1、 水利工程測量第5章 距離測量與直線定向主講教師：高飛7/23/2022 1 合肥工業(yè)大學(xué)第5章 距離測量與直線定向距離測量是測量三項(xiàng)基本工作之一.距離測量的方法主要有: 1.鋼尺(皮尺)量距. 2.視距測量 3.光電測距要確定地面點(diǎn)的平面位置,還必須測定直線的方向, 即直線定向7/23/2022 2 合肥工業(yè)大學(xué)視距測量圖7/23/2022 3 合肥工業(yè)大學(xué)利用調(diào)制波波長測距B測距儀反光棱鏡S電磁波測距電磁波測距圖A7/23/2022 4 合肥工業(yè)大學(xué) 第5章距離測量與直線定向 5.1 鋼尺量距 5.2 視距測量 5.3 紅外線測距儀及全站儀 5.4 直線定向 7/23/2022 5 合肥工

2、業(yè)大學(xué)5.1 鋼尺量距1.鋼卷尺 尺長與規(guī)格：20米、30米、50米，鋼質(zhì)，涂塑或不涂塑。 刻度與注記：毫米刻度，注記厘米、分米、米。零分劃位 置有不同，分刻線尺和端點(diǎn)尺兩種。 5.1.1 量距用的工具: 鋼卷尺，花桿，測釬一般量距方法 量距相對(duì)精度1200015000精密量距方法 量距相對(duì)精度1100001400002.花桿 定線用（量距時(shí)標(biāo)定直線量距的前進(jìn)方向）3.測釬 量距時(shí)在地面標(biāo)定尺段端點(diǎn)位置。7/23/2022 6 合肥工業(yè)大學(xué)端點(diǎn)尺 刻線尺測釬 花桿皮尺 測繩鋼卷尺7/23/2022 7 合肥工業(yè)大學(xué)5.1.2 直線定線 1. 兩點(diǎn)間目估定線2. 兩點(diǎn)間互不通視定線3.經(jīng)緯儀定線

3、: 如果量距要求的精度較高, 可在其端點(diǎn)A安置經(jīng)緯儀定線.7/23/2022 8 合肥工業(yè)大學(xué)5.1.3 丈量方法（往返丈量)）距離用下式計(jì)算：D=nl+l 式中：l整尺段的長度； n丈量的整尺段數(shù)； l零尺段長度。 往返丈量較差 D = D往-D返距離平均值 D平= （D往+D返）1. 在平坦地面丈量相對(duì)誤差7/23/2022 9 合肥工業(yè)大學(xué)2.傾斜地面丈量SDh (1)斜量法: 地面坡度均勻，將量得的傾斜距離S歸算成水平距離D。高差h用水準(zhǔn)儀測定?；蛩骄嚯x：(2) 在傾斜地面丈量7/23/2022 10 合肥工業(yè)大學(xué)量距相對(duì)精度可達(dá)1 1萬 1 4萬。 3. 鋼尺量距的精密方法精密量距

4、時(shí)采取的措施： 1.用檢定過的鋼尺； 2.經(jīng)緯儀定線； 3.釘尺段樁(概量得)，用水準(zhǔn)儀測量樁間高差； 4.對(duì)鋼尺施加固定拉力，并測量溫度； 5.對(duì)量距結(jié)果加三項(xiàng)改正數(shù)。7/23/2022 11 合肥工業(yè)大學(xué)三項(xiàng)改正數(shù)5 . 1 . 4 鋼尺量距的成果整理每尺段經(jīng)改正后的水平距離： 總的水平距離： 7/23/2022 12 合肥工業(yè)大學(xué)5.1.5 鋼尺檢定 目的：求得鋼尺兩端點(diǎn)刻劃間的實(shí)際長度。 方法：用鋼尺對(duì)一段精確的標(biāo)準(zhǔn)長度進(jìn)行丈量，從而求得 鋼尺的尺長改正數(shù)。該檢定場地也稱為“比尺場”。 。L比尺場示意圖作法： “比尺場”為理想的砼條形場地，埋有尺段標(biāo)志。將 待檢定的鋼尺，用精密量距的方

