1、2022-8-51第二章 角 度 测 量 角度测量原理 光学经纬仪 经纬仪的检验与校正 经纬仪水平角观测 经纬仪竖直角观测 全站仪观测 影响测角精度的因素2022-8-522-1 角度测量原理 水平角的定义与测量原理 竖直角的定义与测量原理 水平角和竖直角测量的作用2022-8-53一一、水平角水平角的定义与的定义与测量测量原理原理水平面aobAOB也可理解成是包含OA、OB视线 的两个铅垂面之间的二面角。0ba水平度盘水平度盘=b-a=b-a 水平角水平角过一点到两个目标的方向线垂直投影到水平面上所成的夹角。0360。2022-8-542.2.垂直角观测垂直角观测原理原理二、二、竖直角竖直角
2、的定义与测量的定义与测量原理原理天顶铅垂线水平线ACAZCZACB090 180270高度角：在同一竖直面内，目标方向与水平方向的夹角称为高度角。=0 90，仰角为正，俯角为负；也叫垂直角。天顶距：目标方向与天顶方向（即铅垂线的反方向）的夹角称为天顶距。竖直角：高度角、天顶距都是竖直面内的角，通称竖直角。注：若未作特殊说明，竖直角皆指高度角。2022-8-55水平角和竖直角的作用 水平角的作用 水平角用于确定点的平面位置（计算坐标）。竖直角的作用 竖直角用于两点间高差计算、斜距改正成平距。2022-8-562-2 光学经纬仪 经纬仪概述 DJ6经纬仪的构造2022-8-57一一.经纬仪的技术经
3、纬仪的技术参数参数2.2.经纬仪的技术参数经纬仪的技术参数技术项目一测回水平方向中误差望远镜有效孔径不小于望远镜放大倍数不小于水准管分划值水平度盘垂直度盘主要用途经纬仪等级DJ1 DJ2 DJ6 1 2 6二等平面控制测量及精密工程测量60mm 40mm 40mm30倍 28倍 26倍 6/2mm 20/2mm 30/2mm 10/2mm 20/2mm 30/2mm 三、四等平面控制测量及一般工程测量图根控制测量 及一般工程测量技术参数 表2-1一、经纬仪概述 1.经纬仪分类 2022-8-58二二.光学光学经纬仪的构造经纬仪的构造二二.DJ6经纬经纬仪的构造仪的构造基座、照准部、度盘与读数装
4、置基座、照准部、度盘与读数装置基座基座照准部照准部2022-8-59基座基座水平度盘水平度盘照准部照准部1.基座基座1）脚螺旋用于整平仪器2）轴座连接螺旋（固定螺旋）1 1.基座基座2022-8-5102.照准部照准部 1）.望远镜 组成-见 课本P17图2.4 视准轴 在用望远镜进行目标照准时，要注意正确的操作程序：.目镜调焦；.目标照准；.消除视差（视差定义、产生原因、消除方法）2）水准器 3）光学对中器2.2.照准部照准部望远镜十字丝2022-8-511水准器2022-8-512光学对中器 当地面标志中心与光学对中器的靶心重合，则地面标志中心与经纬仪竖轴中心位于同一条铅垂线上。P19-图
5、2.92022-8-513 水平度盘 水平度盘由光学玻璃制成；顺时针0360刻度；仪器整平，水平度盘水平；水平度盘与照准部相互脱离；改变度盘位置，要使用复测扳手或度盘变换手轮。读数显微镜 竖直度盘（竖盘）3.3.度盘和读数装置度盘和读数装置 0901802700901802702022-8-5144.J6经纬仪经纬仪的的 读数装置读数装置图2.10 J6经纬仪度盘读数光路水平度盘水平度盘垂直度盘垂直度盘读数光路2022-8-515 度盘上1度分划的间隔 经放大后，与分微尺全长相等。分微尺全长分60格，因 此其最小格值为最小格值为1=60。读数时，秒数必须估读。估读至0.1格，因此，估读的秒数都
