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1、第五章角度、距离测量与全站仪第四章 水准测量和水准仪5.1角度测量原理角度测量原理一、水平角测量原理一、水平角测量原理水平角：水平角：相交的两直线之间的夹角相交的两直线之间的夹角在在水平面上水平面上的投的投影影(0360)。ABOab仪器安置的高低及瞄准目标的高低对水平角的观测有无影响？027090180水平面二、竖直角测量原理二、竖直角测量原理竖直角：竖直角：同一竖直面内，同一竖直面内，目标方向线目标方向线与与一特定方向线一特定方向线之间的之间的夹角，称为竖直角。夹角，称为竖直角。AB天顶距天顶距和和高度角高度角统称为统称为竖直角竖直角。高度角高度角,习惯上又称为习惯上又称为竖角竖角，也称为
2、，也称为垂直角垂直角。+-z水平方向天顶方向天顶距：天顶距：在同一竖直面内在同一竖直面内，目标方向目标方向与与天顶方向天顶方向所构成所构成的角的角（0180）。高度角：高度角：在同一竖直面内，在同一竖直面内，目标方向目标方向和和水平方向水平方向间的间的夹角夹角（090）。竖角与天顶距Z的关系为=90Z5.2经纬仪经纬仪一、经纬仪的基本构造及分类一、经纬仪的基本构造及分类（一）、基本构造（一）、基本构造1 1、构造、构造经经纬纬仪仪照准部照准部基基座座望远镜望远镜度度盘：水平、竖直盘：水平、竖直水准器：圆水准器水准器：圆水准器水准管水准管对中器对中器读数显微镜读数显微镜左右、上下左右、上下微动螺
3、旋微动螺旋横轴横轴竖轴竖轴圆水准轴圆水准轴水准管轴水准管轴竖轴竖轴：仪器的旋转轴；横轴横轴：望远镜的旋转轴；视准轴视准轴：望远镜的十字丝中心与物镜中心的连线；水准轴水准轴：水准管水准轴与圆水准器的水准轴。视准轴视准轴5.2经纬仪经纬仪2 2、经纬仪的轴系关系：、经纬仪的轴系关系：经纬仪应满足的条件：经纬仪应满足的条件：n竖轴竖轴必须必须竖直竖直（水准管轴应垂直于（水准管轴应垂直于竖轴）；竖轴）；n水平度盘水平度盘必须必须水平水平，其，其分划中心分划中心应应在在竖轴上竖轴上（水平读盘垂直于竖轴）（水平读盘垂直于竖轴）n望远镜上下转动时，视准轴形成的望远镜上下转动时，视准轴形成的视准面必须是竖直平
4、面（视准轴应视准面必须是竖直平面（视准轴应垂直于横轴）垂直于横轴）n竖丝应垂直于横轴竖丝应垂直于横轴竖竖直直度度盘盘圆圆水水准准轴轴水准管轴水准管轴水平度盘水平度盘视准轴视准轴横轴横轴竖轴竖轴2. 2. 经纬仪的分类经纬仪的分类n光学经纬仪：光学经纬仪：光学玻璃度盘，采用光学法读数。光学玻璃度盘，采用光学法读数。n电子经纬仪：电子经纬仪：电子度盘，电子法测角技术获取角值。电子度盘，电子法测角技术获取角值。我国大地测量仪器的总代号为汉语拼音字母我国大地测量仪器的总代号为汉语拼音字母“D”“D”，经，经纬仪代号为纬仪代号为“J”“J”。经纬仪的类型很多，我国经纬仪系列是按。经纬仪的类型很多，我国经
5、纬仪系列是按野外野外“一测回水平方向中误差一测回水平方向中误差”这一精度指标划分为这一精度指标划分为DJ07DJ07、DJ1DJ1、DJ2DJ2、DJ6DJ6、DJ15DJ15五个等级。例如五个等级。例如“DJ6”“DJ6”表示经纬仪野表示经纬仪野外外“一测回水平方向中误差一测回水平方向中误差”不超过不超过66，简写为，简写为“J6”“J6”。二、光学经纬仪的读数设备二、光学经纬仪的读数设备1 1、度盘、度盘 1 1）水平度盘水平度盘 水平角水平角 2 2）竖直度盘竖直度盘 竖直角竖直角2 2、读数设备、读数设备 1 1）读数显微镜读数显微镜 放大度盘放大度盘 上的读数上的读数 2 2）测微器
