工程应用大地测量学王中元第四章 大地测量观测技术.ppt

第四章 大地测量观测技术,中国矿业大学环境与测绘学院,应用大地测量学,第四章 大地测量观测技术,应用大地测量学,大地测量的基本任务：地面点空间位置 重力传统的测量方法：天文测量 三角测量 导线测量 几何水准测量主要观测元素：角度 距离 高差,第一节精密角度测量,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器第二节 角度观测误差分析第三节 方向观测法第四节 垂直角测量第五节 精密距离测量第六节 精密水准测量仪器及其检验第七节 精密水准测量观测与概算第八节 GPS测量第九节 天文测量简介第十节 重力测量简介,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器第二节 角度观测误差分析第三节 方向观测法第四节 垂直角测量第五节 精密距离测量第六节 精密水准测量仪器及其检验第七节 精密水准测量观测与概算第八节 GPS测量第九节 天文测量简介第十节 重力测量简介,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造4.1.2 光学测微器与对径重合读数法4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,我国光学经纬仪系列分为：J1、J2、J6等级别。J为经纬仪汉语拼音第一个字母，下标表示仪器室内检定时一测回水平方向观测中误差。,第一节精密角度测量,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造4.1.2 光学测微器与对径重合读数法4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,望远镜 读数设备水准器轴系,第一节精密角度测量,应用大地测量学,1、望远镜组成：物镜、调焦镜、十字丝分划板、目镜,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,等效物镜的光心与十字丝中心的连线称为望远镜的视准轴。望远镜调焦时，调焦透镜沿着望远镜内壁来回移动。如果调焦透镜不是沿着平行于光轴的直线运动，就会导致视准轴改变方向，给方向观测成果带来误差。结论：规定一个测回内不得重新调焦。微分上式得：,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,2、水准器（1）作用使经纬仪的垂直轴与测站铅垂线一致。（2）圆水准器用于粗平。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,2、水准器（3）管水准器用于精平。冰点低、流动性强、附着力小的液体（酒精、硫酸醚）。（4）水准器格值”一个分格（2mm）所对的圆心角。决定了灵敏度。防止太阳照射仪器，防止手指触摸水准管。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,3、读数设备（1）度盘（2）光学测微器（3）读数显微镜,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,3、读数设备（1）水平度盘 玻璃制成，安置在仪器及做到垂直轴套上，仪器转动时不得转动和移动。度盘是量测角度的标准器，其圆周刻划着等间距的分划线，两相邻分划线间的角值称为格值。精密测角一起的度盘直径75160mm，格值420。如图4-5。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,3、读数设备（1）水平度盘 度盘分化误差主要表现为系统误差，其中沿度盘全局逐渐变化，形成以圆周为周期的周期性误差，称为长周期误差；以度盘上一小弧段，约201为周期，并在圆周上多次重复出现的周期性误差，称为短周期误差。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,3、读数设备（1）水平度盘 为减弱周期误差对方向观测到影响，规范规定，在方向观测中，各方向观测中，各测回之间应变换度盘位置。一般按照下式进行配置：m为测回数，为度盘格值的一半。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,（2）光学测微器。用于读取不足一个刻划格值的读数，精密经纬仪采用双光学零件的测微器，按对径重合读数法读取读数，可读到1”0.1”。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,（3）读数显微镜窗口。测微尺分划像 度盘对径分划像,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,4、轴系（1）照准部（望远镜、读数设备、水准器、垂直度盘）旋转时，保证轴线定向不变。