《土木工程測(cè)量》 教案 第4章 距離測(cè)量

土木工程測(cè)量課程教案課程名稱：土木工程測(cè)量課程號(hào)：課程學(xué)分：2參考學(xué)時(shí)：32課程性質(zhì)：專業(yè)必修課適用專業(yè)：土木工程類專業(yè)上課時(shí)間：授課教師：負(fù)責(zé)人：審核單位：年月日-1-一、課程基本信息課程名稱土木工程測(cè)量課程號(hào)課程性質(zhì)專業(yè)必修課開課部門課程負(fù)責(zé)人課程團(tuán)隊(duì)授課學(xué)期學(xué)分/學(xué)時(shí)2/32授課語言漢語先修課程土木工程測(cè)量課程簡(jiǎn)介本課程作為城市軌道交通技術(shù)專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，是城市軌道交通技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)過程中重要的一環(huán)，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)做鋪墊，讓學(xué)生更好在工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、竣工和運(yùn)營(yíng)管理等階段所進(jìn)行的測(cè)量工作，以及在工程建設(shè)中發(fā)揮更好的管理作用。課程內(nèi)容主要包括地形圖相關(guān)概念，控制測(cè)量的定義、分類、作用與實(shí)施，地形圖碎部測(cè)量方法，地形圖繪圖、整飾及應(yīng)用，施工測(cè)量的含義、特點(diǎn)及實(shí)施，全站儀坐標(biāo)測(cè)量及坐標(biāo)放樣的原理及操作過程，建筑工程測(cè)量相關(guān)知識(shí)，建筑縱橫斷面測(cè)量，橋梁與地下工程測(cè)量相關(guān)內(nèi)容，變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)概念，沉降監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)的方法及操作過程等。課程主要目標(biāo)掌握控制測(cè)量和地形圖碎部的測(cè)量的含義與實(shí)施過程，掌握施工測(cè)量的含義與實(shí)施過程，掌握變形監(jiān)測(cè)的含義及沉降監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)的方法及操作過程。通過該課程的學(xué)習(xí)能夠讓同學(xué)們更好的體會(huì)土木工程測(cè)量在工程建設(shè)中的作用，具有更強(qiáng)的實(shí)踐操作能力、學(xué)習(xí)能力、團(tuán)體協(xié)作能力和獨(dú)立解決事情的能力，擁有大國(guó)工匠精神以及更強(qiáng)的責(zé)任感。授課班級(jí)課程授課教案第4章，共15章講課主題距離測(cè)量學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)教學(xué)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)理解距離測(cè)量的基本原理，掌握全站儀的基本結(jié)構(gòu)及使用、電磁波測(cè)距的方法，了解鋼尺量距和視距測(cè)量的方法以及各種測(cè)距方法的誤差分析和注意事項(xiàng)。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)本章的主要內(nèi)容包括距離測(cè)量（包括鋼尺量距、視距測(cè)量和電磁波測(cè)距）的基本原理和方法及各種測(cè)距方法的誤差分析和注意事項(xiàng)，全站儀的基本結(jié)構(gòu)及使用。教學(xué)設(shè)計(jì)授課提綱及重難點(diǎn)分析教學(xué)方法及課程思政設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)間4.1鋼尺量距鋼尺量距是利用鋼尺以及輔助工具直接測(cè)量地面上兩點(diǎn)間的水平距離，又稱為距離丈量，通常在短距離測(cè)量中使用。對(duì)于精度要求較高的距離測(cè)量，應(yīng)采用電磁波測(cè)距。本節(jié)主要講述鋼尺量距的方法。4.1.1鋼尺量距的—般方法鋼尺量距的主要工具是鋼尺（又稱鋼卷尺）。