数字测图原理及方法

数字测图原理及方法武汉大学测绘学院PrincipleandMethodsofDigitalMapping数字测图原理及方法第四章距离测量4.1钢尺量距4.2光学视距法测距4.3电磁波测距4.4三角高程测量4.5全站仪及特点数字测图原理及方法4.1钢尺量距数字测图原理及方法距离量测是确定地面点位观测量之一.测量地面两点之间的水平距离。其方法包括:•钢尺量距•光学视距法•电磁波测距•GPS测距数字测图原理及方法工具:钢尺、测钎、标杆、垂球4.1钢尺量距数字测图原理及方法•1外业测量•当直线距离超过一个尺段时，需进行直线定线.AB4.1钢尺量距数字测图原理及方法2)经纬仪定线将经纬仪安置于A点，瞄准B点，然后在AB的视线上用钢尺量距，依次定出比钢尺一整尺略短的尺段端点1，2，…。在各尺段端点打入木桩，桩顶高出地面5cm～10cm，在每个桩顶刻划十字线，其中一条在AB方向上，另一条垂直AB方向，以其交点作为钢尺读数的依据。A1325B44.1钢尺量距数字测图原理及方法平坦地面的量距A、B两点间的水平距离为：qnlD式中：n—尺段数；l—钢尺的尺长；q—不足一整尺的余长。4.1钢尺量距数字测图原理及方法为了校核、提高精度，还要进行返测，用往、返测长度之差与全长平均数之比，并化成分子为1的分数来衡量距离丈量的精度。这个比值称为相对误差K：D平均D返往平均DDDK1平坦地区钢尺量距相对误差不应大于1/30004.1钢尺量距数字测图原理及方法倾斜地面丈量在困难地区钢尺量距相对误差不应大于1/1000当地面坡度较大，不可能将整根钢尺拉平丈量时，则可将直线分成若干小段进行丈量。每段的长度视坡度大小、量距的方便而定。4.1钢尺量距数字测图原理及方法2丈量距离的成果整理经过检定的钢尺长度可用尺长方程：000)(lttlllt—温度为t时的钢尺实际长度；—钢尺的名义长度；—尺长改正值，即温度在时钢尺全长改正数；—钢尺膨胀系数，一般取α=1.25×—钢尺检定时的温度；—量距时的温度。tl0ll0tt105)(10C0t4.1钢尺量距数字测图原理及方法2丈量距离的成果整理精密量距结果应进行以下三项改正1)尺长改正2)温度改正lllld0lttlt)(0l—全长改正数0l—名义长度0l—任一尺段α—钢尺膨胀系数t—丈量时温度t0—标准温度4.1钢尺量距数字测图原理及方法当Ｌ为斜距时应换算成平距d，则倾斜改正值为：llhllhlldlh21222122)1()(将上式项展开成级数：2122)1(lh3424422821)821(lhlhlhlhllh取第一项lhlh223)倾斜改正每一尺段改正后的水平距离为：htdlllldＬ4.1钢尺量距数字测图原理及方法用一般的量距方法，量距精度只达到用精密方法量距，精度达到：50001~10001400001~1000014.1钢尺量距数字测图原理及方法4.1钢尺量距数字测图原理及方法4.1钢尺量距数字测图原理及方法4.2光学视距法测距数字测图原理及方法视距测量是根据几何光学原理间接测距方法。视距法测距操作简便、较钢尺量距速度快、不受地面高低起伏限制等优点，但测距精度较低，距离相对精度为,因此用于精度要求较低的测量工作中。3001~2001视线水平时，视距测量测得是水平距离。视线倾斜时，为求得水平距离还须测出竖角。也可求得测站至目标的高差。即视距三角高程测量。1、概述4.2光学视距法测距数字测图原理及方法OABClS22ctglS视距测量变化而变化，称为定角随不变时，当lS线视距测量变化而变化，称为定基随不变时，当Sl利用水准仪与经纬仪等的望远镜观测标尺时，由透镜成像原理的三角形相似原理，相似三角形对应边长成比例，间接求测出两点间的距离的测距方法。