土木工程测量课件第四章-直线定向和距离测量

第一节直线定向第二节钢尺量距第三节视距测量第四节光电测距（自修）第五节全站仪测量（自修）4.1.1直线定向确定地面上一条直线与标准方向间水平角的工作§4-1直线定向一、标准方向–真北方向：过地面上某点的真子午线切线方向的北端（天文测量方法和陀螺经纬仪）–磁北方向：过地面上某点的磁子午线切线方向的北端（罗盘仪）–坐标北方向：高斯投影带中央子午线北端或平面直角坐标系坐标纵轴北端（各点的坐标北方向彼此平行）二、直线定向的方法1.方位角：由标准方向的北端起顺时针至某一直线的水平角。角值由o°~360°NAO1•分类：–真方位角A：由真子午线北端起算的方位角。它是用天文观测方法或用陀螺经纬仪测定。–磁方位角Am：由磁子午线北端起算的方位角。它是用罗盘仪测定的。–坐标方位角：由坐标纵轴北端起算的方位角。•三种方位角之间的关系–磁偏角：磁北与真北间的夹角。以真北为准，判断磁北的位置，东正西负。–子午线收敛角：轴北与真北间的夹角。以真北为准，判断轴北的位置，东正西负。–磁坐偏角m：轴北与磁北间的夹角。以轴北为准，判断磁北的位置，东正西负。NTXNMABAA=Am+A=＋＝Am+－2.象限角地面直线与子午线南端或北端构成的锐角，并冠以所在象限的名称，以R表示。真象限角、磁象限角、坐标象限角图4－18SNEWNWNESESW例如R01=NE39°24’R02=SE25°12’R03=SW68°56’R04=NW71°35’N14032•坐标方位角与坐标象限角的关系直线方向由方位角求象限角R由象限角R求方位角北东（NE）第I象限南东（SE）第II象限南西（SW）第III象限北西（NW）第IV象限R＝NER＝SE（180°－）R＝SW（－180°）R＝NW（360°－）＝R＝180°－R＝180°+R＝360°－R4.1.2坐标方位角的计算一、由已知点的坐标反算坐标方位角RAB=arctan△yAB／△xAB△yAB=yB-yA△xAB=xB-xARAB—象限角并判断象限？AB与RAB的关系二、正、反坐标方位角：同一直线的正、反坐标方位角之间相差180°，即BA＝AB±180°XABABXBAAB三、坐标方位角推算α前=α后+β左-180°或α前=α后-β′右+180°4.2.1距离测量概述一、水平距离在测区面积不大的情况下（半径小于10km的范围），可以不考虑地球曲率的影响，用水平面代替水准面。两点间连线垂直投影在水平面上的长度称为水平距离。§4-2钢尺量距二、直线量距的一般方法，精度及其适用范围1、直接量距：用长度标准直接与被测距离比较，从而获得被测距离长度。（皮尺、钢尺、铟瓦基线尺）2、间接量距：根据已知条件，依据一定的关系式间接推算出被测距离。（视距测量、光电测距）方法精度适用范围1、步测法1/200野外踏勘、选点和小比例尺地形图的测绘2、视距法3、钢尺一般量距4、钢尺精密量距5、激光红外测距仪1/200~1/300地形测量中的碎部测量1/2000~1/3000导线测量，一般建筑轴线丈量1/5000~1/2万精密导线测量，工业厂房主要轴线的测量测程：2KM～20KM精度：(3mm+2PPM)三、距离测量一般方法（一）、地面点的标定1、临时标志2、永久标志（二）、直线定线：将待测距离上的分段点标定在同一条直线上的工作。1、定线的目的：保证待测距离的直线性2、定线的方法：花杆目视定线经纬仪正倒镜分中法（三）、直线定线的实施1、在两点间定线2、在两点的延长线上定线3、两点不通视时的定线：逐渐趋近法4.2.2钢尺量距一、钢尺量距的一般方法1、平量法2、斜量法：ABlllqDAB123图4－1•平坦地面的距离丈量D=nL0+△L0–在平坦地面丈量距离时，可把尺子放在地面上逐段进行丈量至少往返测各一次。