测量学自学教程12.docx
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测量学自学教程12
第十二章 测量新仪器和新技术简介
一、本章重点
1．了解测量新仪器的构造特点和技术操纵方法。
2．了解测量新技术的应用情况。
二、本章难点
测量新仪器的设计思路与应用技术。
三、课时分配
本章讲授2—4学时。
第一节 电子水准仪
一、构造与工作原理
电子水准仪是一种自动化程度很高的智能水准仪器，如图12-1所示。
它由基座、水准器、望远镜及数据处理系统组成。
电子水准仪具有内藏应用软件和良好的操作界面，可以自动完成读数、记录和计算处理等工作，并通过数据通讯将数据传输到计算机内进行后续处理，还可以通过远程通讯系统将测量成果直接传输给其它用户。
若使用普通水准尺，也可当普通水准仪使用。
图12-1 电子水准仪
1-物镜；2-提环；3-物镜调焦螺旋；4-测量按钮；5-微动螺旋；6-RS接口；7-圆水准器观察窗；8-目镜；9-显示器；10-键盘；11-度盘；12-基座
电子水准仪的工作原理如图12-2所示，在仪器的中央处理器（数据处理系统）中建立了一个对单平面上所形成的图像信息自动编码程序，通过望远镜中的照相机摄取水准尺上的图像信息，传输给数据处理系统，自动地按编码转换成水准尺读数和水平距离或其它所需要的数据，并自动记录储存在记录器中或在显示器上。
图12-2 电子水准仪工作原理图
电子水准仪不仅可进行普通水准仪的各种测量，还可以进行水平角测量、高精度距离测量、坐标增量测量、水准网测量的平差计算，在较为平坦的地区可作中等精度全站仪使用，具有一机多能的作用。
尤其是自动连续测量的功能对大型建筑物的变形（瞬时变化值）观测，更具有优越性，不是常规仪器所能比拟的。
下面为瑞士徕卡NA2000型电子水准仪的主要技术参数（电子读数）：
每公里往返中误差0.9mm
测距精度10mm
最小视距2.0m
最大测程100m
高差最小显示值0.01mm
视场角2
安平补偿精度0.4″
外业作业温度20+50
二、条码水准尺
图12-3 条码水准尺
条码水准尺是与电子水准仪配套的专用尺，如图12-3a）所示，它由玻璃纤维塑料制成，或用铟钢制成尺面镶嵌在基尺上形成。
尺面上刻有宽度不同的水平黑白相间的分划（条码），该条码相当于普通水准尺上的分划和注记，全长为24.05m。
条码水准尺上附有安平水准器和扶手，在尺的顶端留有撑杆固定螺孔，以便用撑杆固定条码尺，使之长时间保持竖直位置，减轻作业人员的劳动强度。
条码水准尺在望远镜视场中的情形如图12-3b）所示。
三、技术操作方法
电子水准仪用于测量时，其技术操作方法与自动安平水准仪类似，分为粗平、照准、读数三步。
下面以NA2000型电子水准仪为例介绍其操作方法。
1．粗平
转动脚螺旋，使圆水准气泡居中即可，气泡居中的状况可在观察窗中看到。
而后打开仪器电源开关（开机），使仪器进行自检。
当仪器自检合格后显示器显示程序清单，此时即可进行测量工作。
2．照准
转动目镜调焦螺旋，看清十字丝；按相应键选择测量模式或测量程序，如仅测量不记录、测量并记录测量数据等。
例如，按下RROG键，调出程序清单；按DSP↑或DSP↓键，选择相应的测量程序，并按RUN键予以确认。
仅测量水准尺的读数和距离时，程序为“PMEASONLY”；开始进行水准测量时的程序为“PSTARTLEVELING”；水准线路连续高程测量和输入起始点高程的程序为“PCONTLEVELING”；视准轴误差检验的程序为“PCHECK&ADJUST”；删除记录器中数据记录的程序为“PERASEDATA”。
选定测量模式后，进行物镜对光，用十字丝照准条码尺中央，并制动望远镜。
3．读数