6、测微器 精确量取小于精确量取小于度盘上的最小刻划的读数度盘上的最小刻划的读数0902701803 3、分微尺读数装置、分微尺读数装置J6光学经纬仪水平竖直HV水平度盘竖直度盘01234566046.5（604630）6061基本原理基本原理：转动测微手轮时，一对移动光楔或平板玻璃转动测微手轮时，一对移动光楔或平板玻璃作等量相反方向运动可使度盘分划线影像作相向移动而作等量相反方向运动可使度盘分划线影像作相向移动而彼此接合，这个移动量可在秒盘相应的转动量上显示出彼此接合，这个移动量可在秒盘相应的转动量上显示出来。来。4、双平板玻璃光学测微器、双平板玻璃光学测微器度盘最小分划20，转动测微手轮使度盘
7、，对径分划影像重合。在度盘上读取整10。10对应600小格，最小分划1，不足10在秒盘上读取三、电子经纬仪三、电子经纬仪 采用光电扫描度盘将采用光电扫描度盘将角度值角度值变为变为电信号电信号，利用，利用电子技术测角，最后再将电子技术测角，最后再将电信号电信号转换为转换为角度值角度值，使，使测角能测角能自动显示自动显示、自动记录自动记录和和自动传输数据自动传输数据，从而，从而完成自动化测角的全过程，这种经纬仪称为电子经完成自动化测角的全过程，这种经纬仪称为电子经纬仪。纬仪。电子经纬仪和光学经纬仪的主要不同点：在于电子经纬仪和光学经纬仪的主要不同点：在于电子经纬仪采用了由电子经纬仪采用了由微处理器
8、控制微处理器控制的的光电扫描度盘光电扫描度盘和和自动显示系统自动显示系统。1 1、电子经纬仪与光学经纬仪相比较：、电子经纬仪与光学经纬仪相比较： 仍具有仍具有照准部照准部、度盘度盘、基座基座及相应轴系的结构形及相应轴系的结构形式。望远镜、水准器、光学对中器及制、微动机构类式。望远镜、水准器、光学对中器及制、微动机构类似。无读数显微镜，增设电子显示窗和操作按键。似。无读数显微镜，增设电子显示窗和操作按键。根据光电扫描度盘取得电信号的方式不同，目根据光电扫描度盘取得电信号的方式不同，目前电子测角系统有：前电子测角系统有：编码度盘测角系统、编码度盘测角系统、 光栅度光栅度盘测角系统盘测角系统2. 编
9、码度盘测角系统采用编码度盘及编码测微器的测角系统。纯纯二进制二进制编码编码度盘度盘四码道度盘每个方向都单值对应一个状态（编码输出），根据两区间的不同状态，便可测出该两区间的夹角。识别望远镜照准方向落在哪个区间是编码读盘测角的关键不可能达到较高的测角精度四码道度盘的角分辨率为22.53.3.光栅度盘测角系统光栅度盘测角系统在光学玻璃度盘的径向上在光学玻璃度盘的径向上均匀均匀地刻制地刻制明暗明暗相间相间的的等角距细线条等角距细线条就构成就构成光栅度盘。光栅度盘。将密度相同的两将密度相同的两块光栅重叠，并使它块光栅重叠，并使它们的刻线相互倾斜一们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时个很小的角度，这时就
10、会产生明暗相间的就会产生明暗相间的条纹（莫尔条纹）。条纹（莫尔条纹）。夹角越小，条纹夹角越小，条纹越粗。条纹的亮度按越粗。条纹的亮度按正弦周期性变化。正弦周期性变化。度盘每转动一条光栅，莫尔条纹移动一周期。莫尔条纹的光信号强度变化一周期，光电管输出的电流也变化一周期。在照准目标的过程中，仪器的接收元件可累计出条纹的移动量，从而测出光栅的移动量，经转换得到角度值。若发光管、指示光栅、光电管的位置固定，当度盘随照准部转动时，发光管发出的光信号，通过莫尔条纹落到光电管上。一、经纬仪的安置一、经纬仪的安置j1、对中对中使仪器的中心和测站点的标志中心在同一铅垂线上。使仪器的中心和测站点的标志中心在同一铅
