全站仪三角高程测量的方法及对其精度分析测量毕业论文.doc
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1、全站仪三角高程测量的方法及对其精度分析目 录第一章、引言3第二章、正文4一、三角高程测量的原理及基本公式41.1 三角高程测量的原理41.2 三角高程测量的基本公式51.2.1基本公式51.2.2 距离的归算61.2.3 用椭球面上的边长计算单向观测高差的公式71.2.4 用高斯平面上的边长计算单向观测高差的公式71.2.5 对向观测计算高差的公式7二、全站仪三角高程测量的方法82.1 传统方法82.2 使用跟踪杆配合全站仪测量高程9三、三角高程测量的误差来源103.1 竖角的测角误差103.2 边长误差113.3 折射系数的误差113.4 仪器高i和目标高v的测定误差11四、三角高程测量的精
2、度分析124.1 观测高差中误差124.2 对向观测的高差中误差124.3 使用跟踪杆配合全站仪高程测量的高差中误差13五、三角高程测量的应用1351 三角高程路线145.2 独立高程点145.3 高程导线14第六章、结论16参考文献17致谢17附表118摘 要:在工程施工过程中,常常涉及到高程测量。普遍高程测量方法有水准测量和三角高程测量。三角高程测量与水准测量相比,它施测速度快,不受地形起伏的限制,但是三角高程测量由于测量距离远,误差来源多,其精度受到影响,达不到高精度测量的要求。随着高精度测距仪器的应用,三角高程测量的精度得到提高。本文从三角高程测量的原理开始,探讨了全站仪三角高程测量的
3、方法,以及对其进行精度分析。因为快捷、简便,利用全站仪进行三角高程测量越来越受到施工测量人员的青睐。Abstract: In the project construction process, involves frequently to the elevation survey.The universal elevation measuring technique has the leveling and the trigonometric leveling.The trigonometric leveling and the leveling compare, it executes me
4、asured the speed is quick, not hypsography limit, but trigonometric leveling because the survey is away from far, the error source are many, its precision comes under the influence, cannot achieve the high-accuracy survey the request. Along with the high accuracy range finder instrument application,
5、 the trigonometric leveling precision obtains the enhancement.This article from the trigonometric leveling principle start, has discussed the entire station meter trigonometric leveling method, as well as carries on the precision analysis to it. Because quickly, simple, uses the entire station meter
6、 to carry on the trigonometric leveling more and more to receive the construction survey crews favor.关键词:全站仪 三角高程测量 误差来源 精度分析Key word: Entire station meter Trigonometric leveling Error source precision analysis第一章、引言工程施工过程中,常常涉及到高程测量。传统的高程测量方法是水准测量、三角高程测量。水准测量是测定点与点之间的高差,从而由已知高程点求得另一点的高程,它一种直接测量高程的方
