经纬仪的使用方法1.docx

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经纬仪的使用方法1

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第三章  经纬仪及其使用

3.1水平角测量原理

3.1.1．水平角的测量原理

　 水平角是指过空间两条相交方向线所作的铅垂面间所夹的二面角，角值为　0°～360°。

空间两直线OA和OB相交于点O，将点A，O，B沿铅垂方向投影到水平面上，得相应的投影点A′，O′，B′，水平线O′A′和O′B′的夹角β就是过两方向线所作的铅垂面间的夹角，即水平角。

水平角的大小与地面点的高程无关。

测量角度的仪器在测量水平角时必须具备两个基本条件：

（1）能给出一个水平放置的，且其中心能方便地与方向线交点置于同一铅垂线上的刻度园盘——水

平度盘；

（2）要有一个能瞄准远方目标的望远镜，且要能在水平面和竖直面内作全圆旋转，以便通过望远镜

瞄准高低不同的目标A和B。

图中水平角β为A和B两个方向读数之差：

β=b-a

3.1.2垂直角的测量原理

  垂直角是指在同一铅垂面内，某目标方向的视线与水平线间的夹角α，也称竖直角或高度角；垂直角的角值为0°～±90°。

视线与铅垂线的夹角称为天顶距，天顶距z的角值范围为0°～180°。

当视线在水平线以上时垂直角称为仰角，角值为正；视线在水平线以下时为俯角，角值为负，如图所示。

由此可知测角仪器经纬仪还必须装有一个能铅垂放置的度盘——垂直度盘，或称竖盘。

3.2经纬仪的结构与使用

3.2.1光学经纬仪的分类

按物理特性分：

游标经纬仪、光学经纬仪和电子经纬仪。

按测角精度分：

DJ07——一测回水平方向中误差0.7″:

用于一等三角;

DJ1——一测回水平方向中误差1.0″:

用于一、二等三角;

DJ2——一测回水平方向中误差2.0″:

用于三、四等三角;

DJ6——一测回水平方向中误差6.0″:

用于地形测图、一般工程。

DJ为“大地”、“经纬仪”的汉语拼音缩写。

3.2.2DJ6光学经纬仪                  

   DJ6经纬仪是一种广泛使用在地形测量、工程及矿山测量中的光学经纬仪。

主要由水平度盘、照准部和基座三大部分组成。

    1）基座部分

用于支撑基照准部，上有三个脚螺旋，其作用是整平仪器

   2）照准部

照准部是经纬仪的主要部件，照准部部分的部件有水准管、光学对点器、支架、横轴、竖直度盘、望远镜、度盘读数系统等。

3）度盘部分

DJ6光学经纬仪度盘有水平度盘和垂直度盘，均由光学玻璃制成。

水平度盘沿着全圆从0°～360°顺时针刻画，最小格值一般为1°或30′。

   4）度盘读数装置及读数方法

   光学经纬仪的读数系统包括水平和垂直度盘、测微装置、读数显微镜等几个部分。

水平度盘和垂直度盘上的度盘刻划的最小格值一般为1°或30′，在读取不足一个格值的角值时，必须借助测微装置，DJ6级光学经纬仪的读数测微器装置有测微尺和平行玻璃测微器两种。

（1）测微尺读数装置    

目前新产DJ6级光学经纬仪均采用这种装置。

   在读数显微镜的视场中设置一个带分划尺的分划板，度盘上的分划线经显微镜放大后成像于该分划板上，度盘最小格值（60′）的成像宽度正好等于分划板上分划尺1°分划间的长度，分划尺分60个小格，注记方向与度盘的相反，用这60个小格去量测度盘上不足一格的格值。

