《測量2角度測量》PPT課件.ppt

1、第二章 角度測量 21 角度測量的概念 22 光學經緯儀 23 光學經緯儀的基本操作 24 水平角觀測方法 25 豎直角觀測方法,角度測量是工程測量的基本工作內容之一。 用以測量角度的儀器有經緯儀和全站儀等。 角度包括水平角和豎直角。 本章主要介紹角度測量的基本概念，光學經緯儀的結構和使用方法，水平角、垂直角的觀測方法等。,21 角度測量的概念 一.水平角的定義 水平角是相交的兩條方向線在同一水平面上的投影所夾的角度，也是包含對應方向線的兩個豎直面之間的兩面角。 在工程測量中，上述的兩條方向線是指某地面點N分別與兩個目標點M、P的連線。 方向線NM與NP之間的水平角是在過N點的水平面上直線Nm

2、與Np間的夾角。 水平角不僅可以在過N點的水平面上求得，在與過N點的鉛垂線正交的任何一個水平面內均可量度。,二. 水平角測量原理 A、B、C 為地面上的三個點。 欲觀測方向線BA與BC之間的水平角。 將一臺經緯儀架設在B點上。經緯儀上有一個可繞其中心水平轉動的望遠鏡和一個有均勻刻度（順時針方向注記角度值）的水平圓盤。 水平圓盤的中心位于過B點的鉛垂線上的O點處，儀器架好后不再移動。,設用望遠鏡分別照準A、C時，方向線OA、OC在水平圓盤上的投影Oa、Oc所截取的刻度數為a、c。 兩個刻度數之差就是所求的水平角： c a 上述的水平圓盤叫做水平度盤；刻度數a和c分別叫做方向線BA和BC在度盤上的

3、水平方向觀測值。,三.豎直角的定義 豎直角是指在同一豎直面內，觀測視線與過起點的水平線之間的夾角。 豎直角又稱作垂直角或高度角，它有仰角和俯角之分。 視線在水平線上方的稱為仰角，角值為正，如右圖中的A。 視線在水平線下方的稱為俯角，角值為負，如右圖中的C 。,與豎直角相關聯的角度名還有“天頂距”。 天頂距: 從過起點的天頂方向至觀測視線的夾角，用Z表示。 對同一條觀測視線而言，天頂距Z與豎直角的關系為： Z = 90,四.豎直角測量原理 跟測量水平角類似，在豎直面內設置一個有均勻刻劃線的豎直圓盤，使圓盤中心跟視線起點B重合。若視線水平時豎盤讀數為一常數（如0o或90o），則用望遠鏡照準目標時在

4、豎盤上的讀數值與常數相減即得到該觀測方向的豎直角。 豎直角的大小與豎直圓盤在過起點的鉛垂線上的放置位置有關。,用以測角的儀器必須具有水平圓盤、豎直圓盤、望遠鏡及讀數設備等。,本節(jié)內容回顧 什么叫水平角？如何測量？ 什么叫豎直角？如何測量？,22 光學經緯儀 一. 經緯儀的種類和系列標準 經緯儀的類型主要有兩種：光學經緯儀和電子經緯儀。,電子經緯儀,光學經緯儀,光學經緯儀采用光學度盤和光學測微讀數方式。價格低，性能穩(wěn)定。 電子經緯儀又稱數字經緯儀、光電經緯儀，采用光電（電子）度盤，能以數字形式顯示角度值，便于儲存和記錄數據。電子經緯儀常與光電測距儀結合在一起，構成全站儀。電子經緯儀的價格約為光學

5、經緯儀的10倍。,經緯儀的系列標準： 分為DJ05、DJ07，DJ1，DJ2，DJ6等。 “D”和“J”分別表示“大地測量”中的“大”和“經緯儀”中的“經”字的漢語拼音第一個字母；后面的數字表示儀器的測角精度，如DJ05、DJ6分別表示水平方向一測回的方向中誤差為0.5和6。 工程測量中主要使用DJ6和DJ2經緯儀，通常簡稱J6、J2 。本章主要介紹DJ6的結構和使用方法。,二. DJ6光學經緯儀的基本結構,光學經緯儀由照準部、水平度盤和基座組成。,豎盤指標水準管微動螺旋,(一) . 照準部 照準部是光學經緯儀的核心部件。指位于水平度盤之上、能繞其旋轉軸旋轉的全部部件的總稱。它包括望遠鏡、水準

