数字测图原理及方法ppt课件.ppt

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1、数字测图原理及方法,武汉大学测绘学院,Principle and Methods of Digital Mapping,第四章 距离测量,4.1 钢尺量距4.2 光学视距法测距4.3 电磁波测距4.4 三角高程测量4.5 全站仪及特点,4.1钢尺量距,距离量测是确定地面点位观测量之一. 测量地面两点之间的水平距离。其方法包括:,钢尺量距,光学视距法,电磁波测距,GPS测距,工具:钢尺、测钎、标杆、垂球,4.1钢尺量距,4.1钢尺量距,2) 经纬仪定线,将经纬仪安置于A点，瞄准B点，然后在AB的视线上用钢尺量距，依次定出比钢尺一整尺略短的尺段端点1，2，。在各尺段端点打入木桩，桩顶高出地面5cm

2、10cm，在每个桩顶刻划十字线，其中一条在AB方向上，另一条垂直AB方向，以其交点作为钢尺读数的依据。,4.1钢尺量距,平坦地面的量距,A、B两点间的水平距离为：,式中：n 尺段数； l 钢尺的尺长； q 不足一整尺的余长。,4.1钢尺量距,为了校核、提高精度，还要进行返测，用往、返测长度之差 与全长平均数 之比，并化成分子为1的分数来衡量距离丈量的精度。这个比值称为相对误差K：,平坦地区钢尺量距相对误差不应大于1/3000,4.1钢尺量距,倾斜地面丈量,在困难地区钢尺量距相对误差不应大于1/1000,当地面坡度较大，不可能将整根钢尺拉平丈量时，则可将直线分成若干小段进行丈量。每段的长度视坡度

3、大小、量距的方便而定。,4.1钢尺量距,2 丈量距离的成果整理,经过检定的钢尺长度可用尺长方程：,温度为t时的钢尺实际长度；钢尺的名义长度；尺长改正值，即温度在 时钢尺全长改正数；钢尺膨胀系数，一般取=1.25 钢尺检定时的温度；量距时的温度。,4.1钢尺量距,2 丈量距离的成果整理,精密量距结果应进行以下三项改正,1) 尺长改正,2) 温度改正, 全长改正数, 名义长度, 任一尺段, 钢尺膨胀系数 t 丈量时温度 t0 标准温度,4.1钢尺量距,当为斜距时应换算成平距d，则倾斜改正值为：,将上式 项展开成级数：,取第一项,3) 倾斜改正,每一尺段改正后的水平距离为：,4.1钢尺量距,4.1钢

4、尺量距,4.1钢尺量距,4.1钢尺量距,4.2光学视距法测距,视距测量是根据几何光学原理间接测距方法。,视距法测距操作简便、较钢尺量距速度快、不受地面高低起伏限制等优点，但测距精度较低，距离相对精度为 ,因此用于精度要求较低的测量工作中。,视线水平时，视距测量测得是水平距离。视线倾斜时，为求得水平距离还须测出竖角。也可求得测站至目标的高差。即视距三角高程测量。,1、概述,4.2光学视距法测距,O,A,B,C,S,利用水准仪与经纬仪等的望远镜观测标尺时，由透镜成像原理的三角形相似原理，相似三角形对应边长成比例，间接求测出两点间的距离的测距方法。在相似三角形中，测视距时的观测值的不同，视距测量又可

5、分为两种类型：定角视距法定基线视距法,4.2光学视距法测距,普通视距测量的精度一般为1/2001/300，但由于操作简便，不受地形起伏限制，可同时测定距离和高差，被广泛用于测距精度要求不高的地形测量中。,视距测量是利用视距丝配合标尺读数来完成的。,4.2光学视距法测距,1) 视准轴水平时的视距公式,仪器中心,十字丝分划板,物镜,G,Q,M,m,g,q,N,O,S,内调焦望远镜,P,b,a,4.2光学视距法测距,对于倒像望远镜：下丝在标尺上的读数为a，上丝在标尺上的读数为b，视距间隔 l（l=a-b），则水平距离D有：,通常情况下k=100,1) 视准轴水平时的视距公式,4.2光学视距法测距,2

6、) 视准轴倾斜时的视距公式,O,M,N,E,F,视距尺不垂直于视准轴的改正视距改斜距,倾斜距离改化为水平距离,4.2光学视距法测距,3、 视距测量误差及注意事项,此外还有：标尺分划误差、竖直角观测误差、 视距常数误差等。,1.读数误差 2.标尺不竖直误差 3.外界条件的影响,视距测量差,4.2光学视距法测距,4.3电磁波测距,电磁波测距的基本原理：通过测定电磁波在待测距离两端点间往返传播的时间，利用电磁波在大气中的传播速度来确定其距离。,1、基本原理,4.3电磁波测距,将电磁波作为载波进行距离测量，其公式为： 式中C：电磁波在大气中的传播速度，它根据观测时的 气象条件来确定； t ： 电磁波在