11、垂线上。j2、整平整平使仪器的竖轴竖直。即水平度盘水平。使仪器的竖轴竖直。即水平度盘水平。用光学对中器进行对中和整平步骤：1、粗对中固定三脚架一条腿，移动两条腿；2、精对中调脚螺旋；3、粗平升降三脚架使圆水准器气泡居中；4、精平调脚螺旋（首先，水准管平行两个脚螺旋方向，调该两个脚螺旋，使水准管气泡居中，旋转90度使水准管垂直该两个脚螺旋方向，调第三个脚螺旋，使水准管气泡居中。检查任何方向气泡居中。）5、检查对中；6、反复进行上述操作，直到对中和整平都满足要求。5.3角度观测方法角度观测方法二、水平角的观测方法二、水平角的观测方法j1、测回法、测回法OAB盘左：先瞄准左边的目标A读数再瞄准右边的
12、目标读数盘右：先瞄准目标B读数再瞄准目标A读数盘右半测回或下半测回盘左半测回或上半测回一测回在不同的测回间，为了减小度盘刻划的误差，须配度盘限差：1、两个半测回方向值之差；2、各测回方向值之差返回1、测回法记录表格、测回法记录表格2、方向观测法、方向观测法OAB盘左测回：先瞄准零方向A读数，顺时针依次瞄准B、C、D读数，再瞄准零方向归零读数。在不同的测回间，为了减小度盘刻划的误差，须配度盘限差：1、归零差；2、上、下半测回同一方向值之差；3、各测回同一方向值之差CD盘右测回：先瞄准零方向A读数，逆时针依次瞄准D、C、B读数，再瞄准零方向归零读数。一一测测回回二、水平角的观测方法2C=L(R18
13、0)方向观测法的各项限差经纬仪型号经纬仪型号光学测微器两次重光学测微器两次重合读数差合读数差半测回归零差半测回归零差一测回内一测回内2C较差较差同一方向值各同一方向值各测回较差测回较差DJ1DJ2136891369DJ6-18-242、方方向向法法记记录录表表格格57竖盘是和望远镜固连在一起的。注记的形式多为盘左顺时针。0090180270盘左盘右090270180竖盘指标水准管竖盘指标自动归零三、竖直角观测1、竖角的计算公式：0090180270盘左盘右0902701802、竖盘指标差0090180270盘左盘右090270180的符号：所偏的方向和注记的方向一致，则为正。反之为负。1、在测
14、站上安置好仪器，对中、整平。2、盘左位置瞄准目标，使十字丝切于目标某一位置，读出或量取目标高。3、转动竖盘指标水准管微动螺旋，使竖盘水准管气泡居中，读取竖盘盘左读数。4、盘右的位置照准原目标位置，读取盘右竖盘读数。（竖盘指标水准管气泡居中）3 3、竖角观测方法、竖角观测方法 测站点仪器高(m)觇点觇标高(m)竖盘位置竖盘读数指标差半测回竖角一测回竖角照准觇标位置图 No41.43九峰山4.10左59203015303930303945觇标顶右3004000304000葛岭4.40左71441212181548181600觇标顶右2881612181612王家湾3.82左124034218-34
15、0342-340324觇标顶右2355654-3403064、竖盘指标自动归零装置、竖盘指标自动归零装置由于仪器整平不够完善，由于仪器整平不够完善，仪器的竖轴有残余的倾斜仪器的竖轴有残余的倾斜。为了克服由此产生的为了克服由此产生的竖盘读数误差竖盘读数误差，必须使竖盘指标水准，必须使竖盘指标水准管气泡居中。当水准管气泡居中时，指标就处于正确位置。管气泡居中。当水准管气泡居中时，指标就处于正确位置。然而每次读数时都必须使数盘指标水准管气泡严格居中是然而每次读数时都必须使数盘指标水准管气泡严格居中是十分费时的，因此有的光学经纬仪其数盘指标采用了自动十分费时的，因此有的光学经纬仪其数盘指标采用了自动归
