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1、高等职业教育“十二五”规划教材 公路工程施工测量技术,人民交通出版社,,项目三 地面点定位,地面点定位体系,角度测量原理,光学经纬仪的认识及其技术操作,经纬仪测角,角度测量精度评定,距离测量和直线定向,距离测量精度评定,地面点坐标计算,全站仪技术操作,平面控制测量,,工作任务1 地面点定位体系,测量工作是在地球表面进行的，地球的形状和大小与测量工作有直接关系。如图3-1a）所示，地球表面有高山、丘陵、平原、盆地和海洋等自然起伏形态，为极不规则的曲面。,,工作任务1 地面点定位体系,一、测量的基准面和基准线 (1)、水准面和大地水准面 1) 水准面：设想用一个自由静止的海水面，向陆地延伸形成一个
2、封闭的曲面，这个曲面称为水准面。 2) 大地水准面：通过平均海水面的水准面称为大地水准面，如图3-1b）。 (2)、铅垂线 测量工作中铅垂线确定的方法是，利用细绳悬挂一个垂球，当垂球静止时细绳的方向即为悬挂点的重力方向，我们称之为铅垂线方向。 (3)、参考椭球面 1) 参考椭球面：选择一个非常接近大地体又能用数学式表达的规则几何形体来代表地球的形状。这个几何形体称为旋转椭球体，如图3-1c），其表面称为参考椭球面。,,工作任务1 地面点定位体系,其数学表达式为：测量外业工作的基准面和基准线是大地水准面和铅垂线，测量内业计算的基准面和基 准线是参考椭球面和椭球面的法线。 二、表示地面点位的坐标系
3、统 测量工作的根本任务是确定地面点的空间位置，即求出地面点在某坐标系统内的三维坐标或二维坐标。测量上常采用坐标系统有大地坐标系、高斯克吕格平面直角坐标系、独立平面直角坐标系等。 (1)、大地坐标系 椭球面上某点的位置，通常用大地经度L和大地纬度B来表示，某点的大地经纬度称为该点的大地坐标。,,工作任务1 地面点定位体系,包括旋转轴NS的平面称为子午面，子午面与椭球面的交线称为子午线，也称为经线。 垂直于旋转轴NS的平面与椭球面的交线称为纬线。对于图中椭球面上任一点而言，其大地坐标为，如图3-2：大地经度L过P点的子午面与起始子午面间的夹角。由格林威治子午线起算，向 东为正，向西为负。 大地纬度
4、B在P点的子午面上，P点的法线PK与赤道面的夹角。由赤道起算， 向北为正，向南为负。,,工作任务1 地面点定位体系,(2)、高斯平面直角坐标系 1) 高斯投影设想用一个椭圆柱面套在椭球体外面，如图3-3a)，使椭圆柱面轴线通过地球椭球体中心，并且使椭圆柱面与地球椭球体表面上的某一中央子午线相切，而后将中央子午线附近一定经差范围内的椭球图形投影到椭圆柱面上（如M投影点为m），再沿过极点的母线将椭圆柱面剪开，展成平面图3-3b)，高斯投影后，中央子午线长度不变与赤道投影正交。,,工作任务1 地面点定位体系,2) 高斯投影分带方法为了控制由曲面等角投影(正形投影)到平面时引起的变形在测量容许值范围内
5、，将地球按一定的经度差分成若干带，各带分别独立进行投影。从首子午线自西向东每隔6划为一带，称为6带。每带均统一编排带号，用N表示。自西向东依次编为160。位于各带边界上的子午线称为分带子午线，位于各带中央的子午线称为中央子午线或轴子午线。各带中央子午线的经度按下式计算：亦可从经度1.5自西向东按3经差分带，称为3带，其带号用n表示，依次编号1120，各带的中央子午线经度按下式计算：3带和6带分带如图3-4：,,工作任务1 地面点定位体系,3) 高斯平面直角坐标系 以各带中央子午线为纵轴(x轴)，北方向为正；赤道为横轴(y轴)，东方向为正；其交点为原点，即建立起各投影带的高斯克吕格平面直角坐标系
