大连理工大学测量学课件第五章

E-mail:[e-mail].:0411-84709709测量学主讲人：袁永博高等学校理工科土木工程类规划教材第五章坐标测量全站仪简介全站仪坐标的测量方法GPS坐标测量2GPS简介GPS定位技术基本原理GPS坐标定位作业模式不同基准下坐标的转换31全站仪坐标测量15.1.1全站仪简介坐标测量是数字化测量的重要组成部分，特点是使用仪器直接采集空间三维坐标，并存入测量仪器的内存。1.全站仪(Totalstation)的结构：由电子测角、光电测距、微型机及其软件组成的智能型光电测量仪器，其结构如图所示。测角部分微型机测距部分电源输入输出通讯接口键盘显示屏全站仪结构框图5.1.1全站仪简介优点：利用光电技术和微处理机，可实现观测数据自动采集、存储和显示，因而减少了人为的读数误差和记录误差，提高了测量的精度和效率。基本功能：测定测量的3个基本元素（水平角、斜距和高差），并借助于机内固化软件，组成多种测量功能，如进行多种模式的放样、偏心测量、悬高测量、对边测量、面积计算等。特点三同轴望远镜键盘操作数据存储与通讯电子传感器5.1.1全站仪简介在全站仪的望远镜中，照准目标的视准轴、光电测距的光轴和测角光轴3个轴同轴。测量时使望远镜照准目标棱镜的中心，就能同时测定水平角、竖直角和斜距，这使一个点的测量工作量相对传统光电组合式测量减少至少一半。全站仪轴系及光路(1)三同轴望远镜5.1.1全站仪简介全站仪通过键盘输入指令进行测量操作。键盘上的键分为硬键和软键两种，每个硬键有一个固定功能，或兼有第二、第三功能。软键(一般为F1、F2、F3、F4等)的功能通过屏幕最下一行相应位置显示的字符提示，可在不同的菜单下进行不同功能操作。(2)键盘操作5.1.1全站仪简介几种常见的全站仪键盘5.1.1全站仪简介主流全站仪内一般都带有可以存储至少3000个点观测数据的存储卡，有些配有CF卡(CompactFlash)增加存储容量。仪器设有一个标准的RS-232C通讯接口或USB接口，使用专用电缆与计算机的COM或USB口连接，再通过专用软件或Windows的超级终端等接口软件实现与计算机的双向数据传输。USB接口(3)数据存储与通讯5.1.1全站仪简介电子传感器有摆式和液体两种，其作用是自动补偿仪器水平或竖直度盘误差。单轴补偿的电子传感器相当于竖盘指标自动归零补偿器。双轴补偿的电子传感器不仅可修正竖直角，还可修正水平角。现在几乎所有的全站仪都使用液体传感器。(4)电子传感器5.1.1全站仪简介全站仪的测距系统原理与4.3节介绍的测距仪原理基本相似，测角系统是通过角-码转换器，将角移量变为二进制码，通过译码器译成度、分、秒，并用数字形式显示出来。常见的角-码转换方法，多采用编码度盘或光栅度盘，现分别介绍其测角原理。2.测量原理5.1.1全站仪简介(1)编码度盘编码度盘的构造如图所示，它是将度盘按放射状均匀地划分为若干区间，称为码区；再从里向外均匀划分为若干码道，以用于度盘的编码。编码度盘度盘划分了16个码区和四个码道，称为四码道度盘。每个码区的码道有黑色部分和白色部分，黑色部分不透光，白色部分透光。透光部分为导电区，不透光部分为非导电区。设透光为0，不透光为1。各码区从内向外对应码按二进制递增，如0码区为0000，1码区为0001，而15码区则为1111。5.1.1全站仪简介光电读数系统主要电子元件为发光二极管和光电二极管。当发光二极管通过度盘透光区时，光电二极管收到这个信号，输出为0。对于不透光区，光电二极管收不到信号，输出为1。光电读数系统就是随着照准部的转动将各码区的电信号输入微机处理后求得角度的。编码度盘对于编码度盘，如果度盘的码区和码道划分密一些，测角分辨率就高一些。但是码道数的提高受限于度盘直径等，故编码度盘不易提高测角精度。5.1.1全站仪简介(2)光栅度盘光栅度盘是目前电子测角方法中精度较高的一种，如图所示，在玻璃圆盘径向均匀地按一定密度刻有交替着透明与不透明的辐射状条纹，条纹与间隙同宽，此盘即为光栅度盘。