轻按一个测量按钮（红色），显示器将显示水准尺读数；按测量键即可得到仪器至条码尺的距离。
若按相应键即可得到所需的相应数据。
若在“测量并记录”模式，仪器将自动记录测量数据。
在高程测量过程中，后视观测完毕后，仪器自动显示提示符“FORE□□□□”，提醒观测员观测前视，前视观测完毕后，仪器又自动显示提示符“BACK□□□□”，提醒进行下一站后视的观测；如此连续进行，直至观察到终点。
仪器显示待定点的高程是以前一站转点的高差推算的。
4．结束
按［IN/SO］键结束测量工作。
第二节 电子经纬仪
随着电子技术的发展，近年来出现了电子经纬仪，它测角精度高，能自动显示角度值，加快了测角精度。
电子经纬仪与光学经纬仪具有类似的外形和结构特征，因此使用方法也有许多相通的地方。
最主要的区别在于读数系统，光学经纬仪是在360的全圆上均匀地刻上度（分）的刻化并注有标记，利用光学测微器读出分、秒值，电子经纬仪则采用光电扫描度盘和自动显示系统。
电子经纬仪具有以下特点：
（1）实现了测量的读数、记录、计算、显示自动一体化，避免了人为的影响。
（2）仪器的中央处理器配有专用软件，可自动对仪器几何条件进行检校和各种归算正。
（3）储存的数据可通过I/O接口输入计算机作相应的数据处理。
一、电子经纬仪的测角原理
图12-4 电子经纬仪编码度盘
电子经纬仪获取电信号形式与度盘有关。
目前，电子测角有三种度盘形式，即编码度盘、光栅度盘和格区式度盘。
下面分述其测角原理。
1．编码度盘
如图12-4所示编码度盘。
整个度盘被均匀地划分为16个区间，每个区间的角值相应为360/162230；以同心圆由里向外划分为4个环带（每个环带称为1条码道）。
黑色为透光区，白色为不透光区，透光表示二进制代码“1”，不透光表示“0”。
这样通过各区间的4个码道的透光和不透光，即可每区由里向外读出一组4位二进制数来，每组数代表度盘的一个位置，从而达到对度盘区间编码的目的，参见表12-1所列。
二进制编码表表12-1
区间
二进制编码
角值（°′）
区间
二进制编码
角值（°′）
区间
二进制编码
角值（°′）
0
0000
000
6
0110
13500
11
1000
24730
1
0001
2230
7
0111
15730
12
1100
27000
2
0010
4500
8
1000
18000
13
1101
29230
3
0011
6730
9
1001
20230
14
1110
31500
4
0100
9000
10
1010
22500
15
1111
33730
5
1101
11230
如图12-5所示，为了识别照准方向落在度盘的区间的编码，在度盘上方沿径向每个码道安装一个发光二极管组成光源系列；在度盘下方相应位置安装一组光电二极管，组成通过码道所编码的光信号转化为电信号输出的接收检测系列，从而识别了度盘区间的编码。
通过对两个方向的编码识别，即可求得测角值。
图12-5 编码接收检测系统
图12-6 电子经纬仪光栅度盘
编码度盘分化区间的角值大小（分辨率）取决于码道数n，按360/2n式计算，如需分辨率为10，则需要2048个区间，11个码道，即360/211360/204810。
显然，这对有限尺寸的度盘是难以解决的。
因而在实际中，采用码道数和细分法加测微技术来提高分辨率。
2．光栅度盘
在光学玻璃圆盘上全圆360均匀而密集地刻划出许多径向刻线，构成等间隔的明暗条纹——光栅，称做光栅度盘，如图12-6所示。
通常光栅的刻线宽度与缝隙宽度相同，二者之和称为光栅的栅距。
栅距所对应的圆心角即为栅距的分划值。
如在光栅度盘上、下对应位置安装照明器和光电接收管，光栅的刻线不透光，缝隙透光，即可把光信号转换成电信号。
当照明器和接收管随照准部相对于光栅度盘转动，由计数器计出转动所累计的栅距数，就可得到转动的角度值。