6、，如图3-5a)； 我国领土位于北半球,在高斯克吕格平面直角坐标系中，x值均为正值。而地面点位于中央子午线以东y为正值,以西y为负值。这种以中央子午线为纵轴的坐标值称为自,,工作任务1 地面点定位体系,然值。为了 避免y值出现负值,规定每带纵轴向西平移500km，如图3-5b)，来计算横坐标。而每带赤道长约667.2km，这样在新的坐标系下,横坐标纯为正值。为了区分地面点所在的带，在横坐标值y前冠以投影带号。 (3)、独立平面直角坐标系 当测区范围较小(半径10km)时，可将地球表面视作平面，直接将地面点沿铅垂线方向投影到水平面上，用平面直角坐标系表示该点的投影位置。将坐标原点选在测区的西南角
7、，以测区中心的子午线方向为纵轴(x轴)，北方向为正；横轴(y轴)与x轴垂直，东方向为正。这样就建立了独立平面直角坐标系，如图3-6)。实际测量中，为了避免出现负值，一般将坐标原点选在测区的西南角，故又称假定平面直角坐标系。 两种平面直角坐标系，与数学坐标系相比较，区别在于纵、横轴互换，且象限按顺时针方向、排列，目的是便于将数学中的三角和几何公式不作任何改变直接应用于测量学中。,(4)、WGS84坐标系 WGS84坐标系的几何定义是：原点在地球质心，z轴指向国际时间局BIH 1984.0(Bureau Inte-nationaldelHeure)定义的协议地球极CTP(Con-ventional
8、 Terrestrial Pole)方向,x轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道面的交点，y轴与z、x轴构成右手坐标系，如图3-7所示。,工作任务1 地面点定位体系,工作任务1 地面点定位体系,(5)、地面点高程系统 1) 高程：地面某点到大地水准面的铅垂距离，称为该点的绝对高程或海拔，简称高程。 2) 相对高程：地面点沿铅垂线方向到假定水准面的距离称之为假定高程或相对高程。,工作任务2 角度测量原理,一、水平角测量原理 (1)、水平角水平角：是指地面上一点到两个目标点的连线在水平面上投影的夹角，或者说水平角是过两条方向线的铅垂面所夹的两面角。 (2)、水平角取值范围 水平角的取值
9、范围是从0360的闭区间。 (3)、水平角测量原理 我们可以想象，（如图3-9）在B点的上方水平安置一个有分划（或者说有刻度）的圆盘，圆盘的中心刚好在过B点的铅垂线上。然后在圆盘的上方安装一个望远镜，望远镜能够在水平面内和铅垂面内旋转，这样就可以瞄准不同方向和不同高度的目标。另外为了测出水平角的大小，因此还要有一个用于读数的指标，当望远镜转动的时候指,工作任务2 角度测量原理,标也一起转动。当望远镜瞄准A点的时候，指标就指向水平圆盘上的分划a，当望远镜瞄准C点的时候，指标就指向水平圆盘上的分划c，假如圆盘的分划是顺时针的，则水平角c-a,工作任务2 角度测量原理,二、竖直角测量原理 (1)、竖
10、直角竖直角：在同一竖直平面内，目标方向线与水平方向线之间的夹角成为竖直角。 (2)、竖直角取值范围 水平角的取值范围是从-90+90。 (3)、竖直角测量原理 我们可以想象在过测站与目标的方向线的竖直面内竖直安置一个有分划的圆盘，同样为了瞄准目标也需要一个望远镜，望远镜与竖直的圆盘固连在一起，当望远镜在竖直面内转动时，也会带动圆盘一起转动。为了能够读数还需要一个指标，指标并不随望远镜转动。当望远镜视线水平的时候，指标会指向竖直圆盘上某一个固定的分划，如90（如图3-10）。当望远镜瞄准目标时，竖直圆盘随望远镜一起转动，指标指向圆,工作任务2 角度测量原理,盘上的另一个分划。则这两个分划之间的差
11、值就是我们要测量的竖直角。,工作任务2 角度测量原理,三、观测角度的仪器必须要满足几个必要条件： (1)、仪器的中心必须位于过测站点的铅垂线上。 (2)、照准部设备（望远镜）要能上下、左右转动，上下转动时所形成的是竖直面。 (3)、要具有能安置成水平位置和竖直位置并有刻划的圆盘。 (4)、要有能指示度盘上读数的指标。,一、光学经纬仪的构造及各部件的作用经纬仪构造包括基座，水平度盘和照准部三个部分。图3-11为国产J6型光学经纬仪的结构图。,工作任务3 光学经纬仪的认识及其技术操作,(1)、基座 基座的构造和作用与水准仪的基座相似。 (2)、水平度盘 水平度盘简称度盘又称下盘，它装在仪器的旋转轴