5、法，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)距離L 進(jìn)行丈量。通過對(duì)量距結(jié)果的整理，得出該鋼尺的 尺長方程式。 0 鋼尺名義長(m)； t0 標(biāo)準(zhǔn)溫度，一般取20； d 尺長改正值(mm)； t 丈量時(shí)溫度() 鋼的膨脹系數(shù)，1.210-5 / ；1.尺長方程式： = 0+d+(t-t0)07/23/2022 13 合肥工業(yè)大學(xué)例：用一檢定過的30米鋼尺沿傾斜地面丈量AB距離，數(shù)據(jù)見 下表。該鋼尺的尺長方程式如下，請整理量距成果。 (注：鋼尺膨脹系數(shù) =0.00001150.0000125為鋼尺溫度變 化1度時(shí)，單位長度的變化量。)尺段長度及量距精度計(jì)算7/23/2022 14 合肥工業(yè)大學(xué) 5.2 視距測量5.2.1 視距

6、測量概述視距測量是一種間接測距方法; 它利用望遠(yuǎn)鏡內(nèi)十字絲分劃板上的視距絲及刻有厘米分劃的視距標(biāo)尺(地形塔尺或普通水準(zhǔn)尺)，根據(jù)光學(xué)原理可以同時(shí)測定兩點(diǎn)間的水平距離和高差.其中測量距離的相對(duì)誤差約為1/300，低于鋼尺量距；測定高差的精度低于水準(zhǔn)測量;視距測量廣泛用于地形測量的 碎部測量中。7/23/2022 15 合肥工業(yè)大學(xué)5.2.2 視準(zhǔn)軸水平時(shí)的視距計(jì)算公式AB為待測距離，在A點(diǎn)安置經(jīng)緯儀，B點(diǎn)豎立視距尺，設(shè)望遠(yuǎn)鏡視線水平，瞄準(zhǔn)B點(diǎn)的視距尺，此時(shí)視線與視距尺垂直。7/23/2022 16 合肥工業(yè)大學(xué)視線水平時(shí)的視距測量公式:(1) 水平距離公式:(2) 高差公式:(3) B點(diǎn)高程:7

7、/23/2022 17 合肥工業(yè)大學(xué)5.2.3 視線傾斜時(shí)的視距測量公式(1) 水平距離公式:(2) 初算高差:(3) 高差公式:7/23/2022 18 合肥工業(yè)大學(xué)（1）在測站 A 安置經(jīng)緯儀，量取儀器高 i，在測點(diǎn) B 豎立視距尺； （2）照準(zhǔn)視距尺，用上下視距絲分別在尺上讀取讀數(shù)，算出視距間隔l（l =下絲讀數(shù)-上絲讀數(shù)）。也可先將中絲對(duì)準(zhǔn)儀器高讀豎直角，然后把上絲對(duì)準(zhǔn)鄰近整數(shù)刻劃后直接讀取視距間隔；5.2.4 視距測量觀測與計(jì)算方法7/23/2022 19 合肥工業(yè)大學(xué)（3）轉(zhuǎn)動(dòng)豎盤指標(biāo)水準(zhǔn)管微動(dòng)螺旋使豎盤指標(biāo)水準(zhǔn)管氣泡居中，讀取豎盤讀數(shù)，算出豎直角。對(duì)有豎盤指標(biāo)自動(dòng)歸零裝置的儀器，

8、應(yīng)打開自動(dòng)歸零裝置后再讀數(shù)；5.2.4 視距測量觀測與計(jì)算方法（4）根據(jù)視距公式，計(jì)算水平距離和高差及立尺點(diǎn)的高程。7/23/2022 20 合肥工業(yè)大學(xué)一、概述電磁波測距(Electro-magnetic Distance Measuring，EDM) 是用電磁波(光波或微波)作為載波，傳輸測距信號(hào)，以測量兩點(diǎn)間距離的一種方法。EDM具有測程長、精度高、作業(yè)快、工作強(qiáng)度低、幾乎不受地形限制等優(yōu)點(diǎn)。1948年，瑞典AGA(阿嘎)公司(現(xiàn)更名為Geotronics捷創(chuàng)力公司)研制成功了世界上第一臺(tái)電磁波測距儀，它采用白熾燈發(fā)射的光波作載波，應(yīng)用了大量的電子管元件，儀器相當(dāng)笨重且功耗大。為避開白天

