1、1,第四章 距离测量,2,4-1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,3,4-2卷（钢）尺量距,一、钢尺,4,(1) 量距工具 1) 钢尺长度20m，30m，50m。,5,2) 辅助工具,6,4-2卷（钢）尺量距,二、直线定向 1、两点间定线,7,(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,8,4-2卷（钢）尺量距,2、过山头定线,9,3、延长直线,A,C1,B,C2,C,10,1、钢尺铺地丈量（在标准拉力下）,丈量
2、结果：,三、距离测量,11,(3) 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,12,钢尺铺地丈量（在标准拉力下）,丈量结果：,三、距离测量,13,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=S2h2,14,(4) 钢尺量距的精密方法 一般方
3、法量距，相对误差为1/10001/5000， 精密方法量距，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。,15,3) 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，
4、丈量结果偏大。 丈量30m的距离，偏差为0.25m时，量距偏大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。,16,17,四、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,18,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,19,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
5、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，测量检定场两标志的间距L。从而可得,20,钢尺尺长鉴定,尺号: 015,名义长度 : 30m,膨胀系数:0.012,21,钢尺铺地丈量（在标准拉力下）,名义丈量结果：,最终成果：,22,五、钢尺量距的成果整理,量得 s=234.943m; t=27.4; h=2.54m,23,4-3视距测量,24,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)。,
6、25,1.视距公式： (4-3-1),一.视线水平时视距测量公式,26,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,一般制作仪器时令,27,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,28,1.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,29,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,30,
7、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,31,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,32,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,33,实验四,1、垂直角观测和竖盘指标差检校 （实验十三） 2、视距测量,b,34,场地,仪 器 室,实 验 场 地,35,36,4-4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
8、应用很广，短程电磁波测距仪仍然大有用途,37,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,38,39,瑞典AGA公司生产的AGA-8激光测距仪,用氦氖气体激光器 白天测40km，夜间可测60km 精度：5mm+1ppm,40,T2+DI10，1968年Wild推出的第一台红外测距仪,Wild生产的微波测距仪,41,42,43,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
9、，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。,44,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， 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。,45,46,电子全站仪,棱 镜,全 站 仪,47,48,49,棱镜与基座,50
10、,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 DI5,51,一、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。,52,1. 脉冲法测距,53,1.脉冲法测距,54,2.1.3 脉冲法测距应用-激光测卫,激光往返时间t,距离D,合作目标 ERS-2卫星,55,2.1.3 脉冲法测距应用-激光测卫,上海人卫站,56,一、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
11、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。,57,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：,58,S,59,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。,60,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
12、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。,61,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。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。,62,测程和精度,测相的精度是有限的。例如可以
13、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。如果需要还可以用更多的频率测量。,63,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”
14、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,64,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施之一,65,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,66,一、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,67,二加常数,测距
15、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。,68,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,69,3）气象改正,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。,70,测距时的大气压力与空气温度测量设备,71,测距时的大气压力与空气温度测量设备
16、,72,4-5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,73,一.一. 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A观测垂直角，则：,74,75,76,77,二.一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：,两差改正：,（k=0.14）,78,二.一般情况下的三角高程测量,距离较远
17、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：,79,二.一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：,80,81,82,三角高程测量两点距离较远时，应考虑加两差改正； 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,83,1975年5月27日，是中国测绘史上一个伟大的日子。 清晨，指挥所发出3颗红色信号弹，登山队员向珠峰发起最后的冲刺。分布在珠峰左右两肩的10个观
18、测点上，坚守了9昼夜的测绘兵早已安置好仪器，盼望激动人心时刻的到来。 测绘参谋王玉琨所在的西3号点，两名队员轮流盯着望远镜，用步话机向其它测绘点作“实况转播”：“登山队员开始上山已经到了第二台阶，前面是一陡崖队员正在爬金属梯拐往北坡，继续向上离顶峰越来越近了” 关键时刻，突然，一块灰黑色的旗状云从西面飘过来，罩住了顶峰，登山队员在望远镜目镜消失。 14时40分，步话机里传来喜讯：中国9名男女登山队员已于14时30分胜利登上珠峰顶峰！,84,15时、16时，登山队员已下撤几十米了，顶峰的浓云依存。 17时、18时，西天的太阳好像疲倦了，已慢慢地往山后躲。 18时30分，峰顶的云层开始下沉，珠峰的
19、南天由灰黑变成灰蓝，尔后终于变得湛蓝湛蓝测绘的关键时刻来到了。 “目标出现，注意交会！” 口令飞来，在距珠峰顶720公里、海拔56006300米的10个三角点上， 10部经纬仪同时瞄向珠峰登山队员竖立的3米高红色测量觇标在白雪的映衬下，格外引人注目。,85,测绘参谋王玉琨在西3号点指挥10个测站同步观测,86,用天文经纬仪观测竖直角,87,用Wild T3经纬仪观测竖直角,88,用苏州一光经纬仪观测竖直角,89,用Wild T2经纬仪观测竖直角,90,用Kern DKM经纬仪观测竖直角,91,92,第二阶段：海拔5600米以后6点联测确保精度 从5600米起使用觇标、GPS、雪深雷达综合测量峰顶高度 测量人员将直接进行珠峰山顶测量 测量人员在观测点使用三角高程测量原理观测登山队员竖立在珠峰顶上的觇标 测量距离与竖直角 通过计算最终得出珠峰山体高度 为了提高测量精度，本次珠峰测量一共在珠峰脚下部下了6个观测点 届时观测队员将进行6点联测,93,94,95,96,用徕卡TC2002全站仪进行西绒导线测量,97,用徕卡新T2+DI3000激光测距仪进行三角高程测量,98,用Wild 新T2经纬仪观测竖直角,99,100,