在相似三角形中，测视距时的观测值的不同，视距测量又可分为两种类型：定角视距法定基线视距法4.2光学视距法测距数字测图原理及方法普通视距测量的精度一般为1/200~1/300，但由于操作简便，不受地形起伏限制，可同时测定距离和高差，被广泛用于测距精度要求不高的地形测量中。视距测量是利用视距丝配合标尺读数来完成的。望远镜十字丝环视距丝4.2光学视距法测距数字测图原理及方法1)视准轴水平时的视距公式仪器中心十字丝分划板物镜GQMlmgqNOS1221flfpbffS内调焦望远镜1F2F1f2fPba'pbbblKlS1004.2光学视距法测距数字测图原理及方法对于倒像望远镜：下丝在标尺上的读数为a，上丝在标尺上的读数为b，视距间隔l（l=a-b），则水平距离D有：KlDlD2211h2固定值（约34°23′）1a2a1b2b1v2vl2l112AD1D2ih2通常情况下k=100lKlD1001)视准轴水平时的视距公式4.2光学视距法测距数字测图原理及方法2)视准轴倾斜时的视距公式l2000coscoscoscosKlDSKlKlDllEFlOMNEF22视距尺不垂直于视准轴的改正视距改斜距倾斜距离改化为水平距离2coscoscosKlDSKlDKl902190902190NFOMEO4.2光学视距法测距数字测图原理及方法3、视距测量误差及注意事项此外还有：标尺分划误差、竖直角观测误差、视距常数误差等。1.读数误差2.标尺不竖直误差3.外界条件的影响视距测量差4.2光学视距法测距数字测图原理及方法4.3电磁波测距数字测图原理及方法电磁波测距的基本原理：通过测定电磁波在待测距离两端点间往返传播的时间，利用电磁波在大气中的传播速度来确定其距离。1、基本原理4.3电磁波测距数字测图原理及方法将电磁波作为载波进行距离测量，其公式为：式中C：电磁波在大气中的传播速度，它根据观测时的气象条件来确定；t：电磁波在被测距离上往返传播时间。由于C可以根据电磁波在真空中的传播速度C0来精确推求，所以，只要设法测定时间t便可以求出待测距离D。tCD21电磁波测距仪的优点：1、测程远、精度高。2、受地形限制少等优点。3、作业快、工作强度低。4.3电磁波测距数字测图原理及方法光电测距的种类电磁波测距仪按采用的载波的不同，可分为：•光电测距仪(激光测距仪,红外测距仪)；微波测距仪•根据测定时间t的方法不同，分为：脉冲式测距仪；相位式测距仪•电磁波测距仪按测程来分，可分：•短程(3km内）；中程（3km至15km）；远程（15km以上）•电磁波测距仪按载波数来分，可分：单载波；双载波；三载波；•电磁波测距仪按发射目标来分，可分：•无反射目标；有反射目标（反射镜）；有源反射器（应答机）•根据测距的精度不同，电磁波测距仪又分为：一级：一公里测距中误差（精度）小于等于5mm；二级：一公里测距中误差（精度）大于5mm小于等于10mm；4.3电磁波测距数字测图原理及方法2、电磁波测距仪的种类及精度测距仪的精度：)10(6bDamD式中：mD—测距中误差，单位为mm；a—固定误差，单位为mm；b—比例误差；D—以km为单位的距离。REDmini短程红外测距仪的精度为当距离D为0.6km时，测距精度是mD=±5.8mm。(通常写作ppm))1055(6DmmmD6104.3电磁波测距数字测图原理及方法3、脉冲式光电测距仪的原理脉冲式光电测距仪是将发射光波的光强调制成一定频率的尖脉冲，通过测量发射的尖脉冲在待测距离上往返传播的时间来计算距离。脉冲测距原理图002fqqTtD：脉冲的振荡频率0fq：计数器计得的时钟脉冲个数计数器只能记忆整数个时钟脉冲，不足一周期的时间被丢掉了。测距精度较低，一般在“米”级，最好的达“分米”级。