6、应是6的倍数。J6J6光学经纬仪读数光学经纬仪读数读数测微装置读数测微装置：分微尺测微水平度盘读数：7304240173732022-8-5162-3经纬仪的检验与校正 经纬仪的轴线及其应满足的条件2022-8-517一、经纬仪的轴线及其应满足的条件 1.经纬仪的主要轴线有：1）仪器旋转轴（简称竖轴）VV1；2）照准部水准管轴LL1；3）圆水准器轴LL1；4）望远镜的旋转轴（简称横轴）HH1；5）视准轴CC1。2022-8-5182.经纬仪在水平角观测时应满足：1）竖轴必须竖直；2）水平度盘必须水平，其分划中心应与竖轴重合；3）望远镜上下转动时，视准轴形成的视准面必须是竖直平面。3、综上所述，
7、经纬仪必须满足下列几个基本条件：1）照准部水准管轴应垂直于竖轴，即LL1VV1；2）视准轴应垂直于横轴，即CC1HH1；3）横轴应垂直于竖轴，即HH1VV1；2022-8-5194、经纬仪必须满足的其他条件：安置仪器时，为了快速地整平仪器，往往用圆水准气泡居中来粗平仪器，因此又要求：4）圆水准轴平行于纵轴，即LL1VV1；观测水平角时，若用十字丝交点去瞄准目标不很方便，通常是用竖丝去瞄准目标，这又要求：5）十字丝竖丝垂直于横轴；6）度盘中心与竖轴重合；（不重合称度盘偏心）7）在进行竖直角观测时，竖盘指标差应较小，应保证竖盘指标处于铅直位置；8）为保证光学对中器能正确地使仪器对中，光学对中器视准
8、轴位置应正确。2022-8-520度盘偏心误差：度盘的分划中心O与照准部的旋转中心O不重合引起的误差称为度盘偏心差。计算公式见课本P25 2022-8-521二、经纬仪检验与校正 需要定期检查经纬仪轴线之间的关系是否满足（称为检验）；如不满足则需要进行校正。2022-8-5222-4 水平角观测 经纬仪的安置 水平角观测与计算2022-8-523经纬仪的安置经纬仪的安置 安置三脚架和仪器安置三脚架和仪器 使用光学对中器对中使用光学对中器对中 用水准管精确整平仪器用水准管精确整平仪器2022-8-524安置三脚架和仪器安置三脚架和仪器(1)选择坚固地面放置脚架之三脚，架设脚架头至适当高度，以方便
9、观测操作。(2)大致对中（如将垂球挂在三脚架的挂钩上，使脚架头尽量水平地移动脚架位置并让垂球粗略对准地面测量中心，）然后将脚尖插入地面使其稳固。(3)检查脚架各固定螺旋固紧后，将仪器置于脚架头上并用中心联接螺旋固定。2022-8-525使用光学对中器对中使用光学对中器对中(1)摆好脚架，使脚架头大致水平并位于测点正上方。(2)放上仪器，调整对中器的调焦旋钮，直至地面测量标志中心清晰并与对中分划标记在同一成像平面内。(3)以一条架腿为支撑，两手分别抓住另外两条架腿，移动脚架，使测点中心进入对中器视场，然后将架腿固定，踩紧。(4)调整脚螺旋，直到对中十字丝（或圆点）中心与地面标志中心重合。(5)升
10、降架腿，使圆气泡居中，初步整平仪器。(6)用脚螺旋精确整平仪器。(7)整平完成后检查对中是否遭到破坏。如果对中破坏了，则松开脚架中心螺旋（松至仪器能移动即可），小心地平移仪器（勿旋转），再通过光学对中器，观察测量标志中心是否与对中器中心重合。确认仪器对中后，将中心螺旋旋紧固定好仪器。(8)再检查整平；可能需要重复整个过程；直到对中整平都满足要求为止。2022-8-526用水准管精确整平仪器(1)整平:使仪器纵轴铅垂，水平度盘与横轴水平，竖盘位于铅垂面内。(1)旋转仪器照准部让水准管与任意两个脚螺旋连线平行，调整这两个脚螺旋，使水准管气泡居中。调整两个脚螺旋时，旋转方向应相反（如图）。气泡居中，