常用的鋼尺長(zhǎng)度有20m、30m和50m，其基本分劃有cm和mm兩種。以cm分劃的鋼尺在起始的10cm內(nèi)為mm分劃。根據(jù)零點(diǎn)位置的不同，鋼尺分為端點(diǎn)尺和刻線尺兩種，如圖4-1所示。端點(diǎn)尺是以尺的最外端作為尺的零點(diǎn)，刻線尺是以尺前端的一刻線作為尺的零點(diǎn)。一般鋼尺量距的輔助工具有測(cè)釘、標(biāo)桿、垂球，精密量距時(shí)，還需要彈簽秤、溫度計(jì)等。當(dāng)?shù)孛鎯牲c(diǎn)之間的距離大于鋼尺的一個(gè)尺段時(shí)，就需要在直線方向上標(biāo)定若干分段點(diǎn)，以便于用鋼尺分段丈量，這項(xiàng)工作稱為直線定線。直線定線的目的是使這些分段點(diǎn)在待量直線端點(diǎn)的連線上，直線定線的方法主要有目測(cè)定線和儀器定線兩種。目測(cè)定線主要利用單眼目測(cè)，在直線的兩個(gè)端點(diǎn)分別豎立標(biāo)桿，觀測(cè)者甲位于直線的一個(gè)端點(diǎn)，指揮手持標(biāo)桿者乙左右移動(dòng)，直至移動(dòng)至直線上。儀器定線主要是將帶有望遠(yuǎn)鏡裝置的測(cè)量?jī)x器架設(shè)在直線的一個(gè)端點(diǎn)上，照準(zhǔn)另一個(gè)端點(diǎn)，水平方向上固定望遠(yuǎn)鏡，垂直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，照準(zhǔn)地面后進(jìn)行標(biāo)定即可。鋼尺量距的一般方法有平量法和斜量法兩種。4.1.2鋼尺量距的精密方法用一般方法量距，其相對(duì)誤差只能達(dá)到1/5000~1/1000。當(dāng)要求量距的相對(duì)誤差更小，例如為1/40000~1/10000時(shí)，就需要用精密方法進(jìn)行丈量。精密方法量距的主要工具為鋼尺、彈簽秤、溫度計(jì)等。其中，鋼尺必須經(jīng)過檢驗(yàn)，并得到其檢定的尺長(zhǎng)方程式。4.1.3鋼尺量距的誤差分析及注意事頂影響鋼尺量距精度的因素很多，主要有定線誤差、尺長(zhǎng)誤差、溫度測(cè)定誤差、鋼尺傾斜誤差、拉力不均誤差、鋼尺對(duì)準(zhǔn)誤差、讀數(shù)誤差等。鋼尺在使用中應(yīng)注意以下問題：（1）鋼尺易生銹。工作結(jié)束后，應(yīng)用軟布擦去鋼尺上的泥和水，涂上機(jī)油，以防生銹。（2）鋼尺易折斷。如果鋼尺出現(xiàn)卷曲，切不可用力硬拉。（3）在行人和車輛多的地區(qū)量距時(shí)，中間要有專人保護(hù)，嚴(yán)防鋼尺被車輛壓過而折斷。（4）不能將鋼尺沿地面拖拉，以免磨損尺面刻畫線。（5）收卷鋼尺時(shí)，應(yīng)按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)鋼尺搖柄，切不可逆轉(zhuǎn)，以免折斷鋼尺。25min4.2視距測(cè)量視距測(cè)量是一種根據(jù)幾何光學(xué)原理，用簡(jiǎn)便的操作方法即能迅速測(cè)出兩點(diǎn)間距離的方法。視距測(cè)量是一種間接測(cè)距方法，普通視距測(cè)量所用的視距裝置是測(cè)量?jī)x器望遠(yuǎn)鏡內(nèi)十字絲分劃板上的視距絲，視距絲是與十字絲中絲平行間距相等的上、下兩根短絲。普通視距測(cè)量是利用十字絲分劃板上的視距絲和刻有厘米分劃的視距尺（可用普通水準(zhǔn)尺代替），根據(jù)幾何光學(xué)原理，測(cè)定兩點(diǎn)間的水平距離。由于十字絲分劃板上視距絲的位置固定，因此通過視距絲的視線所形成的夾角（視角）也是不變的，所以這種方法又稱為定角視距測(cè)量。視線水平時(shí)，視距測(cè)量測(cè)得的是水平距離。如果視線是傾斜的，為求得水平距離，還應(yīng)測(cè)出豎直角。有了豎直角，也可以求得測(cè)站至目標(biāo)的高差。所以說，視距測(cè)量也是一種能同時(shí)測(cè)得兩點(diǎn)之間的距離和高差的測(cè)量方法。視距測(cè)量操作簡(jiǎn)單，作業(yè)方便，觀測(cè)速度快，一般不受地形條件的限制。但視距測(cè)量測(cè)程較短，測(cè)距精度較低，在比較好的外界條件下測(cè)距相對(duì)精度僅為1/300~1/200，低于鋼尺量距的測(cè)距精度；測(cè)定高差的精度低于水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量的。