距離測量與直線定向第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2)其它輔助工具測釬(measuringrod)標桿(measuringbar)垂球(plumbbob)精密量距時還需要彈簧秤溫度計尺夾。測釬用于標定尺段，標桿用于直線定線，垂球用于在不平坦地面丈量時將鋼尺的端點垂直投影到地面，彈簧秤用于對鋼尺施加規定的拉力，溫度計用于測定鋼尺量距時的溫度，以便對鋼尺丈量的距離施加溫度改正，尺夾用于安裝在鋼尺末端，以方便持尺員穩定鋼尺。第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四1)目測定線目測定線適用于鋼尺量距的一般方法。設A、B兩點互相通視，要在A、B兩點的直線上標出分段點1、2點。先在A、B點上豎立標桿，甲站在A點標桿后約一米處，指揮乙左右移動標桿，直到甲從在A點沿標桿的同一側看到A、2、B三支標桿成一條線為止。同法可以定出直線上的其他點。兩點間定線，一般應由遠到近，即先定1點，再定2點。定線時，乙所持標桿應豎直，利用食指和姆指夾住標桿的上部，稍微提起，利用重心使標桿自然豎直。此外，為了不擋住甲的視線，乙應持標桿站立在直線方向的左側或右側。第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2)經緯儀定線經緯儀定線適用于鋼尺量距的精密方法。設A、B兩點互相通視，將經緯儀安置在A點，用望遠鏡縱絲瞄準B點，制動照準部，望遠鏡上下轉動，指揮在兩點間某一點上的助手，左右移動標桿，直至標桿像為縱絲所平分。為減小照準誤差，精密定線時，可以用直徑更細的測釬或垂球線代替標桿。(3)鋼尺量距的一般方法1)平坦地面的距離丈量丈量工作一般由兩人進行。清除待量直線上的障礙物后，在直線兩端點A、B豎立標桿，后尺手持鋼尺的零端位于A點，前尺手持鋼尺的末端和一組測釬沿AB方向前進，行至一個尺段處停下。第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四后尺手用手勢指揮前尺手將鋼尺拉在AB直線上，后尺手將鋼尺的零點對準A點，當兩人同時把鋼尺拉緊后，前尺手在鋼尺末端的整尺段長分劃處豎直插下一根測釬(如果在水泥地面上丈量插不下測釬時，也可以用粉筆在地面上劃線做記號)得到1點，即量完一個尺段。前、后尺手抬尺前進，當后尺手到達插測釬或劃記號處時停住，再重復上述操作，量完第二尺段。后尺手拔起地上的測釬，依次前進，直到量完AB直線的最后一段為止。最后一段距離一般不會剛好是整尺段的長度，稱為余長。丈量余長時，前尺手在鋼尺上讀取余長值，則最后A、B兩點間的水平距離為第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2)傾斜地面的距離丈量①平量法沿傾斜地面丈量距離，當地勢起伏不大時，可將鋼尺拉平丈量。丈量由A點向B點進行，甲立于A點，指揮乙將尺拉在AB方向線上。甲將尺的零端對準A點，乙將鋼尺抬高，并且目估使鋼尺水平，然后用垂球尖將尺段的末端投影到地面上，插上測釬。若地面傾斜較大，將鋼尺抬平有困難時，可將一個尺段分成幾個小段來平量，如圖中的ij段。第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(4)鋼尺量距的精密方法用一般方法量距，其相對誤差只能達到1/1000~1/5000，當要求量距的相對誤差更小時，例如1/10000~1/40000，這就要求用精密方法進行丈量。精密方法量距的主要工具為：鋼尺、彈簧秤、溫度計、尺夾等。其中鋼尺必須經過檢驗，并得到其檢定的尺長方程式。隨著電磁波測距儀的逐漸普及，現在，測量人員已經很少使用鋼尺精密方法丈量距離，需要了解這方面內容的讀者請參考有關的書籍。