距離測量——土木工程測量ppt課件

1、同濟大學同濟大學 丈量與國土信息工程系丈量與國土信息工程系 第四章第四章 間隔間隔 丈量丈量4-1間隔 丈量概述測距技術的開展 直接測距法 步測：雙步1.5m光學測距方法視距光學測距儀幾何光學測距方法步弓、尺鏈線尺、竹尺、皮尺、鋼尺電磁波測距4-2卷鋼尺量距一、鋼尺(1) 量距工具 1) 鋼尺長度20m，30m，50m。2) 輔助工具輔助工具4-2卷鋼尺量距二、直線定向1、兩點間定線(2) 直線定線直線定線 確定分段丈量的分段點在待量直線端點的連線上確定分段丈量的分段點在待量直線端點的連線上 。1) 目測定線目測定線2) 經(jīng)緯儀定線經(jīng)緯儀定線 4-2 卷鋼尺量距2、過山頭定線3、延伸直線AC1

2、BC2C1、鋼尺鋪地丈量在規(guī)范拉力下 丈量結(jié)果：余長整尺段數(shù)，lnlnlS0三、間隔 丈量(3) 鋼尺量距的普通方法鋼尺量距的普通方法 1) 平坦地面的間隔平坦地面的間隔 丈量丈量先量整尺段長，最后量余長。先量整尺段長，最后量余長。DAB=n尺段長尺段長+余長余長 鋼尺鋪地丈量在規(guī)范拉力下 丈量結(jié)果：220hsDlnlS三、間隔 丈量需往、返丈量，返測時應重新定線。往、返丈量間隔 的相對誤差K=|DABDBA|/D1/3000。例如， DAB=162.73m， DBA=162.78m，相對誤差K=|162.73162.78|/162.755=1/3255實踐長度。實踐長度。整尺段懸空時，中間應

3、有人托住鋼尺。整尺段懸空時，中間應有人托住鋼尺。4) 定線誤差定線誤差使所量間隔使所量間隔 為一組折線，丈量結(jié)果偏大。為一組折線，丈量結(jié)果偏大。丈量丈量30m的間隔的間隔 ，偏向為，偏向為0.25m時，量距偏大時，量距偏大1mm。5) 拉力誤差拉力誤差鋼尺丈量拉力應與檢定拉力一樣。鋼尺丈量拉力應與檢定拉力一樣。拉力變化拉力變化2.6kg，尺長改動，尺長改動1mm。6) 丈量誤差丈量誤差插測釬不準，前、后尺手配合不佳，余長讀數(shù)不準插測釬不準，前、后尺手配合不佳，余長讀數(shù)不準丈量中應盡量準確對點，配合協(xié)調(diào)。丈量中應盡量準確對點，配合協(xié)調(diào)。 四、尺長鑒定 鋼尺長度方程式鋼尺長度方程式測量時的鋼尺溫度

4、設定的標準溫度鋼尺的溫度線膨脹系數(shù)數(shù)際長度與名義長度的差在標準溫度下，鋼尺實鋼尺的名義長度ttlttlllkkt00000彈性模量張力強度。EPlEPdl鋼是彈性體，在拉力作用下會變形伸長P簡單的尺長鑒定 在平坦的地面宜在室內(nèi)，使兩尺溫度一樣把待檢定的尺子與高精度的規(guī)范尺比較而求得k000ttlllk標lkkkklllt000ttlllkt 檢定場：在平整的條形場地兩端地面埋檢定場：在平整的條形場地兩端地面埋設兩個穩(wěn)定的標志，其間距比待檢定鋼設兩個穩(wěn)定的標志，其間距比待檢定鋼尺長度尺長度n倍略短一些。高精度丈量兩標志倍略短一些。高精度丈量兩標志的間距作為規(guī)范長度的間距作為規(guī)范長度L規(guī)范。規(guī)范。