因此，視距測(cè)量廣泛用于地形測(cè)量的碎部測(cè)量中。4.2.1視距測(cè)量的原理1.視準(zhǔn)軸水平時(shí)的視距計(jì)算公式如圖4-4所示，A、B兩點(diǎn)間的距離D為待測(cè)距離，在A點(diǎn)安置經(jīng)緯儀，在B點(diǎn)豎立視距尺，使望遠(yuǎn)鏡視線水平（使豎直角為零，即豎直度盤讀數(shù)為90°或270°），照準(zhǔn)B點(diǎn)的視距尺，此時(shí)視線與視距尺垂直。圖4-4中，p—mn為望遠(yuǎn)鏡十字絲分劃板上視距絲的間距，l—MN為視距間隔，f為望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦距，δ為物鏡中心到儀器中心的距離。2.視準(zhǔn)軸傾斜時(shí)的視距計(jì)算公式如圖4-5所示,當(dāng)視準(zhǔn)軸傾斜時(shí),由于視線不垂直于視距尺，所以不能直接應(yīng)用式（4-14）計(jì)算視距。由于P角很小，約為34’,所以有人M°M’=a，即只要將視距尺繞視距尺線與望遠(yuǎn)鏡視線的交點(diǎn)。4.2.2視距測(cè)量的觀測(cè)和計(jì)算視距測(cè)量主要用于地形測(cè)量，測(cè)定測(cè)站點(diǎn)至地形點(diǎn)的水平距離及地形點(diǎn)的高程。視距測(cè)量的觀測(cè)按下列步驟進(jìn)行：（1）在控制點(diǎn)A上安置經(jīng)緯儀，作為測(cè)站點(diǎn)。量取儀器高i（取至厘米）并抄錄測(cè)站點(diǎn)的高程HA（取至厘米）。（2）立標(biāo)尺于欲測(cè)定其位置的地形點(diǎn)上，盡量使尺子豎直，尺面對(duì)準(zhǔn)儀器。（3）一般用經(jīng)緯儀盤左位置進(jìn)行觀測(cè)。（4）按公式計(jì)算出水平距離和高差，然后根據(jù)A點(diǎn)高程計(jì)算出B點(diǎn)高程。4.2.3視距測(cè)量的誤差分析及注意事頂1.視距測(cè)量的誤差分析視距測(cè)量的主要誤差來源有視距絲在標(biāo)尺上的讀數(shù)誤差、標(biāo)尺不豎直的誤差、垂直角觀測(cè)誤差及外界氣象條件的影響等。1）讀數(shù)誤差視距間隔l由上、下絲在標(biāo)尺上的讀數(shù)相減而得。由于視距乘常數(shù)K=100，因此視距絲的讀數(shù)誤差將擴(kuò)大100倍地影響所測(cè)距離，即若讀數(shù)誤差為1mm，則影響距離為0.1m。所以，在標(biāo)尺上讀數(shù)前，必須消除視差，讀數(shù)時(shí)應(yīng)十分仔細(xì)。2）標(biāo)尺不豎直的誤差3）垂直角觀測(cè)誤差4）外界氣象條件的影響（1）大氣折光的影響。視線穿過大氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射，使光程從直線變?yōu)榍€，造成誤差。由于視線靠近地面時(shí)折光大，所以規(guī)定視線應(yīng)高出地面1m以上。（2）大氣揣流的影響。空氣的揣流使視距成像不穩(wěn)定，造成視距誤差。當(dāng)視線接近地面或水面時(shí)，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重，所以視線要高出地面1m以上。2.視距測(cè)量的注意事項(xiàng)（1）觀測(cè)時(shí)應(yīng)抬高視線，使視線高出地面1m以上，以減少垂直折光的影響。（2）為減少水準(zhǔn)尺傾斜誤差的影響，在立尺時(shí)應(yīng)將水準(zhǔn)尺豎直，盡量采用帶有水準(zhǔn)器的水準(zhǔn)尺。（3）水準(zhǔn)尺一般應(yīng)選擇整尺，若用塔尺，則應(yīng)注意檢查各節(jié)的接頭處是否正確。（4）進(jìn)行豎直角觀測(cè)時(shí)，應(yīng)注意將豎盤指標(biāo)水準(zhǔn)管氣泡居中或?qū)⒇Q盤自動(dòng)補(bǔ)償開關(guān)打開。在觀測(cè)前，應(yīng)對(duì)豎盤指標(biāo)差進(jìn)行檢驗(yàn)與校正，確保豎盤指標(biāo)差滿足要求。（5）觀測(cè)應(yīng)在風(fēng)力較小、成像較穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。