1、1,测量学,第四章 距离测量,4-1距离测量概述 测距技术的发展,直接测距法 步测：双步1.5m,光学测距方法 视距 光学测距仪 几何光学测距方法,步弓、尺链 线尺、竹尺、 皮尺、钢尺,电磁波测距,4-2卷（钢）尺量距,一、钢尺,(1) 量距工具 1) 钢尺长度20m，30m，50m。,2) 辅助工具,4-2卷（钢）尺量距,二、直线定向 1、两点间定线,(2) 直线定线确定分段丈量的分段点在待量直线端点的连线上 。 1) 目测定线 2) 经纬仪定线,4-2 卷（钢）尺量距,2、过山头定线,3、延长直线,A,C1,B,C2,C,1、钢尺铺地丈量（在标准拉力下）,丈量结果：,三、距离测量,(3)
2、钢尺量距的一般方法 1) 平坦地面的距离丈量 先量整尺段长，最后量余长。 DAB=n尺段长+余长,钢尺铺地丈量（在标准拉力下）,丈量结果：,三、距离测量,需往、返丈量，返测时应重新定线。 往、返丈量距离的相对误差K=|DABDBA|/D1/3000。 例如， DAB=162.73m， DBA=162.78m， 相对误差K=|162.73162.78|/162.755=1/3255 1/3000 2) 倾斜地面的距离丈量 平量法吊垂球线投影。 斜量法量斜距，测高差或竖角化算为平距。 D=S cos=S2h2,(4) 钢尺量距的精密方法 一般方法量距，相对误差为1/10001/5000， 精密方法
3、量距，相对误差为1/100001/40000， 主要工具：钢尺、弹簧秤、温度计、尺夹等。 钢尺应经检验尺长方程式， 量距时应使用弹簧秤施加鉴定时的拉力(15kg)。 距离应进行温度与尺长改正。 (5) 钢尺量距的误差分析 1) 尺长误差 钢尺名义长度与实际长度不符的误差。 具有积累性，丈量距离越长，误差越大。 2) 温度误差 温度变化1，丈量30m距离的影响为0.4mm。,3) 钢尺倾斜和垂曲误差 地面不平坦，钢尺不水平或中间下垂而成曲线， 所量长度实际长度。 整尺段悬空时，中间应有人托住钢尺。 4) 定线误差 使所量距离为一组折线，丈量结果偏大。 丈量30m的距离，偏差为0.25m时，量距偏
4、大1mm。 5) 拉力误差 钢尺丈量拉力应与检定拉力相同。 拉力变化2.6kg，尺长改变1mm。 6) 丈量误差 插测钎不准，前、后尺手配合不佳，余长读数不准 丈量中应尽量准确对点，配合协调。,四、尺长鉴定,钢尺长度方程式,钢是弹性体，在拉力作用下会变形（伸长）,P,简单的尺长鉴定,在平坦的地面（宜在室内，使两尺温度相同）把待检定的尺子与高精度的标准尺比较而求得k,l,lt,检定场：在平整的条形场地两端地面埋设两个稳定的标志，其间距比待检定钢尺长度n倍略短一些。高精度测量两标志的间距作为标准长度L标准。,设尺子的温度膨胀系数已知。用待检定的尺子（先假定k=0），在工作时的正常拉力下，测量检定场
5、两标志的间距L。从而可得,钢尺尺长鉴定,尺号: 015,名义长度 : 30m,膨胀系数:0.012,钢尺铺地丈量（在标准拉力下）,名义丈量结果：,最终成果：,五、钢尺量距的成果整理,量得 s=234.943m; t=27.4; h=2.54m,4-3 视距测量,视 距 测 量,视距测量利用测量望远镜的视距丝，间接测定距离和高差的方法。,优点：测量速度快，不受地形限制。 不足：精度低，距离相对误差一般约为1/300，高差一般为分米级。 用途：主要用于地形图测绘(地形点的距离与高差)。,1.视距公式： (4-3-1),一.视线水平时视距测量公式,视距测量一、视线水平时,十字丝板上有两根视距丝，它们
