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用同样的方法,继续向前量第二、第三…第N尺段。
量完每一尺段时,后尺手必须将插在地面上的测钎拔出收好,用来计算量过的整尺段数。
最后量不足一整尺段的距离,如图4-9所示。
当丈量到B点时,由前尺手用尺上某整刻划线对准终点B,后尺手在尺的零端读数至mm,量出零尺段长度Δl。
上述过程称为往测,往测的距离用下式计算:
D=nl+Δl(4-1)
式中:
l——整尺段的长度;
n——丈量的整尺段数;
Δl——零尺段长度。
接着再调转尺头用以上方法,从B至A进行返测,直至A点为止。
然后再依据(4-1)式计算出返测的距离。
一般往返各丈量一次称为一测回,在符合精度要求时,取往返距离的平均值作为丈量结果。
量距记录表见表4-1。
2.在倾斜地面上丈量
当地面稍有倾斜时,可把尺一端稍许抬高,就能按整尺段依次水平丈量,如图4-10a)所示,分段量取水平距离,最后计算总长。
若地面倾斜较大,则使尺子一端靠高地点桩顶,对准端点位置,尺子另一端用垂球线紧靠尺子的某分划,将尺拉紧且水平。
放开垂球线,使它自由下坠,垂球尖端位置,即为低点桩顶。
然后量出两点的水平距离,如图4-10b)所示。
在倾斜地面上丈量,仍需往返进行,在符合精度要求时,取其平均值做为丈量结果。
图4-10平坦地区与倾斜地面丈量示意图
五、丈量成果处理与精度评定
为了避免错误和判断丈量结果的可靠性,并提高丈量精度,距离丈量要求往返丈量。
用往返丈量的较差ΔD与平均距离D平之比来衡量它的精度,此比值用分子等于l的分数形式来表示,称为相对误差K,即:
ΔD=D往-D返(4-2)
D平=
(D往+D返)(4-3)
K=
=
(4-4)
如相对误差在规定的允许限度内,即K≤K允,可取往返丈量的平均值作为丈量成果。
如果超限,则应重新丈量只到符合要求为止。
例用钢尺丈量两点间的直线距离,往量距离为217.30m,返量距离为217.38m,今规定其相对误差不应大于,试用:
(1)所丈量成果是否满足精度要求?
(2)按此规定,若丈量100米的距离,往返丈量的较差最大可允许相差多少毫米?
解:
由题意知:
(D往+D返)
=(217.30+217.38)=217.34(m)
ΔD=D往-D返
=217.30-217.38=-0.08(m)
K=
∵K<K允=
∴所丈量成果满足精度要求。
又由K=
知
│ΔD│=K·
D平
=
×
100
=0.05(m)
ΔD≤±
50(mm)
即往返丈量的较差最大可相差±
50(mm)。
第二节
钢尺量距的精密方法
一、
钢尺精密量距的方法
1.定线
欲精密丈量直线AB的距离,首先清除直线上的障碍物,然后安置经纬仪于A点上,瞄准B点,用经纬仪进行定线。
用钢尺进行概量,在视线上依次定出此钢尺一整尺略短的A1、12、23……等尺段。
在各尺段端点打下大木桩,桩顶高出地面3—5cm。
在桩顶钉一白铁皮。
利用A点的经纬仪进行定线,在各白铁皮上划一条线,使其与AB方向重合,另划一条线垂直与AB方向,形成十字,作为丈量的标志。
2.量距
用检定过的钢尺丈量相邻两木桩之间的距离。
丈量组一般由5入组成,2人拉尺,2人读数,1人指挥兼记录和读温度。
丈量时,拉伸钢尺置于相邻两木桩顶上,并使钢尺有刻划线一侧贴切十字线。
后尺手将弹簧秤挂在尺的零端,以便施加钢尺检定时的标准拉力(30m钢尺,标准拉力为10kg);
钢尺拉紧后,前尺手以尺上某—整分划对准十字线交点时,发出读数口令“预备”,后尺手回答“好”。
在喊好的同一瞬间,两端的读尺员同时根据十字交点读取读数,估读到0.5mm记入手簿。
每尺段要移动钢尺位置丈量三次,三次测得的结果的较差视不同要求而定,一般不得超过2—3mm,否则要重量。
如在限差以内,则取三次结果的平均值,作为此尺段的观测成果。
每量一尺段都要读记温度一次,估读到0.5℃。
按上述由直线起点丈量到终点是为往测,往测完毕后立即返测,每条直线所需丈量的次数视量边的精度要求而定。
3.测量桩顶高程
上述所量的距离,是相邻桩顶间的倾斜距离,为了改算成水平距离,要用水准测量方法测出各桩顶的高程,以便进行倾斜改正。
水准测量宜在量距前或量距后往、返观测一次,以资检核。
相邻两桩顶往、返所测高差之差,一般不得超过±
10mm;
如在限差以内,取其平均值作为观测成果。
4.
