測繪儀器的變革與發(fā)展課件

測繪儀器的變革與發(fā)展*測距工具與儀器的變革古代的測距工具中國《史記．夏本紀(jì)》中已有大禹使用“準(zhǔn)、繩、規(guī)、矩”測定遠(yuǎn)近和高低的記載公元前3世紀(jì)，亞歷山大學(xué)者埃拉托色尼利用駱駝商隊(duì)的行程估算距離古代的測距工具主要有測繩、步弓、測步器、測鏈、竹尺、木桿尺等公元400年，中國戰(zhàn)國時(shí)發(fā)明記里鼓車，用以測量距離傳統(tǒng)的帶（線）狀測距工具公元17世紀(jì)，歐洲一些國家采用4m的木桿尺或金屬桿尺，在弧度測量中，進(jìn)行距離丈量公元1880年，瑞典的耶德林采用懸掛的線狀金屬尺代替木桿尺進(jìn)行較精密的距離測量公元1903年，出現(xiàn)因瓦基線尺，用于精密距離測量，精度可達(dá)1/1000000視距測量儀器公元1680年，意大利的制成附有視距絲的望遠(yuǎn)鏡，后來將其安裝在光學(xué)測量儀器上，光學(xué)測量儀器具有測距功能，用于進(jìn)行普通視距測量，其精度可達(dá)1/200~1/300在電磁波測距儀出現(xiàn)以前，為提高視距測量精度，出現(xiàn)了原理不同、形式各異的精密測距儀斜絲視距儀用“重合后測微”代替“直接讀數(shù)”，以提高讀取尺間隔的精度將視距尺由通常的豎直安置改為水平安置測距精度可達(dá)1/4000斜絲視距儀原理圖普通雙像視距儀在物鏡前安置光楔，使視距尺在望遠(yuǎn)鏡視場構(gòu)成雙像，以此雙像錯(cuò)動(dòng)的距離作為尺間隔，再加上測微裝置以提高讀取尺間隔的精度將視距尺由通常的豎直安置改為水平安置測距精度可達(dá)1/3000；最大測程可達(dá)174m對數(shù)雙像視距儀將普通雙像視距儀的視距尺用對數(shù)視距尺代替對數(shù)視距尺是將視距尺分劃由通常按尺間隔的均勻刻繪改為按分劃值的對數(shù)差為常數(shù)進(jìn)行刻繪，以克服均勻尺間隔在望遠(yuǎn)鏡中的的成像會(huì)因距離增加而變小的缺點(diǎn)，從而提高讀取視距尺的精度測距精度可達(dá)1/2000~1/3000；最大測程可達(dá)600m對數(shù)雙像視距儀原理圖貝林青型視距儀屬于定基線視距儀，即按照視差法測距原理設(shè)計(jì)而成。通過高精度測取視差角，以達(dá)到較精確地測定接近1km的距離視距尺為基線橫尺，長度為1m或2m測距的主要部件是安置在望遠(yuǎn)鏡物鏡前的兩塊同半徑透鏡。當(dāng)該兩塊透鏡位于中央而合成一個(gè)整透鏡時(shí)，望遠(yuǎn)鏡只有一個(gè)視準(zhǔn)軸；當(dāng)用測微螺旋使兩半塊透鏡錯(cuò)開時(shí)，視準(zhǔn)軸也被分成兩個(gè)。當(dāng)兩視準(zhǔn)軸分別照準(zhǔn)基線橫尺兩端的標(biāo)志時(shí)，其夾角即為與基線橫尺長相應(yīng)的視差角。該視差角的角值可用兩半個(gè)透鏡的移動(dòng)量來度量，而在測微顯微鏡中讀取。然后利用視差角值和基線長度，根據(jù)定基線視距測量公式即可計(jì)算出測站點(diǎn)距立尺點(diǎn)的距離測距精度可達(dá)1/3000~1/4000；最大測程可達(dá)1000m貝林青型視距儀原理圖定基線無標(biāo)尺測距儀原理圖定角無標(biāo)尺測距儀按照定角視距測量原理設(shè)計(jì)而成測距裝置主要由一個(gè)固定的五角棱鏡和另一個(gè)可移動(dòng)的、由楔鏡與五角棱鏡組成的棱鏡組構(gòu)成。來自目標(biāo)點(diǎn)的光線，一部分經(jīng)過固定五角棱鏡進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，一部分經(jīng)過可移動(dòng)棱鏡組而進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，從而在望遠(yuǎn)鏡中呈現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的兩個(gè)相互倒立的影象。當(dāng)沿基線移動(dòng)棱鏡組使兩個(gè)影象完全吻合時(shí)，其移動(dòng)量即為基線長。