因为光栅度盘是累计计数的，所以通常这种系统为增量式读数系统。
图12-7 电子经纬仪莫尔条纹度盘
仪器在操作中会顺时针转动和逆时针转动，因此计数器在累计栅距数时也有增有减。
例如在瞄准目标时，如果转动过了目标，当反向回到目标时，计数器就会减去多转的栅距数。
所以这种读数系统具有方向判别的能力，顺时针转动时就进行加法计数，而逆时针转动时就进行减法计数，最后结果为顺时针转动时相应的角值。
在80mm直径的度盘上刻线密度已达到50线mm，如此之密，而栅距的分划值仍很大，为143。
为了提高测角精度，还必须用电子方法对栅距进行细分，分成几十至上千等份。
由于栅距太小，细分和计数都不易准确，所以在光栅测角系统中都采用了莫尔条纹技术，借以将栅距放大，再细分和计数。
莫尔条纹如图12-7所示，是用与光栅度盘相同密度和栅距的一段光栅（称为指示光栅），与光栅度盘以微小的间距重叠起来，并使两光栅刻线互成一微小夹角，这时就会出现放大的明暗交替的条纹，这些条纹就是莫尔条纹。
通过莫尔条纹，即可使栅距d放大至D。
日本索佳、瑞士克恩（Kern）厂的E1型和E2型电子经纬仪即采用光栅度盘。
3．格区式度盘
格区式度盘如图12-8所示，度盘刻有1024个分划，每个分划间隔包括一条刻线和一个空隙（刻线不透光，空隙透光），其分划值为0测角时度盘以一定的速度旋转，因此称为动态测角。
度盘上装有两个指示光栏，LS为固定光栏，LR可随照准部转动，为可动光栏。
两光栏分别安装在度盘的内外缘。
测角时，可动光栏LR随照准部旋转，LS与LR之间构成角度。
度盘在马达带动下以一定的速度旋转，其分划被光栏LS和LR扫描而计取两个光栏之间的分划数，从而求得角度值。
图12-8 电子经纬仪格区式度盘
由图12-8可知，n0，即角等于n个整周期0与不足整周期的之和。
n与分别由粗测和精测求得。
1）粗测
在度盘同一径向的外边缘上设有两个标记a和b，度盘旋转时，从标记a通过LS时起，计数器开始计取整间隔0的个数，当另一标记b通过LR时计数器停止计数，此时计数器所得到的数值即为0的个数n。
2）精测
度盘转动时，通过光栏LS和LR处于同一位置，或间隔的角度是分划间隔0的整倍数，则S和R同相，即二者相位差为零；如果LR相对于LS移动的间隔不是0的整倍数，则分划通过LR和分划通过LS之间就存在着时间差T，亦即S和R之间存在相位差。
与一个整周期0的比显然等于T与周期T0之比，即
T为任意分划通过LS之后，紧接着另一分划通过LR所需要的时间。
粗测和精测数据经微处理器处理后组合成完整的角值。
瑞士徕卡公司生产的WILDT2000型电子经纬仪采用的就是这种动态测角方法。
二、WILDT2000型电子经纬仪简介
1．概述
图12-9 T2000型电子经纬仪外形
T2000型电子经纬仪如图12-9所示，内置的液体补偿器能测出仪器竖轴偏离铅垂线的偏离量；能计算或消除由于竖轴倾斜对水平读数的影响；能自动补偿竖盘指标差。
对水平度盘和竖直度盘刻划或偏心引起的误差，可由不断变化的角度扫描系统在测量过程中得到消除。
用适当的方法可计算和改正视准轴误差和横轴倾斜误差对水平角观测的影响。
该仪器对水平角和竖直角的测量精度均为0.5。
2．控制面板
T2000电子经纬仪一般装有两个控制面板，在仪器的盘左或盘右位置时，分别面对操作员。
控制面板上有键盘和三个显示器，如图12-10所示。
相同的信息可以同时显示在两个控制面板的显示器上。
图12-10 T2000型电子经纬仪控制面板
显示器1能显示4个字母——数字字符。
显示的内容为操作指南、提示和符号以及指示显示器2和3的数值所代替的含义。
在显示器顶部显示下列符号：
Bat电池充电不足
/Δ角度和距离测量的标志
Comp补偿器关闭
mil观测角为60密位