尺段长度的计算
精密量距中,每一尺段长需进行尺长改正、温度改正及倾斜改正,求出改正后的尺段长度。
计算各改正数如下:
(1)尺长改正
钢尺在标准拉力、标准温度下的检定长度L′,与钢尺的名义长度L0往往不一致,其差L=L′-L0数,即为整尺段的尺长改正。
任一尺段L的尺长改正数为△Ld=(L′-L0)L/L0
(2)温度改正
设钢尺在检定时的温度为t0℃,丈量时的温度为t℃,钢尺的线膨胀系数为α,则某尺段L的温度改正为
△Lt=α(t℃-t0℃)L
(3)倾斜改正
设L为量得的斜距,h为尺段两端间的高差,现要将L改算成水平距离d′,故要加倾斜改正数△Lh=-h2/2L
倾斜改正数永远为负值。
二、距离丈量的注意事项
1.影响量距成果的主要因素
(1)尺身不平。
(2)定线不直。
定线不直使丈量沿折线进行,如图4-11中的虚线位置,其影响和尺身不水平的误差一样,在起伏较大的山区或直线较长或精度要求较高时应用有关仪器定线。
图4-11定线误差示意图
(3)拉力不均。
钢尺的标准拉力多是100N,故一般丈量中只要保持拉力均匀即可。
(4)对点和投点不准。
丈量时用测钎在地面上标志尺端点位置,若前、后尺手配合不好,插钎不直,很容易造成3~5mm误差。
如在倾斜地区丈量,用垂球投点,误差可能更大。
在丈量中应尽力做到对点准确,配合协调,尺要拉平,测钎应直立,投点要准。
(5)丈量中常出现的错误。
主要有认错尺的零点和注字,例如6误认为9;
记错整尺段数;
读数时,由于精力集中于小数而对分米、米有所疏忽,把数字读错或读颠倒;
记录员听错、记错等。
为防止错误就要认真校核,提高操作水平,加强工作责任心。
2.注意事项
(1)丈量距离会遇到地面平坦、起伏或倾斜等各种不同的地形情况,但不论何种情况,丈量距离有三个基本要求:
“直、平、准”。
直,就是要量两点间的直线长度,不是折线或曲线长度,为此定线要直,尺要拉直;
平,就是要量两点间的水平距离,要求尺身水平,如果量取斜距也要改算成水平距离;
准,就是对点、投点、计算要准,丈量结果不能有错误,并符合精度要求。
(2)丈量时,前后尺手要配合好,尺身要置水平,尺要拉紧,用力要均匀,投点要稳,对点要准,尺稳定时再读数。
(3)钢尺在拉出和收卷时,要避免钢尺打卷。
在丈量时,不要在地上拖拉钢尺,更不要扭折,防止行人踩和车压,以免折断。
(4)尺子用过后,要用软布擦干净后,涂以防锈油,再卷入盒中。
第三节直线定向
确定直线方向与标准方向之间的关系称为直线定向。
要确定直线的方向,首先要选定一个标准方向作为直线定向的依据,然后测出这条直线方向与标准方向之间的水平角,则直线的方向便可确定。
在测量工作中以子午线方向为标准方向。
子午线分真子午线、磁子午线和轴子午线三种。
一、标准方向
真子午线方向:
通过地面上某点指向地球南北极的方向,称为该点的真子午线方向,它是用天文测量的方法测定的。
磁子午线方向:
地面上某点当磁针静止时所指的方向,称为该点的磁子午线方向。
磁子午线方向可用罗盘仪测定。
由于地球的磁南、北极与地球的南、北极是不重合的,其夹角称为磁偏角,以δ表示。
当磁子午线北端偏于真子午线方向以东时,称为东偏;
当磁子午线北端偏于真子午线方向以西时,称为西偏;
在测量中以东偏为正,西偏为负,如图4-12所示。
磁偏角在不同地点有不同的角值和偏向,我国磁偏角的变化范围大约在+6°
(西北地区)至-10°