然后利用已知的固定的視差角值和基線長度，根據(jù)定基線視距測量公式即可計(jì)算出測站點(diǎn)距目標(biāo)點(diǎn)的距離基線的測距精度為±0.1mm，測程為10m~500m，相應(yīng)的測距精度為1/200~1/100定角無標(biāo)尺測距儀原理圖雙像自動(dòng)歸算速測儀原理圖哈默視距儀按照變角變基線視距測量原理設(shè)計(jì)制造而成，屬于圖解速測儀，可以配合普通水準(zhǔn)尺直接讀取水平距離和高差它是將視距絲刻畫在豎直度盤上，其間隔按尺間隔隨高度角而變化的規(guī)律刻畫成水平距離曲線和高差曲線。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡縱轉(zhuǎn)時(shí)，呈現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡視場內(nèi)的水平距離曲線和高差曲線將與高度角相對應(yīng)，以達(dá)到直接讀取水平距離和高差的目的它的測距精度和高差精度都很低，僅能滿足碎部測圖的要求哈默視距儀原理圖激光測距儀公元60年代末，出現(xiàn)了以氦氖激光器作為光源、采用晶體管線路的激光測距儀。其主機(jī)重量約20kg，測程可達(dá)60km，且可日夜觀測，測距精度約為±（5mm+1ppm）公元70年代，出現(xiàn)了通過雙載波測距、自動(dòng)改正大氣折光影響的激光測距儀，測距精度又有了進(jìn)一步提高公元1979年，美國制成3波長測距儀，使測距精度達(dá)到了0.1ppm紅外測距儀公元60年代中期，出現(xiàn)了以砷化鉀管作為光源的紅外測距儀。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，發(fā)光效率高。更由于微機(jī)和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，再與電子經(jīng)緯儀結(jié)合，就形成全站儀目前，紅外測距儀的型號(hào)很多，測程一般可達(dá)5km或更長，測距精度為±（1~5mm+0.5~3ppm）脈沖式測距儀通常利用固體激光器（如紅寶石激光器）作為光源，它能發(fā)出高功率的單脈沖的光。因此，此類測距儀可以不用合作目標(biāo)（如反射棱鏡），而直接利用被測目標(biāo)對脈沖激光產(chǎn)生的漫反射進(jìn)行測距通常情況下，由于受到脈沖寬度和電子計(jì)數(shù)器時(shí)間分辨率的限制，脈沖式測距儀直接測量的時(shí)間只能達(dá)到10-8s，其相應(yīng)的測距精度約為1m~5m目前，有的脈沖式測距儀，由于采用了電容充電技術(shù)（TAC）而使其精度可達(dá)到cm級(jí)或mm級(jí)微波測距儀微波測距儀采用cm級(jí)微波作為載波。由于采用微波作為載波，使得對幾何通視條件和大氣透明度要求很低。因此，在有煙、云、霧、小雨、小雪的氣候條件下，仍能進(jìn)行工作。相反，也正是采用了微波作為載波，其波束較寬，因而地面漫反射影響和折射率受大氣濕度的影響遠(yuǎn)較光波大，從而降低了測距精度1954年由南非開始研制，1956年生產(chǎn)出第一臺(tái)微波測距儀，在良好的條件下，其測程可達(dá)66km~80km早期的微波測距儀為了測定相位差，使發(fā)射的調(diào)制波在陰極射線管上產(chǎn)生一個(gè)圓形掃描；返回信號(hào)則變成脈沖，它使圓形掃描產(chǎn)生一個(gè)缺口，其位置表示發(fā)射信號(hào)與返回信號(hào)的相位差。以后改用移相平衡原理測定相位差從公元1956年到70年代中期，微波測距儀有了重大改進(jìn)，經(jīng)歷了電子管、晶體管和集成電路3個(gè)階段，重量減輕，體積縮小，耗電量下降，并提高載波頻率以縮小波束角，使測距讀數(shù)更為精確，并使測程達(dá)到100km近年來，出現(xiàn)了mm級(jí)載波的微波測距儀，其地面反射誤差明顯減小，提高了測距精度古代的測角類儀器公元1276年，中國元朝郭守敬創(chuàng)制立運(yùn)儀，與近代的地平經(jīng)緯儀相似，被用于測定天體的高度角和方位公元1730年，美國哥德弗萊和英國哈德利創(chuàng)制六分儀，用于進(jìn)行海上天文定位測量經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀的雛形公元15世紀(jì)，測角儀器才逐漸發(fā)展成為具有兩個(gè)度盤、并有瞄準(zhǔn)裝置、以及將水平度盤旋轉(zhuǎn)軸安置成豎直狀態(tài)的儀器公元1608年，荷蘭眼鏡匠漢斯發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡后，1667年法國人首次將望遠(yuǎn)鏡安置在全圓分劃器上進(jìn)行測角公元1680年，意大利人制成附有視距絲的望遠(yuǎn)鏡，并被用在測角儀器上，為制成完善的經(jīng)緯儀奠定基礎(chǔ)公元1956年，德國的阿斯卡尼亞廠首次根據(jù)自動(dòng)安平原理制成自動(dòng)歸零補(bǔ)償器。