第四章 工程测量仪器和方法.ppt

第四章 工程测量的仪器和方法 本章内容 角度测量 距离测量 高程测量 准直测量 坐标测量 其他测量 4.1 角度测量 角度是几何测量的基本元素，包括水平角和竖直角。 水平角是一点到两目标点的方向线垂直投影在水平面上所构成的角度； 竖直角是一点到目标点的视线与水平面的夹角，若方向线在水平面之上，竖直角为正，为仰角，否则竖直角为负，为俯角。竖直角也称垂直角、俯仰角或高度角，而方向线与铅垂线的夹角称为天顶距。 当已知或直接测出真北方向，通过角度测量还可得到方位角。 角度测量的仪器主要是经纬仪，分为光学经纬仪和电子经纬仪二大类。 4.1.1 光学经纬仪的基本结构 主要包括照准部、基座和三脚架部分，核心是照准部。 照准部又可分为照准、读数、轴系和安平几部分。照准部主要是带十字丝的望远镜，十字丝与物镜组中心的连线称为视准轴。读数部分包括水平度盘、竖直度盘，以及为精确读数服务的光路系统和测微装置。 轴系包括竖直轴（简称竖轴）、水平轴（简称横轴）和视准轴，竖轴是照准部水平旋转的中心轴，横轴是望远镜在竖直方向旋转的中心轴。 经纬仪观测要求竖轴铅垂、横轴正交于竖轴、视准轴正交于横轴，其不正交误差称为三轴误差。 安平设备主要指水准管，其主要用途是将竖轴铅垂，另外还要使竖直度盘的指标线位置正确。 经纬仪的测角精度主要取决于轴系误差和读数误差。 我国光学经纬仪系列分为J07、J1、J2、J6等型号，J为经纬仪汉语拼音的第一个字母，下标表示仪器的精度指标。 4.1.2 水平角观测 测回法 全圆测回法（方向观测法） 全组合测角法 在工程测量实际应用中，相邻边长有时相差悬殊，很难做到“一测回中不调焦”的规定。这时，可按下列程序进行测角： ① 盘左，粗略瞄准一个目标； ② 仔细对光，消除视差； ③ 精确瞄准目标，取水平度盘读数； ④ 不动调焦镜，盘右，精确瞄准目标，取水平度盘读数； ⑤ 对于下一个目标，重复上述操作。 4.1.3 垂直角观测 竖直角观测的具体操作程序如下： ① 盘左，按上、中、下三根水平丝的顺序依次照准同一目标各一次，并分别读竖盘读数； ② 盘右，同①一样的观测； ③ 分别计算三根水平丝所测得的指标差和竖直角，并取竖直角的平均值作为一个目标的一测回之值。 该观测方法称为“三丝法”，若仅使用中间水平丝进行观测，则称为“中丝法”。 4.1.4 电子经纬仪 用电子度盘替代光学模拟度盘，实现度盘读数的自动化，则成为电子经纬仪。 在电子经纬仪中，虽然实现了度盘读数的自动输出，但在角度观测的操作方法上，基本上沿用光学经纬仪的一般要求。 用于电子经纬仪的角度传感器主要有两种，编码度盘和动态测角系统。 4.1.5 目标照准自动化 20世纪90年代中叶，自动目标识别与照准技术的出现，突破了角度测量中需要人工照准目标的缺陷，使角度测量发生了质的飞跃，实现了真正的自动化。 自动目标识别（ATR）部件被安装在经纬仪的望远镜上，红外光束通过光学部件被同轴地投影在望远镜上，从物镜发射出去，反射回来的光束，形成光点由内置CCD相机接收，其位置以CCD相机中心作为参考点来精确地确定，假如CCD相机中心与望远镜光轴的调整是正确的，则可从CCD相机上光点的位置直接计算并输出以ATR方式测得的水平角度和垂直角。 与人工照准目标存在视准差一样，ATR同样存在视准差。ATR视准差的校准是提高其测量精度的重要环节。 测定ATR视准差时，必须人工将望远镜对准棱镜中心，望远镜十字丝提供的视准线与CCD相机中心之间的水平和垂直方向上的偏差由仪器计算并存贮下来，用于ATR方式测量时的角度改正。 ATR自动识别并照准目标主要有三个过程：目标搜索过程、目标照准过程和测量过程。 在人工粗略照准棱镜后，启动ATR，首先进行目标搜索过程。在视场内如无发现棱镜，望远镜在马达的驱动下按螺旋式或矩形方式连续搜索目标，ATR一旦探测到棱镜，望远镜马上停止搜索，即刻进入目标照准过程。 ATR需要一块棱镜配合进行目标识别，在每一次ATR测量过程中，十字丝中心相对棱镜中心的角度偏移量都重新测定，并相应改正水平方向和垂直角。 当使用ATR方式进行测量时，由于其望远镜不需要对目标调焦或人工照准，因此，不但加快了测量速度，并且测量精度与观测员的水平无关，测量结果更加稳定可靠。 4.1.6 全自动陀螺经纬仪 经纬仪与陀螺仪配合使用，成为陀螺经纬仪。 利用陀螺仪可以寻找真北，因此利用陀螺经纬仪可以测出某一方向与真北方向的夹角，也就是该方向的地理方位角。 目前，陀螺经纬仪的自动化程度已得到较大提高，在工程测量的应用更为广泛。 为了通过观测陀螺轴的摆动，测定陀螺轴摆动的平衡位