5、0lLLLlk標準設尺子的溫度膨脹系數(shù)知。用待檢定的設尺子的溫度膨脹系數(shù)知。用待檢定的尺子先假定尺子先假定k=0，在任務時的正常，在任務時的正常拉力下，丈量檢定場兩標志的間距拉力下，丈量檢定場兩標志的間距L 。從而可得從而可得鋼尺尺長鑒定測回程序 丈 量時間丈 量溫度t溫 度差t-20測量值m溫度改正值mm改正后的平距m1往返9：50 293295+9.3+9.5119.973119.973+13.4+13.7119.9864119.98672往返30.430.5+10.4+10.5119.970119.970+15.0+15.1119.9850119.98513往返10:40 30.231.

6、1+10.2+11.1119.972119.973+14.7+16.0119.9867119.9890L=119.9865 L=119.9793mmlLLLl8.1301202.70mmtmmml)20(36. 08 . 130尺號: 015名義長度 : 30m膨脹系數(shù):0.012鋼尺鋪地丈量在規(guī)范拉力下 名義丈量結(jié)果：余長整尺段數(shù)，lnlnlS0高差改正數(shù)溫度改正數(shù)尺長改正數(shù)htkhtkSSSSSSSS2cos222ShhSSSSh0ttSSt0lSSkk最終成果：五、鋼尺量距的成果整理mSSSSShtk936.234mShhSSSSh0137.02cos222mttSSt0209.0)20

7、4 .27(3036.0943.2340mlSSkk0141.0308.1943.2340mmtmmml)20(36.08.130已知量得s=234.943m; t=27.4; h=2.54m4-3 視距丈量視距丈量視視 距距 測測 量量視距丈量視距丈量利用丈量望遠鏡的視距絲，間接測定利用丈量望遠鏡的視距絲，間接測定 間隔間隔 和高差的方法。和高差的方法。 優(yōu)點：丈量速度快，不受地優(yōu)點：丈量速度快，不受地 形限制。形限制。缺乏：精度低，間隔缺乏：精度低，間隔 相對誤相對誤 差普通約為差普通約為1/3001/300，高，高 差普通為分米級。差普通為分米級。用途：主要用于地形圖測繪用途：主要用于地

8、形圖測繪 ( (地形點的間隔地形點的間隔 與高差與高差) )。2211DnDnban（尺間隔）1.視距公式：視距公式： (4-3-1) 一一. .視野程度時視距丈量公式視野程度時視距丈量公式cnDnDnD2112視距丈量一、視野程度時 十字絲板上有兩根視距絲，它們在物鏡光心處的張角根本是不變的。兩根視距絲在物方象的間距與間隔 成正比cnafnDDnfa所以nDaf100100，所以fDn普通制造儀器時令視距丈量一、視野程度時 十字絲板上有兩根視距絲，它們在物鏡光心處的張角根本是不變的。兩根視距絲在物方象的間距與間隔 成正比ntgnafnD100)2/(所以431002，所以afctgfDnnD

9、banab100（尺間隔）1.視距公式：視距公式： (4-3-1) (4-3-3)2.高差公式：高差公式： (4-3-4) 一一. .視野程度時視距丈量公式視野程度時視距丈量公式liHhHHlihAABnb二、視野傾斜時)(bacsDhialD由于視野與水準尺不垂直nab)(bacsa a , b b ,nnSnb二、視野傾斜時)(bacsDia由于視野與水準尺不垂直nab)(bacsa a , b b ,nncoscos22nnnnSnb二、視野傾斜時)(bacsDhialD由于視野與水準尺不垂直nab)(bacsa a , b b ,nncoscos22nnnn2cos)(100cosco