6、器、橫軸、豎軸、U形支架、豎直度盤、讀數裝置及制動微動設備等。作為一個整體，照準部可繞豎軸旋轉，豎軸是照準部的幾何中心。,照準部的主要構件如下： 望遠鏡 由物鏡、目鏡、調焦（對光）透鏡和十字絲分劃板組成。 物鏡和目鏡都是凸透鏡（組），位置固定；調焦鏡是凹透鏡，可前后移動。轉動望遠鏡對光螺旋（又稱物鏡調焦螺旋），可改變凹透鏡的位置，從而改變物體的成像面。,十字絲分劃板上刻有縱橫交叉的十字絲，分別叫縱絲和橫絲。十字絲是望遠鏡的瞄準標志。 縱絲上有上下兩根對稱的短橫絲，叫視距絲，分別簡稱上絲和下絲。對應地，十字絲中的橫絲叫中絲。 縱絲的下半段為雙絲，用以照準細小目標。 十字絲板的位置是物鏡的成像面（

7、位置）。 十字絲交點與物鏡光心的連線叫做望遠鏡的視準軸。 利用視準軸可獲得空中方向線（即觀測視線），視準軸與橫軸（望遠鏡旋轉軸）的交點是視線的起點。,視準軸,望遠鏡的成象原理： 遠處目標AB發(fā)出的光線經物鏡及調焦透鏡折射后，在十字絲分劃板上形成一倒立的實像ab；通過目鏡放大形成虛像ab，十字絲分劃板也同時放大。 望遠鏡具有放大作用。放大率是指從望遠鏡內看物象的視角與用肉眼直接看同一物體的視角之比，也等于物鏡與目鏡的焦距之比。放大倍率通常為2845倍。,由于各人的明視距離及眼睛的分辨能力不同，并且目標有遠有近，因此用望遠鏡看目標時須進行調焦，又叫對光。調焦分為物鏡調焦和目鏡調焦，一邊觀察目鏡一邊

8、旋轉對應的調焦螺旋即可完成調焦操作。 物鏡調焦的目的是使物體能成像在十字絲平面上；目鏡調焦的目的是能看清十字絲以及成像在十字絲平面上的物象。 目鏡調焦：將望遠鏡對向天空或白色背景，旋轉目鏡調焦螺旋使十字絲清晰。只需進行一次。,物鏡調焦：照準目標后，旋轉望遠對光螺旋（即物鏡調焦螺旋） ，使目標的成像最清晰。因目標遠近不同，故每次照準都需進行物鏡調焦。 視差現象及其消除方法 若對光不好，物體的成像面與十字絲平面不重合，則會出現視差，即物像與十字絲存在相對移動現象。觀察目鏡時上下左右移動眼睛，若物像相對于十字絲移動，即十字絲交點不是始終對準物像的同一位置，說明存在視差。 消除視差的方法是重新進行物鏡

9、調焦。若仍不能消除，則應重新進行目鏡調焦和物鏡調焦。,2. 水準器 水準器用以置平儀器，使水平度盤處于水平狀態(tài)，或使豎軸處于鉛直位置。 水準器常用玻璃制成，由玻璃管開口的一端裝入酒精和乙醚的混合液，經加熱排去空氣后將開口封閉，待液體冷卻后管內形成一個空間，這個空間便是水準氣泡。由于氣泡比液體輕，故它總是會位于水準器的最高處。 水準器的頂面為弧面，在其中心位置刻有標志線。當水準器水平時，氣泡位于標志中心，稱作“氣泡居中”。,水準器頂面中心處圓弧的切線LL叫水準管軸。 設計儀器時，LL垂直于儀器豎軸。 當水準氣泡居中時，LL水平，從而使儀器豎軸處于鉛直位置。 水準器的示平靈敏度與圓弧半徑有關。當標