（2）照准部旋转轴心、度盘刻度中心、度盘旋转中心应一致，否则，将产生照准部偏心差、度盘偏心差。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,4、轴系（3）由于轴与轴套间的间隙，以及受到以及间隙中的润滑油作用，照准部相对于正确的旋转轴线位置也会产生偏差，称为定向偏差。定向偏差造成照准部在旋转过程中摇晃、歪斜或平移，这种现象叫做照准部旋转不正确。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造4.1.2 光学测微器与对径重合读数法4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,应用大地测量学,1、转动测微器测微轮时，测微尺移动，同时，对径分划影像上下按相反方向移动。测微尺全长对应上下对径分划的半个分格。2、光学测微器有双平板玻璃、双光楔等类型。,4.1.2 光学测微器与对径重合读数,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造4.1.2 光学测微器与对径重合读数法4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,应用大地测量学,1、J1级光学经纬仪T3水平度盘最小格值4测微尺最小格值0.2,4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪,应用大地测量学,2、J2级光学经纬仪T2,4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪,应用大地测量学,3、J2级光学经纬仪Zeiss010,4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造4.1.2 光学测微器与对径重合读数法4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,4.1.4 电子经纬仪,应用大地测量学,电子经纬仪：安置有电子扫描度盘，在微处理控制下，实现自动化数字测角的经纬仪。电子速测仪：将电子经纬仪、光电测距仪和存储器集成在一起，在微处理器控制下，能同时测定和显示距离、水平角和垂直角，并能对观测值进行各种改正、计算和记录地面点的三维空间坐标的电子测量仪器。俗称全站仪。,4.1.4 电子经纬仪,应用大地测量学,1、构成：光学部件、机械部件、电子扫描度盘、电子传感器、微处理机；2、光栅度盘：固定与移动光栅探测器3、工作原理：,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器第二节 角度观测误差分析第三节 方向观测法第四节 垂直角测量第五节 精密距离测量第六节 精密水准测量仪器及其检验第七节 精密水准测量观测与概算第八节 GPS测量第九节 天文测量简介第十节 重力测量简介,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差4.2.2 仪器误差4.2.3 观测误差4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差4.2.2 仪器误差4.2.3 观测误差4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,4.2.1 外界条件引起的误差,应用大地测量学,外界条件主要指观测时大气的温度、湿度、密度、太阳照射方位及地形、地物等因素。,第二节角度观测误差分析,应用大地测量学,水平折光影响,微分折光实际照准方向与理想方向的微小夹角。大气垂直折光微分折光在铅垂面上的分量。大气水平折光微分折光在水平面上的分量。,4.2.1 外界条件引起的误差,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差4.2.2 仪器误差（难点）4.2.3 观测误差4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,4.2.3 仪器误差,应用大地测量学,4.2.2 仪器误差,应用大地测量学,（一）视准轴误差,视准轴物镜光心和十字丝中心的连线。视准轴误差视准轴不垂直于水平轴。,对水平观测方向的影响：c=ccos,4.2.2 仪器误差,应用大地测量学,（一）视准轴误差,盘左：视准轴偏向正确方向左侧，（c为负），正确方向读数A比有误差读数L小：A=L-c 盘右：视准轴偏向正确方向右侧，（c为正），正确方向读数A比有误差读数R大：A=R+c A=（L+R）2,C对方向观测值的影响c，盘左盘右大小相等、符号相反，取读数中数可消除视准轴误差的影响。