10、s)(100baSDbaSSnb二、視野傾斜時)(bacsDhialD由于視野與水準尺不垂直nab)(bacscosnn 2cos)(100baDSliDtgh4-4 光電測距1948年瑞典AGA廠推出了第一臺光波測距儀隨著需求的增長和光學、微電子學的開展使電磁波測距的技術迅速開展。進一步推進了丈量學的開展雖然GPS運用很廣，短程電磁波測距儀依然大有用途電磁波測距儀的分類按載波分微波測距儀激光測距儀紅外光測距儀按測程分遠長程測距儀中、短程測距儀瑞典AGA公司消費的AGA-8激光測距儀用5mw氦氖氣體激光器白天測40km，夜間可測60km精度：5mm+1ppmT2+DI10，1968年Wild推

11、出的第一臺紅外測距儀Wild消費的微波測距儀電子全站儀電子全站儀棱棱鏡鏡全全站站儀儀棱鏡與基座n以下圖是南方測繪公司消費的ND3000紅外相位式測距儀，n它自帶望遠鏡，望遠鏡的視準軸、發(fā)射光軸和接納光軸同軸，n有垂直制動螺旋和微動螺旋，可以安裝在光學經(jīng)緯儀上或電子經(jīng)緯儀上。n測距時，測距儀瞄準棱鏡測距，經(jīng)緯儀瞄準棱鏡丈量豎直角，n經(jīng)過測距儀面板上的鍵盤，將經(jīng)緯儀丈量出的天頂距輸入到測距儀中，n可以計算出程度間隔 和高差。n右圖為與儀器配套的棱鏡對中桿與支架，它用于放樣丈量非常方便。 n以下圖是徠卡公司消費的以下圖是徠卡公司消費的DI1000紅外相位式測距儀，紅外相位式測距儀，n它不帶望遠鏡，發(fā)

12、射光軸和接納光軸是分立的，它不帶望遠鏡，發(fā)射光軸和接納光軸是分立的，n儀器經(jīng)過公用銜接安裝安裝到徠卡公司消費的光學經(jīng)緯儀或電子經(jīng)緯儀儀器經(jīng)過公用銜接安裝安裝到徠卡公司消費的光學經(jīng)緯儀或電子經(jīng)緯儀上。上。n測距時，當經(jīng)緯儀的望遠鏡瞄準棱鏡下的照準覘牌時，測距時，當經(jīng)緯儀的望遠鏡瞄準棱鏡下的照準覘牌時，n測距儀的發(fā)射光軸就瞄準了棱鏡，測距儀的發(fā)射光軸就瞄準了棱鏡，n運用儀器的附加鍵盤將經(jīng)緯儀丈量出的天頂距輸入到測距儀中，運用儀器的附加鍵盤將經(jīng)緯儀丈量出的天頂距輸入到測距儀中，n即可計算出程度間隔即可計算出程度間隔 和高差。和高差。 2.1.2 2.1.2 電磁波測距分類電磁波測距分類光波測距儀光波

13、測距儀 AGA 2AAGA 2A激光測距儀激光測距儀 AGA8AGA8微波測距儀微波測距儀 CMW20CMW20紅外測距儀紅外測距儀 DI5DI5一、電磁波測距原理 設電磁波在測距儀與反光鏡協(xié)作目的之間往返的時間為t。那么測距儀至反光鏡的間隔 CtS21光在真空中的傳播速度為C0=299792458米/秒。1. 1. 脈沖法測距脈沖法測距tcD21 1. 1.脈沖法測距脈沖法測距脈沖法測距原理框圖時標脈沖電子門計數(shù)顯示觸發(fā)器放大器光脈沖發(fā)生器光電接納器fcpt2D 2.1.3 2.1.3 脈沖法測距運用脈沖法測距運用- -激光測衛(wèi)激光測衛(wèi)激光往返時間激光往返時間t間隔間隔 D協(xié)作目的協(xié)作目的