(东北地区)之间。
轴子午线方向:
又称坐标纵轴线方向,就是大地坐标系中纵坐标的方向。
由于地面上各点子午线都是指向地球的南北极,所以不同地点的子午线方向不是互相平行的,这就给计算工作带来不便,因此在普通测量中一般均采用纵坐标轴方向作为标准方向,这样测区内地面各点的标准方向就都是互相平行的。
在局部地区,也可采用假定的临时坐标纵轴方向,作为直线定向的标准方向。
综上所述,不论任何子午线方向,都是指向北(或南)的,由于我国位于北半球,所以常把北方向做为标准方向。
二、直线方向的表示法
直线方向常用方位角来表示。
方位角就是以标准方向为起始方向顺时针转到该直线的水平夹角,所以方位角的取值范围是由0°
到360°
,如图4-13a)所示。
直线OM的方位角为AOM;
直线OP的方位角为AOP。
图4-12三北方向线图4-13坐标方位角示意图
以真子午线方向为标准方向(简称真北)的方位角称为真方位角,用A表示;
以磁子午线方向为标准方向(简称磁北)的方位角称为磁方位角,用Am表示;
以坐标纵轴方向为标准方向(简称轴北)的方位角称为坐标方位角,以
表示。
每条直线段都有两个端点,若直线段从起点1到终点2为直线的前进方向,则在起点1处的坐标方位角
为正方位角,在终点2处的坐标方位角
为反方位角。
从图4-13b)中可看出同一直线段的正、反坐标方位角相差为180°
。
即:
±
180°
(4-5)
第三节罗盘仪的构造与使用
一、罗盘仪的构造
罗盘仪是利用磁针确定直线方向的一种仪器,通常用于独立测区的近似定向,以及林区线路的勘测定向。
图4-14a)为DQL-1型罗盘仪构造图。
它主要由望远镜、罗盘盒、基座三部分组成。
望远镜是瞄准部件,由物镜、十字丝、目镜所组成。
使用时转动目镜看清十字丝,用望远镜照准目标,转动物镜对光螺旋使目标影像清晰,并以十字丝交点对准该目标。
望远镜一侧装置有竖直度盘,可测量目标点的竖直角。
罗盘盒如图4-14b)所示,盒内磁针安在度盘中心顶针上,自由转动,为减少顶针的磨损,不用时用磁针制动螺旋将磁针托起,固定在玻璃盖上。
刻度盘的最小分划为30′,每隔10°
有一注记,按逆时针方向由0°
,盘内注有N(北)、S(南)、E(东)、W(西),盒内有两个水准器用来使该度盘水平。
基座是球状结构,安在三脚架上,松开球状接头螺旋,转动罗盘盒使水准气泡居中,再旋紧球状接头螺旋,此时度盘就处于水平位置。
磁针的两端由于受到地球两个磁极引力的影响,并且考虑到我国位于北半球,所以磁针北端要向下倾斜,为了使磁针水平,常在磁针南端加上几圈铜丝,以达到平衡的目的。
二、罗盘仪的使用
将罗盘仪置于直线一端点,进行对中整平,照准直线另一端点后,放松磁针制动磁针。
待磁针静止后,磁针在刻度盘上所指的读数即为该直线的磁方位角。
其读数方法是:
当望远镜的物镜在刻度圈0°
上方时,应按磁针北端读数。
如图4-15所示的OM该直线磁方位角为240°
使用罗盘仪时,周围不能有任何铁器,以免影响磁针位置的正确性。
在铁路附近和高压电塔下以及雷雨天观测时,磁针的读数将会受到很大影响,应该注意避免。
测量结束时,必须旋紧磁针制动螺旋,避免顶针磨损,以保护磁针的灵活性。
第五章 全站仪及其使用
一、概述
全站型电子速测仪简称全站仪,它是一种可以同时进行角度(水平角、竖直角)测量、距离(斜距、平距、高差)测量和数据处理,由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。