10、志線間距相同時，半徑越大，靈敏度就越高。 水準器有管水準器和圓水準器兩種。 右圖所示為管水準器。其圓弧半徑大，示平靈敏度高，置平精度高，格值為20 30 。,右圖為圓水準器。其圓弧半徑較小，示平靈敏度和置平精度較低，格值約為8。 圓水準器頂面圓弧中心處的法線oo定義為圓水準器的軸線，簡稱圓水準軸。 圓水準軸平行于儀器豎軸。當圓水準氣泡居中時，豎軸大致處于鉛直位置。,3. 基本軸系 經緯儀的基本軸系包括： （1）望遠鏡視準軸CC （2）橫軸（望遠鏡旋轉軸）HH （3）豎軸（照準部旋轉軸）VV （4）水準管軸LL 儀器狀態(tài)正常時，各軸線之間滿足以下三組垂直關系： 視準軸垂直于橫軸CCHH； 橫軸垂

11、直于豎軸HHVV； 水準管軸垂直于豎軸LLVV； 此外,十字絲縱絲應垂直于橫軸;圓水準軸應平行于豎軸。,4. 制動、微動設備 照準部上通常有兩套“制動、微動”設備，一為水平，一為垂直。見下圖。 只有在已擰緊制動螺旋（順時針擰）的情況下，微動螺旋才起作用。微動幅度有限。 水平制、微動螺旋用以控制照準部繞豎軸的轉動。 垂直制、微動螺旋又叫望遠鏡制、微動，用以控制望遠鏡繞橫軸的轉動。,豎盤指標水準管微動螺旋,（二）. 度盤及其讀數機構 經緯儀上有水平和豎直兩個度盤，用作方向角值的度量基準。度盤是用光學玻璃制成的圓環(huán)，圓環(huán)邊緣刻有間隔相等的分劃線，兩條相鄰分劃線之間的弧長所對應的圓心角值稱為度盤分劃值

12、，通常有20 、 30和1o幾種。度盤分劃線注記按順時針方向增加，每1o注一數字，共有360個度數注記（小于分劃值的角值需通過測微確定） 。,水平度盤固定在金屬盒內，豎軸插入環(huán)心，照準部（含讀數指標，相當于手表指針）可繞其轉動。（指標動，度盤不動） 豎直度盤固定在橫軸的一端，與望遠鏡一起轉動。而豎盤讀數指標則固定在U型支架上。（度盤動，指標不動） 度盤讀數須依賴光學讀數機構實現。利用右圖所示的轉換光路，將度盤刻劃線影像傳送到望遠鏡目鏡旁邊的讀數窗內。 光路A讀水平角值；光路B讀豎直角值。,（三）. 基座 基座的作用：支承儀器，連接經緯儀與三腳架。 基座由軸套、腳螺旋（用以小幅升降儀器）、連接板

13、和連接孔（位于底部中心）組成，如右圖。,（四）.光學對中器 對中器的作用是使儀器的幾何中心（度盤中心）與地面標志點位于同一鉛垂線上。 光學對中器由物鏡、目鏡、分劃板（小圓圈或十字絲）和直角轉向棱鏡等組成，如下圖。 光學對中器的對中精度可達1mm左右。,光學對中器,三. 光學經緯儀的角度測微 由于技術原因，度盤最小分劃值只能達到1o或20 。再細則無法直接分辯。 角度值中小于最小分劃值的尾數部分只能估讀。但直接估讀精度很低（類似于用時針直接估讀時間），必須利用光學測微技術才能實現精密測角。 角度測微技術有分微尺測微、對徑符合測微等。不論哪種方法，都需利用光學系統將度盤分劃線和指標（即指針）的構像

14、透射、反射到望遠鏡目鏡旁邊的讀數窗內，讀數窗目鏡相當于一個顯微鏡。,（一）.分微尺測微 分微尺測微主要用于J6級經緯儀。 分微尺又叫分劃尺或顯微帶尺，其分劃線刻在讀數光路上的一塊玻璃片上，作為指標線。分微尺的寬度等于度盤影像一格的寬度，尺上刻有61條分劃線，共構成60個小格。如右圖所示。 由于度盤分劃值為1o ，故分劃尺每一小格的寬度對應的角值為1 。 每10小格為一大格，大格處注記整10數。 可直讀到1 ，估讀到十分之一小格，即0.1 ，也就是6。角度秒數是6的倍數。,讀數方法 （1）先讀出落在分微尺上的度盤分劃線的“度”數，如215。 （2）以該度盤分劃線為指標，讀出其在分微尺上的“分”數