14、ERS-2ERS-2衛(wèi)星衛(wèi)星 2.1.3 2.1.3 脈沖法測距運用脈沖法測距運用- -激光測衛(wèi)激光測衛(wèi)上海人衛(wèi)站上海人衛(wèi)站一、電磁波測距原理 設電磁波在測距儀與反光鏡協(xié)作目的之間往返的時間為t。那么測距儀至反光鏡的間隔 CtS21現(xiàn)代測時的精度可達10-8秒，但引起的間隔 誤差達 1.5m光在真空中的傳播速度為C0=299792458米/秒。電磁波測距原理 按電磁波實際： 光是電磁波，其數(shù)學表達式為: 它表達了光波在轉(zhuǎn)播空間任一位置上電磁振動的形狀。 其中：)sin(0tAEfCfCCTTTfftA；播的距離稱為波長；波在一個振動周期內(nèi)傳變化一次的時間；是周期，即正弦波循環(huán)是頻率，的值，是單

15、位時間內(nèi)相位變化是初始相位；是相位；是振幅；100S)(2)(2121NNCtSfTCfCCTTNTt)2()2(2N電磁波測距原理 設光從發(fā)射器發(fā)出，抵達反光鏡后前往儀器的接納器，稱為信號2。而從發(fā)射器發(fā)出的光分出一路直接進入處置安裝，稱為信號1。這兩個信號之間存在相位差和整周數(shù)N。是余尺長稱為光尺長，而22222NS利用相位器可測定，但而不能求得“整周數(shù)N。 因此只可以求得“余長，而不能求得整長。調(diào)制波 短程的電磁波測距儀常用砷化鎵GaAs發(fā)出的紅外激光波長約0.87m。顯然不能用它測距的信號。無線電技術可以對電磁波的振幅、頻率、相位加以調(diào)制使其隨時間按一定的規(guī)律變化。在GaAs激光器上注

16、入按調(diào)制規(guī)律變化的電流后可以使激光器按同樣的規(guī)律改動發(fā)光的強度。調(diào)制波的頻率遠小于紅外激光的頻率，還可以用多個頻率的調(diào)制波加載在紅外激光波上。電磁波測距原理 測距儀把一定波長的電磁波從A點射向B點，經(jīng)B點的反光棱鏡反射后由測距儀接納，射出與接納波之間的相位差可用微電子技術自動丈量是電磁波在AB點之間往返時間的函數(shù)表達式。用它可以算得測距儀至反光鏡之間斜距長度的“尾數(shù)。用幾個不同波長的電磁波調(diào)制波丈量同一段間隔 可以既擴展測程又堅持精度。測程和精度 測相的精度是有限的。例如可以把細分1000倍，那么丈量的精度為測尺的1/1000。設 ，這時最小讀數(shù)為cm。m102電子尺假設要提高讀數(shù)精度，就應縮

17、短電子尺。但由于憑一個無法求得整尺段數(shù)N，即不知待測間隔 的大數(shù)。就是說：用短的電子尺丈量精度高但測程小。假設用長的電子尺能擴展測程，但由于細分技術的限制，不能求得準確的尾數(shù)。即測程大但精度低。用兩個頻率的波兩個不同的電子尺進展丈量，一個用來丈量間隔 的大數(shù)，另一個用于準確丈量間隔 的尾數(shù)。就可以既擴展測程又保證精度。假設需求還可以用更多的頻率丈量。相位丈量要丈量測距信號U1與參考信號U2之間的相位差1濾波：取出調(diào)制波頻率低的信號2混頻：把調(diào)制波信號與“本振信號混合，經(jīng)處置后可以得到頻率更低以便于更準確丈量相位差，但相位照舊的差分信號相位丈量3把正弦波處置成方波4把U1和U2分別接在門電路的兩