前提：c值在盘左、盘右观测期间保持稳定 规定一测回内不得重新调焦）,影响规律：,4.2.2 仪器误差,应用大地测量学,（一）视准轴误差,C对方向观测值的影响c，随着的增大而增加。当观测方向为水平时，=0，c=c,大地测量边长较长，大多在0左右：0，c c，L-R 2c即：同一测回中，同一目标的盘左盘右读数之差等于2c。,对于2c互差规范规定：一测回中各方向2c值互差，J1不超过9”，J2不超过13”。对于2c自身大小规范规定：J1不超过20”，J2不超过30”。,影响规律：,应用大地测量学,（二）水平轴误倾斜差,水平轴倾斜误差水平轴不垂直于垂直轴产生 i,4.2.2 仪器误差,对方向观测值的影响：i=itan,应用大地测量学,（二）水平轴误倾斜差,盘左：水平轴倾斜左低右高取i为负，正确读数A比有误差i 的读数L小：A=L-i 盘右：水平轴倾斜左高右低i为正，正确读数A比有误差i 的读数R大：A=R+i,4.2.2 仪器误差,盘左盘右取平均，可消除水平轴倾斜误差的影响。正确读数：A=（L+R）/2,影响规律：,应用大地测量学,（二）水平轴误倾斜差,4.2.2 仪器误差,i=itan i大小既与i有关，也与有关，大，则i大，=0，则i=0，此时水平轴误差对方向观测值没有影响。,影响规律：,盘左正确读数：A=L-c-i盘右正确读数：A=R+c+i 则 L-R=2c+2i,规范规定：某方向超过3，则该方向2c互差可按同一观测时间段内的相邻测回进行比较。即：它的2c可以不与i影响小的方向比，而与该方向在相邻测回中的2c比。,应用大地测量学,（三）垂直轴误倾斜差,垂直轴倾斜误差垂直轴本身不竖直。,4.2.2 仪器误差,偏离铅垂线位置的角度v对方向观测值的影响：v=itan i=vcosv=v costan,应用大地测量学,（三）垂直轴误倾斜差,V的方向和大小不随照准部转动而变；v的正负号不因盘左盘右而改变，即盘左盘右观测不能消除v。,4.2.2 仪器误差,影响规律：,垂直轴倾斜误差对方向观测值的影响v与垂直轴倾斜角v、照准目标的垂直角、观测目标的方位都有关系。,方法：观测中特别注意垂直轴具有铅垂位置，水准管气泡不得偏移3，各测回间重新整置一起，是气泡居中。,应用大地测量学,（三）垂直轴误倾斜差,v=itan=ntann为气泡偏离格数，为格值。,4.2.2 仪器误差,倾斜改正数的计算：,4.2.3 仪器误差,应用大地测量学,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差4.2.2 仪器误差4.2.3 观测误差4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.3 观测误差,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差4.2.2 仪器误差4.2.3 观测误差4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,4.2.3 精密测角的一般原则,应用大地测量学,（1）盘左盘右两个位置进行观测，取上、下半测回平均值作为最后观测值，消除仪器视准轴误差和水平轴倾斜误差影响。（2）一测回中，下半测回照准目标的先后次序和上半测回相反，削弱仪器脚架扭转、因气温引起视准轴变化和基座扭转引起的度盘带动等误差影响。（3）每半测回开始前，照准部向将要旋转的方向先转12周；半测回观测过程中，照准部不得有相反方向运动，削弱照准部对度盘的带动误差和脚螺旋空隙带动误差影响。（4）测微螺旋、水平微动螺旋的最后操作应为“旋进”，削弱测微器、微动螺旋的隙动误差。,第二节角度观测误差分析,4.2.3 精密测角的一般原则,应用大地测量学,（5）各测回的起始方向应均匀分布在度盘和测微器的各个位置上，削弱水平度盘分划的长周期误差和短周期误差，以及测微尺的分划误差。（6）观测前认真对焦，消除视差，一测回中不得改变望远镜焦距，以免由于视准轴的变动而引起视准轴误差变化。（7）整平仪器时，照准部气泡应严格居中，一测回观测中气泡偏差过大时应停止观测，重新整置仪器；当目标垂直角较大时，应在测回之间重新整置仪器。（8）观测要在通视良好、成像稳定和清晰时进行。有条件可在不同时段内完成，尽力减弱旁折光和相位差。,第二节角度观测误差分析,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器第二节 角度观测误差分析第三节 方向观测法第四节 垂直角测量第五节 精密距离测量第六节 精密水准测量仪器及其检验第七节 精密水准测量观测与概算第八节 GPS测量第九节 天文测量简介第十节 重力测量简介,4.3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则4.3.2 观测手簿的记载4.3.3 观测限差4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则4.3.2 观测手簿的记载4.3.3 观测限差4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.1 方向观测法的程序和规则,应用大地测量学,方向观测法在三角网和导线网中，一点周围有三个以上方向。