(5)鋼尺量距的誤差分析及注意事項1)鋼尺量距的誤差分析鋼尺量距的主要誤差來源有下列幾種：①尺長誤差如果鋼尺的名義長度和實際長度不符，則產生尺長誤差。尺長誤差是積累的，丈量的距離越長，誤差越大。因此新購置的鋼尺必須經過檢定，測出其尺長改正值。②溫度誤差鋼尺的長度隨溫度而變化，當丈量時的溫度與鋼尺檢定時的標準溫度不一致時，將產生溫度誤差。按照鋼的膨脹系數計算，溫度每變化1℃，丈量距離為30m時對距離影響為0.4mm。③鋼尺傾斜和垂曲誤差在高低不平的地面上采用鋼尺水平法量距時，鋼尺不水平或中間下垂而成曲線時，都會使量得的長度比實際要大。因此丈量時必須注意鋼尺水平，整尺段懸空時，中間應有人托住鋼尺，否則會產生不容忽視的垂曲誤差。第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四④定線誤差丈量時鋼尺沒有準確地放在所量距離的直線方向上，使所量距離不是直線而是一組折線，造成丈量結果偏大，這種誤差稱為定線誤差。丈量30m的距離，當偏差為0.25m時，量距偏大1mm。⑤拉力誤差鋼尺在丈量時所受拉力應與檢定時的拉力相同。若拉力變化2.6kg，尺長將改變1mm。⑥丈量誤差丈量時在地面上標志尺端點位置處插測釬不準，前、后尺手配合不佳，余長讀數不準等都會引起丈量誤差，這種誤差對丈量結果的影響可正可負，大小不定。在丈量中要盡力做到對點準確，配合協調。2)鋼尺的維護①鋼尺易生銹，丈量結束后應用軟布擦去尺上的泥和水，涂上機油以防生銹。②鋼尺易折斷，如果鋼尺出現卷曲，切不可用力硬拉。③丈量時，鋼尺末端的持尺員應該用尺夾夾住鋼尺后手握緊尺夾加力，沒有尺夾時，可以用布或者紗手套包住鋼尺代替尺夾，切不可手握尺盤或尺架加力，以免將鋼尺拖出。④在行人和車輛較多的地區量距時，中間要有專人保護，以防止鋼尺被車輛碾壓而折斷。⑤不準將鋼尺沿地面拖拉，以免磨損尺面分劃。⑥收卷鋼尺時，應按順時針方向轉動鋼尺搖柄，切不可逆轉，以免折斷鋼尺。第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四§4.2視距測量(stadiameasurement)視距測量是一種間接測距方法;它利用望遠鏡內十字絲分劃板上的視距絲及刻有厘米分劃的視距標尺(地形塔尺或普通水準尺)，根據光學原理可以同時測定兩點間的水平距離和高差；其中測量距離的相對誤差約為1/300，低于鋼尺量距；測定高差的精度低于水準測量和三角高程測量；視距測量廣泛用于地形測量的碎部測量中。(1)視準軸水平時的視距計算公式如圖4-9所示，AB為待測距離，在A點安置經緯儀，B點豎立視距尺，設望遠鏡視線水平，瞄準B點的視距尺，此時視線與視距尺垂直。第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四§4.3電磁波測距(electro-magneticdistancemeasuring，簡稱EDM)電磁波測距是用電磁波(光波或微波)作為載波，傳輸測距信號，以測量兩點間距離的一種方法。EDM具有測程長、精度高、作業快、工作強度低、幾乎不受地形限制等優點。§4.3.1電磁波測距技術發展簡介1948年，瑞典AGA(阿嘎)公司(現更名為Geotronics(捷創力)公司)研制成功了世界上第一臺電磁波測距儀，它采用白熾燈發射的光波作載波，應用了大量的電子管元件，儀器相當笨重且功耗大。為避開白天太陽光對測距信號的干擾，只能在夜間作業，測距操作和計算都比較復雜。1960年世界上成功研制出了第一臺紅寶石激光器和第一臺氦-氖激光器，1962年砷化鎵半導體激光器研制成功。與白熾燈比較，激光器的優點是發散角小、大氣穿透力強、傳輸的距離遠、不受白天太陽光干擾、基本上可以全天侯作業。1967年AGA公司推出了世界上第一臺商品化的激光測距儀AGA-8。該儀器采用5mw的氦-氖激光器作發光元件，白天測程為40km，夜間測程達60km，測距精度(5mm+1ppm)，主機重量23kg。