15、，如6。 (3)估讀秒數，如0.7 ，即42 。 （4）三數相加，得全讀數：215o06 42 。,注意：讀數窗分為上下兩半，有兩把分微尺的影像。標有H的為水平度盤，標有V的為豎盤。 右圖中豎盤讀數為： 78o5224 P20圖2.14中豎盤讀數應為 78o5324 右圖中，分微尺上分劃線示值增加的方向是自左至右，度盤分劃線的示值增加方向則是自右至左，二者相反。,有些儀器則不同，即度盤分劃值自左至右增加，而分微尺示值自右至左增加。讀數方法一樣。如右圖。 右圖中水平度盤讀數為： 214o5442 豎直度盤的讀數為： 79o0530,分微尺上的零刻劃線實際上就是前述的度盤“指標線”。若只有零刻劃線

16、沒有其余的60條刻劃，雖然也能估計角度值，但精度很低，就像用只有時針、沒有分針和秒針的手表測時一樣。,（二）.對徑符合測微 對徑符合測微方法主要用于DJ2經緯儀。相當于用相差180度的兩個指標同時在度盤上讀數，然后取平均，可消除度盤偏心影響。 在讀數窗中有一大一小兩個窗口。大窗中有上下兩組度盤分劃線，其中的一組為正像，另一組為倒像；小窗為測微窗，用來讀取角度中的分、秒值。 DJ2經緯儀的支架上有一個圓形測微輪，用以使對徑分劃線符合。轉動測微輪時，大窗中的上下兩組度盤分劃線會產生相向的移動，直至上下對齊。,對徑符合測微步驟： (1) 轉動測微輪，使上下分劃線重合（對齊）。 (2)找出“正像在左、

17、倒像在右”的一對注記有度數的對徑分劃線，正像上的數字即角度值的“度”數。如圖中163。 (3)數出正、倒像“整度分劃線”相距的格數n ，乘以10便是整10數，圖中是30。 (4)不足10的余數在右側小窗口中的測微尺上讀取，可估讀到0.1，下圖中為816.3。 (5)三數相加，得完整角值。如1633816.3。,新J2儀器將數格數n得整10的方法改進為直讀整10的數字。,本節(jié)內容回顧 經緯儀的種類和系列標準； 光學經緯儀由照準部、水平度盤和基座組成； 光學經緯儀的基本軸系； 光學經緯儀的角度測微方法 分微尺測微和對徑附合測微。,23 光學經緯儀的基本操作 用經緯儀測量角度，需先將儀器安置在待測角

18、度的頂點上。 經緯儀的基本操作包括安置、瞄準和讀數。 一. 經緯儀的安置 安置儀器包括對中、整平兩項內容。 （一）.對中 目的是使儀器中心與測點標志中心位于同一鉛垂線上。,（1）三腳架大致對中：張開三腳架，調節(jié)架腿，使腳架高度適中（與觀測者第二個紐扣同高），目估架頭水平，并使架頭中心大致對準地面標志中心。 （2）經緯儀大致對中：裝上儀器，擰緊中心連接螺旋。從光學對中器目鏡中能看到地面標志即可，否則需平移三腳架.注意擰緊腳架升降（即箍套）螺絲 （3）經緯儀精確對中：旋轉腳螺旋，使地面標志中心的成像落在光學對中器目鏡窗中的小圓圈內，或與對中器十字絲交點重合。要求偏差在1mm以內。,（二）. 整平

19、目的是使經緯儀水平度盤處于水平狀態(tài)，也就是使豎軸處于鉛直位置。 （1）粗平：松開架腿上的箍套旋鈕，升降架腿，使經緯儀圓水準氣泡居中后擰緊箍套旋鈕。升降時，腿尖不能移動。一般升降兩只架腿即可。 （須一手扶穩(wěn)，一手升降）,（2）精平：旋轉腳螺旋，使長水準管氣泡居中。具體步驟如下： “LL/1-2”。松開水平制動螺旋，轉動照準部使管水準軸LL與任意兩個腳螺旋的連線1-2平行。 “同時勻速對轉1、2”。兩手同時向內或向外勻速轉動腳螺旋1、2，使管水準器氣泡居中。氣泡移動的方向與左手大拇指運動方向一致。 “直轉，動3”。將照準部轉90，使LL垂直于1-2，轉動第3個腳螺旋使管水準器氣泡居中。 反復進行。