量度时以零零分划线为指标线。

如图所示：

水平度盘读数为100°04′.5

垂直度盘读数为89°06′.3

（2）单平行玻璃板测微器读数装置

单平行玻璃板测微器的主要部件有：

单平行板玻璃、扇形分划尺和测微轮等。

这种仪器度盘格值为30′，扇形分划尺上有90个小格，格值为30′/90=20″。

   测角时，当目标瞄准后转动测微轮，用双指标线夹住度盘分划线影像后读数。

整度数根据被夹住的度盘分划线读出，不足整度数部分从测微分划尺读出。

如图水平度盘的读数为8°42′08″垂直度盘读数为88°47′24″。

   （3）读数显微镜

光学经纬仪读数显微镜的作用是将读数成像放大，便于将度盘读数读出。

5）水准器

光学经纬仪上有2～3个水准器，其作用是使处于工作状态的经纬仪垂直轴铅垂、水平度盘水平，水准器分管水准器和园水准器两种。

（1）管水准器

    管水准器安装在照准部上，其作用是仪器精确整平。

（2）圆水准器

圆水准器用于粗略整平仪器。

它的灵敏度低，其格值为8″／2mm。

3.3 测回法及方向法测水平角

   水平角观测的工作环节包括：

安置经纬仪、照准目标、读数、记录。

3.3.1 经纬仪安置

将经纬仪正确安置在测站点上，包括对中和整平二个步骤。

   1）对中

   指将仪器的纵轴安置到与过测站的铅垂线重合的位置。

首先据观测者的身高调整好三脚架腿的长度，张开脚架并踩实，并使三脚架头大致水平。

将经纬仪从仪器箱中取出，用三脚架上的中心螺旋旋入经纬仪基座底板的螺旋孔。

对中可利用垂球或光学对中器进行。

（1）垂球对中

    挂垂球于中心螺旋下部的挂钩上，调垂球线长度至垂球尖与地面点间的铅垂距≤2毫米，垂球尖与地面点的中心偏差不大时通过移动仪器，偏差较大时通过平移三脚架，使垂球尖大致对准地面点中心，偏差大于2mm时，微松连接螺旋，在三脚架头微量移动仪器，使垂球尖准确对准测站点，旋紧连接螺旋紧。

（2）光学对点器对中

   调节光学对点器目镜、物镜调焦螺旋，使视场中的标志圆（或十字丝）和地面目标同时清晰；旋转脚螺旋，令地面点成像于对点器的标志中心，此时，因基座不水平而圆水准器气泡不居中；调节三脚架腿长度，使圆水准器气泡居中，进一步调节脚螺旋，使水平度盘水准管在任何方向气泡都居中；光学对点器对中误差应小于1mm。