方向观测法是在一测回内把测站上所有观测方向，先盘左位置依次观测，再盘右位置依次观测，取盘左、盘右平均值作为各方向的观测值。,第三节方向观测,4.3.1 方向观测法的程序和规则,应用大地测量学,盘左位置顺时针方向旋转照准部，依次照准A、B、C、D、E、A，读取观测值，称为上半测回；然后纵转望远镜，盘右位置逆时针方向旋转照准部，仍从A开始，依次照准A、E、D、C、B、A并读数，称为下半测回。上、下两个半测回合起来称为一个测回。观测到起始方向常称为零方向。要求每半测回观测闭合到零方向（目的在于监测观测过程中水平度盘有无方位变动），此时上、下半测回构成一个闭合圆，所以这种观测又称为全圆观测法，这种闭合操作称为“归零”。当方向数不超过3个时，由于半测回持续时间较短，可以不归零。方向数只有2个时，方向观测法也就是测回法。,第三节方向观测,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则,应用大地测量学,观测规则,1、零方向的选择（距离适中、通视良好、成像清晰）；2、调焦、消除视差。照准零方向，安置度盘位置；（每一测回开始前进行）3、上、下半测回照准目标的次序相反；4、半测回开始前，照准部按规定方向旋转1-2周；5、微动螺旋、测微螺旋最后保持旋进方向；6、一测回观测中，气泡不得偏离一格。,4.3.1 方向观测法的程序和规则,4.3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则4.3.2 观测手簿的记载4.3.3 观测限差4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.2 观测手簿的记载,应用大地测量学,1、盘左（上半测回）由上而下，观测每一目标照准一次，读数两次，取平均值作为观测值；2、盘右（下半测回）由下而上，观测每一目标照准一次，读数两次，取平均值作为观测值；3、归零差的计算；4、两倍视准轴2c的计算；5、各方向平均值的计算；6、方向值计算（起始方向值为零度零分零秒）；7、凡记错度、分以及算错，可整齐划去，在其上方填写正确数字，不得涂檫。,表4-1 水平方向观测手簿,表4-3水平方向观测记簿,表4-3 水平方向观测记簿,4.3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则4.3.2 观测手簿的记载4.3.3 观测限差4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.3 观测限差,应用大地测量学,4.3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则4.3.2 观测手簿的记载4.3.3 观测限差4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.3 观测成果的取舍和整理,应用大地测量学,（1）一测回内2c互差或同一方向测回互差超限重测超限方向并联测零方向；（2）零方向2c互差或下半测回归零差超限，该测回应全部重测；一测回中重测方向数超过测站方向数的1/3时，也重测全部测回；（3）全部基本测回中，重测的方向测回数超过全部方向测回总数的1/3时，全部成果重测；（4）基本测回和重测成果均应记入记簿；（5）重测数计算方法：测站全部方向测回总数为（n-1）m，基本测回中，重测一个超限方向算作一个方向测回；零方向超限重测整个测回算作n-1个方向测回。（6）测站平差：求各方向值的算术平均值。,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器第二节 角度观测误差分析第三节 方向观测法第四节 垂直角测量第五节 精密距离测量第六节 精密水准测量仪器及其检验第七节 精密水准测量观测与概算第八节 GPS测量第九节 天文测量简介第十节 重力测量简介,4.4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算4.4.2 垂直角观测方法4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4.4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算4.4.2 垂直角观测方法4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算,应用大地测量学,（一）垂直度盘原理 1、垂直度盘与水平轴正交，能随望远镜俯仰运动；2、指标水准器固定不动。