经纬仪及角度测量.docx
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经纬仪及角度测量
第三章经纬仪及角度测量
第一节角度测量原理
角度测量包括水平角测量和竖直角测量，是测量的三项基本工作之一。
角度测量最常用的仪器是经纬仪。
水平角测量用于计算点的平面位置，竖直角测量用于测定高差或将倾斜距离改算成水平距离。
一、水平角测量原理
水平角是地面上一点到两目标的方向线投影到水平面上的夹角，也就是过这两方向线所作两竖直面间的二面角。
用
表示，角值范围0º～360º。
如图3-1所示，设A、B、C是任意三个位于地面上不同高程的点，B1A1、B1C1为空间直线BA、BC在水平面上的投影，B1A1与B1C1的夹角
就是为地面上BA、BC两方向之间的水平角。
为了测出水平角的大小，可以设想在B点的上方水平地安置一个带有顺时针刻画、注记的圆盘，并使其圆心O在过B点的铅垂线上，有一刻度盘和在刻度盘上读数的指标。
观测水平角时，刻度盘中心应安放在过测站点的铅垂线上，直线BA、BC在水平圆盘上的投影是
、
，此时如果能读出
、
在水平圆盘上的读数
和
，那么水平角
就等于
减去
，即
。
因此，用于测量水平角的仪器必须有一个能读数的度盘，并能使之水平。
为了瞄准不同方向，该度盘应能沿水平方向转动，也能高低俯仰。
当度盘高低俯仰时，其视准独应划出一竖直面，这样才能使得在同一竖直面内高低不同的目标有相同的水平度盘读数。
经纬仪就是根据上述要求设计制造的一种测角仪器。
图3-1水平角测量原理图3-2竖直角测量原理
二、竖直角测量原理
竖直角是同一竖直面内视线与水平线间的夹角。
角值范围为-90°～+90°。
视线向上倾斜，竖直角为仰角，符号为正。
视线向下倾斜，竖直角为俯角，符号为负。
竖直角与水平角一样，其角值也是度盘上两个方向读数之差。
不同的是竖直角的两个方向中必有一个是水平方向。
任何类型的经纬仪，制作上都要求当竖直指标水准管气泡居中，望远镜视准轴水平时，其竖盘读数是一个固定值。
因此，在观测竖直角时，只要观测目标点一个方向并读取竖盘读数便可算得该目标点的竖直角，而不必观测水平方向。
第二节DJ6级光学经纬仪
一、经纬仪概述
1．按读数系统区分类：
光学经纬仪（如图3-3）、游标经纬仪、电子经纬仪（如图3-4）
2．按编制了标准分类：
DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ15及DJ60
图3-3光学经纬仪图3-4电子经纬仪
二、DJ6级光学经纬仪的构造
经纬仪的构造主要分三部分，如图3-5所示。
图3-5DJ6型光学经纬仪构造
1．基座
基座用来支承整个仪器，并借助中心螺旋使经纬仪与脚架结合。
其上有三个脚螺旋，用来整平仪器。
竖轴轴套与基座连在一起。
轴座连接螺旋拧紧后，可将照准部固定在基座上，使用仪器时，切勿松动该螺旋，以免照准部与基座分离而坠落。
2．水平度盘
水平度盘是玻璃制成的圆环，在其上刻有分划，从0°～360°，顺时针方向注记，用来测量水平角。
度盘轴套套在竖轴轴套的外面，绕轴套旋转。
在水平度盘下方的度盘轴套上，有些仪器装有金属圆盘，用于复测，称为复测盘。
3．照准部
照准部上有望远镜、横轴、支架、竖轴、水准管、水平制微动、竖直制微动及读数装置等。
经纬仪的各部分构件名称如图3-6所示。
图3-6DJ6型光学经纬仪
三、DJ6级光学经纬仪的读数方法
1．分微尺测微器及其读数方法，如图3-7（a）所示。
分微尺测微器的结构简单，读数方便，具有一定的读数精度，广泛应用于J6级光学经纬仪。
读数的主要设备为读数窗上的分微尺，水平度盘与竖盘上1°的分划间隔，成象后与分微尺的全长相等。
上面的窗格里是水平度盘及其分微尺的影象，下面的窗格里是竖盘和其分微尺的影象。