–量距精度以相对误差表示，并将其换算为分子为1的分数形式，精度一般不低于1/3000•|往测–返测|/往返均值=1/MAB•平坦地面测量算例：整尺段数为3，余长:往测24.890m,返测24.840mD=nL0+△L0往测距离为：174.890m,返测为174.840m平均为174.865m，相对误差为：|174.890-174.840|/174.865=1/3500|往测–返测|/往返均值=1/MAB•倾斜地面的距离丈量–平量法如果地面起伏不大，丈量时将尺子一端抬高，并用目估法使尺子大致水平，然后用测钎（或垂球）将尺子的端点投到地面上。将量得的各段水平距离求和即为所量距离。•倾斜地面的距离丈量–斜量法当坡度变化均匀时，AB的斜距L，测出地面的倾角δ，则水平距离l为：l=L×cosδ。如果未测倾角δ，而是测定了A、B两点间的高差h，按直角三角形计算。•数据处理–误差计算：往、返测较差：D=D往－D返往、返测相对较差：–容许相对较差：||/1||DDDDK测规铁路城市公路容许相对较差1/20001/3000平地：1/3000山地：1/1000–若达到精度,所测距离最终值为：)(21DD返往D二、钢尺量距的精密方法–适用范围：精度要求1/10000以上时距离测量。–量距方法：①清理现场、经纬仪架设在A点，瞄准B点。②在经纬仪视线上依次定出比钢尺一整尺段略短的尺段，并打上木桩，木桩上标“十”字。–量距方法：③两人拉尺，后司尺用弹簧称控制拉力，两人同时读数，要求读至0.5mm，一人指挥。④每尺段移动钢尺前后位置三次，三次测量结果之差不超过2～3mm，并记录现场温度至0.5℃。⑤用水准仪测量尺段间木桩顶高差、往返高差不超过±10mm。•尺长改正：–钢尺名义长度l0、实际长度l′则整尺段的尺长改正数：△l=l′－l0任一长度l的尺长改正数：△Ld=（△l/l0）L•温度改正–△lt=α（t-t0）l，其中：–α为钢尺膨胀系数,0.0000125/℃，t为野外量距时温度，t0为检定钢尺时的温度。•倾斜改正：–△lh=d-l，其中：高差为h,斜距为l，h2=l2－d2=(l－d)(l+d)，l－d=－h2/（l+d）；由于lh，l≈d，所以：△lh=-(h2/2l)•水平距离d=l+△ld+△lt+△lhABhld•1、定线误差•2、尺长误差•3、温度测定误差•4、钢尺倾斜误差•5、拉力不均误差•6、钢尺对准及读数误差4.2.3钢尺量距误差§4-3视距测量•视距测量是利用经纬仪、水准仪望远镜内的视距丝装置，根据光学原理同时测定距离和高差的一种方法。（定义）•视距测量具有操作方便、速度快、一般不受地形限制等优点。（特点）•普通视距测量精度较低，仅能达到1/200~1/300的精度。（精度）•但能满足测定碎部点位置的精度要求，所以视距测量被广泛地应用于地形测图中。（应用）一、视线水平时计算公式(水准仪视距测量)水平距离ABnmnDFNMpdfn'm'mdfD—仪器中心至物镜光心的距离，常数值f—物镜焦距，常数值d—焦点至水准尺的距离，变量水平距离DP—上、下十字丝的间隔，常数值l—上、下十字丝在水准尺上的读数差，观测值flPfDmnmnABDFNMpdfln'm'dfMNnmMNFFnm''''lP)()(加常数，乘常数令CfKPfCklD对于内调焦望远镜，一般有K=100,C=0)(100100上下lD一、视线水平时的计算公式（水准仪视距测量）高差vihi—仪器高v—中横丝在尺上的读数mnmniABDFNMpdfvlhn'm'二、视线倾斜时的计算公式（经纬仪视距测量）•水平距离''lKD'''NMlcos'DDDAN'BM'D'lMN90290''MQMMQM中90290''NQNNQN中'34为视差角ODMQNBAJN'lD'M'cos'llcos'DDcoscoslk2coslkD二、视线倾斜时的计算公式（经纬仪视距测量）vihh'h'—初算高差，在QJO中，h'=DtgvitgDhvikl2sin21iODMQNBAvJh'hN'lD'M'视线倾斜时水平距离的计算公式为：视线倾斜时高差的计算公式为：viKlh2sin21三、视距测量的施测与计算1．