若将两块密度相同的光栅度盘重叠，并使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，就会出现明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。光栅度盘莫尔条纹的特征：两光栅的间距越小，相邻明暗条纹间的间隔就越大；两光栅在与其刻线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹作上下移动。5.1.1全站仪简介为了保证仪器转动度盘时可形成莫尔条纹，可在光栅度盘上装一个固定的指示光栅。如图示，将指示光栅与度盘下面的发光二极管位置固定，随着莫尔条纹的移动，光电二极管将产生按正弦归零变化的电信号，将此信号整形，可变为矩形脉冲。对脉冲计数即可求得旋转的角度。光栅度盘为了提高角度分辨率，可对计数进一步细分，通常在光栅形成的两个脉冲中间，再填充若干个脉冲，可有效提高测角精度。5.1.1全站仪简介3.全站仪附属配件全站仪在进行作业时，须在目标处放置反射棱镜。反射棱镜有单棱镜，三棱镜和九棱镜等。其作用是反射电磁波信号，获取仪器中心到棱镜中心的水平距离和高差。5.1.1全站仪简介全站仪附属配件图片第五章坐标测量全站仪简介全站仪坐标的测量方法GPS坐标测量2GPS简介GPS定位技术基本原理GPS坐标定位作业模式不同基准下坐标的转换31全站仪坐标测量15.1.2全站仪坐标测量方法NTS-355为我国南方测绘仪器有限公司生产的面向低端的普通型全站仪，具有价格优惠、操作简捷、功能全面等特点，适合各种普通测量工作，图为其操作屏幕界面。数字键全站仪NTS-3551.基本功能介绍5.1.2全站仪坐标测量方法按键名称功能角度测量键进入角度测量模式(▲上移键)距离测量键进入距离测量模式(▼下移键)坐标测量键进入坐标测量模式(◄左移键)菜单键进入菜单模式(►右移键)退出键返回上一级状态或返回测量模式电源开关键电源开关~软键-功能键对应于显示的软键信息~数字键输入数字和字母、小数点、负号星键进入星键模式NTS-355各按键的主要含义5.1.2全站仪坐标测量方法角度测量、距离测量和坐标测量模式下界面的菜单角度测量模式距离测量模式坐标测量模式5.1.2全站仪坐标测量方法NTS-355全站仪可将测量数据存储在内存中。内存中有测量数据文件和坐标数据文件两种。(1)进入数据采集菜单，选择已有或新建一个坐标测量文件。进入数据采集菜单坐标数据采集菜单的操作如图所示。按键，仪器进入主菜单1/3模式。按（数据采集）键，显示数据采集菜单1/2。正常测量模式可以调用已有文件，也可输入新的文件。2.坐标测量步骤5.1.2全站仪坐标测量方法测站设置对于每个测站(点号110)，测量前，在数据采集菜单1/2中，均要完成F1、F2步骤，即分别按菜单提示输入测站点和后视点点号。(2)测站设置进行坐标测量前，要先设置测站坐标、测站高、棱镜高及后视方位角。按键进入图所示操作过程。5.1.2全站仪坐标测量方法操作过程操作显示输入点号，按(ENT)键输入点号后视OH(R)=120º30'20照准?[是][否]输入后视点点号及后视高操作过程后视点点号(O)及后视高等信息输入后，望远镜瞄准后视点，选择一种测量模式并按相应的软键。如，按斜距键进行斜距测量。根据定向角计算结果选择所设置的水平度盘的读数(定向方向角)，寄存测量结果，然后显示屏返回到数据采集菜单1/2。准备进入测量。操作过程见表。5.1.2全站仪坐标测量方法如果是新建文件或文件中对应点号不存在，还要进入设置，输入新点坐标，具体设置方法在数据采集菜单2/2。操作过程见表。操作过程操作显示①按（测站）键测站坐标N-0.000mE：0.000mZ：0.000m输入……回车②输入N坐标输入数据N-39.976mE：0.000mZ：0.000m输入……回车输入新点坐标操作过程操作过程操作显示③按同样方法输入E和Z坐标，输入数据后，显示屏返回坐标测量显示。