(同濟(jì)大學(xué)測量學(xué)課件)第04章_距離測量.ppt

1 測量學(xué) 同濟(jì)大學(xué)測量與國土信息工程系 第四章距離測量 4 1距離測量概述測距技術(shù)的發(fā)展 直接測距法步測 雙步 1 5m 光學(xué)測距方法視距光學(xué)測距儀幾何光學(xué)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 4 2卷 鋼 尺量距 二 直線定向1 兩點(diǎn)間定線 2 直線定線確定分段丈量的分段點(diǎn)在待量直線端點(diǎn)的連線上 1 目測定線2 經(jīng)緯儀定線 4 2卷 鋼 尺量距 2 過山頭定線 3 延長直線 A C1 B C2 C 1 鋼尺鋪地丈量 在標(biāo)準(zhǔn)拉力下 丈量結(jié)果 三 距離測量 3 鋼尺量距的一般方法1 平坦地面的距離丈量先量整尺段長 最后量余長 DAB n 尺段長 余長 鋼尺鋪地丈量 在標(biāo)準(zhǔn)拉力下 丈量結(jié)果 三 距離測量 14 超過100G的市政課件下載地址 攜手十一通過市政qq群 136816564 需往 返丈量 返測時應(yīng)重新定線 往 返丈量距離的相對誤差K DAB DBA D 1 3000 例如 DAB 162 73m DBA 162 78m 相對誤差K 162 73 162 78 162 755 1 3255 1 30002 傾斜地面的距離丈量 平量法 吊垂球線投影 斜量法 量斜距 測高差或豎角化算為平距 D Scos S2 h2 4 鋼尺量距的精密方法一般方法量距 相對誤差為1 1000 1 5000 精密方法量距 相對誤差為1 10000 1 40000 主要工具 鋼尺 彈簧秤 溫度計 尺夾等 鋼尺應(yīng)經(jīng)檢驗 尺長方程式 量距時應(yīng)使用彈簧秤施加鑒定時的拉力 15kg 距離應(yīng)進(jìn)行溫度與尺長改正 5 鋼尺量距的誤差分析1 尺長誤差鋼尺名義長度與實際長度不符的誤差 具有積累性 丈量距離越長 誤差越大 2 溫度誤差溫度變化1 丈量30m距離的影響為0 4mm 3 鋼尺傾斜和垂曲誤差地面不平坦 鋼尺不水平或中間下垂而成曲線 所量長度 實際長度 整尺段懸空時 中間應(yīng)有人托住鋼尺 4 定線誤差使所量距離為一組折線 丈量結(jié)果偏大 丈量30m的距離 偏差為0 25m時 量距偏大1mm 5 拉力誤差鋼尺丈量拉力應(yīng)與檢定拉力相同 拉力變化2 6kg 尺長改變1mm 6 丈量誤差插測釬不準(zhǔn) 前 后尺手配合不佳 余長讀數(shù)不準(zhǔn)丈量中應(yīng)盡量準(zhǔn)確對點(diǎn) 配合協(xié)調(diào) 四 尺長鑒定 鋼尺長度方程式 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) 使兩尺溫度相同 把待檢定的尺子與高精度的標(biāo)準(zhǔn)尺比較而求得 k l lt 檢定場 在平整的條形場地兩端地面埋設(shè)兩個穩(wěn)定的標(biāo)志 其間距比待檢定鋼尺長度n倍略短一些 高精度測量兩標(biāo)志的間距作為標(biāo)準(zhǔn)長度L標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)尺子的溫度膨脹系數(shù)已知 用待檢定的尺子 先假定 k 0 在工作時的正常拉力下 測量檢定場兩標(biāo)志的間距L 從而可得 鋼尺尺長鑒定 尺號 015 名義長度 30m 膨脹系數(shù) 0 012 鋼尺鋪地丈量 在標(biāo)準(zhǔn)拉力下 名義丈量結(jié)果 最終成果 五 鋼尺量距的成果整理 量得s 234 943m t 27 4 h 2 54m 4 3視距測量 視距測量 視距測量 利用測量望遠(yuǎn)鏡的視距絲 間接測定距離和高差的方法 優(yōu)點(diǎn) 測量速度快 不受地形限制 不足 精度低 距離相對誤差一般約為1 300 高差一般為分米級 用途 主要用于地形圖測繪 地形點(diǎn)的距離與高差 1 視距公式 4 3 1 一 視線水平時視距測量公式 視距測量一 視線水平時 十字絲板上有兩根視距絲 它們在物鏡光心處的張角 基本是不變的 兩根視距絲在物方象的間距與距離成正比 