7、被测距离上往返传播时间。 由于 C可以根据电磁波在真空中的传播速度C0来精确推求，所以，只要设法测定时间 t 便可以求出待测距离D。,电磁波测距仪的优点： 1、测程远、精度高。 2、受地形限制少等优点。 3、作业快、工作强度低。,4.3电磁波测距,光电测距的种类电磁波测距仪按采用的载波的不同，可分为： 光电测距仪(激光测距仪, 红外测距仪) ； 微波测距仪根据测定时间 t 的方法不同，分为： 脉冲式测距仪；相位式测距仪电磁波测距仪按测程来分，可分： 短程 (3km 内）；中程（ 3km至15km）； 远程（15km以上）电磁波测距仪按载波数来分，可分： 单载波； 双载波； 三载波；电磁波测距仪

8、按发射目标来分，可分：无反射目标；有反射目标（反射镜）；有源反射器（应答机）根据测距的精度不同，电磁波测距仪又分为： 一级：一公里测距中误差（精度）小于等于5mm； 二级：一公里测距中误差（精度）大于5mm小于等于10mm；,4.3电磁波测距,2、电磁波测距仪的种类及精度,测距仪的精度：,式中：mD 测距中误差，单位为mm； a 固定误差，单位为mm； b 比例误差； D 以km为 单位的距离。,RED mini短程红外测距仪的精度为 当距离D为0.6km时，测距精度是mD=5.8mm。 ( 通常写作ppm),4.3电磁波测距,3、 脉冲式光电测距仪的原理,脉冲式光电测距仪是将发射光波的光强调

9、制成一定频率的尖脉冲，通过测量发射的尖脉冲在待测距离上往返传播的时间来计算距离。,脉冲测距原理图,：脉冲的振荡频率,q：计数器计得的时钟 脉冲个数,计数器只能记忆整数个时钟脉冲，不 足一周期的时间被丢掉了。测距精度较 低，一般在“米”级，最好的达“分米”级。,4.3电磁波测距,4、相位式光电测距仪的原理,相位式光电测距仪是将发射光强调制成正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距离上往、返传播的相位移来解算时间。从而求得距离。 1）相位法测距仪的工作基本原理将返程的正弦波以棱镜站为中心对称展开后的图形：,4.3电磁波测距,由光源发出的光通过调制器调制后，成为光强随高频信号变化的调制光，射向测线的另

10、一端的反射镜，同时调制光另一部分送入相位计作为参考信号。射向反射镜的调制光被反射后，被接收器接收，然后由相位计将参考信号和接收信号进行比较，并由显示器显示出调制光在被测距离上往返传播所引起的相位移 。,4.3电磁波测距,由于,，所以,则：,式中 ，,2）相位式测距仪的基本测距公式,往程,返程,D,D,4.3电磁波测距,推导过程:调制光全程的相位变化为： 而调制光在测线上往返传播的时间为： 则用相位表示的测距公式为：,（1）,（2）,（3）,4.3电磁波测距,将 （1）式代入（3）式，可得： 从图可以看出： 比较（4）式和（5）式得： 在相位式测距中的相位计只能测定全程相位移尾数 ，而无法测定整

11、周期数 N，（4）式有多值解。,（4）,（5）,4.3电磁波测距,3）确定N值的方法 当N = 0时，D有唯一解。可见，要 N = 0，则必须选用较长的测尺长度即较低的测尺频率。取 可求出测尺长度相应的测尺频率，由于仪器的测相系统成在测相误差，其值一般达它对测距精度的影响将随测尺长度的增大而增大。,令,则,称为测尺长度,4.3电磁波测距,如何解决扩大测程和提高精度的矛盾呢？ 采用一组测尺来组合测距，以短测尺（频率高的调制波，又称精测尺）保证精度 ，以长测尺（频率低的调制波，又称粗测尺）保证测程。这样就解决了多值解的问题。,测尺频率f,测尺长度u,精 度,1cm,10cm,1m,10m,100m

12、,10m,1km,10km,100km,100m,15MHz,1.5MHz,15kHz,1.5kHz,150kHz,精度：,4.3电磁波测距,相位式测距仪 N 值的确定,例：欲使某相位测距仪的测程达到10km,测距精度达到1mm， 问需多少个光尺？它们的频率分别为多少？ 解: 选 则 准确测得“公里”、“百米” ， “十米”的值存在误差。 选 则 准确测得“十米”、“米”， “分米”的值存在误差。 选 则 准确测得“分米”、“厘米”， 估读到“毫米” 。,例：,4.3电磁波测距,加常数:如果测距仪的仪器内光路等效反射面和仪器的安置中心不一致，以及镜站反射镜等效反射面和反射镜安置中心不一致，使仪

