4_第3章 工程测量学的理论技术和方法

第3章工程测量学的理论技术和方法主要内容3.1工程测量学的理论3.2地面测量技术和方法3.3对地观测技术和方法3.4特殊测量技术和方法重点理论、技术和方法难点理论及其扩展；工程控制网优化设计方法3.1工程测量学的理论１、测量误差理论测量误差：偶然误差、系统误差、粗差三种误差如何处理？偶然误差：平差粗差：粗差探测剔除系统误差：（１）重复观测（２）仪器检测（３）基准点稳定点分析（４）测站选址3.1工程测量学的理论误差分配理论限差：一般取中误差的２倍误差为极限误差或容许误差。⊿容=2m误差分配主要依据三个原则：等影响原则忽略不计原则按比例分配原则3.1工程测量学的理论误差传播定律观测值通过一定的函数关系间接计算出来的。例如，水准测量中，在一测站上测得后、前视读数分别为a、b，则高差h=a-b，这时高差h就是直接观测值a、b的函数。当a、b存在误差时，h也受其影响而产生误差，这就是所谓的误差传播。阐述观测值中误差与观测值函数中误差之间关系的定律称为误差传播定律。3.1工程测量学的理论误差传播定律【例】在ΔABC中，∠C=180°－∠A－∠B，∠A和∠B的观测中误差分别为3″和4″，则∠C的中误差𝑚𝑐=𝑚𝑎2+𝑚𝑏2=5。和差函数的应用3.1工程测量学的理论２、测量精度理论精度是精度度和准确度的总称精度包括：仪器精度和数值精度。数据精度又分为相对精度和绝对精度。在统计学的质量控制术语中，精度被称做“设计质量”精确度和准确度3.1工程测量学的理论（边角）精度匹配理论设方向中误差为𝑚𝑟“，测边的固定误差和比例误差分别为a和b,边长为Ｓ，则由方向中误差引起的横向误差和由边长中误差引起的纵向误差分别为：𝑚𝑞＝𝑚𝑟“𝑞𝑆𝑚𝐿=𝑎2+𝑏𝑆2或𝑚𝐿=𝑎+𝑏𝑆3.1工程测量学的理论（边角）精度匹配理论所谓边角精度完全匹配，是指应满足𝑚𝑞=𝑚𝐿，由于网的边长变化和仪器的限制，边角精度匹配是相对的，不匹配是绝对的，一般认为应用满足下述关系：１𝑘𝑚𝐿≤𝑚𝑞≤𝑘𝑚𝐿其中，k≤2或k≤3,都可认为边角精度是基本匹配的。当边长大于1460m时，可以不作长边上的方向观测了3.1.2可靠性理论1内部可靠性TlillvviPQV0,...,0,0,,...,0,0某一观测值误差（粗差）对所有改正数的影响lijillvvijPQV结论：任一观测值误差（粗差）对所有改正数有影响，作用大小取决于中第j行第i列元素。PQllvv图示：3.1.2可靠性理论1内部可靠性某一观测值误差对自身改正数的影响结论：结论:观测值误差对自身改正数的影响大小取决于图示：liiillvviiPQViillvviPQr3.1.2可靠性理论1内部可靠性ri为矩阵主对角线上的元素，称ri为观测值li的多余观测分量，且被定义为观测值的内部可靠性。ri具有以下性质：（１）。即多余观测分量ri在０和１之间。（２）𝑟=𝑟𝑖𝑛𝑖=1=𝑛−𝑢=𝑡𝑟(𝑄𝑉𝑉𝑃)。所有观测值的多余观测分量之和等于多余观测数。（３）观测值相互独立时，观测值的内部可靠性与观测值的精度成反比。10iriillvvPQ3.1.2可靠性理论２外部可靠性当观测值只含一个粗差时：𝛿0,𝑖称之为控制网的外部可靠性量度。综上所述，发现（探测）观测值粗差的能力称为内部可靠性，抵抗观测值粗差对平差结果影响的能力称为外部可靠性。主要通过多余观测分量（或多余观测数）来描述。3.1.2可靠性理论３广义可靠性广义可靠性将粗差扩展到粗差、系统误差和偶然误差，还涉及测量管理、设计、实施和表达等多方面。（１）项目立项中的可靠性。（２）测量方案的可靠性。（３）测量仪器的可靠性。（４）观测值的可靠性。（５）平差系统的可靠性。（６）测量成果的可靠性。3.1.3灵敏度理论定义：在给定显著水平𝛼0和检验功效𝛽0下，通过对周期观测的平差结果进行统计检验，所能发现的变形向量的下界值。