9、太陽光對(duì)測距信號(hào)的干擾，只能在夜間作業(yè)，測距操作和計(jì)算都比較復(fù)雜。5.3 電磁波測距及全站儀7/23/2022 21 合肥工業(yè)大學(xué)1960年世界上成功研制出了第一臺(tái)紅寶石激光器和第一臺(tái)氦-氖激光器，1962年砷化鎵半導(dǎo)體激光器研制成功。與白熾燈比較，激光的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)散角小、穿透力強(qiáng)、傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)、不受太陽光干擾、基本上可以全天侯作業(yè)。1967年AGA公司推出了世界上第一臺(tái)商品化的激光測距儀AGA-8。該儀器采用5mw的氦-氖激光器作發(fā)光元件，白天測程為40km，夜間測程達(dá)60km，測距精度(5mm+1ppm)，主機(jī)重量23kg。我國的武漢地震大隊(duì)也于1969年研制成功了JCY-1型激光測距儀，1

10、974年又研制并生產(chǎn)了JCY-2型激光測距儀。該儀器采用2.5mw的氦-氖激光器作發(fā)光元件，白天測程為20km，測距精度(5mm+1ppm)，主機(jī)重量16.3kg。7/23/2022 22 合肥工業(yè)大學(xué)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，從60年代末70年代初起，采用砷化鎵發(fā)光二極管作發(fā)光元件的紅外測距儀逐漸在世界上流行起來。與激光測距儀比較，紅外測距儀有體積小、重量輕、功耗小、測距快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。由于紅外光的發(fā)散角比激光大，所以紅外測距儀的測程一般小于15km。現(xiàn)在的紅外測距儀已經(jīng)和電子經(jīng)緯儀及計(jì)算機(jī)軟硬件制造在一起，形成了全站儀，并向著自動(dòng)化、智能化和利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的無線傳輸方向飛速發(fā)

11、展。7/23/2022 23 合肥工業(yè)大學(xué)二、電磁波測距儀分類1. 按其所采用的載波（光源）可分為：微波測距儀(microwave EDM instrument)；激光測距儀(laser EDM instrument)；紅外測距儀(infrared EDM instrument);2. 按測程分為：短程測距儀(5km)中程測距儀(515km)遠(yuǎn)程測距儀( 15km）3. 按精度分為：級(jí)測距儀(mD 5mm) 級(jí)測距儀(5 mD 10mm) 級(jí)測距儀(mD 10mm ）4. 按測距原理分為： 脈沖式； 相位式7/23/2022 24 合肥工業(yè)大學(xué)5.3.1 紅外測距的測距原理 基本公式:c0光在

12、真空中的速度ng光在大氣中傳輸?shù)恼凵渎蕋光波在AB間往返傳輸時(shí)間7/23/2022 25 合肥工業(yè)大學(xué)直接測時(shí)-該類測距儀稱為脈沖式測距儀，該儀器因其精度較低，通常只用于精度較低的遠(yuǎn)距離測量、地形測量和炮瞄雷達(dá)測距。間接測時(shí)-用測定相位的方法來測定距離，此類儀器稱為相位式測距儀?，F(xiàn)有的精密光電測距儀都不采用直接測時(shí)的方法，而采用間接測時(shí)。電磁波測距方式7/23/2022 26 合肥工業(yè)大學(xué)脈沖式測距原理 假設(shè)時(shí)鐘脈沖的震蕩頻率為 , 震蕩周期為計(jì)數(shù)器記錄的震蕩次數(shù)為N, 則脈沖光波在AB兩點(diǎn)間往返的時(shí)間為:7/23/2022 27 合肥工業(yè)大學(xué)2. 相位式測距原理 用測定相位的方法來測定距離，