13、器所测得的距离与实际的距离不相等，其差数称为加常数。由于仪器的加常数为一固定值，可预置在仪器中，使之测距时自动加以改正。但是仪器在使用一旦时间后，此加常数可能会有变化，应进行检验，测出加常数的变化值（剩余加常数）对观测成果加以改正。乘常数: 测距仪在使用过程中，实际的调制光频率与设计的标准频率之间有偏差时，将会影响测距成果的精度，其影响与距离的长度成正比。设 f 为标准频率，假定无误差； f 为实际工作频率；乘常数为： 则乘常数改正值： DRR D 式中D为实测距离值，单位km，R单位mm/km。,1）仪器常数改正,4.3电磁波测距,加常数K=L L（mm）,乘常数R的单位是mm/km,对于观

14、测值为L的距离，其常数改正值为：,4.3电磁波测距,测距仪进行作业时的大气状态一般不会与假定大气状态相同，故应加入气象改正。气象改正数与气压和温度有关，在测距时可用气象改正表查取气象改正值进行改正。在全站仪中，可对仪器预设气压和温度，仪器将自动进行气象改正。,式中：Lt气象改正值，单位为mm； P测站气压，单位为mmHg， 1 mmHg=133.322Pa； t测站温度，单位为C； L距离，单位为km 。,2）气象改正,4.3电磁波测距,不同型号的测距仪，气象改正公式的系数也不同，在仪器使用说明书内给出了气象改正计算公式。 气象改正也可用附在仪器使用说明书内的气象改正表，以测距时测定的气温和气

15、压为引数直接查取气象改正值。,4.3电磁波测距,当测线两端不等高时，所测得距离为倾斜距离 ，水平距离为：,3）倾斜改正,其中， 为测线的倾斜角 ，Z 为天顶距,4.3电磁波测距,6、光电测距的误差来源,测距仪的精度一般用下式表示： 式中:D为实测距离，以km为单位。 A为仪器标称精度中的固定误差，以mm为单位； B为仪器标称精度中的比例误差系数，以mm/km为单位；例如：某测距仪的标称精度为：3mm+3ppm,其表达的意思是： 该测距仪 测距时的固定误差为：3mm; 测距时的比例误差为310-6mm/km。,4.3电磁波测距,对于相位式光电测距仪，经分析，测距误差主要有三部分：比例误差： 由调

16、制频率的误差、真空中光速值的误差、大 气折射率误差引起，它与被测距离成正比，称为比例误差。固定误差： 由测相误差、仪器加常数的校准误差、测距仪 和反射镜的对中误差引起，它与距离无关，称为固定误差。周期误差： 由测距仪内部的光电信号串绕引起的以一定距 离（通常为一个精测尺长度）为周期重复出现的误差。,4.3电磁波测距,外观检视 配件、附件是否齐全，型号是否匹配；仪器部件的功能检测 望远镜， 制 动、微动螺旋，电 源， 显示窗，按键（钮）等；实测距离检查工作状态和性能,7、光电测距仪的一般性检验,4.3电磁波测距,加常数简易测定法,六段比较法测定加、乘常数,4.3电磁波测距,光电测距仪周期误差的检

17、验,平台法 由近及远测定反射镜在各点处的距离，反射镜每次移动距离为u/40 (u为精测尺长)，依次测出40个点至测站的距离。,4.3电磁波测距,8 光电测距的注意事项,(1) 防止日晒雨淋，在仪器使用和运输中应注意防震。(2) 严防阳光及强光直射物镜，以免损坏光电器件。(3) 仪器长期不用时，应将电池取出。,(4) 测线应离开地面障碍物一定高度，避免通过发热体 和较宽水面上空，避开强电磁场干扰的地方。(5) 镜站的后面不应有反光镜和强光源等背景干扰。(6) 应在大气条件比较稳定和通视良好的条件下观测。,4.3电磁波测距,经纬仪瞄准觇牌中心的视线与测距仪瞄准反射棱镜中心的视线保持平行。,调整经纬

18、仪望远镜，使十字 丝对 准反射棱镜的觇牌中心,调整测距仪望远镜，使十字丝对准反射棱镜中心,4.3电磁波测距,思考题,1、试述相位式光电测距仪工作的基本原理。2、相位法测距为什么要用两个或多个频率测距？3、电磁波测距中应加哪些改正，才能获得两点间的 水平距离？4、光电测距的误差来源有哪些？,4.3电磁波测距,4.4三角高程测量,三角高程测量是测出地面点高程的方法之一。,A,B,仰角为正 俯角为负,直觇反觇,1、原理,4.4 三角高程测量,R,A,B,I,G,F,E,D,C,S,S,大气折光的影响,地球曲率的影响,4.4 三角高程测量,R,A,B,I,G,F,E,D,C,S,S,4.4 三角高程测