f D n 一般制作儀器時令 視距測量一 視線水平時 十字絲板上有兩根視距絲 它們在物鏡光心處的張角 基本是不變的 兩根視距絲在物方象的間距與距離成正比 f D n 1 視距公式 4 3 1 4 3 3 2 高差公式 4 3 4 一 視線水平時視距測量公式 n b 二 視線傾斜時 h i a l D 由于視線與水準(zhǔn)尺不垂直 n a b a a b b n n S n b 二 視線傾斜時 i a 由于視線與水準(zhǔn)尺不垂直 n a b a a b b n n S n b 二 視線傾斜時 h i a l D 由于視線與水準(zhǔn)尺不垂直 n a b a a b b n n S n b 二 視線傾斜時 h i a l D 由于視線與水準(zhǔn)尺不垂直 n a b S 4 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(xué) 微電子學(xué)的發(fā)展使電磁波測距的技術(shù)迅速發(fā)展 進(jìn)一步推進(jìn)了測量學(xué)的發(fā)展盡管GPS應(yīng)用很廣 短程電磁波測距儀仍然大有用途 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(yuǎn) 長 程測距儀中 短程測距儀 37 2014市政案例技巧班 可以擁有 38 超過100G的市政課件下載地址 攜手十一通過市政qq群 136816564 瑞典AGA公司生產(chǎn)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 1ppm T2 DI10 1968年Wild推出的第一臺紅外測距儀 Wild生產(chǎn)的微波測距儀 電子全站儀 棱鏡 全站儀 棱鏡與基座 下圖是南方測繪公司生產(chǎn)的ND3000紅外相位式測距儀 它自帶望遠(yuǎn)鏡 望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸 發(fā)射光軸和接收光軸同軸 有垂直制動螺旋和微動螺旋 可以安裝在光學(xué)經(jīng)緯儀上或電子經(jīng)緯儀上 測距時 測距儀瞄準(zhǔn)棱鏡測距 經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)棱鏡測量豎直角 通過測距儀面板上的鍵盤 將經(jīng)緯儀測量出的天頂距輸入到測距儀中 可以計算出水平距離和高差 右圖為與儀器配套的棱鏡對中桿與支架 它用于放樣測量非常方便 下圖是徠卡公司生產(chǎn)的DI1000紅外相位式測距儀 它不帶望遠(yuǎn)鏡 發(fā)射光軸和接收光軸是分立的 儀器通過專用連接裝置安裝到徠卡公司生產(chǎn)的光學(xué)經(jīng)緯儀或電子經(jīng)緯儀上 測距時 當(dāng)經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)棱鏡下的照準(zhǔn)覘牌時 測距儀的發(fā)射光軸就瞄準(zhǔn)了棱鏡 使用儀器的附加鍵盤將經(jīng)緯儀測量出的天頂距輸入到測距儀中 即可計算出水平距離和高差 2 1 2電磁波測距分類 光波測距儀AGA2A 激光測距儀AGA8 微波測距儀CMW20 紅外測距儀DI5 一 電磁波測距原理 設(shè)電磁波在測距儀與反光鏡 合作目標(biāo) 之間往返的時間為t 則測距儀至反光鏡的距離 光在真空中的傳播速度為C0 299792458米 秒 1 脈沖法測距 1 脈沖法測距 2 1 3脈沖法測距應(yīng)用 激光測衛(wèi) 激光往返時間t 距離D 合作目標(biāo)ERS 2衛(wèi)星 2 1 3脈沖法測距應(yīng)用 激光測衛(wèi) 上海人衛(wèi)站 一 電磁波測距原理 設(shè)電磁波在測距儀與反光鏡 合作目標(biāo) 之間往返的時間為t 則測距儀至反光鏡的距離 現(xiàn)代測時的精度可達(dá) 10 8秒 但引起的距離誤差達(dá) 1 5m 光在真空中的傳播速度為C0 299792458米 秒 電磁波測距原理 按電磁波理論 光是電磁波 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 