视距测量的施测（1）在A点安置经纬仪，量取仪器高，在B点竖立视距尺。（2）盘左（或盘右）位置，转动照准部瞄准B点视距尺，分别读取上、下、中三丝读数，并算出尺间隔l。（3）转动竖盘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，并计算垂直角α测站：测站高程：仪器高：仪器：测点下丝读数上丝读数中丝读数v/m竖盘读数L°′″垂直角°′″水平距离D/m除算高差h′/m高差h/m高程H/m备注尺间隔lm视距测量记录与计算手簿**A+45.37m1.45mDJ612.2370.6631.451.574874112+21848157.14+6.35+6.35+51.72盘左位置22.4451.5552.000.890951736-5173688.24-8.18-8.73+36.64*•视距尺分划误差•乘常数不准确的误差•竖直角测量误差•视距丝读数误差•视距尺倾斜对视距测量的影响•外界气象条件对视距测量的影响–大气折光–大气湍流四、视距测量误差按载波分为：–微波测距仪：采用微波段的无线电波作为载波；–光电测距仪：采用光波作为载波，又分为以下两类：•激光测距仪：用激光作为载波；红外测距仪：用红外光作为载波。一、电磁波测距仪的分类§4-4光电测距•按测定时间方式的不同分为：–脉冲式测距；–相位式测距仪•光电测距仪按测程可分为：–短程测距仪：测程小于3km，用于普通工程测量和城市测量；–中程测距仪：测程为3km~15km，通常用于一般等级控制测量；–长程测距仪：测程大于15km，通常用于国家三角网及特级导线。•按仪器的标称精度指标分级仪器的标称精度表达式为：•I级：｜mD|≤5mm•II级：5＜｜mD|≤10mm•Ⅲ级：10＜｜mD|≤20mm)(DBAmD二、光电测距仪测距的基本原理为真空中的光速式中：cctnccDD00221ADB三、相位式光电测距仪原理框图图4－5光强时间光强时间光强时间调制器高频信号发生器接收器相位计显示器反射镜光源相位法测距的基本公式图4－6ND往D返)(22NNN22fcD)(2)(2)2(2NNNNfcNfcD四、距量测量的步骤–将测距仪和反射镜分别安置于待测距离的两端，仔细地对中。–测距仪接通电源后照准反射镜，检查经反射镜反回的光强信号，合乎要求后即可开始测距。为避免错误和减少照准误差的影响，可进行若干个测回的观测。–测距读数值记入手簿中，接着观测竖直角并记入手簿的相应栏内。–由温度计和气压计读取大气温度和气压值。–按气温和气压进行气象改正，按测线的竖直角进行倾斜改正，最后求得测线的水平距离。长度值应化算为两点间的水平距离。–仪器系统误差的改正包括加常数改正、乘常数改正和周期误差的改正。–电磁波在大气中传输时受气象条件的影响很大，因而要进行气象改正。–归算改正主要有倾斜改正、归算至参考椭球面的改正和投影到高斯平面上的改正等。五、测距成果的整理§4-5全站仪概述全站仪，即全站型电子速测仪（ElectronicTotalStation），它是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。全站仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，因此得到了广泛的应用。其基本功能是在仪器照准目标后，通过微处理器的控制，能自动完成测距，水平方向和天顶距读数、观测数据的显示、存储。1－提柄2－提柄固定螺丝3－仪器高标志4－电池5－键盘6－三角基座制动控制杆7－底板8－脚螺旋9－圆水准器校正螺丝10－圆水准器11－显示器12－物镜