   2）整平

整平指使仪器的纵轴铅垂，垂直度盘位于铅垂平面，水平度盘和横轴水平的过程。

精确整平前应使脚架头大致水平，调节基座上的三个脚螺旋，使照准部水准管在任何方向上气泡都居中；方法如下：

“左手螺旋法则”。

注意上述整平、对中应交替进行，最终既使仪器垂直轴铅垂，又使铅垂的垂直轴与过地面测站点标志中心的铅垂线重合。

3.3.2 照准点上照准标志与瞄准方法

   照准标志：

测量角度时，仪器所在点称为测站点，远方目标点称为照准点，在照准点上必须设立照准标志便于瞄准。

测角时用的照准标志有觇牌、或测钎、垂球线等。

瞄准目标方法和步骤：

1）将望远镜对向明亮的背景（如天空），调目镜调焦螺旋，使十字丝最清晰。

    2）旋转照准部，通过望远镜上的外瞄准器，对准目标，旋紧水平及垂直制动螺旋。

    3）转动物镜调焦螺旋至目标的成像最清晰，旋竖直微动螺旋和水平微动螺旋，使目标成像的几何中心与十字丝的几何中心（竖丝）重合，目标被精确瞄准。

3.3.3．水平角观测方法

地面测量中水平角观测方法有测回法和方向观测法。

1）测回法

适用于观测两个方向形成的单角。

盘左位置（竖盘在望远镜左边又称正镜）：

（1）顺时针旋转照准部瞄准起始目标A（又称观测的零方向），读水平度盘读数A左；

（2）松开水平制动螺旋，顺时针转照准部瞄准目标B，读水平度盘读数B左；得盘左位置时上半测回角值：

             β左=B左—A左

以上称上半测回；

   盘右位置（竖盘在望远镜右边又称倒镜）：

 （3）倒转望远镜，逆时针旋转照准点瞄目标B，读水平度盘读数B右。

 （4）逆时地针转动照准部瞄准目标A，读水平度盘读数A右；得盘右位置下半测回观测得角值：

             β右=B右—A右

   这个过程称为下半测回。

上、下半测回称一测回，对DJ6级光学经纬仪，如果上、下半测回角值差的限差不大于±40″时，则取盘左盘右水平角的均值作一测回的角值：

            β=（β左+β右）/2                

用盘左、盘右观测水平角B取其中值，可以抵消大部分仪器误差对测角的影响。

，

2）方向观测法

一个测站上需要观测的方向数在2个以上时，要用方向观测法。

（1）观测程序

   盘左位置：

       A--oB--oC--oD--oA

   盘右位置：

      A--oD--oC--oB--oA

再次瞄准目标A称为归零，进行归零观测的目的是：

检查度盘在观测过程中是否发生变动。

半测回归零差Δ＝零方向归零方向值一零方向起始方向值，对于DJ6经纬仪其允许值（限差）为±18″。

（2）全圆方向观测法记录、计算     

表格记录说明：

（1）记录顺序：

盘左自上而下，盘右自下而上；

（2）计算2C值：

2C值即视准误差的两倍值.，2C=盘左读数—（盘右读数±180°），2C本身为一常数，故2C的变化可作为观测质量检查的一个指标；

（3）计算半测回归零差Δ＝零方向归零方向值一零方向起始方向值，对于DJ6经纬仪其允许值（限差）为±18″；

  Δ左=0°02′18″-0°02′12″=+6″

  Δ右=180°02′08″-0°02′00″=+8″

（4）一测回盘左、盘右方向平均值：

当2C变化不大时，取盘左、盘右读数的均值作该方向一测回的最终方向值（只计算秒值）；

（5）归零方向值的计算：

先取零方向A的平均值（4个值的平均值），并令其为0°00′00″，其它各方向的方向值均减去第一个方向的方向值，计算结果称为归零方向值；

（6）对于DJ6经纬仪，在各测回同一方向的方向值互差不超限＜24″的情况下，对各观测方向取平均值作最终值。

3）度盘变换

   当测回较多时，测回之间要改变度盘位置，以减弱度盘分划不均匀对测角的影响。

设观测n个测回，则每个测回的改变值为180/n。

如需观测3个测回，则各测回度盘（零方向）应分别置于0°、60°、120°。

3.4光学经纬仪的检验与校正方法

经纬仪是测角仪器，从测角原理可知，它必须满足下面两个条件：

（1）照准面必须铅垂，才能形成正确的两面角；

（2）水平度盘必须水平，才能正确量度两面角。

3.4.1光学经纬仪应满足的几何条件　

经纬仪有纵轴（竖轴）VV、水准管轴LL、视准轴ZZ、水平轴（横轴）HH及圆水准器轴OO等几大轴线。

视准轴为望远镜的物镜中心与十字丝中心的连线，是瞄准目标时的视线。

竖轴为照准部旋转轴，正常使用时应保持铅垂；水准管轴在气泡居中时，应水平；圆水准轴在其气泡居中时，应铅垂；横轴是望远镜的旋转轴，正常状态应水平。

为保证经纬仪的正常使用，上述各轴线间必须满足测角一定几何关系，包括：

（1）水准管轴垂直于纵轴（LL⊥VV）；当LL水平时，可保证VV的铅垂

（2）圆水准轴平行于纵轴（OO∥VV）；

  （3）视准轴垂直于横轴（ZZ⊥HH）；当HH水平时，只要ZZ⊥HH，就保证了视准面是铅垂的

   （4）横轴垂直于纵轴（HH上VV）；当VV铅垂，只要保证HH上VV，就保证了HH的水平，也就保证了ZZ扫出来的视准面是铅垂的

     （5）十字丝纵丝垂直于横轴；

    （6）竖盘指标应处于正确位置；

   （7）光学对点器视准轴位置正确。

3.4.2 经纬仪的检验校正

1）水准管轴垂直于纵轴的检验校正（LL⊥VV）

（1）检验

 大致整平仪器，并转照准部，使水准管轴与仪器任两脚螺旋连线平行，调节这对脚螺旋使水准仪管气泡居中。

再转照准部180°，若气泡仍居中，说明该几何条件满足，否则应校正仪器。

（2）校正

    调节平行于水准管的一对脚螺旋使气泡向中央移动偏离值的一半，用校正针拨水准管的校正螺旋，升高或降低一端的水准管的一端至气泡居中，反复进行几次，直到在任何位置气泡偏离值都在一格以内止。

2）圆水准器的检验和校正

（1）检验：

水准管轴校正的基础上，整平经纬仪，若圆水准器气泡不居中，则需校正。

（2）校正：

用改正针拨动圆水准器下面的校正螺丝，使圆水准器气泡居中即可

3）十字丝竖丝垂直于仪器水平轴的检验校正

（1）检验方法 

 整平仪器并瞄准一个明显目标点，制动照准部和望远镜，转望远镜的微动螺旋使望远镜视线在竖直面内作上下均匀旋转，若点成像始终在竖丝上，无需校正。

如果点的轨迹偏离竖丝，则应校正。

（2）校正方法

卸下目镜的外罩，可见到十字丝环，先松开四个固定螺丝，微转目镜筒，此时十字丝板也转动同样的角度，调节至望远镜视线上下转动时点的成像始终在竖丝上移动止，校正后装好外罩。