它表達(dá)了光波在轉(zhuǎn)播空間任一位置上電磁振動的狀態(tài) 其中 S 電磁波測距原理 設(shè)光從發(fā)射器發(fā)出 抵達(dá)反光鏡后返回儀器的接收器 稱為信號2 而從發(fā)射器發(fā)出的光分出一路直接進(jìn)入處理裝置 稱為信號1 這兩個信號之間存在相位差 和整周數(shù)N 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 87 m 顯然不能用它測距的信號 無線電技術(shù)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)律改變發(fā)光的強(qiáng)度 調(diào)制波的頻率遠(yuǎn)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(diǎn)射向B點(diǎn) 經(jīng)B點(diǎn)的反光棱鏡反射后由測距儀接收 射出與接收波之間的相位差 可用微電子技術(shù)自動測量 是電磁波在AB點(diǎn)之間往返時間的函數(shù) 表達(dá)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 測量同一段距離可以既擴(kuò)大測程又保持精度 測程和精度 測相的精度是有限的 例如可以把 細(xì)分1000倍 則測量的精度為測尺的1 1000 設(shè) 這時最小讀數(shù)為cm 若要提高讀數(shù)精度 就應(yīng)縮短電子尺 但由于憑一個 無法求得整尺段數(shù)N 即不知待測距離的大數(shù) 就是說 用短的電子尺測量精度高但測程小 如果用長的電子尺能擴(kuò)大測程 但由于細(xì)分技術(shù)的限制 不能求得精確的尾數(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(jìn)行測量 一個用來測量距離的大數(shù) 另一個用于精確測量距離的尾數(shù) 就可以既擴(kuò)大測程又保證精度 如果需要還可以用更多的頻率測量 相位測量 要測量測距信號 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)處理后可以得到頻率更低 以便于更精確測量相位差 但相位依舊的差分信號 相位測量 3 把正弦波處理成方波4 把U1和U2分別接在門電路的兩個觸發(fā)器上 U2負(fù)跳變時把與門打開 U1負(fù)跳變時把與門關(guān)閉 在門開啟的這段時間內(nèi)讓計數(shù)脈沖通過 從而可以測得 內(nèi)光路 當(dāng)內(nèi)光路棱鏡移到出光口時測量到內(nèi)光路的 距離 移開內(nèi)光路棱鏡后測量到外光路的 距離 外光路 距離 減去內(nèi)光路 距離 后才是需要測量的距離 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理 1 儀器常數(shù)改正乘常數(shù)改正數(shù)加常數(shù)改正數(shù)2 氣象改正3 傾斜改正 一 乘常數(shù)改正 電磁波測距好象是用電子尺丈量的 如果電子尺不準(zhǔn)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(shè)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理 二加常數(shù) 測距儀的機(jī)械中心與調(diào)制波發(fā)射和接收的等效面不一致 測距儀的機(jī)械中心與內(nèi)光路等效面不一致使儀器產(chǎn)生 與所測距離長短無關(guān)的 加常數(shù) 加常數(shù)通過檢定可以求得 電磁波測距成果的處理 3 氣象改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(guān)物理學(xué)家測算得 3 氣象改正 空氣的折射率也與氣象條件有關(guān)儀器制造者根據(jù)儀器所用電磁波的波長并顧及一般工作時的參考溫度及標(biāo)準(zhǔn)氣壓的濕度設(shè)定空氣的折射率 如果實際工作時的大氣條件與此參考條件相同 就不加氣象改正數(shù) 否則要相對于參考折射率加改正數(shù) 