7、法,测量高差的精度较高,但其受地形起伏的限制,转站多,外业工作量大,施测速度较慢。三角高程测量原是测定各级大地点高程的基本方法。其思路是在两测站间观测竖直角并应用它们之间的水平距离,计算两点间的高差,并且推算高程。由于受诸多因素的限制,三角高程所测定高差的精度并不高,难以取代水准测量作为高等级水准控制。近几年来,随着测距技术的发展和全站仪的普及,获得高精度的斜距成为可能,同时全站仪的应用也可以提高垂直角的测量精度。三角高程测量由于其观测方法简便灵活、不易受地形条件限制而成为高程控制测量的一种有效手段,正逐步受到广大测量工作者的青睐。本文从三角高程原理及其计算基本公式着手,介绍利用全站仪在实际工
8、程施工过程中进行三角高程测量的方法,重点讨论了全站仪光电测距三角高程测量的误差来源及减弱的措施并对其作了精度分析,从中,可以看出随着实践经验的不断丰富,先进仪器设备的不断发展,全站仪三角高程测量在工程测量领域中将有更广泛的应用。全站仪全称全站型电子速测仪,它由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统组成。一台全站仪能快速进行测距测角工作,非常适合三角高程的测量。第二章、正文一、三角高程测量的原理及基本公式1.1 三角高程测量的原理三角高程测量的基本思想是根据三角形数学关系,由测站点所观测的垂直角(或天顶距)和它们之间的水平距离,计算出测站点与照准点之间的高差,从而由已知高程推导未知高程点高程。以下
9、以水平面作为推导依据,通过图形加以说明。如图1所示,A点为已知高程,为在地面上A、B两点间测定高程hAB,在A点设置全站仪,在B点竖立棱镜。量取望远镜旋转轴中心I至地面上A点的高度,即仪器高i,用望远镜中的十字丝的横丝找准竖立在B点的棱镜M,它距B点的高度即为目标高v,测出倾斜视线IM与水平视线IN间所夹的竖角,令A、B两点间的水平距离为S,则由图1可得两点间高差hAB为 (式1)若A点的高程已知为HA,则B点的高程为 (式2)上式当角为仰角时取正号,相应的也为正值;反之,为俯角时取负值,相应的也为负值。1.2 三角高程测量的基本公式1.2.1基本公式以上三角高程的基本原理和计算高差的基本公式
10、是以水平面作为依据进行推导的,未考虑地球曲率和大气折光对所测高差的影响。在控制测量中,由于距离较长,所以必须以椭球面作为依据来推导三角高程的基本公式。如图2所示,设sAB为A,B两点间的实测水平距离。仪器置于A点,仪器高度为iA。B点为照准点,棱镜高度为vB,R为参考椭球AB的曲率半径。PE,AF分别为过P点和A点的水准面。PC是PE在P点的切线,也为过P点的水平面,PN为光程曲线。当位于P点的望远镜指向与PN相切的PM方向时,由于大气折光的影响,由N点出射的光线正好落在望远镜的横丝上,这就是说,仪器置于A点测得的P,N点间的垂直角为A,B。由图2可明显的看出,A、B两地面点间的高差为 (式3
11、)式中,EF为仪器高iA,NB为找准点的棱镜高度vB;而CE和MN分别为地球曲率和大气折光影响。由数学关系可推出 大气折光影响MN的正确值不易测定。因折射曲线PN的形状随着空气密度不同而变化,而空气密度除与所在点高程大小这个因素有关,还受气温、气压等气候条件的影响,在一般测量工作中近似的把其看作圆弧。故MN=sAB2式中R为光程曲线PN在N点的曲率半径。设 =K,则MN=sAB2 = sAB2K称为大气垂直折光系数。 由于A、B两点之间的水平距离sAB与曲率半径R之比值非常小(当sAB=10km时,sAB所对的圆心角仅5多一点)故可以认为PC近似垂直于OM,即认为PCM 90,这样可视为直角三
12、角形。则式3中MC为将各项代入式3中,即得A、B 两地面点的高差为HA,B=sABtanA,B+sAB2+iA- sAB2-vB= sAtanA,B + sAB2+ iA vB令式中 =C,则上式可以写成 (式4)式4就是单向三角高程观测计算高差的基本公式,在式中垂直角A,B,仪器高iA和棱镜高vB均可以由外业观测得到,sAB为实测的水平距离,一般要化为高斯平面上的长度d,C一般称为球气差系数,其在一天内折光系数K值是变化的,受大气密度的影响,是一个变量,在不同的地区、不同的时间、不同的天气等都会不相同,甚至在同一个测站上各方向也不相同,主要影响因素是气温和气压的变化。根据多年实践总结的规律,