13、此類儀器稱為相位式測距儀。它是用一種連續(xù)波（精密光波測距儀采用光波）作為“運(yùn)輸工具”（稱為載波），通過一個(gè)調(diào)制器使載波的振幅或頻率按照調(diào)制波的變化做周期性變化。測距時(shí)，通過測量調(diào)制波在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位變化，間接地確定傳播時(shí)間t，進(jìn)而求得待測距離D。 7/23/2022 28 合肥工業(yè)大學(xué)相位式測距原理調(diào)制波的調(diào)制頻率f，角頻率 ，周期T，波長:設(shè)調(diào)制波在距離D往返一次產(chǎn)生的相位變化為 ，調(diào)制信號(hào)一個(gè)周期相位變化為2，則調(diào)制波的傳播時(shí)間t為： 代入基本公式得 :7/23/2022 29 合肥工業(yè)大學(xué)相位式測距原理設(shè)調(diào)制信號(hào)為正弦信號(hào)，包含2的整倍數(shù)N2，和不足2的尾數(shù)部分，即：代入

14、前面公式: 7/23/2022 30 合肥工業(yè)大學(xué)相位式測距原理令 : -單位長，“光測尺”，“電子尺” 公式改寫成 :上式就是相位式測距原理公式。相位式測距儀是用長度為LS的“測尺”去量測距離，量了N個(gè)整尺段加上不足一個(gè)LS的長度就是所測距離。 采用多個(gè)“測尺”組合實(shí)現(xiàn)測距技術(shù)過程。設(shè)計(jì)；精測尺+粗測尺測距。7/23/2022 31 合肥工業(yè)大學(xué)相位式測距原理調(diào)制頻率與測尺長度的關(guān)系調(diào)制頻率f15MHz7.5MHz1.5MHz150kHz75kHz15kHz測尺長度/210m20m100m1km2km10km精度1cm2cm10cm1m2m10m7/23/2022 32 合肥工業(yè)大學(xué)5.3.

15、2 光電測距儀的組成7/23/2022 33 合肥工業(yè)大學(xué)5.3.2 光電測距儀的組成7/23/2022 34 合肥工業(yè)大學(xué)5.3.4 全站儀及其使用（一） 全站儀概述（二） 全站儀的功能 （三） 幾種全站儀及其基本應(yīng)用 7/23/2022 35 合肥工業(yè)大學(xué)南方NTS全站儀TOPCON GTS全站儀7/23/2022 36 合肥工業(yè)大學(xué)Leica 全站儀7/23/2022 37 合肥工業(yè)大學(xué)（一） 全站儀概述全站儀(total station)是由電子測角、光電測距、微型機(jī)及其軟件組合而成的智能型光電測量儀器。全站儀的基本功能是測量水平角、豎直角和距離。全站儀具有如下特點(diǎn)：同時(shí)進(jìn)行角度測量(

16、水平角、豎直角) 和距離測量(斜距S、平距D、高差h) ； 測距系統(tǒng)光軸與測角系統(tǒng)視準(zhǔn)軸同軸（三軸同一）；顯示測點(diǎn)的角度(方向值)、距離、高差或三維坐標(biāo)；擁有后方交會(huì)、放樣、偏心測量、懸高測量、對(duì)邊測量、面積計(jì)算等高級(jí)測量功能。7/23/2022 38 合肥工業(yè)大學(xué)全站儀特點(diǎn)擁有較大容量的內(nèi)部存儲(chǔ)器，以數(shù)據(jù)文件形式存儲(chǔ)已知點(diǎn)和觀測點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、編碼、三維坐標(biāo)； 實(shí)現(xiàn)全站儀與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊； 高精度全站儀測角達(dá)0.5秒級(jí)，測距精度達(dá)(0.1mm+0.1PPM)； 與計(jì)算機(jī)聯(lián)合組成的智能觀測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)瞄準(zhǔn)、觀測、記錄、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的傳輸，被稱為測量機(jī)器人。7/23/2022 39 合肥工業(yè)大學(xué)