18、個觸發(fā)器上，U2負跳變時把與門翻開，U1負跳變時把與門封鎖。在門開啟的這段時間內(nèi)讓計數(shù)脈沖經(jīng)過，從而可以測得。測距信號參考信號本振信號混頻混頻濾波濾波調(diào)制波測距信號調(diào)制波參考信號更低頻率測距信號更低頻率參考信號測相器測相器內(nèi)光路 當內(nèi)光路棱鏡移到出光口時丈量到內(nèi)光路的“間隔 移開內(nèi)光路棱鏡后丈量到外光路的“間隔 外光路“間隔 減去內(nèi)光路“間隔 后才是需求丈量的間隔 。 這是消除儀器系統(tǒng)誤差的重要措施之一電磁波測距成果的處置1儀器常數(shù)矯正乘常數(shù)矯正數(shù)加常數(shù)矯正數(shù)2氣候矯正3傾斜矯正RSSRCSc使用。在手算時也有輔助表格等工具可改正數(shù)。象參數(shù)后對所測距離加站上的氣傳感器，可自動感知測有的函數(shù)?，F(xiàn)

19、在多數(shù)儀器氣壓，氣溫是波長氣象改正系數(shù)ptAASSA21cos2ShSS一、乘常數(shù)矯正 電磁波測距好象是用電子尺丈量的。假設電子尺不準就會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。這就是乘常數(shù)。 乘常數(shù)主要是由調(diào)制頻率偏離設計值引起的。乘常數(shù)是尺度比例系數(shù)，可以經(jīng)檢定求得。電磁波測距成果的處置RSSR22SN二加常數(shù) 測距儀的機械中心與調(diào)制波發(fā)射和接納的等效面不一致；測距儀的機械中心與內(nèi)光路等效面不一致使儀器產(chǎn)生與所測間隔 長短無關的加常數(shù)。 加常數(shù)經(jīng)過檢定可以求得。CSc電磁波測距成果的處置3氣候矯正電子尺長是光速的函數(shù)而光速又是折射率的函數(shù)空氣的折射率首先與波長有關物理學家測算得fC22nCC0421CBAn7772

20、10136. 010288.161004.2876%03. 007600CBACOmmHgemmHgPCt，在標準大氣條件下3氣候矯正空氣的折射率也與氣候條件有關儀器制造者根據(jù)儀器所用電磁波的波長并顧及普通任務時的參考溫度及規(guī)范氣壓的濕度設定空氣的折射率。假照實踐任務時的大氣條件與此參考條件一樣，就不加氣候矯正數(shù)。否那么要相對于參考折射率加矯正數(shù)。表格等工具計算改正數(shù)得的氣象參數(shù)借助輔助個點上測改正數(shù)。也可以根據(jù)幾數(shù)，自動對所測距離加的氣象參器，可自動感知測站上現(xiàn)在多數(shù)儀器帶有傳感是空氣膨脹系數(shù)折射率就是標準大氣條件下的式中16.273110155. 0760111070ggqntePtnn

21、測距時的大氣壓力與空氣溫度丈量設備 測距時的大氣壓力與空氣溫度丈量設備n高端全站儀簡介高端全站儀簡介n索佳超站儀索佳超站儀SET3110MV 在全站儀的根底上添加攝像部。 測角精度為3，測距精度為2mm+2ppm， 測程為1.6km(單棱鏡)和80m(反射片)。 攝像部有兩個38萬像素的廣角和聚焦CCD， 廣角CCD搜索棱鏡，分辨率小于2； 近焦CCD聚焦望遠鏡視準軸于棱鏡中心，分辨率小于5。 光線昏暗時，可翻開儀器的發(fā)光二極管， 發(fā)射白色亮光照亮現(xiàn)場的反射目的， 使其影像明晰地顯示在屏幕上。 無程度、垂直微動螺旋和目鏡， 不能手動操作望遠鏡觀測目的， 只能經(jīng)過攝像部對目的拍攝的圖像進展自動照