设变形向量为𝑑=𝑑⋅𝑔=𝑎𝑔即变形向量的模（表示大小，a）和单位向量（又称形式向量，表示变形量方向，g）的乘积。对某一给定的形式向量，能被监测出的变形向量的下界值为𝑑0=𝑎0𝑔=𝛿0𝜔0𝑔𝑔𝑇𝑄𝑑𝑑+𝑔𝑄𝑑𝑑是位移向量𝑑=𝑋2−𝑋1的协因数阵。𝜔0为与显著水平𝛼0和检验功效𝛽0相对应的非中心参数，𝑎0则是变形监测网对于所要监测变形的灵敏度。3.1.4工程控制网优化设计理论过去，工程控制网的优化设计分为四类，即：零类设计（ZOD,基准设计），一类设计(SOD,观测精度设计)和三类设计(THOD,已有网改进)。网的优化设计方法又分为解析法和模拟法两种。现在：模拟计算法3.1.4工程控制网优化设计理论基于可靠性的工程控制网优化设计方法在优化设计时，提出了平均多余观测分量设计值的概念，设计值为0.3~0.6。设计的观测值个数用下式计算：𝑛0=𝑡1−𝑟𝑖0𝑛0为设计观测值个数，t为必要观测值个数，𝑟𝑖0为平均多余观测分量的设计值。根据网的用途、精度要求和使用仪器，先作图上设计和实地踏勘。初始观测方案应对所有可能观测的边和方向进行全测，是一个“肥网”或“密网”。在观测值精度基本合理的基础上，可基于观测值内部可靠性指标按众“肥”到“瘦”，从“密”到“疏”的策略进行网的优化设计。3.1.5测量基准理论测量基准由测量坐标系和参考点（称基准点或已知点）组成。挂靠坐标系工程坐标系属于独立坐标系，采用平面直角坐标系和空间坐标系。坐标轴与工程的轴线平行，如Ｘ轴与大坝轴线、大桥轴线、隧道轴线或厂房轴线平行。工程坐标系中，常采用固定一点和一方向的最小约束基准。坐标转换：平移、旋转和尺度共七参数。我国现采用的三维地心大地测量坐标系为CGCS2000。§3.2.1角度测量角度是几何测量的基本元素，包括水平角和垂直角。角度测量的仪器主要是经纬仪，分为光学经纬仪和电子经纬仪两大类。§3.2.1角度测量一、光学经纬仪的基本结构基本结构主要包括照准部（望远镜）、读数装置（含水平度盘、垂直度盘）、安平设备及基座和对点器等。我国光学经纬仪系列分为J07、J1、J2、J6等型号，J为经纬仪汉语拼音的第一个字母，下标表示仪器的精度指标。§3.2.1角度测量二、水平角观测对仪器进行“对中”和“整平”；盘左，粗略瞄准一个目标；仔细对光，消除视差；精确瞄准目标，取水平度盘读数；不动调焦镜，盘右，精确瞄准目标，取水平度盘读数；对于下一个目标，重复上述操作。§3.2.1角度测量三、垂直角观测三丝法垂直角观测的具体操作程序：盘左，按上、中、下三根水平丝的顺序依次照准同一目标各一次，并分别读竖盘读数；盘右，同上一样的观测；分别计算三根水平丝所测得的指标差和垂直角，并取垂直角的平均值作为一个目标的一测回之值。若仅使用中间的水平丝进行观测，则称为“中丝法”§3.2.1角度测量四、电子经纬仪在光学经纬仪的照准部中，将读数系统用电子度盘替代光学模拟度盘，实现度盘读数的自动化，则成为电子经纬仪。用于电子经纬仪的角度传感器主要有两种：编码度盘和动态测角系统。§3.2.1角度测量五、目标照准自动化（基本原理）带ATR望远镜结构示意图§3.2.1角度测量五、目标照准自动化在角度测量时，ATR自动识别并照准目标主要有三个过程：目标搜索过程目标照准过程和测量过程§3.2.1角度测量六、全自动陀螺经纬仪经纬仪与陀螺仪配合使用，成为陀螺经纬仪。目前，自动化陀螺经纬仪的主要产品有德国威斯特发伦采矿联合公司的Gyromat2000和日本索佳公司（SOKKIA）的AGP1等。AGP1GYROMAT2000§3.2.1角度测量六、全自动陀螺经纬仪陀螺经纬仪的基本结构注：①陀螺马达②灵敏部③悬挂带自动定向原理陀螺仪悬挂结构示意图§3.2.1角度测量六、全自动陀螺经纬仪测量步骤将仪器安置到三脚架上并精确对中、整平；连接陀螺仪与经纬仪之间的数据通信电缆；经纬仪开机，陀螺仪开机；启动测量程序进行定向测量；经纬仪照准测线目标，盘左、盘右观测两测回，将结果输入到陀螺仪中，即可计算并显示测线方位角。