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1、第四章 距离测量,距离测量,4-1 测量距离的仪器和方法 4-2 钢尺量距的方法 4-3 钢尺的检定 4-4 钢尺量距的误差分析 4-5 光电测距仪的原理和构造 4-6 光电测距仪的检测 4-7 光电测距仪的使用和成果计算 4-8光电测距仪的误差分析和精度评定,4-1 测量距离的仪器和方法,一、在工程测量中使用三种距离： 1、斜距（slope distance） 2、水平距离（horizontal distance） 3、垂直距离或高差（vertical distance, height difference),1、钢尺量距（Steel taping），精度 1/1000 - 1/25000
2、2、视距法测距（Stadia tacheometry），精度 1/200- 1/300 3、电磁波测距（Electromagnetic distance measurement, EDM) ，高精度,二、距离测量方法,钢尺量距,视距法测距,反光镜 Reflecting Prism (Reflector),全站仪测距,Total station,4-2 钢尺量距的方法,两种量距尺 (length: 20 m, 30 m, or 50 m) 塑料尺（Plastic tapes） 钢尺 （Steel tapes） 相比于塑料尺，钢尺有以下优点 受温度和拉力(tension)的影响小 使用寿命(lif
3、etime)更长 量距一般使用钢尺，而不使用塑料尺 钢尺量距操作较复杂，不易取得高精度的结果，相比于电磁波测距，钢尺量距精度相对偏低,端点尺,刻线尺,钢尺量距辅助工具（Subsidiary Tools）,标杆（Ranging rod ） 测钎（Marking arrow） 锤球（Plumb bob）,钢尺使用应注意几点,野外测量（Fieldwork）开始之前，应查看并弄清钢尺的零点处、刻度及标注（Graduations） 所有钢尺具有名义长度（Nominal length） 精密量距要求钢尺必须具有经检定所得到的尺长方程（Tape standardisation formula） 每隔一段时间
4、，应作尺长检定，以得到新的尺长方程,钢尺的尺长方程,在不同的使用条件下，同一把钢尺的长度会随之发生变化，这些影响因素包括 量距时的外界温度（热膨冷缩） 量距时作用在钢尺的拉力 （应力作用） 其它外界环境变化 基于尺长方程，我们可以对量距结果进行改化（Correction），以提高量距精度,尺长方程的形式,lt=钢尺在 tC时的实际长度（Actual length） l0=钢尺的名义长度（Nominal length） l=在标准温度t0C时的尺长改正数（Correction） t=丈量时的温度 (C) t0=钢尺的标准温度，一般为20C a=钢尺线膨胀系数（Coefficient of exp
5、ansion of the tape material ），一般取1.2510-5/C),无拉力因素，要求在量距时使用与鉴定时相同的标准拉力,丈量方法（Measurement Methodology）,从精度要求来看 低精度丈量 高精度丈量 （基于尺长方程，需要进行尺长、温度、倾斜等多项改正） 从距离长短来看 直接丈量 （Direct measurement），被量距离 = 钢尺长度，需要使用肉眼或经纬仪（Theodolite）来定线（Alignment）,一、平坦地区一般丈量及成果计算,1、以2-3人为一组，需要钢尺一支，标杆三跟，测钎 一组，垂球两个，边定线边丈量，直至终点。丈量 时使用均