视准轴水平时，指标90；3、指标差指标水准器气泡居中，指标实际位置与设计位置的微小夹角。,第四节垂直角测量,应用大地测量学,（二）J2级经纬仪垂直角和指标差计算公式 J2级经纬仪垂直度盘0360 顺时针方向全圆注记，视准轴水平时，读数指标指向90。垂直角公式：推导见P94下。=（R-L）/2-90指标差公式：i=（L+R）/2-180,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算,应用大地测量学,（三）J1级经纬仪垂直角和指标差计算公式以Wild T3经纬仪为例，读数指标安置在水平位置，视准轴水平时读数为90，逆时针方向55 125 注记，对径180 处注记相同，注记名义值比格值实际值减小1倍，55 125 之间的实际值为140。推导见P94下。垂直角公式：=L-R指标差公式：i=（L+R）-180,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算,4.4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算4.4.2 垂直角观测方法4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4.4.2 垂直角观测方法,应用大地测量学,（一）中丝法（单丝法）1、盘左，水平中丝照准目标，调平指标水准器气泡，读取垂直度盘读数L。2、盘右，水平中丝照准目标，调平指标水准气泡，读度盘读数R。3、计算指标差i和垂直角。见表4-4：,表4-4垂直角观测记录、计算（中丝法）,表4-4 垂直角观测记录、计算（中丝法）,应用大地测量学,（二）三丝法 以三根水平丝为准，依次照准同一目标。1、盘左，按上、中、下三丝依次照准目标。调平气泡后，读数L上、L中、L下。2、盘右，按上、中、下三丝依次照准目标。调平气泡后，读数R下、R中、R上。3、记录按表4-5格式。注意盘左由上往下，盘右由下往上记录。4、计算指标差i和垂直角。,4.4.2 垂直角观测方法,表45垂直角观测的记录、计算,表4-5 垂直角观测记录（三丝法）,4.4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算4.4.2 垂直角观测方法4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4.4.3 垂直角观测成果的检核,应用大地测量学,测角三角高程对垂直角观测的要求,应用大地测量学,表2 测距三角高程对垂直角观测和要求,4.4.3 垂直角观测成果的检核,应用大地测量学,重测原则：垂直角和指标差的互差超限时，应分情况进行重测：若一水平丝所测某一方向的垂直角或指标差互差超限，则此方向需用中丝重测一测回；若用三丝法在同一方向一测回中有两根水平丝所测结果超限，则该方向需用中丝重测两个测回，或用三丝法重测一个测回。,4.4.3 垂直角观测成果的检核,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器第二节 角度观测误差分析第三节 方向观测法第四节 垂直角测量第五节 精密距离测量第六节 精密水准测量仪器及其检验第七节 精密水准测量观测与概算第八节 GPS测量第九节 天文测量简介第十节 重力测量简介,第五节 精密距离测量,应用大地测量学,距离测量是大地测量的一项重要工作。20世纪50年代国家大地网测量中使用因瓦基线尺直接丈量基线或其扩大边，确定大地网的起算边长；70年代以后，开始使用光电测距仪进行精密距离测量，广泛用于导线测量中的边长观测；近10余年来，随着GPS技术的迅速普及，中、远距离的测量已经由GPS测量所取代。目前，高精度的较短距离测量在导线测量、特殊工程测量以及对高精度的大地网的检测测量中还有应用。本节主要介绍光电相位式测距仪的基本结构、测距原理和测距成果的整理计算。,第五节精密距离测量,4.5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理4.5.2 全站仪4.5.3 电磁波测距误差分析4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理4.5.2 全站仪4.5.3 电磁波测距误差分析4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,（一）长度基准 1、国际长度基准“档案米”过巴黎地球子午线的四千万分之一的长度国际米原器沿用71年 1960年11届国际计量大会氪-86原子辐射波长的1650763.73倍的长度；1983年第17届国际计量大会规定：光在真空中，在 1/299792458 秒的时间间隔内经过的距离为1米。