做该点的真子午线方向。可用天文测量的方法测定。2.磁子午线方向（磁北）磁针水平静止时所指的方向线，即为该点的磁子午线方向。用罗盘仪可以测定。3.坐标纵轴方向（坐标北）坐标纵轴方向就是直角坐标系中的纵坐标轴的方向。如果采用高斯平面直角坐标，则以中央子午线作为坐标纵轴。二、直线方向的表示方法—方位角表示直线的方向有方位角及象限角两种，由于现代测量中后者很少采用，故重点介绍方位角。方位角：由标准方向的北端起，顺时针方向量至某直线的角度，称为该直线的方位角。角值从0º～360º。如图4-14所示。若标准方向是真子午线，测量所得的方位角为真方位角，用α真表示；若标准方向是磁子午线方向，则量得的方位角叫做磁方位角，用α磁表示；若纵坐标轴的方向为基本方向，所确定的方位角为坐标方位角，以α表示。NABCDαOAαOBαOCαODO图4-14方位角象限角从标准方向的北端或者南端起到已知直线之间的夹角，称为象限角，用R表示。由于象限角可自基本方向的北端量起，也可自南端量起；可以向东量，也可以向西量；因此，用象限角定向时，不但要注明角度的大小，还要注明它所在的象限。如图所示，北东R1、南东R2、南西R3、北西R4分别为四条直线的象限角。三、正、反方位角的关系由于地面上各点的子午线方向都是指向地球南北极，除赤道上各点的子午线是互相平行外，其它地面上各点的子午线都不平行，这给计算工作带来不便。而在一个坐标系中，纵坐标轴方向线均是平行的。因此，在普通测量中，都以纵坐标轴方向作为标准方向，这样可使地面上各点的标准方向都互相平行。用坐标方位角表示直线的方向，计算就方便了。任一直线都有正、反两个方向。直线前进方向的方位角叫做正方位角，其相反方向的方位角叫做反方位角。由于同一直线上各点的标准方向都与X轴平行，因此同一条直线上各点的坐标方位角相等。如图4-15所示，设直线P1至P2的坐标方位角α12为正坐标方位角，则P2至P1的方位角α21为反坐标方位角，显然，正、反坐标方位角相差180˚，即α12=α21±180˚（4-19）α12坐标纵线坐标纵线α21P1P2图4-15正、反方位角关系四、几种方位角之间的关系1.真方位角与磁方位角的关系由于地磁南北级与地球南北极并不重合，因此，过地面上某点的磁子午线与真子午线不重合，其夹角δ称为磁偏角。如图4-16。磁针北端偏于真子午线以东称东偏，取正值；偏于以西称西偏，取负值。直线的真方位角与磁方位角之间可用下式换算：α磁α真α磁+δOP真北磁北真北磁北α真-δOP图4-16真方位角与磁方位角的关系α真=α磁+δ（4-20）2.真方位角与坐标方位角的关系由高斯分带投影可知（详见第七章），除了中央子午线上的点外，投影带内其它各点的坐标轴方向与真子午线方向也不重合，其夹角γ称为子午线收敛角，如图4-17所示。真方位角与坐标方位角之间的关系可用下式换算：α真=α+γ（4-21）N图4-17子午线收敛角-γ+γ§4-6罗盘仪测定磁方位角一、罗盘仪的构造罗盘：包括磁针和刻度盘两部分。刻度盘有1o和30´两种基本划分，按逆时针从0o注记到360o。望远镜：外对光望远镜，视准轴与水平度盘上0o和180o直径方向重合，装有竖直度盘，供测竖直角使用。水准器：相互垂直的管水准器和圆水准器，用以整平仪器。罗盘仪是测定直线磁方位角的仪器。构造简单，使用方便，广泛应用于各种精度要求不高的测量工作中，可分为方位式和象限式。图4-16罗盘仪1—磁针；2—罗盘盒；3—望远镜方位角小于180度方位角大于180度二、罗盘仪测定磁方位角用罗盘仪测定磁方位角的步骤如下：1.罗盘仪安置在待测直线一端，对中，整平。松开磁针；2.用望远镜瞄准直线另一点，松开磁针，待其静止后，读出磁针北端的读数，即为该直线的磁方位角。为了防止错误和提高观测精度，通常在测定直线的正方位角后，还要测定直线的反方位角。如误差在限差范围内，可按下式取二者平均数作为最后结果。即α=[α正+(α反±180o)]／2（4-23）在用罗盘仪测定磁方位角时，应远离高压线和铁制品以免影响磁针的指向。读数时视线应与磁针的指向一致，不应斜视。搬站或用完后，应将举针螺旋拧紧。C参考书目1.郭金运、王大武主编,地籍测绘,北京,地震出版社，19992.李国顺主编,测量学,北京煤炭工业出版社，19853.胡伍生、潘庆林主编,土木工程测量,南京,东南大学出版社，1999