17、三軸同一望遠(yuǎn)鏡在全站儀的望遠(yuǎn)鏡中，照準(zhǔn)目標(biāo)的視準(zhǔn)軸、光電測距的紅外光發(fā)射光軸和接收光軸是同軸的，其光路如圖所示。因此，測量時(shí)使望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡的中心，就能同時(shí)測定水平角、垂直角和斜距7/23/2022 40 合肥工業(yè)大學(xué)測量儀器總的發(fā)展過程 測量儀器總的發(fā)展過程：光學(xué)經(jīng)緯儀 電子經(jīng)緯儀 速測全站儀 全站儀。全站儀的發(fā)展過程： 1.普通型全站儀2.功能型全站儀3.磁卡型全站儀4.內(nèi)存式全站儀 5.全自動(dòng)智能全站儀全站儀生產(chǎn)廠家：瑞士：徠卡Leica德國：蔡司Zeiss 美國: 天寶trimble 日本：拓普康TOPCON，索佳SOKKIA，賓得,尼康中國：南方、蘇州、北京7/23/2022 4

18、1 合肥工業(yè)大學(xué)（二） 全站儀的功能對(duì)邊測量、懸高測量、后方交會(huì)、放樣、偏心測量、面積計(jì)算等高級(jí)測量功能。7/23/2022 42 合肥工業(yè)大學(xué)全站儀的功能1、對(duì)邊測量如圖，分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)處的棱鏡并觀測后，儀器即可顯示出兩個(gè)棱鏡之間的平距(HD)、斜距(S)、高差(V)和坡度（%）。對(duì)邊測量可以連續(xù)進(jìn)行。VSHD%7/23/2022 43 合肥工業(yè)大學(xué)全站儀的功能2、懸高測量如圖，要測量某些不能設(shè)置反射棱鏡的目標(biāo)（高壓電線、橋梁桁架）的高度時(shí)，可在目標(biāo)正上方或正下方處安置棱鏡，輸入棱鏡高h(yuǎn)1，瞄準(zhǔn)棱鏡并觀測后，再瞄準(zhǔn)目標(biāo)，儀器即可顯示目標(biāo)的高度HHh1h27/23/2022 44 合肥工業(yè)

19、大學(xué)全站儀的功能3、后方交會(huì)測量如圖，全站儀安置在某一待定點(diǎn)上，通過對(duì)兩個(gè)以上的已知點(diǎn)處的棱鏡進(jìn)行觀測，并輸入各已知點(diǎn)三維坐標(biāo)及儀器高和棱鏡高后，全站儀即可顯示待定點(diǎn)的三維坐標(biāo)。7/23/2022 45 合肥工業(yè)大學(xué)4、三維坐標(biāo)測量如圖，將全站儀安置在已知點(diǎn)A，棱鏡設(shè)置在待定點(diǎn)P，輸入A點(diǎn)已知坐標(biāo)及儀器高和棱鏡高后，先后視已知點(diǎn)B并輸入B點(diǎn)坐標(biāo)（后視已知點(diǎn)是為了設(shè)置方向位角）然后瞄準(zhǔn)P點(diǎn)處棱鏡并進(jìn)行觀測，儀器即可顯示待定P的三維坐標(biāo)。APB全站儀的功能7/23/2022 46 合肥工業(yè)大學(xué)全站儀的功能5、放樣測量將要測設(shè)的角度和邊長（或坐標(biāo)值）輸入全站儀，在放樣過程中儀器顯示角度和邊長的實(shí)測值