19、量,2、地球曲率与大气折光的影响,4.4 三角高程测量,距离归算,椭球面上的边长计算单向观测高差,高斯平面上的边长计算单向观测高差,距离归算,4.4 三角高程测量,对向观测计算高差的公式:,4.4 三角高程测量,3、三角高程测量的应用,1）三角高程路线：在两已知高程点间，由已知其水平距离的若干条边组成的路线，用三角高程测量的方法，对每条边都进行往返测定高差。,2）独立高程点：由2-3个已知高程点来确定一个未知高程的点，可用三角高程的方法求算其高程。,3）高程导线：由采用导线的形式用三角高程的方法联测所求各点的高程。,单觇导线和复觇导线,4.4 三角高程测量,1）三角高程路线的计算：,在三角高程

20、测量中，为了检核并消除地球曲率和大气折光的影响，一般都进行往返测。往返测得高差的较差规范都有一定的限差。如：每百米不超过4厘米。满足规范要求时，才能取高差中数。,A,B,C,D,E,F,G,计算高差闭合差，进行误差配赋，计算各点的高程,4.4 三角高程测量,2）独立高程点的计算：,A,B,C,D,E,F,P,4.4 三角高程测量,三角高程测量的误差来源,1）竖角的测定误差。,2）边长的测定误差。,3）折光系数的误差。,4）仪器高、目标高的测定误差。,当m1.5,S 3.5km时，光电测距三角高程测量可达到四等水准测量的精度。当m1.5,S 1.2km时可达到三等水准测量的精度。 实践表明，当：

21、 m2.0,S 2km时，光电测距三角高程测量完全可以取代四等水准测量。,4.4 三角高程测量,4.5全站仪及特点,全站仪又名电子速测仪，它几乎可以完成各种常规测量仪器所做的工作。 全站仪的工作原理与传统的经纬仪类似，即利用望远镜瞄准目标，然后借助某种形式的度盘读取方向值，但它又具有以下特点： 主要是小型光电测距装置与经纬仪相结合，构成了三维测量系统； 用光电扫描度盘替代光学玻璃度盘；运用微处理机对测量过程和测量数据的现场处理实施控制； 利用倾斜传感器对竖直角的剩余倾斜值进行自动改正；除了具有液晶数字显示测量值之外，还具有电子数据自动记录装置。 同轴望远镜 双轴自动补偿,4.5全站仪及特点,4

22、.5 全站仪及特点,由于全站仪集测角、测距于一体，由微处理机控制能自动进行测距、测角，能自动归算水平距离、高差和坐标等，还能进行施工放样，能自动记录观测数据，所以使用极为方便，深受广大测量工作者的欢迎。 我国从80年代初期开始小批量引进外国制造的全站仪，到90年代已能自主研制并批量生产。目前，全站仪已在国民经济各个部门得到广泛应用。 全站仪的独立观测值是斜距、水平方向值和垂直角，其他数据如平距、高差、坐标等可由全站仪内的微处理机计算而得，不必另行观测，这是在全站仪的使用过程中应当注意的。 全站仪发展历程,Wild T2000电子经纬仪+DI5相位式红外测距仪,Wild 新T2+DI1000相位

23、式红外测距仪,三同轴望远镜 在全站仪的望远镜中，照准目标的视准轴、光电测距的红外光发射光轴和接收光轴是同轴的，因此，测量时使望远镜照准目标棱镜的中心，就能同时测定水平角、垂直角和斜距。,4.5 全站仪及特点,同时测角（水平角和竖角）和测距；望远镜的视准轴和测距仪的视准轴是同轴的；对水平角和竖角进行补偿（具有双轴补偿器）；数据电子显示，并存入内存储器，无须读数，无须记录。一般可存3000点的数据（角度、距离、坐标）数据输出提供RS232C串口和电子手簿、掌上电脑、计算机等外部设备连接；提供多种测量模式距离测量、角度测量、坐标测量、高级测量（后方交会、放样测量、对边测量、悬高测量）,4.5 全站仪及特点,三维坐标测量、放样,对边测量,方位角设置,悬高测量,4.5 全站仪及特点,面积计算,角度偏心测量,测站点高程,后方交会测量,4.5 全站仪及特点,自动全站仪是一种能自动识别、照准和跟踪目标的全站仪，又称测量机器人。 本图为徕卡公司的TPS1100系列全站仪。,4.5 全站仪及特点,自动全站仪,徕卡公司的TPS1100系列全站仪的特性马达驱动与自动目标识别；自动跟踪；镜站遥控测量；无反射棱镜测量；支持用户自编应用程序。,谢谢大家!,