分微尺分成60等分，格值1′，可估读到0.1′。
读数时，以分微尺上的零线为指标。
度数由落在分微尺上的度盘分划的注记读出，小于1′的数值，即分微尺零线至该度盘刻度线间的角值，由分微尺上读出。
（a）测微尺读数窗（b）单平板玻璃测微器的读数方法
图3-7DJ6光学经纬仪读数方法
2．单平板玻璃测微器及其读数方法
单平板玻璃测微器主要由平板玻璃、测微尺、连接机构和测微轮组成。
转动测微轮，通过齿轮带动平板玻璃和与之固连在一起的测微尺一起转动；测微尺和平板玻璃同步转动，单平板玻璃测微器读数窗的影象下面的窗格为水平度盘影象；中间的窗格为竖直度盘影象；上面较小的窗格为测微尺影象。
度盘分划值为30′，测微尺的量程也为30′，将其分为90格，即测微尺最小分划值为20″，当度盘分划影象移动一个分划值（30′）时，测微尺也正好转动30′。
第三节DJ2光学经纬仪
一、DJ2级光学经纬仪的构造
与DJ6级光学经纬仪相比，DJ2级光学经纬仪的精度较高，在结构上除望远镜的放大倍数
较大，照准部水准管的灵敏度较高，度盘格值较小外，主要表现在读数设备的不同。
DJ2级光学经纬仪常用于较高精度的工程测量。
如图3-8所示，为国产的DJ2级光学经纬仪的外形，其各部件的名称如图所注。
图3-8DJ2级光学经纬仪
1-读数显微镜；2-照准部水准管；3-水平制动螺旋；4-轴座连接螺旋；5-望远镜制动螺旋；6-瞄准器；
7-测微轮；8-望远镜微动螺旋；9-换像手轮；10-水平制动螺旋；11-水平度盘位置变换手轮；12-竖盘照明反光镜；13-竖盘指标水准管；14-竖盘指标水准管微动螺旋；15-光学对点器；16-水平度盘照明反光镜
二、DJ2级光学经纬仪的读数方法
近年来生产的DJ2级光学经纬仪，都采用了数字化读数装置。
如图3-9所示，右下方为分划重合窗，右上方读数窗中上面的数字为整度数，凸出的小方框中所注数字为整10′数；左下方为测微尺读数窗。
图3-9DJ2光学经纬仪读数窗
测微尺刻划有600小格，每格为1〞，可估读至0.1〞。
测微尺读数窗左边注记数字为分，右边注记为10〞。
读数步骤如下：
1．转动测微轮，使分划重合窗中上、下分划线重合，见图3-9（
），并在读数窗中读出度数；
2．在凸出的小方框中读出整10′数；
3．在测微尺读数窗中读出分及秒数；
4．将以上读数相加即为度盘度数。
如图3-9（
）中度数为96°37′15〞。
观测竖直角时读数方法同上，只是必须转动换像手轮，使度盘从水平度盘到竖直度盘。
第四节 水平角测量
一、经纬仪的使用
经纬仪的使用主要包括经纬仪的对中、整平、瞄准和读数等操作步骤。
（一）对中
对中目的是使仪器的中心与测站点位于同一铅线上。
1．打开三脚架，调节脚架高度适中，目估三脚架头大致水平，且三脚架中心大致对准地面标志中心。
2．将仪器放在脚架上，并拧紧连接仪器和三脚架的中心连接螺旋，双手分别握住另两条架腿稍离地面前后左右摆动，眼睛看对中器的望远镜，直至分划圈中心对准地面标志中心为止，放下两架腿并踏紧。
3．升落脚架腿使气泡基本居中，然后用脚螺旋精确整平。
4．检查地面标志是否位于对中器分划圈中心，若不居中，可稍旋松连接螺旋，在架头上移动仪器，使其精确对中。
（二）整平
整平是利用其座上三个脚螺旋使照准部水准管气泡居中，从而使竖轴竖直和水平度盘水平。
整平时，先转动照准部，使照准部水准管与任一对脚螺旋的连线平行，两手同时向内或外转动这两个脚螺旋，使水准管气泡居中。
将照准部旋转90°，转动第三个脚螺旋，使水准管气泡居中，按以上步骤反复进行，直到照准部转至任意位置气泡皆居中为止。
如图3-10所示。
图3-10经纬仪整平图3-11瞄准目标
（三）瞄准
测水平角时，瞄准是指用十字丝的纵丝精确地瞄准目标，具体操作步骤如下：
1．调节目镜调焦螺旋，使十字丝清晰。