我國的武漢地震大隊也于1969年研制成功了JCY-1型激光測距儀，1974年又研制并生產了JCY-2型激光測距儀。該儀器采用2.5mw的氦-氖激光器作發光元件，白天測程為20km，測距精度(5mm+1ppm)，主機重量16.3kg。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四隨著半導體技術的發展，從60年代末70年代初起，采用砷化鎵發光二極管作發光元件的紅外測距儀逐漸在世界上流行起來。與激光測距儀比較，紅外測距儀有體積小、重量輕、功耗小、測距快、自動化程度高等優點。由于紅外光的發散角比激光大，所以紅外測距儀的測程一般小于15km。現在的紅外測距儀已經和電子經緯儀及計算機軟硬件制造在一起，形成了全站儀，并向著自動化、智能化和利用藍牙技術實現測量數據的無線傳輸方向飛速發展。電磁波測距儀按其所采用的載波可分為：①用微波段的無線電波作為載波的微波測距儀(microwaveEDMinstrument)；②用激光作為載波的激光測距儀(laserEDMinstrument)；③用紅外光作為載波的紅外測距儀(infraredEDMinstrument)，后兩者又統稱為光電測距儀。微波和激光測距儀多屬于長程測距，測程可達60km，一般用于大地測量，而紅外測距儀屬于中、短程測距儀(測程為15km以下)，一般用于小地區控制測量、地形測量、地籍測量和工程測量等。本節主要介紹光電測距儀的基本原理和測距方法。第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四§4.3.3紅外測距儀及其使用紅外測距儀按其照準目標的方式可以分成帶望遠鏡和不帶望遠鏡的兩種。圖4-15是南方測繪公司生產的ND3000紅外相位式測距儀，它自帶望遠鏡，望遠鏡的視準軸、發射光軸和接收光軸同軸，有垂直制動螺旋和微動螺旋，可以安裝在光學經緯儀上或電子經緯儀上。測距時，測距儀瞄準棱鏡測距，經緯儀瞄準棱鏡測量豎直角，通過測距儀面板上的鍵盤，將經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。圖4-16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。第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四圖4-17是徠卡公司生產的DI1000紅外相位式測距儀，它不帶望遠鏡，發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的光學經緯儀或電子經緯儀上。測距時，當經緯儀的望遠鏡瞄準棱鏡下的照準覘牌時，測距儀的發射光軸就瞄準了棱鏡，使用儀器的附加鍵盤將經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。第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(1)DI1000的主要技術指標1)紅外光源波長：0.865m2)測尺長及對應的調制頻率 精測尺長=20m，f=7.492700MHz 粗測尺長=2000m，f=74.92700kHz3)測程：800m(單棱鏡) 