2、我国的长度基准 我国采用国际适用单位m。,应用大地测量学,（二）距离的测量方式 1、用因瓦基线尺丈量距离 在平坦地面上，用24m长的因瓦基线尺一尺接一尺地悬空丈量两点间的基线长度。拉力一定，丈量结果中加入尺长改正、温度改正、悬链线改正，可达几十万一百万分之一的相对精度。丈量前用水准测量的方法测定每个尺段两端点的高差，进行倾斜改正，以得到基线的水平长度。我国天文大地网的起算边长主要是采用茵瓦基线尺丈量确定。,4.5.1 距离测量方式及其原理,距离测量仪器：因瓦基线尺、电磁波测距仪,卫星激光测距仪,应用大地测量学,（二）距离的测量方式2、电磁波测距 分类:红外、微波、激光测距 范围:几米几十公里 精度:10-510-6 基本原理：D=(1/2)ct,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,2、电磁波测距（1）两种方式 脉冲式测距测距仪发射脉冲波，被目标返回后，由仪器接收，测出脉冲往返传播时间t。测程远时，其精度不如相位式的精度高。相位式测距测距仪发射正弦调制波，反射后由仪器接收，测出调制波在往返距离上的相位差，推算出距离，精度可达12cm。,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,3、电磁波测距（2）相位式测距分类按测程分有短程（15km）按精度分为级（每km中误差5mm）、级（510mm）、级（1020mm）按载波频率分为光波（光速、红外、激光）、微波、多载波,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,（三）相位式测距原理 1、相位式测距基本公式相位差：=t=2ft，得t=/2f，则因=N 2+，=c/f，意义：用半波长电测尺，测了N尺段和不足一尺段的尾数N。,相位式测距原理,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,（三）相位式测距原理 2、相位式测距原理示意图,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,（三）相位式测距原理 3、N值确定基本原理（1）直接测尺频率方式仪器中有精测尺、粗测尺固定频率。精测频率 f1=15MHz，1/2=c/2f1=10m，量出米、分米、厘米、毫米的位数。粗测精度 f2=150kHz，2/2=c/2f2=1000m，量出百米、十米、米、分米的位数。组合起来，加上已知概略距离的公里数，得完整的距离读数。,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,（三）相位式测距原理 3、N值确定基本原理（2）间接测尺频率方式 原因：测程较长，粗、精测尺频率相差悬殊，电路中放大器的增益和相对稳定性难于一致。采用一组数值接近的测尺频率，用其差频频率作为粗测频率，放大器对各种频率增益相近。,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,（三）相位式测距原理 3、N值确定基本原理（2）间接测尺频率方式例：精测频率 f1=15MHz，1/2=10m，测得如 5.67mf2=0.9f1,f1-f2=1.5MHz，2/2=100m，测得如 45.6mf3=0.99f1,f1-f3=0.15MHz,3/2=1000m，测得如 345mf4=0.999f1,f1-f4=0.015MHz,4/2=10000m，测得如 2340mf5=0.9999f1,f1-f5=0.0015MHz,5/2=100000m，测得如 12300m组合后,得距离12345.67m。,4.5.1 距离测量方式及其原理,4.5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理4.5.2 全站仪4.5.3 电磁波测距误差分析4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5.2 全站仪,应用大地测量学,全站仪最早出现于20世纪60年代末，它将电子测距、电子测角和微处理机结合成一个整体，能自动记录、存储并具备某些固定计算程序。因为在一个测站点能快速进行三维坐标测量、定位和自动数据采集、处理、存储等工作，实现了测量和数据处理过程的电子化和一体化，所以称为“全站型电子速测仪”，或简称“全站仪”（Total station）。,4.5.2 全站仪,应用大地测量学,1 全站仪基本结构：电子测角 电子测距 电子补偿 微机处理：微处理器、存储器、输入、输出,自动全站仪：自动识辨、照准、跟踪目标，又称测量机器人。徕卡公司生产的TPS1100系列全站仪（TCA2003自动全站仪）,4.5.2 全站仪,应用大地测量学,2 全站仪精度及等级 全站仪精度由测角精度和测距精度共同决定。