6、匀拉力，注意抬平尺子，并使尺子紧靠标 杆，稳定垂球，注意落点（对点），并插测钎。 2、实行全程往返丈量。 当 时，取均值为测量结果。,二、在坡度较大的斜坡上量距,借助垂球，可将整尺段分成若干个小段,2、“斜坡拉链法”：使用经纬仪和花杆，量出斜距Si和竖 直角ai,1、非整尺段的平量，一般分段 到米,三、钢尺精密量距及成果计算,1、精密量距的实施 所能达到的精度，约为1/10000- 1/25000 工具准备及人员组织：检定后的钢尺，经纬仪，拉力计，温度计，水准仪及标尺，标杆，大木桩若干。 人员5-6人 用经纬仪定线，用钢尺概量以确定各分段点。在分段点上打入大木桩（分段应略短于一整尺长），木桩高
7、出地面0.5米以上，并在桩顶钉上一铝片，铝片上刻一十字丝。定线时，使十字丝之一位于被量视线方向。 量测过各桩点间的高差 量距进行：两人读尺，两人拉尺，一人记录并测记温度。每测段读三次（估读到0.5毫米），三次互差小于等于两毫米时取均值，依次丈量各测段。 根据精度要求，测若干测回,2、精密量距的成果计算,精密量距的实测成果中，应加入每测段的尺长改正，温 度改正和倾斜改正。,(1)、尺长改正,(2)、温度改正,(3)、倾斜改正,式中：h 为测段高差,(4)、改正后尺段的实长 被量线段的全长,4-3 钢尺的检定,一、与标准尺比长 1、待检定尺与标准尺具有相同的名义长度（如30m） 2、将它们并排放在
8、地面上（或悬空比较），两尺始 端施加标准拉力（ 如98 N），并将两尺终端对齐， 则可在始端的零分划处读出两尺的差值；用温度 计测定温度 3、 计算待检尺的尺长方程,二、与已知基线比长 1、基线的精确长度为d 2、以精密丈量的方法，用待检钢尺测定该基线的名 义长度为 （丈量时对钢尺施加标准拉力） 3、用温度计测定丈量时的平均温度为 4、则待检尺的尺长改正 为：,实例一,已知标准尺尺长方程 待检尺尺长方程推算 在24C时，待检尺的长度为,施加的标准拉力=98 N 现场温度=24c,标准温度为20C,实例二,问题：已知基线长为120.454m，用30m的待检钢尺、在28C 的温度条件下施加标准拉力
9、精密量得该基线长为120.432m， 求待检尺的尺长方程 待检尺在28C时的尺长改正为 则：在20C时待检尺的尺长改正为 故待检尺的尺长方程为,4-4 钢尺量距的误差分析,一、钢尺量距看似简单，但实际操作复杂，没有好的经验， 量距精度将受很大影响 二、误差来源 1、尺长误差：具有累积作用，在一般方法量距中，当 尺长误差小于尺长的1/10000时，可不进行改正， 否则，应作尺长改正 2、钢尺不水平引起的误差：使距离量大 3、定线误差：非直线，而为曲线，使距离量大 4、拉力误差：大于或小于标准拉力时，使距离量小或 量大，与标准拉力相差62N时，对尺长影响为 1/10000,5、温度变化引起的误差：
10、当温度变化为8C时，可使尺 长变变化1/10000。在一般方法量距中，当温度小于 8C时，不做改正，否则应作温度改正 6、对点与投点误差，估读与插钎误差：均具有的偶然性 7、风的影响：风吹可使钢尺旁向弯曲，这种影响将距离 量长，该误差具有累积性质 8、错误：计错整尺段数、读错数、记录错误等,4-5 光电测距仪的原理和构造,“电磁波测距（Electromagnetic Distance Measurement, EDM）”的概念是由瑞典的Geodimeter Inc.公司于上世纪50年代率先提出来的 电磁波测距仪（EDM instruments）的出现，使距离测量变得更容易、更精确（相对于钢尺测
11、距来说） 早期的测距仪体积庞大、笨重、复杂、昂贵 随微电子与计算机技术的发展，测距仪变得轻巧、性能大为改善、价格逐渐降低，目前其应用已相当普遍,电磁波往返传播,反光镜 Reflecting Prism (Reflector),反射棱镜,一、测距仪分类,1、按测距方式分 脉冲式，以激光（Laser）作光源 相位式，以红外光（Infrared light）作光源，近来还出现了以微波（Microwave）作能源的微波测距仪 脉冲相位式 2、按最大测程（Maximum range）分 短程：3km以来； 中程：315km 远程：15100km； 超远程：100km 3、按构造分 组合式（测距仪+经纬仪