16、零装置。归零装置。所谓所谓自动归零装置自动归零装置，即当经纬仪有微量的倾斜时，这，即当经纬仪有微量的倾斜时，这种装置会自动的调整光路使读数微水准管气泡居中时的正种装置会自动的调整光路使读数微水准管气泡居中时的正确读数。确读数。5.4水平角观测的误差和精度水平角观测的误差和精度一、水平角观测的误差一、水平角观测的误差1、仪器误差、仪器误差2、对中误差、对中误差3、目标偏心误差、目标偏心误差4、照准误差与读数误差、照准误差与读数误差5、外界条件的影响、外界条件的影响1.仪器误差仪器误差1)水平度盘偏心误差水平度盘偏心误差：是指水平度盘分划中心与照准部：是指水平度盘分划中心与照准部旋转中心不重合，称
17、为水平度盘偏心。旋转中心不重合，称为水平度盘偏心。2.水平度盘偏心对水平度盘读数的影响可采用水平度盘偏心对水平度盘读数的影响可采用盘左盘右盘左盘右观测取平均值观测取平均值的方法来消除或减弱其影响。的方法来消除或减弱其影响。2）视准轴误差：视准轴不垂直于横轴一般规定盘左时视准轴物镜向左偏斜的c值为正，向右偏斜为负，则对于同一目标，若盘左观测时为正（负），则盘右观测时即为负（正），而值不变，故盘左、盘右的xc值的绝对值相等而符号相反。所以，取盘左、盘右读数的中数，可消除视准轴误差的影响。所以，取盘左、盘右读数的中数，可消除视准轴误差的影响。3）横轴倾斜误差横轴倾斜误差：横轴横轴不垂直于不垂直于竖轴
18、竖轴所产生的误差所产生的误差规定盘左时横轴左端低于另一端时的i角为正，高于另一端时为负，则在竖轴是竖直的情况下，因横轴不垂直于竖轴所引起的横轴倾斜，盘左观测时为正（负），则盘右观测时即为负（正），而值不变，故盘左、盘右的xi值的绝对值相等而符号相反。所以，取盘左、盘右读数的中数，可消除所以，取盘左、盘右读数的中数，可消除横轴倾斜横轴倾斜误差的影响误差的影响4）竖轴倾斜误差竖轴倾斜误差：若视准轴与横轴垂直，横轴垂直于竖轴，若视准轴与横轴垂直，横轴垂直于竖轴，而竖轴与照准部水准管轴已垂直，而竖轴与照准部水准管轴已垂直，仅由于仪器未严格整平而仅由于仪器未严格整平而使竖轴不在竖直位置使竖轴不在竖直位置
19、，竖轴偏离铅垂线一微小角度，这就是，竖轴偏离铅垂线一微小角度，这就是竖轴倾斜误差竖轴倾斜误差。无论盘左盘右照准同一无论盘左盘右照准同一目标，目标，均相同，即均相同，即XvXv的符号不变，的符号不变，故盘左盘故盘左盘右的平均值不能消除竖右的平均值不能消除竖轴倾斜误差对水平方向轴倾斜误差对水平方向的影响。的影响。2仪器对中误差仪器对中误差: :在观测中，在观测中，仪器中心仪器中心与与测站点中心测站点中心不不在同一铅垂线上，称为对中误差。在同一铅垂线上，称为对中误差。仪器对中误差对水平角的影响：与A、B之间的距离SAB成正比，即水平角在180时影响最大；与测站至目标的距离s1和s2的乘积成反比；距离
20、愈短，影响愈大。对于短边的角度要特别注意对中。对于短边的角度要特别注意对中。3.3.目标偏心误差：目标偏心误差：目标偏心是指目标偏心是指目标点上竖立的标志中心目标点上竖立的标志中心（如（如测钎、花杆、标牌等）与测钎、花杆、标牌等）与地面点标志中心地面点标志中心不在同一铅垂线上。不在同一铅垂线上。A、B为标志实际中心，为标志实际中心，A、B为照准的中心，为照准的中心，为正确的角度，为正确的角度，为观测的角度。为观测的角度。目标偏心误差对水平角的影响与测站至目标目标偏心误差对水平角的影响与测站至目标的距离的距离s1和和s2有关，距离越短，影响越大。有关，距离越短，影响越大。4 4照准误差与读数误差