12、(竖轴)上，插在基座的轴套内。测角时，水平度盘一般是不动的。光学经纬仪的度盘是玻璃制成的圆环。圆环上刻有间隔相等的分划线，两相邻分线间弧长所对圆心角值，称为度盘分划值，通常有20，30，60等几种。光学经纬仪每1注记一数字。 (3)、照准部 经纬仪的照准部也是仪器上部能绕竖轴转动的部分。其中有支架、竖直度盘、望远镜和管水准器等。竖直度盘，望远镜和横轴(又称望远镜旋转轴，水平轴)固连在一起，横轴装在支架上。,工作任务3 光学经纬仪的认识及其技术操作,(4)、制动及微动设备 一般经纬仪有两套制动及微动设备,一套是控制望远镜绕横轴旋转的叫望远镜制动和微动螺旋，一套是控制照准部绕竖轴旋转的水平制动及微
13、动螺旋。微动螺旋只有在制动螺旋制动情况下，才起作用且移动范围有限。 (5)、读数设备 读数设备主要包括度盘和指标，为了读取度盘上不足一格的小角值，读数设备中都设置了测微装置。 1) 分划尺读数装置和读数方法；如图3-13 2) 单平板玻璃测微器及其读数方法；如图3-14,工作任务3 光学经纬仪的认识及其技术操作,工作任务3 光学经纬仪的认识及其技术操作,二、经纬仪的技术操作经纬仪的使用包括安置、瞄准、读数三步基本操作。 (1)、经纬仪的安置 1) 对中： 小于 3mm； 2) 整平： 小于 1 格。 对中、整平法步骤如图3-15所示（1）大致水平大致对中 眼睛看着对中器，拖动三脚架 2 个脚，
14、使仪器大致对中，并保持 “ 架头 ” 大致水平。 （2）伸缩脚架粗平 根据气泡位置，伸缩三脚架 2 个脚，使圆水准气泡居中。 （3）旋转三个脚螺旋精平,工作任务3 光学经纬仪的认识及其技术操作,工作任务3 光学经纬仪的认识及其技术操作,按“左手大拇指法则”旋转三个脚螺旋，使水准管气泡居中。 、转动仪器，使水准管与 1 、2 脚螺旋连线平行。 、根据气泡位置运用法则，对向旋转 1 、2 脚螺旋。 、转动仪器 90，运用法则，旋转 3 脚螺旋。 （4）架头上移动仪器，精确对中 （5）脚螺旋精平。 （6）反复（4）、（5）两步。,工作任务3 光学经纬仪的认识及其技术操作,(2)、瞄准 1) 步骤：
15、粗瞄制动调焦微动精瞄。 2) 两个基本概念：盘左（正镜）：竖直度盘位于望远镜左侧叫盘左或正镜；竖直度盘位于望远镜右侧叫盘右或倒镜。 (3)、读数 调节反光镜及读数显微镜目镜，使度盘和测微尺影像清晰，亮度适中，根据仪器的读数设备进行读数。,工作任务4 经纬仪测角,一、水平角测量 水平角观测的方法常用的有测回法和方向观测法。 (1)、测回法 测回法适用于观测只有两个方向的单角。如图3-16所示； 1) 盘左位置(上半测回) 所谓盘左，即观测者对着望远镜的目镜，竖直度盘处于望远镜左侧时的位置，或者叫做正镜位置，也称上半测回。 a.松开照准部和望远镜制动螺旋(或板手)，转动照准部，由望远镜外通过准星观
16、察，大致照准左目标A，拧紧照准部和望远镜制动螺旋。然后从望远镜中观察，仔细对光。调节照准部和望远镜微动螺旋，精确瞄准目标A，读取水平度盘读数，设为，记入手簿见表3.4.1。 b.松开照准部和望远镜制动螺旋，顺时针方向转动照准部，由望远镜外观察，大致照,工作任务4 经纬仪测角,准右目标B，拧紧照准部和望远镜制动螺旋。然后从望远镜中观察，仔细对光。调节照准部和望远镜微动螺旋，精确瞄准目标B，读水平度盘读数，设为右，记入观测手簿。至此，上半测回观测完毕。 c.盘左时测得水平角为 （3-6） 叫做上半测回或前半测回角值。 2) 盘右位置(下半测回)所谓盘右，即观测者对着望远镜的目镜，竖直度盘处于望远镜右侧时的位置，或者叫做倒镜位置，也称下半测回。a.精确瞄准目标B，读数，并记入观测手簿。b.松开照准部和望远镜制动螺旋，仍按顺时针方向转动照准部，精确瞄准目标A，读数，记入观测手簿。,