12、），一般称光电测距仪器； 整体式，称全站仪,二、测距仪的构造 1、组合式：测距头+经纬仪,组合式实例,Total Station (全站仪) -电子经纬仪与测距仪的无缝结合（seamless integration）,2、整体式：全站仪,相对于组合式测距仪，全站仪具有显著的技术优势 因三轴合一，仪器结构更紧凑 使测距、测角结果自动显示 仪器操作简便 内置微处理器和相关软件包，通过全站仪的操作键盘完成相关计算，如相关改正、水平距离计算、高差计算、三维坐标计算等 可与计算机通讯、进行数据传输 已在线路勘测、土木工程放样等中广泛采用,博飞,Leica,Leica,Topcon,Nikon,3、全站仪
13、和光电测距仪的附件,(1)、电源：一般为一个电池，6-12伏。 (2)、反射镜：为无定向棱镜（三面互为直角的四 面体），能保证入射光线与放射光线相互平 行。由一块或多块组合以适应不同测程和信 号强弱。 (3)、数据记录器：全站仪上都有这种装置配置。,在工程测量中，经常使用的是中、短程、以红外光作光源的相位式测距仪 因相位式测距仪的体积小、重量轻、测距精度高，在土木工程勘测中已被广泛使用，下面将重点介绍相位式测距仪的基本原理 本章将“光电测距”与“电磁波测距”同等看待,三、相位式测距仪的基本原理,1、电磁波基本知识回顾,通过测量光波往返传播时间， 距离可按下式确定 ：,S=待测距离（一般为斜距）
14、 c=光速 (299792.50.4km/s) t=双程传播时间,如果测时精度为110-7s, 则距离误差为15m，因此，测距仪采用间接测量时间的相位式测距法,2、相位式测距仪一般使用调制光波,测距波(Measuring wave)，低频信号 载波(Carrier wave)，高频信号 调制波(Carrier wave modulated by measuring wave),如：砷化镓二极管产生近红外光，易于调制,低频波在大气中传输时、信号衰减(Signal attenuation)较严重，为防止过分衰减，可通过 显著加大发射器的尺寸（a huge-size transmitter） 或增加
15、发射能量（high power of transmitter） 高频波信号衰减较轻，但相位量测不准确 为便于相位量测与保证回波信号强度，且降低仪器体积与制造成本，合理的解决方案是：调制（高频波搭载低频测距波） 发射 返回并接收 解调（提取出低频测距波）,3、光波的调制,4、相位式测距的本质,通过测量光波发射时与返回时的相位差或者说相位延迟，距离可被确定 式中：,5、量测相位延迟基本流程,6、整周波长个数的确定,此问题也被称为整周模糊度（Ambiguity）确定问题 相位式测距仪靠发射多种频率（Multi-frequency）的测距波来解决模糊度问题 高频测距波负责测定微小距离，称精测尺 低频测
16、距波负责测定较大距离，称粗测尺 实际上，多频率或称为多尺度的概念应用很广泛，如我们的手表就是一个典型的例子,时针走得最慢，测大数（小时） 分针走得较快，测相对小的数（分） 秒针走得最快，测最小的数（秒）,Think over,多频率测距举例,一段距离使用了两种频率来测定 f1=15 MHz f2=150 KHz 如果各频率上所得到的可测相位延迟分别为： n1=0.698（周） n2=0.387（周） 问题： 已知要测定的距离小于1km，准确距离是多少呢?,求解,对于粗测尺： f2= 150 KHz, 2/2=1 km 因为待定距离 1km, 则 n2=0 因为n2=0.387，则粗测距离=0.3871000=387m 对于精测尺： f1= 15 MHz, 1/2=10 m, n1未知 因为n1=0.698，则精测距离=0.69810=6.98m 由于测相精度为一般