4）视准轴垂直于水平轴的检验校正（ZZ⊥HH）

（1）检验原理

   视准轴与水平轴不垂直之差称为视准误差。

视准误差C对水平角观测值的影响，正倒镜值绝对值相等、符号相反。

检验时，选一水平位置目标，盘左、盘右观测读数差即为两倍视准误差称为2C值：

                    2C＝盘左读数一（盘右读数土180°）

（2）校正方法

    若|2C|≥±20″应校正。

计算盘左盘右瞄准同一目标的水平盘读数的盘右（或盘左）正确读数

                a=（a右+（a左±180°））/2

旋水平微动螺旋，使盘右的水平度盘读数为a。

观测十字丝纵丝偏离目标情况，用校正针旋转图2-36（b）中左、右一对十字丝校正螺丝至十字丝纵丝与目标成像几何中心重合。

5）水平轴垂直于竖轴的检验（HH上VV）

   a）检验方法　

在距高墙10～20m处安置经纬仪，整平仪器盘左瞄准墙面高处的一点A（仰角在30°左右），固定照准部后大致放平望远镜，在墙面上定出一点A1，同法盘右瞄准A点，放平望远镜，在墙面上定出另一点A2，A1、A2重合，关系满足，否则需校正。

纵轴铅垂而横轴不水平，与水平线的交角i称为横轴误差。

若仪器距墙壁的距离为S，A1A2间距为Δ经纬仪瞄准A时的垂直角为α，则有：

由于i很小，故有：

（2）校正方法：

当i＞±30″应校正。

取A1A2的中点M，以盘右（或盘左）位置瞄准M点，抬高望远镜至A位置，视线必偏离A点，可拨动仪器支架上的偏心轴承，使横轴的右端升高或降低，使十字丝中心与A点的几何中心重合，这时，横轴误差i已消除，横轴水平。

   6）指标差的检验与校正

（1）检验

置平仪器，以盘左、盘右分别瞄准一水平目标，读取竖盘读数，计算垂直角α左和α右，两者相等则无竖盘指标差存在，否则应计算指标差i，当其大于±30″时应进行校正。

（2）校正

   校正时可在盘左盘右任一位置进行，如在盘右时令望远镜照准原目标不动，转竖盘水准仪管微动螺旋，将竖盘读数对到盘右的正确读数:

R右=R右′-i，此时指标水准仪管气泡必然偏移，用校正针使气泡居中即可。

7）光学对点器的检验校正

光学对点器是一个小型的外对光式望远镜，由物镜、目镜、分划板、转向棱镜及保护玻璃组成，对点器的视准轴为其分划板刻划中心与物镜光心的连线，光学对点器的视准轴应与仪器的竖轴重合。

（1）检验

   选一平地安置仪器严格整平，在脚架的中央地面放置一张画有一十字形的标志O的白纸，并使对点器标志中心与标志O重合，在水平方向旋照准部180°，如对点器标志中心偏离标志O，而至另一点O′处，则对点器的视淮轴和仪器的纵轴不重合，应校正。

（2）校正

定出O，O′的中点，调节对点器的校正螺丝使对点器中心标志对该点，校正完成。

应指出，经纬仪的各项检验、校正需反复进行多次，直至稳定地满足条件为止。

3.5全站仪简介

3.5.1电子经纬仪的度盘读数系统

    电子经纬仪是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。

电子经纬仪的自动记录、储存、计算功能，以及数据通讯功能，进一步提高了测量作业的自动化程度。

电子经纬仪采用了光电扫描测角系统，其类型主要有：

编码盘测角系统、光栅盘测角系统及动态（光栅盘）测角系统等三种。

电子经纬仪与光学经纬仪区别在于度盘读数及显示系统，电子经纬仪的水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的光栅度盘（或编码盘）和读数传感器进行角度测量的。

    电子经纬仪是人们在角度测量自动化的过程中应用而生的，目前电子经纬仪的物理存在形式有两种，一种是只具测角功能的电子经纬仪，另一种是将电子经纬仪与测距仪设计为一体，测角测距功能皆备的整体式全站型电子速测仪（electronictheometertotalstation），简称为全站仪。

根据测角精度可分为0。

5″，1″，2″，3″，5″，10″等几个等级，各类电子经纬仪在各种测绘作业中起着巨大的作用。

电子经纬仪的基本构造及性能基本相同但以因各仪器制造商的不同各有特点，主要表现在计数系统、电子电路系统、显示及软件系统、数据接口方面的差异，及性能的差别。

3.5.2全站仪

全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。

因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。

全站仪的发展经历了从组合式即光电测距仪与光学经纬仪组合，或光电测距仪与电子经纬仪组合，到整体式即将光电测距仪的光波发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪等几个阶段。