由于只需一次安置,仪器便可以完成测站上所有的测量工作,故被称为“全站仪”。
全站仪的结构原理如图4-16所示。
图中上半部分包含有测量的四大光电系统,即水平角测量系统、竖直角测量系统、水平补偿系统和测距系统。
通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。
以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。
微处理机(CPU)是全站仪的核心部件,主要有寄存器系列(缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器)、运算器和控制器组成。
微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作,执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作,保证整个光电测量工作有条不紊地进行。
输入输出设备是与外部设备连接的装置(接口),输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。
目前,世界上许多著名的测绘仪器生产厂商均生产有各种型号的全站仪,图4-17所示是瑞士徕卡公司生产的TC1800全站仪。
二、全站仪的测量功能与原理
图4-18光电测距示意图
(一)、概况
电磁波测距按测程来分,有短程(<3km)、中程(3—15km)和远程(>15km)之分。
按测距精度来分,有Ⅰ级(5mm)、Ⅱ级(5mm—10mm)和Ⅲ级(>10mm)。
按载波来分,采用微波段的电磁波作为载波的称为微波测距仪;
采用光波作为裁波的称为光电测距仪。
光电测距仪所使用的光源有激光光源和红外光源(普通光源已淘汰),采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪。
由于红外测距仪是以砷化稼(GaAs)发光二极管所发的荧光作为载波源,发出的红外线的强度能随注入电信号的强度而变化,因此它兼有载波源和调制器的双重功能。
GaAs发光二极管体积小,亮度高,功耗小,寿命长,且能连续发光,所以红外测距仪获得了更为迅速的发展。
本节讨论的就是红外光电测距仪。
(二)、测距原理
欲测定A、B两点间的距离D,安置仪器于A点,安置反射镜于B点。
仪器发射的光束由A至B,经反射镜反射后又返回到仪器。
设光速c为已知,如果光束在待测距离D上往返传播的时间
已知,则距离D可由下式求出
式中c=c。
/n,c。
为真空中的光速值,其值为299792458m/s,n为大气折射率,它与测距仪所用光源的波长,测线上的气温t,气压P和湿度e有关。
测定距离的精度,主要取决于测定时间
的精度,例如要求保证±
lcm的测距精度,时间测定要求准确到6.7×
10—lls,这是难以做到的。
因此,大多采用间接测定法来测定
间接测定
的方法有下列两种:
1.
脉冲式测距
由测距仪的发射系统发出光脉冲,经被测目标反射后,再由测距仪的接收系统接收,测出这一光脉冲往返所需时间间隔()的钟脉冲的个数以求得距离D。
由于计数器的频率一殷为300MHz(300×
106Hz),测距精度为O.5m,精度较低。
2.