20、與放樣值之差，根據(jù)顯示的偏離值及符號(hào)調(diào)整棱鏡位置，直至偏離值為零，此時(shí)棱鏡所處位置即為要測設(shè)的點(diǎn)位。有的全站儀還可通過圖形顯示出棱鏡上下左右前后的移動(dòng)方向。7/23/2022 47 合肥工業(yè)大學(xué)全站儀的功能6、偏心測量如圖，若侍定點(diǎn)處不能設(shè)置棱鏡，可將棱鏡設(shè)置在待定點(diǎn)的左側(cè)或右側(cè)，并使棱鏡至站點(diǎn)的距離相當(dāng)，瞄準(zhǔn)棱鏡并進(jìn)行觀測，再照準(zhǔn)待定點(diǎn)，儀器即可顯示待定點(diǎn)的坐標(biāo)。不同廠家生產(chǎn)的電子全站儀其鍵盤設(shè)計(jì)并不完全相同，實(shí)現(xiàn)相同測量功能的按鍵程序和步驟也不完全一樣，具體使用應(yīng)參見廠家的使用說明書。7/23/2022 48 合肥工業(yè)大學(xué)全站儀測量的流程野外采集數(shù)據(jù)：南方NTS、 TOPCON全站儀+PD

21、A（測圖精靈）傳輸數(shù)據(jù)：將數(shù)據(jù)文件傳入計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)：用測圖軟件 （南方測繪CASS）處理、編輯輸出成果：數(shù)字化地 形圖、電子地圖（.dwg）、工程圖。7/23/2022 49 合肥工業(yè)大學(xué) 5.4 直線定向5.4.1 直線定向的概念確定地面上兩點(diǎn)之間的相對(duì)位置，僅知道兩點(diǎn)之間的水平距離是不夠的，還必須確定此直線與標(biāo)準(zhǔn)方向之間的水平夾角。確定直線與標(biāo)準(zhǔn)方向之間的水平角度稱為直線定向。 7/23/2022 50 合肥工業(yè)大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)方向的種類 1 真子午線方向 通過地球表面某點(diǎn)真子午線的切線方向，稱為該點(diǎn)的真子午線方向，真子午線方向是用天文測量方法或用陀螺經(jīng)緯儀測定的。 2 磁于午線方向 磁子午線方

22、向是磁針在地球磁場的作用下，磁針自由靜止時(shí)其軸線所指的方向。磁子午線方向可用羅盤儀測定。7/23/2022 51 合肥工業(yè)大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)方向的種類 3 坐標(biāo)縱軸方向(中央子午線方向) 第二章已述及，我國采用高斯平面直角坐標(biāo)系，每一6帶或3帶內(nèi)都以該帶的中央子午線為坐標(biāo)縱軸方向。因此，該帶內(nèi)直線定向，就用該帶的坐標(biāo)縱軸方向作為標(biāo)準(zhǔn)方向。 如假定坐標(biāo)系，則用假定的坐標(biāo)縱軸(X軸)作為標(biāo)準(zhǔn)方向。 7/23/2022 52 合肥工業(yè)大學(xué)5.4.2 表示直線方向的方法 測量工作中，常采用方位角來表示直線的方向。 由標(biāo)準(zhǔn)方向的北端起，順時(shí)針方向量到某直線的夾角，稱為該直線的方位角，其角值從0 360。 由不同的標(biāo)準(zhǔn)方向所得到的方位角，分別為： 真方位角：A 磁方位角：Am 坐標(biāo)方位角：標(biāo)準(zhǔn)方向OP7/23/2022 53 合肥工業(yè)大學(xué)幾種方位角之間的關(guān)系 1 真方位角與磁方位角之間的關(guān)系 由于地磁南北極與地球的南北極并不重合，因此，過地面上某點(diǎn)的真子午線方向與磁子午線方向常不重合，兩者之間的夾角稱為磁偏角，磁針北端偏于其子午線以東稱東偏，偏于其子午線以西稱西偏。直線的真方位角與磁方位角，可用下式進(jìn)行換算 東偏取正值，西偏取負(fù)值。我國磁偏角的變化大約在+6到-10之間。 7/23/2022 54 合肥工業(yè)大學(xué)幾種方位角之間的關(guān)系 2真方位角與坐標(biāo)方位角之間的關(guān)系 中