20、直到將照準部轉到任意位置氣泡均居中為止。,精平后須檢查對中情況。偏離大時重做（一）（二），偏離較小時平移基座。,二. 瞄準 瞄準就是用望遠鏡照準待測目標，獲得確定的觀測方向線。 目鏡對光。轉動目鏡調焦螺旋，使十字絲清晰。 粗瞄。利用鏡上粗瞄器（或準星和缺口）使望遠鏡對向待測目標。 物鏡對光。轉動物鏡調焦螺旋，使目標成像清晰。 （若目標不在望遠鏡視場內，則需重新進行粗瞄） 精瞄。仔細旋轉水平微動螺旋和垂直微動螺旋，使望遠鏡十字絲精確對準目標。,測水平角時，用縱絲瞄準，并盡量瞄準目標底部。根據目標像的粗細程度，可采用“單絲平分”或“雙絲夾準”的瞄準方式，如左下圖。 測豎直角時，用中橫絲截在目標像的

21、頂部。如右下圖。 三. 讀數 照準目標后，按上節(jié)介紹的方法讀取方向角值。,測量實驗一 內容：經緯儀安置與操作練習 （認識儀器各部件；練習對中、整平、照準、調焦和讀數） 地點：實驗一號樓215 指導教師：王宇會老師（電話,本節(jié)要點 經緯儀的安置包括對中和整平； 對中用腳螺旋，粗平升降腳架； 氣泡移動與左手拇指的旋進方向一致； 測水平角時用縱絲照準，測豎直角時用橫絲。,24 水平角觀測方法 水平角的觀測方法有很多，如測回法、方向觀測法、復測法、分組觀測法等。本節(jié)主要介紹前兩種。 一. 測回法 （教材P24的“方向法”需更正為測回法） 測回法主要用于觀測兩個方向的單角。如右

22、圖所示，A、B、 o為地面上的三點，欲測量水平角AoB，在o點安置儀器（對中、整平），在A、B點豎立標桿或配有瞄準裝置的反光鏡。 具體觀測步驟如下。,盤左瞄A，讀記a左。 （盤左又稱正鏡，指豎盤在望遠鏡的左邊） 2. 順轉瞄B，讀記b左。 3. 計算上半測回角值：左= b左 a左 4. 盤右瞄B，讀記b右。 （盤右又稱倒鏡，指豎盤在望遠鏡的右邊） 5. 逆轉瞄A，讀記a右。 6. 計算下半測回角值：右= b右 a右 計算上、下半測回較差： 左 右 （ 當 容時計算一測回平均值，否則重測） 計算一測回平均角值： =（ 左 右）/2,測回法測角的記錄格式見下表：,為了減小偶然觀測誤差，提高測角精度

23、，工程上采用測回法測角時通常需要觀測幾個測回，甚至十多個測回。在這種情況下須變換水平度盤位置，方法是利用經緯儀上的度盤配置器改變度盤讀數位置，使每個測回在盤左觀測起始方向時的水平度盤讀數不同，以減小度盤分劃誤差的影響。度盤配置器位置見右圖。（轉動度盤變換鈕時水平度盤讀數會發(fā)生變化。配置結束須關上護蓋） 設測回數為n，則各測回應按180o /n變換度盤位置。如n3，則第一、第二和第三測回的盤左測A時應使水平度盤讀數分別為0o、60o 和120o。實際操作時的度盤配置值可略大于上述角值。,二. 方向觀測法 方向觀測法又稱全圓法或全圓測回法，當觀測的方向數超過三個時用之（方向數等于3時，既可用方向觀