§3.2.1角度测量六、全自动陀螺经纬仪测角装置采用TDA5005全站仪，还实现了目标的自动跟踪功能。国产TDA5005+Y/JTG-1陀螺经纬仪§3.2.2方向测量确定地面任一方向与真北方向间夹角的测量称方向测量（又称方位角测量），方法主要有三种：罗盘GNSS（全球导航卫星系统）陀螺仪§3.2.3距离测量距离是几何测量的基本元素，距离测量的方法主要有三种：直接丈量间接视距测量物理测距§3.2.3距离测量一、钢尺量距钢尺量距一般包括以下几方面工作：定线量距测量定向桩之间的高差成果整理§4.2距离测量二、电磁波测距电磁波测距是通过测定电磁波在待测距离上往返传播的时间，利用下列基本公式来计算待测距离的。§4.2距离测量二、电磁波测距相位式测距原理：相位式测距是通过测量调制波在测线上往返传播所产生的相位移间接地测定电磁波在测线上往返传播时间的。相位式测距原理§4.2距离测量二、电磁波测距电磁波测距仪分类按载波分：光波测距仪、微波测距仪和多载波测距仪；按测程分：短程测距仪、中程测距仪、远程测距仪和超远程测距仪；按精度分：超高精度测距仪、高精度测距仪、一般精度测距仪；按测距方式分：脉冲式测距仪、相位式测距仪和混合式测距仪§4.2距离测量二、电磁波测距电磁波测距仪的使用测距仪一般由照准头、控制器、电源和反射器四部分组成，一般与经纬仪连接使用。仪器加常数和乘常数改正气象改正倾斜改正§4.2距离测量三、双频激光干涉测距§4.2距离测量三、双频激光干涉测距用双频激光干涉仪检定测距仪干涉仪、测距仪反射镜§4.2距离测量四、偏距测量尼龙丝准直系统系统由三部分组成：尼龙丝，带有探测器的尺子及控制装置激光准直系统该系统由一带有专门光学系统的激光源及一台差示光电管接收机组成§4.3高程测量一、几何水准测量电子水准仪基本结构基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成。电子设备主要包括：调焦编码器、光电传感器（即线阵CCD器件）、读数电子元件、单片微处理机、接口（外部电源和外部存储记录）、显示器件、键盘以及影像数据处理软件等，标尺采用条形码标尺供电子测量使用。§4.3高程测量一、几何水准测量部分电子水徕卡DNA03/10徕卡DNA03/蔡司DINI1010准仪的外观图徕卡D拓普康徕卡DNA索佳SDL203/10DL101/102NA03/10§4.3高程测量一、几何水准测量电子水准仪的测量原理由于生产电子水准仪的各厂家采用不同的专利，测量标尺也各不相同，因此读数原理各异，下面主要介绍徕卡和蔡司两家公司生产的电子水准仪的测量原理。§4.3高程测量一、几何水准测量（徕卡电子水准仪原理）§4.3高程测量一、几何水准测量（蔡司电子水准仪原理）§4.3高程测量一、几何水准测量电子水准仪的性能及特点它与传统光学水准仪相比有以下：优点：缺点：电子水准仪对标尺进行读读数客观数不如光学水准仪灵活精度高电子水准仪受外界条件影速度快响较大效率高操作简单§4.3高程测量一、几何水准测量电子水准仪的应用由于电子水准仪优点显著，目前已经广泛应用于大地测量、工程测量、工业测量等领域。§4.3高程测量二、液体静力水准测量§4.3高程测量三、三角高程测量§4.3高程测量四、倾斜测量虽然地面或建筑物的倾斜可用常规的测量方法测定两点间高差的变化，从而求出倾斜值，但在一些工作面倾斜测量和连续自动化倾斜监测中，一般采用专用的倾斜测量仪。目前倾斜仪的种类很多，大体可以分为“短基线”倾斜仪和“长基线”倾斜仪两种。前者一般用垂直摆锤或水准气泡作为参考线；后者一般根据静力水准测量的原理做成。§4.5坐标测量一、全站仪测量速测术与速测仪全站型电子速测仪全站仪的系统结构全站仪的分类全站仪的发展趋势§4.5坐标测量二、全球定位系