6、在物镜光心处的张角基本是不变的。两根视距丝在物方象的间距与距离成正比,f,D,n,一般制作仪器时令,视距测量一、视线水平时,十字丝板上有两根视距丝，它们在物镜光心处的张角基本是不变的。两根视距丝在物方象的间距与距离成正比,f,D,n,1.视距公式： (4-3-1)(4-3-3),2.高差公式： (4-3-4),一.视线水平时视距测量公式,n,b,二、视线倾斜时,h,i,a,l,D,由于视线与水准尺不垂直,n,a,b,a a , b b ,nn,S,n,b,二、视线倾斜时,i,a,由于视线与水准尺不垂直,n,a,b,a a , b b ,nn,S,n,b,二、视线倾斜时,h,i,a,l,D,由于
7、视线与水准尺不垂直,n,a,b,a a , b b ,nn,S,n,b,二、视线倾斜时,h,i,a,l,D,由于视线与水准尺不垂直,n,a,b,S,4-4 光电测距,1948年瑞典AGA厂推出了第一台光波测距仪 随着需求的增长和光学、微电子学的发展使电磁波测距的技术迅速发展。进一步推进了测量学的发展 尽管GPS应用很广，短程电磁波测距仪仍然大有用途,电磁波测距仪的分类,按载波分 微波测距仪 激光测距仪 红外光测距仪,按测程分 远（长）程测距仪 中、短程测距仪,瑞典AGA公司生产的AGA-8激光测距仪,用5mw氦氖气体激光器 白天测40km，夜间可测60km 精度：5mm+1ppm,T2+DI1
8、0，1968年Wild推出的第一台红外测距仪,Wild生产的微波测距仪,电子全站仪,棱 镜,全 站 仪,棱镜与基座,下图是南方测绘公司生产的ND3000红外相位式测距仪， 它自带望远镜，望远镜的视准轴、发射光轴和接收光轴同轴， 有垂直制动螺旋和微动螺旋，可以安装在光学经纬仪上或电子经纬仪上。 测距时，测距仪瞄准棱镜测距，经纬仪瞄准棱镜测量竖直角， 通过测距仪面板上的键盘，将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中， 可以计算出水平距离和高差。 右图为与仪器配套的棱镜对中杆与支架，它用于放样测量非常方便。,下图是徕卡公司生产的DI1000红外相位式测距仪， 它不带望远镜，发射光轴和接收光轴是分立的，
9、仪器通过专用连接装置安装到徕卡公司生产的光学经纬仪或电子经纬仪上。 测距时，当经纬仪的望远镜瞄准棱镜下的照准觇牌时， 测距仪的发射光轴就瞄准了棱镜， 使用仪器的附加键盘将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中， 即可计算出水平距离和高差。,2.1.2 电磁波测距分类,光波测距仪 AGA 2A,激光测距仪 AGA8,微波测距仪 CMW20,红外测距仪 DI5,一、电磁波测距原理,设电磁波在测距仪与反光镜（合作目标）之间往返的时间为t。则测距仪至反光镜的距离,光在真空中的传播速度为C0=299792458米/秒。,1. 脉冲法测距,1.脉冲法测距,2.1.3 脉冲法测距应用-激光测卫,激光往返时间t,
10、距离D,合作目标 ERS-2卫星,2.1.3 脉冲法测距应用-激光测卫,上海人卫站,一、电磁波测距原理,设电磁波在测距仪与反光镜（合作目标）之间往返的时间为t。则测距仪至反光镜的距离,现代测时的精度可达10-8秒，但引起的距离误差达 1.5m,光在真空中的传播速度为C0=299792458米/秒。,电磁波测距原理,按电磁波理论： 光是电磁波，其数学表达式为:它表达了光波在转播空间任一位置上电磁振动的状态。 其中：,S,电磁波测距原理,设光从发射器发出，抵达反光镜后返回仪器的接收器，称为信号2。而从发射器发出的光分出一路直接进入处理装置，称为信号1。这两个信号之间存在相位差和整周数N。,利用相位
11、器可测定，但而不能求得“整周数N”。 因此只可以求得“余长”，而不能求得整长。,调制波,短程的电磁波测距仪常用砷化镓GaAs发出的红外激光波长约0.87m。显然不能用它测距的信号。,无线电技术可以对电磁波的振幅、频率、相位加以调制使其随时间按一定的规律变化。在GaAs激光器上注入按调制规律变化的电流后可以使激光器按同样的规律改变发光的强度。调制波的频率远小于红外激光的频率，还可以用多个频率的调制波加载在红外激光波上。,电磁波测距原理,测距仪把一定波长的电磁波从A点射向B点，经B点的反光棱镜反射后由测距仪接收，射出与接收波之间的相位差可用微电子技术自动测量是电磁波在AB点之间往返时间的函数表达式