N-39.976mE：298.578mZ：45.330m测量模式S/AP1↓④按仪器高键，显示当前值光标也可移到“输入”，输入新仪器高测站高仪高输入仪高1.600m输入……回车⑤设置已知点O的方向角设置方向角V：122°09′30″HR：90°09′30″置零锁定置盘P1↓输入新点坐标操作过程5.1.2全站仪坐标测量方法5.1.2全站仪坐标测量方法(3)测量未知点坐标输入仪器高和棱镜高后测量坐标时，可直接测定未知点的坐标。未知点的坐标可由式(5-1)计算出来并显示。全站仪点坐标测量测站点A坐标：相对于仪器中心点的棱镜中心坐标：仪器中心坐标：设两点高差：未知点B坐标：000(,,))NEZ仪器高),,(111ZEN)(VDZ),,(zen),,(000ZEN101010NNnEEeZZz仪器高棱镜高(5-1)5.1.2全站仪坐标测量方法测量未知点坐标操作过程操作过程操作显示①由数据采集菜单1/2，按（测量）键，进入待测点测量数据采集1/2F1：测站点输入F2：输入后视F3：测量P↓点号-编码：镜高：0.000m输入查找测量同前②按（输入）键，输入点号后按确认输入点号(P1)点号=P1编码:镜高:0.000m回退空格数字回车5.1.2全站仪坐标测量方法测量未知点坐标操作过程操作过程操作显示③按同样方法输入编码，棱镜高输入编码（ROAD）输入棱镜高（1.20）点号:P1编码-ROAD镜高:1.200m输入查找测量同前角度*斜距坐标偏心④按（测量）键⑤照准目标点望远镜照准⑥按（坐标）键开始测量，数据被存储，显示屏变换到下一个镜点N*286.245mE：76.233mZ：14.568m测量模式S/AP1↓5.1.2全站仪坐标测量方法测量未知点坐标操作过程操作过程操作显示⑦输入下一个镜点数据并照准该点点号-P2编码:ROAD镜高:1.200m输入查找测量同前⑧按（同前）键,按照上一个镜点的测量方式进行测量，测量数据被存储，按同样方式继续测量，按键即可结束数据采集模式照准点号-P3编码:ROAD镜高:1.200m输入查找测量同前第五章坐标测量全站仪简介全站仪坐标的测量方法GPS坐标测量2GPS简介GPS定位技术基本原理GPS坐标定位作业模式不同基准下坐标的转换31全站仪坐标测量15.2.1GPS简介1.地面控制部分地面控制部分由1个主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、3个地面注入站（在主控站的控制下，向卫星注入导航电文）、5个监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成。地面控制部分的关系如图所示。注入站主控站计算中心监测站星历测量5.2.1GPS简介星座部分由24颗GPS卫星组成，分布在2万公里高的6个轨道平面上；卫星上安装了精度很高的原子钟(10-12级)，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历、用于测距的C/A码和P码以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度、全天候、连续、实时的三维测速、三维定位和授时。2.星座部分5.2.1GPS简介用户部分主要由GPS接收机和卫星天线组成。GPS卫星接收机种类很多，测量工作使用的一般是测地型。与传统光电测量相比，GPS定位测量的优点有：①各测站间无需通视；②定位精度高；③观测时间短；④提供动、静态三维坐标；⑤操作简便；⑥全天候作业。3.用户部分第五章坐标测量全站仪简介全站仪坐标的测量方法GPS坐标测量2GPS简介GPS定位技术基本原理GPS坐标定位作业模式不同基准下坐标的转换31全站仪坐标测量15.2.2GPS定位技术基本原理GPS信号是调制波，包含载波(L1、L2)、测距码粗码(C/A码)和精码(P码)、数据码(D码)等。GPS地面接收机可以在任何地点、任何时间、任何气象条件下进行连续观测，并且在时钟控制下，测定出卫星信号到达接收机的时间t，进而确定卫星与接收机之间的距离ρ:(5-2)式中，c为电磁波信号传播速度;∑为有关的改正数之和。GPS定位就是把卫星看成是“飞行”的控制点，根据测量的星站距离，进行空间距离后方交会，进而确定地面接收机的位置。ict5.2.2GPS定位技术基本原理GPS定位