在设计时，对测距和测角精度的匹配采用“等影响”的原则，即：,取D=12km，=206265，则有表4-7。国家计量检定规程（JJG100-94）将全站仪划分为四个精度等级，见表4-8.,4.5.2 全站仪,应用大地测量学,3 全站仪参数设置（1）气象改正：（2）棱镜常数改正：（3）仪器加常数改正：,4.5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理4.5.2 全站仪4.5.3 电磁波测距误差分析4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,（一）测距误差种类分析方法：从原理公式相位测距基本公式,测距误差分析,依据协方差传播率：,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,（一）测距误差种类,测距误差分析,利用误差传播定律，再顾及到仪器加常数测定误差mk，对中或归心改正误差me，由高差测量误差mh引起斜距化为平距的误差，仪器内部信号之间的串扰引起的与距离成周期变化的周期误差mR，则有：,其中，与距离成比例增大的称为比例误差；与距离无关的称为固定误差。,mD为测距中误差，mm；a为固定误差，mm；b为比例误差系数，mm/km；D为距离值，km。,应用大地测量学,（二）比例误差 1、真空中光速c0的误差，对测距影响可忽略不计。2、大气折射率n的误差 大气中的光速为，可见大气折射率的变化将使光在大气中的传播速度发生变化，将引起测距误差。温度t、气压p及湿度e产生的测距误差比率约：19：7.4：1。3、调制频率的误差 误差来源：（1）仪器制造时频率校正不精确；（2）晶振频率不稳定。措施：测前对晶振频率进行测定、校正或测定后计算频率改正。,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,（三）固定误差 1、相位差的测定误差 与测相电路本身的稳定性和测相器件对时间的分辨率有关，其误差大小1个最小显示单位,可以多测几组取平均值，减小测相误差影响。幅相误差，即接收信号强弱使其幅度变化引起的测距误差。仪器电路设有幅度自动控制系统，使信号幅度保持在一定范围。发射光束相位不均匀引起照准误差。发射光束相位不均匀使信号强度不同，引起照准误差。采取措施：调整望远镜视准轴和发射、接收光轴三轴平行；在信号最强时测距。,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,（三）固定误差 2、仪器常数误差 仪器加常数实测结果与已知基线长度之间存在固定不变的常数。作业前应精确测定仪器加常数，测定不准会带来误差。测距时应注意仪器与反射镜配套使用。,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,（三）固定误差3、对中误差 安置仪器和反光镜时，应使中心位置位于地面标志中心的铅垂线上。用经过检查的光学对中器，线量偏差：3mm 1mm。,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,（四）周期误差 周期误差仪器内部信号串扰引起的以距离为周期重复出现的误差。测距信号E1与串扰信号E2有一定的相位差，合成信号EK，引起附加相位误差，随不同（距离不同）近似成正弦规律变化。措施：（1）强信号时测距；（2）测定周期误差，其振幅值较大时加改正。,4.5.3 电磁波测距误差分析,4.5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理4.5.2 全站仪4.5.3 电磁波测距误差分析4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5.4 测距的作业要求和成果转换,应用大地测量学,（一）测距作业及有关规定 1、测距边的选设（1）测距边最好在仪器的最佳测程内（2）测线高出地面或障碍物1.3m以上，离开高压线25m（3）测线避免通过发热体或水面上空，避免背景反光物体（4）测距中避开外界电磁场干扰（5）测距边高差过大时，应精确测定两端的高差和高程，保证测距边的化算精度。,应用大地测量学,（一）测距作业及有关规定 2、测距的主要技术要求,4.5.4 测距的作业要求和成果转换,应用大地测量学,（一）测距作业及有关规定 3、测距作业中的注意事项（1）在大气稳定、成像清晰条件下进行；（2）气象仪表置于通风、阴凉、与仪器同高处；（3）预热，电池电压符合要求，回光信号较强；（4）使用配套的反射镜（与检定时相同）；选取合适的棱镜个数；中间不能出现两个棱镜；观测中停止对讲机通话；（5）仪器防晒，专人保养、看护；测距仪和反射器都要打伞。,4.5.4 测距的作业要求和成果转换,应用大地测量学,（二）距离观测值的改正计算换算为仪器中心至反光镜中心的斜距。