1600m(三棱鏡)4)標稱精度：正常測距(按圖4-18的“DIST”鍵)為(5mm+5ppm)跟蹤測距(按圖4-18的“TRK”鍵)為(10mm+5ppm)5)測量時間：正常測距4.5s~10s跟蹤測距初始測距3s，以后每次測距0.3s6)顯示：帶有燈光照明的7位數字液晶顯示，最小顯示距離1mm7)工作溫度范圍：-20℃~+50℃儲存溫度范圍：-40℃~+70℃8)功率消耗：開機但不測距時1W(0.09A/12V)測距或測試時2.4W(0.2A/12V)9)供電：鎳鎘(NiCd)可充電電池，12V直流電，在電池充滿電(電池用完后必須連續充電14個小時)的情況下GEB76迷你電池，容量0.5Ah，重0.4kg，可以連續測距500次或者連續測距8個小時(假設每分鐘測距一次)第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(4)測相誤差測相誤差包括自動數字測相系統的誤差，測距信號在大氣傳輸中的信噪比誤差信噪比為接收到的測距信號強度與大氣中雜散光的強度之比前者決定于測距儀的性能與精度，后者與測距時的自然環境有關，例如空氣的透明程度、干擾因素的多少、視線離地面及障礙物的遠近。(5)儀器對中誤差光電測距是測定測距儀中心至棱鏡中心的距離，因此儀器對中誤差包括測距儀的對中誤差和棱鏡的對中誤差。用經過校準的光學對中器對中，此項誤差一般不大于2mm。§4.3.5光電測距儀使用注意事項(1)紅外測距儀是使用鎳鎘可充電電池作為供電電源，由于鎳鎘電池具有記憶效應，所以一定要確認電池的電量已經全部用完后才可以充電，否則電池的容量會逐漸減小而損壞電池；(2)光電測距儀屬于精密貴重儀器，運輸、攜帶、裝卸、操作過程中都必須十分小心。運輸和攜帶中要防震、防潮，裝卸和操作中要注意連接牢固、電源插接正確、嚴格按操作程序使用儀器，搬站時必須將儀器裝箱。(3)有陽光的天氣必須撐傘保護儀器，在通電作業時，嚴防陽光及其它強光直射接收物鏡，更不能將接收物鏡對準太陽，以免損壞接收鏡內的光敏二極管。第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(4)設置測站時要避免強電磁場的干擾，例如在變壓器、高壓線附近不宜設站。(5)氣象條件對光電測距有較大的影響。不宜在陽光強烈、視線靠近地面或者高溫(35℃以上)的環境條件下觀測。§4.4直線定向確定地面直線與標準方向間的水平夾角稱為直線定向(lineorientation)。(1)標準方向的分類1)真子午線方向(truemeridiandirection)地表任一點P與地球旋轉軸所組成的平面與地球表面的交線稱為P點的真子午線(truemeridian)，真子午線在P點的切線方向稱為P點的真子午線方向。可以應用天文測量(astrometry)方法或者陀螺經緯儀(gyrotheodolite)來測定地表任一點的真子午線方向。第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2)磁子午線方向(magneticmeridiandirection)地表任一點與地球磁場南北極連線所組成的平面與地球表面交線稱為點的磁子午線(magneticmeridian)，磁子午線在點的切線方向稱為點的磁子午線方向。可以應用羅盤儀(compass)來測定，在點安置羅盤，磁針自由靜止時其軸線所指的方向即為點的磁子午線方向。3)坐標縱軸方向(ordinatesaxisdirection)過地表任一點且與其所在的高斯平面直角坐標系或者假定坐標系的坐標縱軸平行的直線稱為點的坐標縱軸方向。第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(4)用羅盤儀測定磁方位角1)羅盤儀的構造羅盤儀(compass)是測量直線磁方位角的儀器，如圖4-23所示。該儀器構造簡單，使用方便，但精度不高，外界環境對儀器的影響較大，如鋼鐵建筑和高壓電線都會影響其精度。當測區內沒有國家控制點可用，需要在小范圍內建立假定坐標系的平面控制網時，可用羅盤儀測量磁方位角，作為該控制網起始邊的坐標方位角。羅盤儀的主要部件有磁針、刻度盤、望遠鏡和基座。①磁針：磁針用人造磁鐵制成，磁針在度盤中心的頂針尖上可自由轉動。為了減輕頂針尖的磨損，在不用時，可用位于底部的固定螺旋升高杠桿，將磁針固定在玻璃蓋上。