ft测距以英尺为单位
显示器2和3能显示8个字符（包括小数点和符号）。
通过某些指令可将数据和信息通过键盘输入到T2000并显示在显示器3上。
T2000键盘上的按键用白、绿、桔红和黄四种不同的颜色加以区别。
白色为主指令，主指令上的字分为黑体直体字母和斜体字母。
利用直体字母，按一个键就执行，例如按DIST键即表示测量功能；利用斜体字母，按一系列的键方可执行，例如按TEST0表示测试工作电压。
绿色为显示装置，例如在按DIST键前，选择显示预置DSPH2V，当按DIST键后，显示器2和3就分别显示平盘读数和竖盘读数；若预先不作任何选择，当按了DIST键后，再根据需要选择显示也行。
桔红色为预置功能。
T2000有自己的非易失性存贮器，某些数据、休息和指令可以输入并存储。
关机后仍然保留，直到输入新的数据。
黄色为数字，用于输入数据，包括数字、小数点和“”号，按键可把“+”改成“”，或把“”改成“+”。
CE键用于清除还没有用RUN键完成的输入数据和指令，当数据输入时，在显示器3上显示数据，每按一次CE键，显示器3上显示的数据就消掉一位数字，从个位起向左逐个清除。
CE键亦可清除错误指示。
用于照亮望远镜分划和显示器，再按键或按OFF键即可关闭照明，分划线照明的亮度可由旋转电位器来调整。
3．操作
ON开机
SETMODE95RUN1/0RUN选择1表示连续工作，选择0表示自动关机；
SETTIME1/0RUN选择1表示3min之后关机，选择0表示20s之后自动关机；
SETMODE40RUN3/4RUN选择3表示角度为360十进制，选择4表示360六十进制；
SETFIXnRUN其中n1、2、3、4、5，用DATA键改变或输入参数1到5，则角值分别显示到10，1，10，1，0.1；
OFF关机（为了省电和延长电子元件的使用寿命，尽量缩短开机工作时间）
照准1号目标后
ON开机
DSPHzV显示平盘读数和竖盘读数
SETHzO0RUN把1号目标置零
OFF关机
照准2号目标后
ON显示平盘读数和竖盘读数
OFF关机
重复照准目标可测得各目标的平盘读数和竖盘读数，电子经纬仪也要盘左、盘右观测。
当只需平盘或竖盘读数时，按DSPHz或DSPV即可。
第三节 GPS定位技术
一、GPS技术系统
GPS（GlobalPositioningSystem）是一种以人造卫星为基础的空间站无线电定位、全天候导航和授时系统。
GPS整个系统包括三大部分，即空间部分、控制部分和用户部分。
1．空间部分
由24颗工作卫星和3颗备用卫星组成，工作卫星均匀分布在六个相对于赤道的倾角为55的近似圆轨道上，轨道面之间夹角为60，轨道平均高度为20200km，运行周期为11h58min。
这种星座布局如图12-11所示，可保证地球任一点任一时刻均可收到4颗以上卫星的信号，实现瞬时定位。
图12-11 GPS空间卫星示意图
GPS卫星发射的是一对相干波，频率和波长分别为：
fL11575.42MHzL119cm；
fL21227.60MHzL224cm；
在这个载波上分别加上C/A码（粗码）和P码（精码）及伪随机噪声码，用于计算卫星位置、辨别卫星和计时等目的。
工作卫星的主体呈圆柱型，直径1.5m，质量845kg，卫星设计寿命为7.5年。
卫星上装备有微处理器，大容量存贮器，原子钟和多波束定向天线及全向遥控天线，用于：
①发射调制各种消息的无线电信号，供用户定位、导航和收时；②接收和储存由地面控制站发送来的消息；③进行数据处理；④以卫星上的铯钟和铷钟维持精密的时间信号。
2．地面控制部分
目前GPS有五个地面监控站。
这些监控站位于美国本土上的科罗拉多和夏威夷；大西洋的阿松森群岛；太平洋的卡瓦加兰和印度洋的迭哥伽西亚。