21、照准误差与读数误差影响照准精度的主要因素有：影响照准精度的主要因素有：n望远镜的放大率，望远镜的放大率，n目标与照准标志的形状和大小、目标与照准标志的形状和大小、n目标影象的亮度和清晰度目标影象的亮度和清晰度n人眼的判别能力等。人眼的判别能力等。观测时，应注意消除视差，正确完成照准操作。读数误差与读数设备、照明情况和观测者的技术熟练程度都有关。一般来讲，读数误差主要取决于仪器的读数设备。对于用分微尺读数装置的J6光学经纬仪，一般认为估读的极限误差为分微尺格值的十分之一，即可以不超过6。如果照明情况不佳，显微镜目镜未正确调焦以及观测者的技术不熟练，则读数误差会更大。外界条件影响的因素很多外界条件
22、影响的因素很多, ,主要有：主要有：（1 1）大风大风会影响仪器和标杆的稳定，会影响仪器和标杆的稳定，（2 2）温度变化温度变化会影响仪器的正常状态，如改变视会影响仪器的正常状态，如改变视准轴位置准轴位置. .（3 3）大气折光大气折光可导致视线改变方向，地面辐射热可导致视线改变方向，地面辐射热又会加剧大气折光的影响。又会加剧大气折光的影响。（4 4）大气的透明度大气的透明度会影响照准精度，如雾气使目会影响照准精度，如雾气使目标成象模糊。标成象模糊。（5 5）地面坚实与否地面坚实与否会影响仪器的稳定。会影响仪器的稳定。5.5.外界条件的影响外界条件的影响二、水平角观测的精度二、水平角观测的精度
23、J6光学经纬仪光学经纬仪一测回角值的中误差一测回角值的中误差半测回方向值的中误差半测回方向值的中误差归零差的中误差归零差的中误差同一方向各测回较差同一方向各测回较差5.55.5 经纬仪的检验和校正一、经纬仪主要轴线间应满足的条件一、经纬仪主要轴线间应满足的条件1.经纬仪上的主要轴线有：经纬仪上的主要轴线有：（1）仪器的旋转轴）仪器的旋转轴VV(简称竖轴简称竖轴)；（2）望远镜的旋转轴）望远镜的旋转轴HH(简称横轴简称横轴)；（3）望远镜的视准轴）望远镜的视准轴CC；（4）照准部水准管轴）照准部水准管轴LL。3. 3. 经纬仪应满足的条件经纬仪应满足的条件照准部照准部水准管轴水准管轴应垂直于应垂
24、直于竖轴竖轴；视准轴视准轴应垂直于应垂直于横轴横轴；横轴横轴应垂直于应垂直于竖轴竖轴；十字丝竖丝十字丝竖丝应垂直于应垂直于横轴横轴；竖盘指标差在限差范围内。竖盘指标差在限差范围内。竖轴竖轴必须必须竖直竖直；水平度盘水平度盘必须必须水平水平，其，其分划中心分划中心应在应在竖轴上竖轴上望远镜上下转动时，视准轴形成的视准面必望远镜上下转动时，视准轴形成的视准面必须是竖直平面须是竖直平面2. 2. 经纬仪在水平角观测时应满足的条件经纬仪在水平角观测时应满足的条件二、经纬仪的常规检验和校正二、经纬仪的常规检验和校正以以J6J6光学经纬仪为例，需进行检验和校正的项目光学经纬仪为例，需进行检验和校正的项目有如下几项：有如下几项：1.1.照准部水准管轴照准部水准管轴应垂直于应垂直于竖轴竖轴的检验和校的检验和校正；正；22. .十字丝竖丝十字丝竖丝应垂直于应垂直于横轴横轴的检验和校正；的检验和校正；3.3.视准轴视准轴应垂直于应垂直于横轴横轴的检验和校正；的检验和校正；4.4.横轴横轴应垂直于应垂直于竖轴竖轴的检验和校正；的检验和校正；5.5.竖盘指标差竖盘指标差的检验和校正；的检验和校正；6.6.光学对中器光学对中器的检验和校正。的检验和校正。