12、。用它可以算得测距仪至反光镜之间斜距长度的“尾数”。用几个不同波长的电磁波调制波测量同一段距离可以既扩大测程又保持精度。,测程和精度,测相的精度是有限的。例如可以把细分1000倍，则测量的精度为测尺的1/1000。设 ，这时最小读数为cm。,若要提高读数精度，就应缩短电子尺。但由于凭一个无法求得整尺段数N，即不知待测距离的大数。就是说：用短的电子尺测量精度高但测程小。,如果用长的电子尺能扩大测程，但由于细分技术的限制，不能求得精确的尾数。即测程大但精度低。,用两个频率的波（两个不同的电子尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可
13、以用更多的频率测量。,相位测量,要测量测距信号（U1）与参考信号（U2）之间的相位差 1）滤波：取出调制波（频率低）的信号 2）混频：把调制波信号与“本振”信号混合，经处理后可以得到频率更低（以便于更精确测量相位差），但相位依旧的差分信号,相位测量,3）把正弦波处理成方波 4）把U1和U2分别接在门电路的两个触发器上，U2负跳变时把与门打开，U1负跳变时把与门关闭。在门开启的这段时间内让计数脉冲通过，从而可以测得。,内光路,当内光路棱镜移到出光口时测量到内光路的“距离” 移开内光路棱镜后测量到外光路的“距离” 外光路“距离”减去内光路“距离”后才是需要测量的距离。 这是消除仪器系统误差的重要措
14、施之一,电磁波测距成果的处理,1）仪器常数改正 乘常数改正数 加常数改正数 2）气象改正3）倾斜改正,一、乘常数改正,电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。这就是乘常数。乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，可以经检定求得。,电磁波测距成果的处理,二加常数,测距仪的机械中心与调制波发射和接收的等效面不一致；测距仪的机械中心与内光路等效面不一致使仪器产生（与所测距离长短无关的）加常数。 加常数通过检定可以求得。,电磁波测距成果的处理,3）气象改正 电子尺长是光速的函数 而光速又是折射率的函数空气的折射率首先与波长有关物理学家测算得,3）气象改正,
15、空气的折射率也与气象条件有关仪器制造者根据仪器所用电磁波的波长并顾及一般工作时的参考温度及标准气压的湿度设定空气的折射率。 如果实际工作时的大气条件与此参考条件相同，就不加气象改正数。否则要相对于参考折射率加改正数。,测距时的大气压力与空气温度测量设备,测距时的大气压力与空气温度测量设备,高端全站仪简介 索佳超站仪SET3110MV,在全站仪的基础上增加摄像部。 测角精度为3，测距精度为2mm+2ppm， 测程为1.6km(单棱镜)和80m(反射片)。 摄像部有两个38万像素的广角和聚焦CCD， 广角CCD搜索棱镜，分辨率小于2； 近焦CCD聚焦望远镜视准轴于棱镜中心，分辨率小于5。 光线昏暗
16、时，可打开仪器的发光二极管， 发射白色亮光照亮现场的反射目标， 使其影像清晰地显示在屏幕上。 无水平、垂直微动螺旋和目镜， 不能手动操作望远镜观测目标， 只能通过摄像部对目标拍摄的图像进行自动照准。 仪器能自动照准棱镜并对焦， 也可以切换到手动对焦状态。,聚焦视准和广角CCD切换,广角 CCD 用于搜寻棱镜 (17, 35M像素) 聚焦视准 CCD 用于棱镜测量 (47”, 35M像素),聚焦CCD照准,图像 #1,广角 70m 视准,广角 131m 视准,广角 517m 视准,广角 1073m 视准,图像 #1,使用屏幕右边的控制块切换到视准CCD照准手动对焦。 广焦 CCD 观测完毕后自动