第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四②刻度盤：用鋼或鋁制成的圓環，隨望遠鏡一起轉動，每隔10°有一注記，按逆時針方向從0°注記到360°，最小分劃為1°或30′。刻度盤內裝有一個圓水準器或者兩個相互垂直的管水準器，用手控制氣泡居中，使羅盤儀水平。③望遠鏡：羅盤儀的望遠鏡與經緯儀的望遠鏡結構基本相似，也有物鏡對光、目鏡對光螺旋和十字絲分劃板等，其望遠鏡的視準軸與刻度盤的0°分劃線共面，如圖4-24所示。④基座：采用球臼結構，松開球臼接頭螺旋，可擺動刻度盤，使水準氣泡居中，度盤處于水平位置，然后擰緊接頭螺旋。③望遠鏡：羅盤儀的望遠鏡與經緯儀的望遠鏡結構基本相似，也有物鏡對光、目鏡對光螺旋和十字絲分劃板等，其望遠鏡的視準軸與刻度盤的0°分劃線共面，如圖4-24所示。④基座：采用球臼結構，松開球臼接頭螺旋，可擺動刻度盤，使水準氣泡居中，度盤處于水平位置，然后擰緊接頭螺旋。2)用羅盤儀測定直線磁方位角的方法欲測直線AB的磁方位角，將羅盤儀安置在直線起點A，掛上垂球對中，松開球臼接頭螺旋，用手前、后、左、右轉動刻度盤，使水準器氣泡居中，擰緊球臼接頭螺旋，使儀器處于對中和整平狀態。松開磁針固定螺旋，讓它自由轉動，然后轉動羅盤，用望遠鏡照準B點標志，待磁針靜止后，按磁針北端(一般為黑色一端)所指的度盤分劃值讀數，即為AB邊的磁方位角角值，如圖4-25所示。使用時，要避開高壓電線和避免鐵質物體接近羅盤，在測量結束后，要旋緊固定螺旋將磁針固定。第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四(2)陀螺經緯儀的構造圖4-28是國產JT15陀螺經緯儀(gyrotheodolite)的結構圖，使用它測定地面任一點的真子午線方向的精度可以達到±15″。陀螺經緯儀由DJ6經緯儀和陀螺儀組成，陀螺儀安裝在DJ6經緯儀上的連接支架上。陀螺儀由擺動系統、觀察系統和鎖緊限幅機構組成。第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四陀螺儀由擺動系統、觀察系統和鎖緊限幅機構組成。1)擺動系統擺動系統包括懸吊帶16、導線15、轉子(馬達)10、轉子底盤7等，它們是整個陀螺儀的靈敏部件。轉子要求運轉平穩，重心要通過懸吊帶的對稱軸，可以通過轉子底盤上的六個螺釘進行調節。懸吊帶采用特種合金材料制成，斷面尺寸為0.56×0.03mm，拉斷力為2.4kg，實際荷重為0.78kg。2)觀測系統觀測系統是用來觀察擺動系統的工作情況的。照明燈泡13將靈敏部件上的雙線光標12照亮，通過成像透鏡組19使雙線光標成像在分劃板18上，以便在觀察窗中觀察。3)鎖緊限幅機構鎖緊限幅機構包括凸輪4、限幅盤5、轉子底盤7、鎖緊圈8，用凸輪4使限幅盤沿導向軸3向上滑動，使限幅盤5托起轉子的底盤靠在與支架連接的鎖緊圈8上。限幅盤上的三個泡沫塑料塊6在下放轉子部分時，能起到緩沖和摩擦限幅的作用。(3)陀螺經緯儀的操作方法陀螺儀轉子的額定旋轉速度≥21500轉/分，可以形成很大的內力矩，如果操作不正確，很容易毀壞儀器，因此，正確使用陀螺儀非常重要。在需要測定真子午線方向的點上安置好經緯儀后，應按下列步驟操作陀螺經緯儀：1)粗定向：將儀器附帶的羅盤儀安裝在支架上的定位盤20上，旋轉經緯儀照準部，使視線方向指向近似的真子午線北方向(誤差±1°~2°)，將經緯儀的水平微動螺旋旋至行程的中間位置，制動照準部，取下羅盤儀。第46頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2)安置陀螺儀：將陀螺儀安裝到支架上的定位盤20上，旋緊固連螺環21，接好電源線，打開電源開關，啟動陀螺轉子，信號燈亮，當其轉速達到額定轉速后(大約需要3分鐘)信號燈熄滅(有些儀器是信號燈顏色改變，具體參見儀器使用手冊)。緩慢旋