相位式测距
由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波,测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相依移,以测定距离D。
红外光电测距仪一般都采用相位测距法。
在砷化镕(GaAs)发光二极管上加了频率为f的交变电压(即注入交变电流)后,它发出的光强就随注入的交变电流呈正弦变化,这种光称为调制光。
测距仪在A点发出的调制光在待测距离上传播,经反射镜反射后被接收器所接收,然后用相位计将发射信号与接受信号进行相位比较,由显示器显出调制光在待测距离往、返传播所引起的相位移φ。
(三)、全站仪的操作与使用
不同型号的全站仪,其具体操作方法会有较大的差异。
下面简要介绍全站仪的基本操作与使用方法。
1.全站仪的基本操作与使用方法
1)水平角测量
(1)按角度测量键,使全站仪处于角度测量模式,照准第一个目标A。
(2)设置A方向的水平度盘读数为0°
00′00″。
(3)照准第二个目标B,此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。
2)距离测量
(1)设置棱镜常数
测距前须将棱镜常数输入仪器中,仪器会自动对所测距离进行改正。
(2)设置大气改正值或气温、气压值
光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化,15℃和760mmHg是仪器设置的一个标准值,此时的大气改正为0ppm。
实测时,可输入温度和气压值,全站仪会自动计算大气改正值(也可直接输入大气改正值),并对测距结果进行改正。
(3)量仪器高、棱镜高并输入全站仪。
(4)距离测量
照准目标棱镜中心,按测距键,距离测量开始,测距完成时显示斜距、平距、高差。
全站仪的测距模式有精测模式、跟踪模式、粗测模式三种。
精测模式是最常用的测距模式,测量时间约2.5S,最小显示单位1mm;
跟踪模式,常用于跟踪移动目标或放样时连续测距,最小显示一般为1cm,每次测距时间约0.3S;
粗测模式,测量时间约0.7S,最小显示单位1cm或1mm。
在距离测量或坐标测量时,可按测距模式(MODE)键选择不同的测距模式。
应注意,有些型号的全站仪在距离测量时不能设定仪器高和棱镜高,显示的高差值是全站仪横轴中心与棱镜中心的高差。
3)坐标测量
(1)设定测站点的三维坐标。
(2)设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。
当设定后视点的坐标时,全站仪会自动计算后视方向的方位角,并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。
(3)设置棱镜常数。
(4)设置大气改正值或气温、气压值。
(5)量仪器高、棱镜高并输入全站仪。
(6)照准目标棱镜,按坐标测量键,全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。
本章小结
一、钢尺量距方法
1.丈量方法:
标定点位—直线定线—往返丈量水平距离。
2.成果处理:
往返丈量较差:
ΔD=D往-D返
平均距离:
D平=
(D往+D返)
相对误差:
二、直线定向
1.直线定向——确定直线方向与标准方向之间的关系。
2.标准方向
真子午线方向;
磁子午线方向;
坐标纵轴方向。
3.直线方向的表示
直线方向常用方位角表示。
方位角——以标准方向为起始方向顺时针转到该直线的水平夹角。
坐标方位角——以坐标纵轴方向为起始方向顺时针转到该直线的水平夹角。
正、反方位角——一条直线的正、反坐标方位角相差180°
,即
三、罗盘仪及使用
罗盘仪是利用磁针确定直线方向的一种仪器。
其使用方法如下:
在站点安置罗盘仪—照准目标—松开磁针制动螺旋—待磁针静止后读取磁方位角数值。
四、全站仪及使用
1.全站仪的测量功能
全站仪可以进行角度(水平角、竖直角)测量;
距离测量;
坐标测量。
2.全站仪的基本操作
(1)识别显示窗及操作键;
(2)安置仪器与棱镜;
(3)开机并确定测量模式;
(4)进行角度测量或距离测量;
(5)进行坐标测量;
(6)进行全站仪其它功能的操作。