25min4.3電磁波測(cè)距電磁波測(cè)距（electro-magneticdistancemeasuring，EDM）是利用電磁波作為載波傳輸測(cè)距信號(hào)，以測(cè)定兩點(diǎn)間距離的一種方法。以電磁波測(cè)距原理制造的測(cè)距儀器稱為電磁波測(cè)距儀。電磁波測(cè)距儀是20世紀(jì)中葉問世的一種進(jìn)行距離測(cè)量的新型儀器。經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善，現(xiàn)代測(cè)距儀已具有測(cè)量速度快、方便、受地形影響小、測(cè)程長(zhǎng)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。從測(cè)距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀（或電子經(jīng)緯儀）組合，到現(xiàn)在的全站儀，可完成角度、距離、高差和坐標(biāo)測(cè)量工作，并且能將測(cè)量成果自動(dòng)地傳輸?shù)酵獠看鎯?chǔ)器中。因此，電磁波測(cè)距已被廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量和地形測(cè)量中。4.3.1電磁波測(cè)距儀的分類電磁波測(cè)距儀可以按照采用的載波、測(cè)程、測(cè)量精度和基本功能進(jìn)行分類。（1）電磁波測(cè)距儀按其所采用的載波劃分為①用微波段的無線電波作為載波的微波測(cè)距儀；②用激光作為載波的激光測(cè)距儀；③用紅外光作為載波的紅外測(cè)距儀。激光測(cè)距儀和紅外測(cè)距儀又統(tǒng)稱為光電測(cè)距儀。微波測(cè)距儀和激光測(cè)距儀多屬于長(zhǎng)程測(cè)距儀，測(cè)程可達(dá)60km，一般用于大地測(cè)量；而紅外測(cè)距儀屬于中、短程測(cè)距儀（測(cè)程為15km以下），一般用于小地區(qū)控制測(cè)量、地形測(cè)量、地籍測(cè)量和工程測(cè)量等。（2）電磁波測(cè)距儀按測(cè)程劃分為①短程測(cè)距儀，測(cè)程<5km；②中程測(cè)距儀，測(cè)程為5~15km；③遠(yuǎn)程測(cè)距儀，測(cè)程>15km。（3）電磁波測(cè)距儀按測(cè)量精度劃分為①I級(jí)測(cè)距儀，mD<5mm；②Ⅱ級(jí)測(cè)距儀，5mm≤mD≤10mm；③Ⅲ級(jí)測(cè)距儀，mD>10mm，其中，mD為1km測(cè)距的中誤差。（4）電磁波測(cè)距儀按基本功能劃分為①專用型測(cè)距儀：測(cè)距儀安裝在基座上，只用于測(cè)量距離。②半站型測(cè)距儀：測(cè)距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀按一定的形式組合安裝在三腳架上。測(cè)距儀與光學(xué)經(jīng)緯儀組合后的儀器功能較強(qiáng)，便于及時(shí)完成距離測(cè)量和角度測(cè)量以及進(jìn)行其他數(shù)據(jù)處理等工作。③全站型測(cè)距儀：測(cè)距儀與光電經(jīng)緯儀安裝成為組合式的儀器，或者測(cè)距儀與光電經(jīng)緯儀結(jié)合成為一體化的儀器。這種儀器能夠及時(shí)、快速完成距離、角度測(cè)量和其他數(shù)據(jù)處理等工作。4.3.2電磁波測(cè)距的基本原理紅外測(cè)距儀一般采用GaAs（確化稼）發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光作為光源，其波長(zhǎng)λ的范圍為0.85~0.93μm。對(duì)一臺(tái)紅外測(cè)距儀來說，λ是一個(gè)常數(shù)，則由式（4-25）可知，影響光速的大氣折射率n只隨大氣溫度t、氣壓p而變化。這就要求我們?cè)诠怆姕y(cè)距儀作業(yè)中，必須實(shí)時(shí)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)的大氣溫度和氣壓，并對(duì)所測(cè)距離施加氣象改正。根據(jù)測(cè)量光波在待測(cè)距離D上往、返傳播一次所需要時(shí)間t2D的不同，光電測(cè)距儀可分為脈沖式和相位式兩種，相應(yīng)的測(cè)距法有脈沖式光電測(cè)距和相位式光電測(cè)距。1.