13、在中午附近K值最小,并且比较稳定;日出日落时数值较大,而且变化也较快,因此垂直角观测最好在中午前后进行。阴天观测时K值影响较小,可以不受时间的限制。实用中我国大部分地区的折光系数取K=0.16。为方便起见,通常令f= CsAB2 =sAB2,则f= 0.42 (式5)式中由于实测距离一般不大(工程测量中一般在10km以内),所以可以将sAB视为大地水准面上的距离。为计算方便,列出了不同距离sAB时地球曲率与大气折光的影响,数据参见附表1。1.2.2 距离的归算在图3中,HA、HB分别为A、B两点的高程(此处已忽略了参考椭球面与大地水准面之间的差距),其平均高程则为Hm=(HA+HB),mM为平
14、均高程水准面,由于实测距离sAB一般不大,所以可以将sAB视为平均高程水准面上的距离。由图3有下列关系则 (式6)以上为表达实测距离sAB与参考椭球面上的距离s之间的关系式。参考椭球面上的距离s和投影在高斯投影平面上的距离d之间存在下列关系(本文不进行推导) (式7)在上式中,ym为A、B两点在高斯投影平面上的投影点的横坐标的平均值。将式7代入式6中,略去微小项后得 (式8)1.2.3 用椭球面上的边长计算单向观测高差的公式将式6代入式4中,可得 (式9)上式中的数值很小,故未顾及sAB与s之间的差异。1.2.4 用高斯平面上的边长计算单向观测高差的公式将式7代入式9中,并舍去微小项后得下公式
15、 (式10)式中。令 (式11)则式10为 (式12)式11中的平均高程Hm与地球半径R相比较是一个很微小的数值,只有在高山地区当Hm非常大而高差也较大时,才有必要顾及这一项。例如当Hm=1000m,时,这一项对高差的影响还不到0.02m,一般情况下,这一项可以略去。此外,当ym=300km,=100m时,这一项对高差的影响约为0.11m。如果要求高差计算正确到0.1m,则只有项小于0.04时才可以略去不计,因此,式12中最后一项只有当Hm,ym或较大时才有必要顾及。1.2.5 对向观测计算高差的公式在三角高程测量中,为达一个较准确的值,一般要求进行对向观测。也就是在测站A上向B点观测垂直角,
16、而后在测站B上也向A点观测垂直角,按照三角工程基本公式,由测站A观测B点的高差由测站B观测A点的高差上述两式中,iA,vA和iB,vB分别为A、B点的仪器和目标高度。SAB、和SBA、分别是仪器在A点和B点所测的平距和竖角。大小相等,正负符号相反。由于对向观测一般是在相同的气象条件下进行的,也可在同一时间进行,故可认为KAB=KBA,即CAB=CBA。于是,往返测高差取平均,得对向观测计算高差的基本公式: (式13)同样,对向观测也可按式12有下列两个计算的式子。由测站A观测B点由测站B观测A点式中,iA,vA和iB,vB分别为A、B点的仪器和棱镜高度;为由测站A观测B点和测站B观测A点时的球
17、气差系数。如果观测是在同样情况下进行的,特别是在同一时间作对向观测,则可以近似的假定折光系数K对于对向观测是相同的,因此。在上面两个式子中,的大小应相等而正负号相反。从以上两个式子可得对向观测计算高差的另一基本公式 (式14)式中 二、全站仪三角高程测量的方法随着全站仪的普及应用,三角高程测量也实现了便捷快速。全站仪三角高程测量一般有两种方法,即三角高程测量传统方法和跟踪杆配合全站仪测量高程。2.1 传统方法三角高程测量的传统方法是根据三角高程测量的原理,在已知高程点或者目标点上设置仪器观测目标点或已知高程点,通过三角高程测量的基本公式获得三角高程测量结果。为了尽量消除大气折光影响和仪器偏心所
18、造成的误差,力求结果准确,一般要求进行对向观测,根据三角高程测量对向观测的基本公式13式中,方向相反,在没有误差情况下,在实际测量中我们可以取两者算术平均值作为对向观测的竖直角值,取两次观测平距的算术平均值s作为对向观测的计算平距。即得式中,;传统的三角高程测量方法具备以下两个特点:(1)全站仪必须架设在已知高程点上;(2)要测出待测点的高程,必须量取仪器高和棱镜高。2.2 使用跟踪杆配合全站仪测量高程使用跟踪杆配合全站仪测量高程的方法也称全站仪中间法。即在待测两点中间安置全站仪,测出两站点的高差,而后同水准测量一样,棱镜与仪器交替前进完成水准点的测量与设置。这种方法既结合了水准测量的任一置站
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