全站仪几乎可以用在所有的测量领域。

电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等组成。

同电子经纬仪、光学经纬仪相比，全站仪增加了许多特殊部件，因此而使得全站仪具有比其它测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便。

这些特殊部件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点。

1．同轴望远镜

全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴同轴化。

同轴化的基本原理是：

在望远物镜与调焦透镜间设置分光棱镜系统，通过该系统实现望远镜的多功能，即既可瞄准目标，使之成像于十字丝分划板，进行角度测量。

同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的光敏二极管发射的调制红外光在经物镜射向反光棱镜后，经同一路径反射回来，再经分光棱镜作用使回光被光电二极管接收；为测距需要在仪器内部另设一内光路系统，通过分光棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发射的调制红外光传也送给光电二极管接收，进行而由内、外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间，计算实测距离。

同轴性使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部基本测量要素的测定功能。

加之全站仪强大、便捷的数据处理功能，使全站仪使用极其方便。

2．双轴自动补偿

    在仪器的检验校正中已介绍了双轴自动补偿原理，作业时若全站仪纵轴倾斜，会引起角度观测的误差，盘左、盘右观测值取中不能使之抵消。

而全站仪特有的双轴（或单轴）倾斜自动补偿系统，可对纵轴的倾斜进行监测，并在度盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正（某些全站仪纵轴最大倾斜可允许至±6′）。

，也可通过将由竖轴倾斜引起的角度误差，由微处理器自动按竖轴倾斜改正计算式计算，并加入度盘读数中加以改正，使度盘显示读数为正确值，即所谓纵轴倾斜自动补偿。

3．键盘

    键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站型仪器的健盘和显示屏均为双面式，便于正、倒镜作业时操作。

    4．存储器

    全站仪存储器的作用是将实时采集的测量数据存储起来，再根据需要传送到其它设备如计算机等中，供进一步的处理或利用，全站仪的存储器有内存储器和存储卡两种。

全站仪内存储器相当于计算机的内存（RAM），存储卡是一种外存储媒体，又称PC卡，作用相当于计算机的磁盘。

5．通讯接口

     全站仪可以通过BS—232C通讯接口和通讯电缆将内存中存储的数据输入计算机，或将计算机中的数据和信息经通讯电缆传输给全站仪，实现双向信息传输。

 3.5.3全站仪的使用

全站仪具有角度测量、距离（斜距、平距、高差）测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途。

内置专用软件后，功能还可进一步拓展。

3.5.4全站仪的数据通讯

    全站仪的的数据通讯是指全站仪与电子计算机之间进行的双向数据交换。

全站仪与计算机之间的数据通讯的方式主要有两种，一种是利用全站仪配置的PCMCIA（personalcomputermemorycardinternationassociation,个人计算机存储卡国际协会，简称PC卡，也称存储卡）卡进行数字通讯，特点是通用性强，各种电子产品间均可互换使用；另一种是利用全站仪的通讯接口，通过电缆进行数据传输。

3.6水平角观测误差

3.6.1  仪器误差

  在水平角和垂直角的观测过程中，有多种误差会对角度测量产生影响。

本节就几种主要误差加以分析，并提出限制这些误差措施。

1.经纬仪照准部偏心误差的影响

照准部的旋转中心C′与度盘的分划中心C不重合引起的误差称为照准部偏心差。

偏心距CC′以e表示。

e与零分划线的夹角称偏心角，以θ表示。

仪器无偏心差时的正确读数为M，存在偏心差时，读数为M′，M与M′之差ε就是照准部偏心对观测方向的影响。

因为盘左盘右所得ε符号相反，绝对值相等，取盘左盘右平均值可消除此误差的影响。

   2.度盘刻划误差

光学度盘的刻划误差在度盘制造时产生，采用观测时变换度盘位置的方法可减小此误差的影响。

3.视准误差

视准误差C是指在仪器校正不完善，视准轴未能真正垂直于水平轴而致其偏离正确位置的小角值。

                       Δc=c/cosα               

由于水平角由两个方向组成，所以视准误差对水平角的影响为：

视准误差c对方向观测的影响Δc，随垂直角α的增大而增大。

盘左、盘右观测时，Δc数值相等，符号相反，取盘左、盘右读数的平均值可消除视准误差的影响。

4.横轴倾斜误差的影响

仪器整平后横轴应水平，不水平时就存在横轴误差。

横轴倾斜误差同视准误差影响计算类似，i角对水平方向读数的影响Δi为