这五个监控站的坐标是精密已知的，都被动跟踪视场内的所有卫星，收集数据并发送到主控站——科罗拉多，在那儿完成全部数据处理。
在计算完相应的卫星星历、时钟漂移和卫星的传播延迟之后，由主控站通过三个地面天线将每颗卫星的导航电文、定位信息发射到卫星。
这三个地面天线分别设在卡瓦加兰、阿松森群岛和迭哥伽西亚，它们也用于发射和接收卫星控制信息。
3．用户部分
接收机。
接收机的主要功能有解码、分离出导航电文，进行相位和伪距（本机接收时间和卫星发射时刻之间测量信号的时间漂物）测量。
接收机的种类繁多，有双频接收机（P码），其相对定位精度为5mm1ppm，和单频接收机（C/A码），其相对定位精度为10mm2ppm。
用户可根据需要选择相应的GPS接收机。
图12-12是WILD-200型GPS接收机构造图。
图12-12 GPS接收机外型图
美国天宝导航公司已研制出新型GPS导航测量全站仪——RTK（Real-TimeKinematic）定位技术。
该产品扩展了测量测量员获得实时定位的数据，能在现场瞬时测出三维位置或放样出设计的坐标，可得到2cm2ppm的定位精度，并能在收到GPS信号的任何地方、任何时刻来测量和放样，同时有较大的电子手簿TDC1和配套的测图软件TRIMMAP，使得操作和处理十分方便。
RTK全站仪将测量技术同移动数据通信相结合，可克服常规测量技术在地形测量、界限、标桩和土地控制测量中的施测逻辑限制，它以较少的仪器配置，在每个测站上花费较少的时间，完全避免重测和误操作，此项技术已广泛地应用于各个领域。
另外，GPS技术有别于传统的测量方法，它的原始观测值是以装有天线的接收机接收卫星反射载波频率获得相位差，然后对接收的数据加以分析处理，算出各点的三维地心坐标中的基线向量，然后根据已知点的坐标、高程推算出各GPS控制点的坐标、高程。
这种利用卫星作为共同基准，各点间无需通视的观测方法，就为点址的选择提供了极大的方便，不须造高标、砍伐树木等耗费。
GPS分技术数据处理的软件工具也较为先进，功能齐全，内容丰富，使用简单。
用该软件可以把GPS接收机在外业测量的数据进行处理而得出满足用户要求的坐标数据。
例如：
TRIMVEC-plus（基线处理软件）和TRIMNET-plus（网平差软件）。
二、GPS定位测量原理
GPS定位测量可分为静态、动态、快速静态和准动态测量四类。
静态定位是接收机在测站上静止不动，高精度地测量GPS信号的传播时间，联同GPS卫星在轨的已知位置，从而算出固定不动的接收天线的三维坐标。
动态定位是将一台接收机安置在坐标已知的基点上，在整个观测时间固定连续地跟踪卫星；另一台安置在移动平台（称为“载体”）上，沿既定线路测定平台的运动轨迹，从而可解算得载体的坐标。
快速静态与准动态定位类似于前两种，但在坐标解算上的处理方式不同。
GPS定位中常用的几种定位方法为：
伪距法、载波相位法、多普勒测量法和射电干涉测量法。
鉴于篇幅有限，下面对伪距法定位原理加以简单介绍。
设某卫星发出一个调制码信号的标准时为Ta，卫星时钟的读数为ta；接收机接收到该信号的标准时为Tb，接收机时钟读数为tb。
则星站间距离Dw为：
Dwc（tbta）（c为电磁波传播速度）（12-1）
由于GPS信号要通过大气层（电离层和对流层）才能到达地面站，再加之卫星和接收机时钟间不同步的影响，Dw不是星站间几何距离，而称为“伪距”。
设卫星发射信号时刻的时钟改正数为Va，接收机接收信号的时钟改正数为Vb，则
TataVaTbtbVb
通过电离层和大气层时的折射改正数为i和t，则星站间的几何距离D为：
（12-2）
而D与卫星坐标（XA,YA,ZA）和接收机的坐标（XB,YB,ZB）之间的关系为：
D（XAXB）2（YAYB）2（ZAZB）21/2（12-3）
联立式（12-2）、式（12-3）式即可得到一个伪距法定位求解接收机坐标的方程式。