22、準。 儀器能自動照準棱鏡并對焦， 也可以切換到手動對焦形狀。 聚焦視準和廣角CCD切換 廣角 CCD 用于搜索棱鏡 (17, 35M像素) 聚焦視準 CCD 用于棱鏡丈量 (47, 35M像素)聚焦CCD照準圖像 #1廣角 70m 視準 廣角 131m 視準廣角 517m 視準廣角 1073m 視準圖像 #1 運用屏幕右邊的控制塊切換到視準CCD照準手動對焦。 廣焦 CCD 觀測終了后自動切換到視準CCD，并自動對焦。自動對焦棱鏡無須觸摸儀器，一切的丈量都可以經(jīng)過屏幕遙控實現(xiàn)無須觸摸儀器，一切的丈量都可以經(jīng)過屏幕遙控實現(xiàn)控制點丈量控制點丈量發(fā)射白色亮光照亮現(xiàn)場反射目的 觀測影像和數(shù)據(jù)經(jīng)過有線電

23、纜、 無線通訊(如傳呼機、手機等) 或經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)同步傳輸?shù)饺魏尉邆錀l件的計算機 或手持電腦上。 用電纜將儀器的RS232C接口和攝像信號接口 分別與計算機通訊口銜接， 現(xiàn)場目的的影像實時顯示在PC機屏幕上， 用鼠標操作軟件即可對現(xiàn)場目的進展觀測。 可與索佳變形監(jiān)測運用程序控制系統(tǒng)“MOS 組成超站儀定點觀測系統(tǒng)， 經(jīng)過程序控制儀器在指定的時間段里， 不延續(xù)地對一系列指定目的自動鎖定觀測。 超站儀定點觀測系統(tǒng)能滿足對 地震、火山、滑坡、大壩、隧道、大型工程現(xiàn)場 進展各類高精度自動監(jiān)測的需求。 運用變形丈量軟件，丈量人員可經(jīng)過屏幕監(jiān)控變形值運用變形丈量軟件，丈量人員可經(jīng)過屏幕監(jiān)控變形值變形丈量變形

24、丈量丈量人員手持棱鏡像將在屏幕中顯示出來，供確認地形丈量/放樣丈量 地形丈量/放樣丈量1、拓普康、拓普康GPT-3000L長測程長測程(1200m)無棱鏡測距全站儀無棱鏡測距全站儀徠卡徠卡DISTO A8手持激光測距儀手持激光測距儀帶傾斜傳感器帶傾斜傳感器便于丈量坡度；便于丈量坡度；帶帶3數(shù)碼瞄準器數(shù)碼瞄準器便于白天丈量。便于白天丈量。4-5光電測距的歸算光電測距普通測得是兩點之間的斜距S，觀測垂直角， 從而計算程度間隔 和高差。一、近間隔一、近間隔 的平距和高差計算的平距和高差計算一、近間隔一、近間隔 的平距和高差計算的平距和高差計算B點的高程：點的高程：ABABhHH已測得AB的傾斜間隔

25、S， A點高程HA，在測站A觀測垂直角，那么：cosSD liDtghABliSsin二二.普通情況下的普通情況下的三角高程丈量三角高程丈量二二.遠間隔遠間隔 的三角高程丈量計算的三角高程丈量計算 P110 表4-6按(4-5-7)式列出部分范圍內(nèi)的兩差矯正值(略) 間隔 較遠時，思索地球曲率差和大氣折光差對高差的影響，應對觀測得到的高差加“兩差矯正：RDkfRDf222221球差矯正：氣差矯正：RDkfff21221(4-5-7)兩差矯正：k=0.1421ffliDtghAB二、普通情況下的三角高程丈量二、普通情況下的三角高程丈量 間隔 較遠時，思索地球曲率差和大氣折光差對高差的影響，應對觀測得到的高差加“兩差矯正：fliDtghabab二、普通情況下的三角高程丈量二、普通情況下的三角高程丈量 間隔 較遠時，思索地球曲率差和大氣折光差對高差的影響，應對觀測得到的高差加“兩