測距時的大氣壓力與空氣溫度測量設(shè)備 測距時的大氣壓力與空氣溫度測量設(shè)備 高端全站儀簡介索佳超站儀SET3110MV 在全站儀的基礎(chǔ)上增加攝像部 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(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸于棱鏡中心 分辨率小于5 光線昏暗時 可打開儀器的發(fā)光二極管 發(fā)射白色亮光照亮現(xiàn)場的反射目標(biāo) 使其影像清晰地顯示在屏幕上 無水平 垂直微動螺旋和目鏡 不能手動操作望遠(yuǎn)鏡觀測目標(biāo) 只能通過攝像部對目標(biāo)拍攝的圖像進(jìn)行自動照準(zhǔn) 儀器能自動照準(zhǔn)棱鏡并對焦 也可以切換到手動對焦?fàn)顟B(tài) 聚焦視準(zhǔn)和廣角CCD切換 廣角CCD用于搜尋棱鏡 17 35M像素 聚焦視準(zhǔn)CCD用于棱鏡測量 47 35M像素 聚焦CCD照準(zhǔn) 圖像 1 廣角 70m視準(zhǔn) 廣角 131m視準(zhǔn) 廣角 517m視準(zhǔn) 廣角 1073m視準(zhǔn) 圖像 1 使用屏幕右邊的控制塊切換到視準(zhǔn)CCD照準(zhǔn)手動對焦 廣焦CCD觀測完畢后自動切換到視準(zhǔn)CCD 并自動對焦 自動對焦棱鏡 無須觸摸儀器 所有的測量都可以通過屏幕遙控實現(xiàn) 控制點(diǎn)測量 控制點(diǎn)測量 發(fā)射白色亮光照亮現(xiàn)場反射目標(biāo) 觀測影像和數(shù)據(jù)通過有線電纜 無線通訊 如傳呼機(jī) 手機(jī)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(jī)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(jī)通訊口連接 現(xiàn)場目標(biāo)的影像實時顯示在PC機(jī)屏幕上 用鼠標(biāo)操作軟件即可對現(xiàn)場目標(biāo)進(jìn)行觀測 可與索佳變形監(jiān)測應(yīng)用程序控制系統(tǒng) MOS 組成超站儀定點(diǎn)觀測系統(tǒng) 通過程序控制儀器在指定的時間段里 不間斷地對一系列指定目標(biāo)自動鎖定觀測 超站儀定點(diǎn)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(jìn)行各類高精度自動監(jiān)測的需要 使用變形測量軟件 測量人員可通過屏幕監(jiān)控變形值 變形測量 變形測量 測量人員手持棱鏡像將在屏幕中顯示出來 供確認(rèn) 地形測量 放樣測量 地形測量 放樣測量 1 拓普康GPT 3000L長測程 1200m 無棱鏡測距全站儀 徠卡DISTOA8手持激光測距儀帶傾斜傳感器 便于測量坡度 帶3 數(shù)碼瞄準(zhǔn)器 便于白天測量 4 5光電測距的歸算 光電測距一般測得是兩點(diǎn)之間的斜距S 觀測垂直角 從而計算水平距離和高差 一 近距離的平距和高差計算 一 近距離的平距和高差計算 B點(diǎn)的高程 已測得AB的傾斜距離S A點(diǎn)高程HA 在測站A觀測垂直角 則 二 一般情況下的三角高程測量 二 遠(yuǎn)距離的三角高程測量計算 P110表4 6按 4 5 7 式列出部分范圍內(nèi)的兩差改正值 略 距離較遠(yuǎn)時 考慮地球曲率差和大氣折光差對高差的影響 應(yīng)對觀測得到的高差加 兩差 改正 球差改正 氣差改正 4 5 7 兩差改正 k 0 14 二 一般情況下的三角高程測量 距離較遠(yuǎn)時 考慮地球曲率差和大氣折光差對高差的影響 應(yīng)對觀測得到的高差加 兩差 改正 二 一般情況下的三角高程測量 距離較遠(yuǎn)時 考慮地球曲率差和大氣折光差對高差的影響 應(yīng)對觀測得到的高差加 兩差 改正 三角高程測量兩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時 應(yīng)考慮加兩差改正 兩點(diǎn)間對向觀測高差取平均 能抵消兩差影響 三角高程測量通常