两式中，Va可由卫星导航电文中查得，XB、YB、ZB和Vb均为未知量。
因此，用户至少要在一个瞬时同时观测4颗卫星，得出四个联立方程式，才能解出接收机的坐标来，实际上，是把卫星当作“飞行”的控制点，利用测量距离进行空间后方交会，即可定出接收机的位置。
三、GPS接收机的基本结构
GPS接收机主要由GPS接收机天线，GPS接收机主机及电源组成。
接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成，如图12-13所示。
它的主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理和量测，以获取导航电文及必要的观测量。
图12-13 GPS接收机基本结构示意图
四、GPS技术在道路工程测量中的应用
高等级公路建设之前都必须利用中比例尺地形图进行路线选线设计，路线选定后要由测量部门按所选路线走向测绘大比例尺地形图，以便于设计人员进行详细设计。
测量大比例尺地形图工作量较大，过去采用常规方法都比较费时、费工，即便是利用全站仪测图也要求测站与四周的地形点通视。
应用GPS技术进行路线勘测设计或进行测图控制测量，都以其布网灵活，不受气候条件限制，测量精度高，工作效率高和成本低的优点得到了公路勘测、施工部门的青睐。
目前，公路路线GPS网的施测方案基本上有两个：
一是所有路线控制点全部采用GPS技术施测，即沿线纵向每隔500m1000m布设一个GPS点，相邻GPS点相互通视，便于施测带状地形图和放样；二是沿路线纵向每隔5km10km布设一对GPS点（一对点包括一个控制点和一个定向点），作为路线的基本控制，在此基础上，再进行光电测距导线加密。
例如交通部第一公路勘察设计院采用上述GPS网施测方案，在107国道邯郸至安阳段、新疆乌鲁木齐至奎屯高速公路、江苏徐州至连云港高速公路、川藏公路二郎山隧道等工程勘测中共完成GPS网定位测量1355个点。
拟建的海口至文昌高速公路，地属热带丛林区，地形十分隐蔽，为进行线路勘测，交通部公路科学研究所用GPS技术，在短时间内就完成控制网的布设和测量任务，点位精度在1cm之内。
综上所述，GPS定位技术在道路工程测量中的应用前景极为乐观，好像光学经纬仪替代游标经纬仪，全站仪替代常规测角、测高仪器一样，随着GPS定位技术的进一步开发利用，该技术在道路工程建设的各个阶段（勘测、施工、养护、运营）将得到普遍应用，并会发挥巨大的作用，收到显著的经济效益。
第四节 航测在路线测量中的应用
利用飞机等航空飞行器对地面进行空中摄影，根据所摄得的航空像片，获取各种信息资料和编绘地形图的技术，叫做航空摄影测量，简称航测。
航测方法可以应用于国民经济的各个领域里，特别是在编制国家基本地图、资源调查、地质普查和探矿、森林调查和防护、土地规划整理及各种工程勘测等方面，使用效果尤其显著。
应用航测方法进行公路、铁路、河道水渠、输电线路等各种线形工程的勘测，就我国目前的实际情况而言，主要地是利用航空像片并配合以少量地面测量工作，为线形工程勘测设计提供各种像片图和带状地形图。
此外，还可利用像片上的丰富信息，通过判释和少量实地调查工作，为工程设计提供地质、水文等有关资料。
采用航测方法进行路线勘测有明显的优点：
（1）可以提高勘测质量。
利用航摄像片，可获得大面积的与实地相似的立体模型和地形图，利于大面积路线选线，多方案比选，不遗漏可能方案；航摄像片上储存有丰富的地面信息，客观地反映了各种地表现象，根据影像特征并配合以立体观察，能获得测区地貌、地质、水文等各种资料，为多方案比选提供了依据，因而能选
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