4.3电磁波测距数字测图原理及方法4、相位式光电测距仪的原理相位式光电测距仪是将发射光强调制成正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距离上往、返传播的相位移来解算时间。从而求得距离。1）相位法测距仪的工作基本原理将返程的正弦波以棱镜站为中心对称展开后的图形：N24.3电磁波测距数字测图原理及方法由光源发出的光通过调制器调制后，成为光强随高频信号变化的调制光，射向测线的另一端的反射镜，同时调制光另一部分送入相位计作为参考信号。射向反射镜的调制光被反射后，被接收器接收，然后由相位计将参考信号和接收信号进行比较，并由显示器显示出调制光在被测距离上往返传播所引起的相位移。4.3电磁波测距数字测图原理及方法由于D22tft，所以fNt22）＋（＝NN2)2(2NfcD则：式中，2N＝10N2）相位式测距仪的基本测距公式往程返程2NDDN24.3电磁波测距数字测图原理及方法推导过程:调制光全程的相位变化为：而调制光在测线上往返传播的时间为：则用相位表示的测距公式为：ft2（1）（2）（3）22D2NfCtCD221214.3电磁波测距数字测图原理及方法将（1）式代入（3）式，可得：从图可以看出：比较（4）式和（5）式得：在相位式测距中的相位计只能测定全程相位移尾数，而无法测定整周期数N，（4）式有多值解。)2(2ND)(21ND（4）（5）24.3电磁波测距数字测图原理及方法3）确定N值的方法当N=0时，D有唯一解。可见，要N=0，则必须选用较长的测尺长度即较低的测尺频率。取可求出测尺长度相应的测尺频率，由于仪器的测相系统成在测相误差，其值一般达它对测距精度的影响将随测尺长度的增大而增大。令则2D称为测尺长度310skmCC/10350fC22222fCD4.3电磁波测距数字测图原理及方法如何解决扩大测程和提高精度的矛盾呢？采用一组测尺来组合测距，以短测尺（频率高的调制波，又称精测尺）保证精度，以长测尺（频率低的调制波，又称粗测尺）保证测程。这样就解决了多值解的问题。测尺频率f测尺长度u精度1cm10cm1m10m100m10m1km10km100km100m15MHz1.5MHz15kHz1.5kHz150kHz精度：310fC20skmC/103504.3电磁波测距数字测图原理及方法相位式测距仪N值的确定例：欲使某相位测距仪的测程达到10km,测距精度达到1mm，问需多少个光尺？它们的频率分别为多少？解:选则准确测得“公里”、“百米”，“十米”的值存在误差。选则准确测得“十米”、“米”，“分米”的值存在误差。选则准确测得“分米”、“厘米”，估读到“毫米”。km101kHzf151m1002MHzf5.12m13MHzf1503mDNmuNmu23.678679.01000832.0102211例：4.3电磁波测距数字测图原理及方法加常数:如果测距仪的仪器内光路等效反射面和仪器的安置中心不一致，以及镜站反射镜等效反射面和反射镜安置中心不一致，使仪器所测得的距离与实际的距离不相等，其差数称为加常数。由于仪器的加常数为一固定值，可预置在仪器中，使之测距时自动加以改正。但是仪器在使用一旦时间后，此加常数可能会有变化，应进行检验，测出加常数的变化值（剩余加常数）对观测成果加以改正。乘常数:测距仪在使用过程中，实际的调制光频率与设计的标准频率之间有偏差时，将会影响测距成果的精度，其影响与距离的长度成正比。设f为标准频率，假定无误差；f′为实际工作频率；乘常数为：则乘常数改正值：ΔDR＝－R·D′式中D′为实测距离值，单位km，R单位mm/km。1）仪器常数改正fffR4.3电磁波测距数字测图原理及方法加常数K=L–L´（mm）乘常数R的单位是mm/km对于观测值为L´的距离，其常数改正