1、气象改正Dn（1）输入气象因子后，仪器自动改正；（2）按公式计算气象改正（注意不同仪器气象改正公式不同）；2、周期误差改正 按D=A sin（+i）计算，式中 3、仪器常数改正 DK=K，其值由检测结果给出。4、频率改正,4.5.4 测距的作业要求和成果转换,应用大地测量学,（三）测距成果的换算 1、斜距换算至标石中心的归心计算,4.5.4 测距的作业要求和成果转换,2、斜距化为平距,应用大地测量学,（三）测距成果的换算 3、平距化至椭球面上,4.5.4 测距的作业要求和成果转换,近似公式：,式中，d为斜距，h为两点高差，Hm为两点高程平均值，RA为A点处椭球平均曲率半径。（用于10km内距离化算）,弧长S：,弦长S0：,近似公式：,式中，ym为A、B两点高斯平面y坐标的平均值，R同上RA。,（三）测距成果的换算4、椭球面上长度S化算为高斯投影平面边长D,4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器第二节 角度观测误差分析第三节 方向观测法第四节 垂直角测量第五节 精密距离测量第六节 精密水准测量仪器及其检验第七节 精密水准测量观测与概算第八节 GPS测量第九节 天文测量简介第十节 重力测量简介,4.6 精密水准测量仪器及其检验,应用大地测量学,4.6.1 精密水准仪、水准尺4.6.2精密水准仪及水准尺的检验,第二节角度观测误差分析,4.6 精密水准测量仪器及其检验,应用大地测量学,4.6.1 精密水准仪、水准尺4.6.2精密水准仪及水准尺的检验,第二节角度观测误差分析,4.6.1 精密水准仪、水准尺,应用大地测量学,（一）分类与技术要求 精密水准仪一般是指S3以上的各种水准仪。由于仪器的功能不同，常见的精密水准仪可分为常规精密水准仪、自动安平精密水准仪和电子数字精密水准仪。,瑞士Wild N3水准仪,北光S1水准仪,第六节精密水准测量,应用大地测量学,德国蔡司厂生产的Koni007自动安平水准仪,瑞士徕卡生产的DNA03电子数字水准仪,4.6.1 精密水准仪、水准尺,应用大地测量学,精度指标：水准仪所能达到的每千米往返测高差中数偶然中误差。,4.6.1 精密水准仪、水准尺,应用大地测量学,（二）精密水准仪的结构原理 1、倾斜螺旋装置调节望远镜视准轴水平与附合水准气泡居中的装置。2、光学测微装置精密测量不足一个基本分划间隔的读数部分。3、光学补偿装置解决视准轴的置平精度与观测速度（补偿装置设置阻尼器）。4、数字编码与自动记录装置由传感器识别水准标尺上的条形码分划，应用数字影像处理技术，计算出水准标尺读数和视距，以数字形式显示或记录在存储卡上，仪器有自动安平补偿器。每km往返测中误差0.3mm，配条形码和铟钢尺。,4.6.1 精密水准仪、水准尺,应用大地测量学,（二）精密水准仪的结构原理,精密水准仪光学测微器,4.6.1 精密水准仪、水准尺,应用大地测量学,4.6.1 精密水准仪、水准尺,（二）精密水准仪的结构原理,精密水准仪光学测微器,应用大地测量学,（二）精密水准仪的结构原理,NA2002电子水准仪,4.6.1 精密水准仪、水准尺,精密水准仪光学补偿装置,应用大地测量学,（三）精密水准尺 格值为l0mm的精密水准标尺如图4-42（a）格值为5mm的精密水准尺如图4-42（b）电子数字水准仪使用的是条形码水准尺，如图4-42（c）尺桩/尺垫：,尺垫,4.6.1 精密水准仪、水准尺,4.6 精密水准测量仪器及其检验,应用大地测量学,4.6.1 精密水准仪、水准尺4.6.2 精密水准仪及水准尺的检验,第二节角度观测误差分析,4.6.2 精密水准仪及水准尺的检验,应用大地测量学,（一）精密水准仪的检验 1、仪器检视（外观检视）2、圆水准器安置正确性的检校（使各方向位置气泡都居中）3、光学测微器效用正确性和分划值的检定 根据测微螺旋旋进旋出时读数之差判断效用正确性；将测微分划尺与特制分划尺相比较，求出测微器分划尺的分划值。,4.6.2 精密水准仪及水准尺的检验,应用大地测量学,（一）精密水准仪的检验4、视准轴与水准管轴相互关系的检校 i角误差视准轴与水准管轴夹角在铅垂面上的投影，对水准标尺读数的影响与距离成正比。交叉误差视准轴与水准管轴夹角在水平面上的投影。,应用大地测量学,（一）精密水准仪的检验4、视准轴与水准管轴相互关系的检校（1）精密水准仪的检验i角误差检验,4.6.2 精密水准仪及水准尺的检验,i角大于20”时，在J2点校正,应用大地测量学,（一）精密水准仪的检验 4、视准轴与水准管轴相互关系的检校（2）交叉误差的检校 仪器整平后，用脚螺旋使望远镜绕视准轴左右旋转，看气泡是否向不同方向移动较大的距离（大于2mm）。,4.6.2 精密水准仪及水准尺的检验,应用大地测量学,（二）水准尺检验 1、检查水准尺各部分是否牢固无损；2、水准尺上圆水准器安置正确性的检验与校正；3、水准标尺分划面弯曲差（矢距）的测定。