脈沖式光電測(cè)距脈沖式光電測(cè)距是指用紅外測(cè)距儀測(cè)定A、B兩點(diǎn)間的距離D時(shí)，在待測(cè)距離一端安置測(cè)距儀，另一端安放反光鏡，測(cè)距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)反光鏡反射后回到測(cè)距儀。2.相位式光電測(cè)距相位式光電測(cè)距是指將發(fā)射光波的光強(qiáng)調(diào)制成正弦波的形式，通過測(cè)量正弦光波在待測(cè)距離上往、返傳播的相位移來解算距離的。4.3.3全站儀概述近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，全站儀測(cè)量技術(shù)越來越成熟，全站儀被廣泛應(yīng)用到各種測(cè)量工作中。全站儀是一種集光電、計(jì)算機(jī)、微電子通訊、精密機(jī)械加工等高精尖技術(shù)于一體的先進(jìn)測(cè)量?jī)x器，它可方便、高效、可靠地完成多種工程測(cè)量工作，是目前測(cè)量工作中使用頻率最高的儀器之一，具有常規(guī)測(cè)量?jī)x器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是新一代綜合性勘察測(cè)繪儀器。全站儀集測(cè)距、測(cè)角和常用測(cè)量軟件功能于一體，由微處理機(jī)控制，自動(dòng)測(cè)距、測(cè)角，自動(dòng)歸算水平距離、高差、坐標(biāo)增量等，同時(shí)還可自動(dòng)顯示、記錄、存儲(chǔ)和輸出數(shù)據(jù)，是一種智能型的測(cè)繪儀器。與普通儀器相比，全站儀具有如下特點(diǎn)：（1）具有普通儀器（如經(jīng)緯儀）的全部功能。（2）能在數(shù)秒內(nèi)測(cè)定距離、坐標(biāo)值，測(cè)量方式分為精測(cè)、粗測(cè)、跟蹤三種，可任選其中一種。（3）角度、距離、坐標(biāo)的測(cè)量結(jié)果在液晶屏幕上自動(dòng)顯示，不需人工讀數(shù)、計(jì)算，測(cè)量速度快、效率高。（4）測(cè)距時(shí)儀器可自動(dòng)進(jìn)行氣象改正。（5）系統(tǒng)參數(shù)可視需要進(jìn)行設(shè)置、更改。（6）菜單式操作，可進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。提示語言有中文、英文等。（7）內(nèi)存大，一般可存儲(chǔ)幾千個(gè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，能充分滿足野外測(cè)量需要。（8）數(shù)據(jù)可錄入電子手簿，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。（9）儀器內(nèi)置多種測(cè)量應(yīng)用程序，可視實(shí)際測(cè)量工作需要，隨時(shí)調(diào)用。全站儀作為一種現(xiàn)代大地測(cè)量?jī)x器，它的主要特點(diǎn)是同時(shí)具備電子經(jīng)緯儀測(cè)角和測(cè)距兩種功能，并由電子計(jì)算機(jī)控制、采集、處理和存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)，使測(cè)量數(shù)字化、后處理自動(dòng)化。全站儀除了應(yīng)用于常規(guī)的控制測(cè)量、地形測(cè)量和工程測(cè)量，還廣泛地應(yīng)用于變形測(cè)量等領(lǐng)域。1.全站儀的發(fā)展歷程全站儀從出現(xiàn)到發(fā)展至今才短短十幾年，已發(fā)生劃時(shí)代的飛躍，其發(fā)展大致可分為四代。第一代：半站型全站儀。第二代：可接手簿全站儀。第三代：可插磁卡全站儀。第四代：電腦化全站儀。2.全站儀的結(jié)構(gòu)、操作1）全站儀的結(jié)構(gòu)全站儀是集光、機(jī)、電于一體的高科技儀器設(shè)備，其中軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)和望遠(yuǎn)鏡光學(xué)照準(zhǔn)系統(tǒng)與電子經(jīng)緯儀相比沒有大的差異，而電子系統(tǒng)主要由電子測(cè)距單元、電子測(cè)角及微處理器單元和電子記錄單元構(gòu)成。2）全站儀的操作步驟全站儀的操作與電子經(jīng)緯儀的差異也不大。下面主要介紹采用激光對(duì)中法進(jìn)行對(duì)中與整平的具體步驟。第一步：安置