至此，廓定了現(xiàn)代光學(xué)經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)近年來，光學(xué)經(jīng)緯儀在整體上正向序列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。正像望遠(yuǎn)鏡、豎盤指標(biāo)自動(dòng)歸零裝置已在中低等精度經(jīng)緯儀上使用；在J6級(jí)經(jīng)緯儀中，帶尺讀數(shù)已逐步取代測微器讀數(shù)；J2級(jí)經(jīng)緯儀則將傳統(tǒng)的符合讀數(shù)與測微讀數(shù)相結(jié)合，改進(jìn)為部分?jǐn)?shù)字化讀數(shù)；快慢調(diào)焦機(jī)構(gòu)、精粗配置度盤機(jī)構(gòu)、以及雙色視場等，均使操作更加方便電子經(jīng)緯儀公元60年代開始出現(xiàn)電子經(jīng)緯儀開始出現(xiàn)的電子經(jīng)緯儀是采用編碼度盤和機(jī)械測微制成的。其精度低，體積大。后來，將電子測微技術(shù)應(yīng)用于電子經(jīng)緯儀，使精度獲得很大提高，體積明顯縮小公元70年代出現(xiàn)了采用柵格度盤和電子測微的電子經(jīng)緯儀公元80年代將動(dòng)態(tài)測角技術(shù)應(yīng)用到電子經(jīng)緯儀上，克服了度盤刻劃誤差影響的困擾，使測角精度進(jìn)一步提高其它形式和用途的經(jīng)緯儀視距經(jīng)緯儀附加有專用光學(xué)測距裝置的經(jīng)緯儀如：普通雙像視距經(jīng)緯儀、對數(shù)雙像視距經(jīng)緯儀、自動(dòng)歸算雙像速測儀等羅盤經(jīng)緯儀設(shè)置有安置磁針的裝置，利用磁針直線的磁方位角陀螺經(jīng)緯儀專門用于測定直線的真方位角激光經(jīng)緯儀利用激光形成的可見視準(zhǔn)軸，能進(jìn)行導(dǎo)向、定位、準(zhǔn)直測量攝影經(jīng)緯儀帶有地面攝影裝置，能進(jìn)行地面攝影工作古代的水準(zhǔn)測量工具公元前21世紀(jì)，中國大禹就利用矩尺配合垂球高低公元10世紀(jì)后期，出現(xiàn)了水準(zhǔn)器公元11世紀(jì)70年代，中國宋朝沈括創(chuàng)立了用分層筑堰法進(jìn)行水準(zhǔn)測量，利用水平尺在地形測量中測定地面高低古代進(jìn)行水準(zhǔn)測量的工具還有連通器、水鴨子等*水準(zhǔn)測量工具和儀器的變革水準(zhǔn)儀活鏡水準(zhǔn)儀公元17世紀(jì)中葉，在出現(xiàn)和水準(zhǔn)器和發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了水準(zhǔn)儀老式的水準(zhǔn)儀是活鏡水準(zhǔn)儀定鏡水準(zhǔn)儀公元18世紀(jì)左右，為克服活鏡水準(zhǔn)儀使用不靈活的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了定鏡水準(zhǔn)儀微傾水準(zhǔn)儀公元20世紀(jì)初，在制造出內(nèi)對光望遠(yuǎn)鏡和符合水準(zhǔn)器的基礎(chǔ)上，制造出了微傾水準(zhǔn)儀公元20世紀(jì)中葉，在制造出因瓦水準(zhǔn)尺的基礎(chǔ)上，制造出了精密水準(zhǔn)儀自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀公元1950年，德國蔡司光學(xué)儀器廠生產(chǎn)出了第一臺(tái)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀激光水準(zhǔn)儀公元20世紀(jì)60年代，研制出了激光水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀公元20世紀(jì)90年代，在研制出條形碼水準(zhǔn)尺的基礎(chǔ)上，研制出了電子水準(zhǔn)儀*地面測量系統(tǒng)經(jīng)緯儀和電磁波測距儀組合系統(tǒng)簡單型組合系統(tǒng)在一般的經(jīng)緯儀的支架上，借助于專門的連接裝置安置電磁波測距儀而組成智能型組合系統(tǒng)在簡單型組合系統(tǒng)基礎(chǔ)上，再附加上小型的、帶固定存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)而組成。該組合系統(tǒng)的經(jīng)緯儀可以是一般的經(jīng)緯儀，也可以是電子經(jīng)緯儀全站儀普通全站儀具有測量水平角、豎直角、距離等基本全站儀的功能，并能進(jìn)行水平距離、高差、高程、點(diǎn)的坐標(biāo)的計(jì)算測角精度為±2″~5″，測距精度為±（3~5mm+3~5ppm）精密全站儀具有傾斜傳感器，能自動(dòng)進(jìn)行橫軸誤差、豎軸誤差、視準(zhǔn)軸誤差的改正具有動(dòng)態(tài)測角裝置，能克服度盤刻劃不均勻誤差的影響測角精度為±0.5″~1″，測距精度為±（1~5mm+1~2ppm）自動(dòng)尋標(biāo)全站儀具有傾斜傳感器，能自動(dòng)進(jìn)行橫軸誤差、豎軸誤差、視準(zhǔn)軸誤差的改正具有動(dòng)態(tài)測角裝置，能克服度盤刻劃不均勻誤差的影響具有自動(dòng)尋標(biāo)功能具有雙伺服電機(jī)，能進(jìn)行全自動(dòng)化觀測典型儀器LeicaTCA2003新的地面測量儀器，由點(diǎn)測量向面測量發(fā)展，3D激光掃描儀。*空間測量系統(tǒng)衛(wèi)星測量系統(tǒng)人衛(wèi)激光測距儀公元1957年，人造地球衛(wèi)星上天，從此開始了衛(wèi)星大地測量和衛(wèi)星定位測量公元1965年，美國哥達(dá)德空間飛行中心首次進(jìn)行人衛(wèi)激光測距第一代人衛(wèi)激光測距儀用目視跟蹤觀測，測距精度為±2m第二代人衛(wèi)激光測距儀為自動(dòng)跟蹤觀測，測距精度為±dm級(jí)第三代人衛(wèi)激光測距儀測距精度可達(dá)到cm級(jí)衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)（NNSS）公元1957年，美國制成第一臺(tái)衛(wèi)星多普勒接收機(jī)公元70年代后期，世界各國廣泛進(jìn)行衛(wèi)星多普勒定位衛(wèi)星多普勒定位的單點(diǎn)定位精度為±3m~5m，最高可達(dá)±1m；相對定位精度可達(dá)±1m全球定位系統(tǒng)（NAVSTARGPS、GLONASS）公元1973年，美國國防部批準(zhǔn)建立全球定位系統(tǒng)（GPS），公元1974年，美國開始研制GPS，公元1978年2月22日第一顆GPS衛(wèi)星上天，公元1993年12月8日美國國防部正式宣布GPS已達(dá)到“初始運(yùn)作能力”GPS的單點(diǎn)定位精度為±25m（P碼）或±100m，相對定位精度±（5mm+1ppm）公元1978年10月前蘇聯(lián)開始發(fā)射GLONASS衛(wèi)星，并于90年代中期建成該系統(tǒng)甚長基線干涉測量系統(tǒng)（VLBI）公元1967年，加拿大布羅頓和美國貝爾首創(chuàng)甚長基線干涉測量技術(shù)，并制成甚長基線干涉測量系統(tǒng)公元20世紀(jì)60年代后期，世界各國陸續(xù)開始進(jìn)行甚長基線干涉測量*攝影測量儀器的變革立體觀測儀器公元19世紀(jì)50年代，射影技術(shù)一經(jīng)問世，便開始用交會(huì)攝影測量進(jìn)行測量工作，這是地面攝影測量的初始形式公元20世紀(jì)初，發(fā)明了立體觀測法，出現(xiàn)了立體鏡。簡易立體鏡的出現(xiàn)可以進(jìn)行簡單的立體觀測；反光立體鏡的出現(xiàn)開始了視差的量測立體觀測法的發(fā)明和反光立體鏡的出現(xiàn)，使攝影測量進(jìn)入了新的發(fā)展階段自然立體效應(yīng)和立體測圖原