2．松开望远镜制动螺旋和照准部制动螺旋，先利用望远镜上的准星瞄准目标，使在望远镜内能看到目标物象，然后旋紧上述两制动螺旋。
3．转动物镜调焦使物象清晰，注意消除视差。
4．旋转望远镜和照准部制动螺旋，使十字丝的纵丝精确地瞄准目标，如图3-11所示。
（四）读数
照准目标后，打开反光镜，并调整其位置，使读数窗内进光明亮均匀。
然后进行读数显微镜调焦，使读数窗内分划清晰，并消除视差。
最后读取度盘读数并记录。
二、水平角观测
（一）测回法
这种方法用于观测两个方向之间的单角。
如图3-12所示，观测程序如下：
图3-12测回法观测
1．在O点安置经纬仪，对中、整平后盘左位置精确瞄准左目标A，调整水平度盘为零度稍大，读数A左。
2．松开水平制动螺旋，顺时针转动照准部，瞄准右方B目标，读取水平度盘读数B左。
以上称上半测回，角值为
（3-1）
3．松开水平及竖直制动螺旋，盘右瞄准右方B目标，读取水平度盘读数B右，再瞄准左方目标A，读取水平度盘读数A右。
以上称下半测回，角值为
（3-2）
4．上、下半测回合称一测回。
（3-3）
必须注意：
1）上、下半测回的角值之差不大于40〞时，才能取其平均值作为一测回观测成果。
2）水平度盘是按顺时针方向注记的，因此半测回角值必须是右目标读数减去左目标读数，当不够减时则将右目标读数加上按360°。
3）当测角精度要求较高时，往往要测几个测回，为了减少度盘分划误差的影响，各测回间应根据测回数n按180°／n变换水平度盘位置。
测回法测角记录计算格式如表3-1。
表3-1水平角观测手簿（测回法）
测站
测回
竖盘位置
目标
水平度盘数
半测回角值
一测回角值
各测回平均角值
备注
O
1
左
A
0°03′18″
89°30′12″
89°30′15″
89°30′21″
B
89°33′30″
右
A
180°03′24″
89°30′18″
B
269°33′42″
O
2
左
A
90°03′30″
89°30′30″
89°30′27″
B
179°34′00″
右
A
270°03′24″
89°30′24″
B
359°33′48″
（二）方向观测法
适用于观测两个以上的方向。
当方向多于二个时，每半测回都从一个选定的起始方向（零方向）开始观测，在依次观测所需的各个目标之后，应再次观测起始方向（称为归零）称为全圆方向法。
如图3-13所示。
图3-13方向观测法
如需观测
个测回，则各测回间仍应按
变动水平度盘位置。
记录计算见表3-2方向观测法计算手簿。
表3-2方向观测法计算手簿
测站
测回数
目标
读数
2C=
平均读数
归零方向值
各测回归零方向值之平均值
略图及角值
盘左
盘右
0
1
（0°02′06″）
A
0°02′06″
182°02′00″
＋6″
0°02′03″
00°00′00″
00°00′00″
51°13′28″
131°52′02″
182°00′22″
B
51°15′42″
231°15′30″
＋12″
51°15′36″
51°13′30″
C
131°54′12″
311°54′00″
＋12″
131°54′06″
131°52′00″
D
182°02′24″
2°02′24″
0
182°02′24″
182°00′18″
A
0°02′12″
180°02′06″
＋6″
0°02′09″
2
（90°03′32″）
A
90°03′30″
270°03′24″
＋6″
90°03′27″
00°00′00″
B
141°17′00″
321°16′54″
＋6″
141°16′57″
51°13′25″
C
221°55′42″
41°55′30
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