24、測法，也可用測回法）。 測前準備工作、安置儀器、照準目標、讀數及配置度盤等基本操作方法與測回法完全相同。 方向觀測法與測回法的主要區(qū)別如下。,1. 觀測工作的區(qū)別 在每一個半測回中，均需進行“歸零觀測”（從起始方向開始，測完其它所有方向后再觀測起始的零方向）。 以觀測A、B、C、D四個方向，A為起始方向為例，觀測順序為： 上半測回（盤左）：順轉測A、順轉測B、順轉測C、順轉測D、順轉測A。 下半測回（盤右）：逆轉測A、逆轉測D、逆轉測C、逆轉測B、逆轉測A。,2. 記錄工作的區(qū)別 （1）記錄順序：盤左自上而下，盤右自下而上。 （2 ) 需計算“歸零差”：半測回中A方向兩次讀數之差。須小于允許值

25、（如30） （3）需計算各方向的盤左、盤右觀測平均值和兩倍照準差（2C）： 平均值（左右180o）/2 （大數以盤左觀測值為準） 2C左180o 右 只保留秒數。絕對值須小于規(guī)定值（如30）,（去掉教材上表23中“測回數”的“數”；第二測回測站為o）,2. 記錄工作的區(qū)別 （4）起始方向需再次取平均（每個半測回都觀測了兩次！表中括號內的數）。 （5）計算歸零方向值：分別用各方向的盤左、盤右平均值減去起始方向最終的 左、右平均值第（4）項計算結果。 （6）對同一方向各測回歸零方向值需取平均。（此項也適用于測回法）,本節(jié)要點 測回法的觀測步驟與記錄格式（須掌握）； 方向觀測法與測回法的區(qū)別及應用條

26、件。,25 豎直角觀測 前已述及：豎直角是指在同一豎直面內，觀測視線與過起點的水平線之間的夾角。在豎直面內設置一個有均勻刻劃線的豎直圓盤，使圓盤中心跟視線起點B重合。若視線水平時豎盤讀數為一常數（一般為90或270），則用望遠鏡照準目標時在豎盤上的讀數值與常數相減即得到該觀測方向的豎直角。因此，測量豎直角時，半測回只需讀一個數。本節(jié)先介紹豎盤的構造，然后介紹豎直角的觀測與計算方法。,一. 豎直度盤的構造 豎盤與望遠鏡固連在一起，隨望遠鏡一起轉動，但讀數指標線固定不動。指標線與豎盤指標水準管軸線垂直。 豎盤指標線的正確位置為鉛直。只有當豎盤指標水準管氣泡居中時，指標線才處于正確位置。 利用豎盤指

27、標水準管微動螺旋可使水準管氣泡居中。每次讀取豎直角時必須調節(jié)該螺旋使氣泡居中。,豎盤指標水準管微動螺旋,豎盤刻度注記常用“全圓順時針天頂距式”注記：從0360按順時針方向注記。 望遠鏡水平時，豎盤讀數為90o（盤左）或270o（盤右），相當于從天頂方向量至視線方向的角度（即天頂距。望遠鏡瞄向天頂時讀數為零）。,盤左讀數用L表示。望遠鏡上仰時L小于90o ，下俯時L大于90o 。 盤右讀數用R表示。望遠鏡上仰時R大于270o ，下俯時R小于270o 。,二.豎直角的觀測 觀測豎直角時，用望遠鏡十字絲橫絲照準目標（切住標桿頂部或反光鏡標志線），見下圖。觀測方法有中絲法和三絲法兩種。,中絲法觀測程序

28、如下： （1）在測站安置儀器，整平、對中。 （2）盤左照準目標，旋轉豎盤指標水準管微動螺旋使氣泡居中（有些儀器需利用水準管旁邊的觀察窗，使兩端氣泡影像線符合，如右下圖），讀取豎盤讀數L。 （3）盤右照準目標，調氣泡、讀數R。 以上為一測回的觀測。若需觀測多個測回，則重復上述步驟。 豎直角觀測也可與水平角觀測同時進行。,豎盤指標水準管微動螺旋,三.豎直角與指標差的計算 （一）指標線位置正確時豎直角的計算 設豎直角用表示，則有： 盤左觀測值： 左 90o L 盤右觀測值： 右 R 270o 一測回平均值： （ 左 右）/2 （RL 180o）/2,（二）指標差的概念 望遠鏡視線水平時豎盤讀數與設計常數之差叫指標差。 由于某種原因（水準管氣泡未嚴格居中；或氣泡雖然居中但指標線與水準管軸不垂直；或豎盤安裝時存