17、切换到视准CCD，并自动对焦。,自动对焦棱镜,无须触摸仪器，所有的测量都可以通过屏幕遥控实现,控制点测量,控制点测量,发射白色亮光照亮现场反射目标,观测影像和数据通过有线电缆、 无线通讯(如传呼机、手机等) 或经由互联网同步传输到任何具备条件的计算机 或手持电脑上。 用电缆将仪器的RS232C接口和摄像信号接口 分别与计算机通讯口连接， 现场目标的影像实时显示在PC机屏幕上， 用鼠标操作软件即可对现场目标进行观测。 可与索佳变形监测应用程序控制系统“MOS” 组成超站仪定点观测系统， 通过程序控制仪器在指定的时间段里， 不间断地对一系列指定目标自动锁定观测。 超站仪定点观测系统能满足对 地震、
18、火山、滑坡、大坝、隧道、大型工程现场 进行各类高精度自动监测的需要。,使用变形测量软件，测量人员可通过屏幕监控变形值,变形测量,变形测量,测量人员手持棱镜像将在屏幕中显示出来，供确认,地形测量/放样测量,地形测量/放样测量,1、拓普康GPT-3000L 长测程(1200m)无棱镜测距全站仪,徕卡DISTO A8手持激光测距仪 带倾斜传感器便于测量坡度； 带3数码瞄准器便于白天测量。,4-5光电测距的归算,光电测距一般测得是两点之间的斜距S，观测垂直角， 从而计算水平距离和高差。,一、近距离的平距和高差计算,一、近距离的平距和高差计算,B点的高程：,已测得AB的倾斜距离S， A点高程HA，在测站
19、A观测垂直角，则：,二.一般情况下的三角高程测量,二.远距离的三角高程测量计算, P110 表4-6按(4-5-7)式列出部分范围内的两差改正值(略),距离较远时，考虑地球曲率差和大气折光差对高差 的影响，应对观测得到的高差加“两差”改正：,球差改正： 气差改正：,(4-5-7),两差改正：,（k=0.14）,二、一般情况下的三角高程测量,距离较远时，考虑地球曲率差和大气折光差对高差 的影响，应对观测得到的高差加“两差”改正：,二、一般情况下的三角高程测量,距离较远时，考虑地球曲率差和大气折光差对高差 的影响，应对观测得到的高差加“两差”改正：,三角高程测量两点距离较远时，应考虑加两差改正；
20、两点间对向观测高差取平均，能抵消两差影响； 三角高程测量通常组成附合或闭合路线，以检验精度；用电子全站仪进行三角高程测量，能代替三、四等水准测量。,三、三角高程测量的其他特点,固定误差,加常数的误差 检测加常数的精度较高，又可以把加常数预置在仪器内，自动改正测距成果。但为了防止加常数变化，必须定期检定。 倾斜误差 视线倾斜角愈大，则竖直角测量精度应愈高。固定误差和比例误差是仪器误差。 周期误差 周期误差也属于仪器误差。它是由窜扰信号引起的误差，具有周期性特点。检定时可以测定它的大小。如果这误差太大，也要加以改正。,作业误差,仪器和反光镜的对中误差 照准误差 发光管发出光的相位并不均匀，因此照准
21、方向不同时测距结果也不同。为了避免这误差的不良影响，在光照准后还要进一步“电照准”，使回光信号最大后再测量。电磁波测距仪是高科技仪器。对仪器及其附件的工作原理和性能了解愈多愈深，就愈能发挥它们的性能，也能妥善地保养它。电子测量仪器都需野外供电。使用和保养电池也是一个重要的技术问题。,倾斜的附加改正数,如果测距仪望远镜高度与经纬仪望远镜的高度不一致，则在视线倾斜时会产生附加改正数。因为这时测距仪的中心会偏离测站中心，而反光镜中心却多半不会作相同的偏离。测距仪望远镜与经纬仪望远镜同轴的仪器没有这项改正数。,倾斜的附加改正数,如果测距仪望远镜高度与经纬仪望远镜的高度不一致，则在视线倾斜时会产生附加改正数。因为这时测距仪的中心会偏离测站中心，而反光镜中心却多半不会作相同的偏离。测距仪望远镜与经纬仪望远镜同轴的仪器没有这项改正数。,