11、1、2等高1232022-8-527用水准管精确整平仪器(2)(2)将照准部转动 90，用另一脚螺旋使水准管气泡居中。(3)重复和，使水准管在该两个位置上气泡都居中。(4)在的位置将照准部转动 180，如果气泡居中并且照准部转动至任何方向气泡都居中，则水准管安置正确且仪器已整平。一测回观测过程中，不得再调气泡。123气泡居中，3与1、2等高返回2022-8-528盘左盘左/盘右观测盘右观测 “盘左”是指观测者对着望远镜时，竖盘在望远镜的左边；“盘右”指的是观测者对着望远镜目镜时，竖盘在望远镜的右边。取盘左和盘右读数的平均数作为观测值，可以有效地消除仪器相应的系统误差对成果的影响。因此，在进行水
12、平和竖直角观测时，要在完成盘左观测之后，纵转望远镜 180再完成盘右观测。进行水平角观测时，先盘左照准起始方向，并读数。2022-8-529望远镜目镜调整和目标照准 目镜调整(1)取下望远镜镜盖。(2)将望远镜对准天空，通过望远镜观察，调整目镜旋钮，使分划板十字丝最清晰。目标照准 用望远镜竖丝精确瞄准目标的标志中心。2022-8-530瞄准瞄准 尽量瞄准目标底部，减少由于目标不竖直引起的方向误差。2022-8-531照准目标的步骤(1)用粗瞄准器的准星对准目标。(2)调整望远镜调焦旋钮，直至看清目标。(3)旋紧水平与垂直制动旋钮，微调两微动旋钮，将十字丝中心精确照准目标，这时眼睛左右上下轻微移
13、动观察，若目标与十字丝两影像间有相对移位现象，则说明存在视差（P18图2.6），应该再微调望远镜调焦旋钮，直至两影像清晰且相对静止时止。2022-8-532测回法观测水平角 角是从起始方向(即第1方向)顺时针转到第2 方向所成的角度，观测时，必须首先确定起始方向，然后按照“测回法”的次序观测。第1方向第2方向测站测站JKB 观测程序 盘左：瞄准J，配置水平度盘为指定读数，读取j左；瞄准K，读数k左；盘右：瞄准K，读数k右；瞄准J，读数j右。左左=k k左左-j-j左左 右右=k k右右-j-j右右2022-8-533 起始方向第一个读数应调成0 （或180 /N，N为测回数）；分、秒数写足二位
14、；改数时按有关规则。一测回过程中，不得再调整水准管气泡或改变度盘位置。水平角观测记录（测回法）第1方向第2方向测站测站JKB右KJ25424061800500741906B左JK 00418742342741924741915测站竖盘位置目标水平度盘 读 数半测回角一测回平均角2022-8-534水平角观测记录大角水平角观测记录大角 表中盘右C读数小于A读数，不够减时，应加360后再减。精度要求精度要求：左-右40“，在满足精度要求的前提下，取:=(左+右)/2第第2方向方向ACB第第1方向方向水平角观测记录（测回法）B左AC 010302143342右CA343412180111821423
15、1221422542142303测站竖盘位置目标水平度盘 读 数半测回角一测回平均角2022-8-535方向观测法方向观测法方向观测法方向观测法 一个测站观测3个或3个以上方向时，采用方向观测法，也称“全圆测回法”。ABOCD方向观测法零方向盘左盘右一测回：盘左：A-B-C-D-A盘右：A-D-C-B-A2022-8-536测站测回数目标水平度盘读数2C 平均读数 归零方向值 各测回平均归零方向值 盘左 盘右 O1A 0 02 42 180 02 42 0 （0 02 38）0 02 42 0 00 00 0 00 00B 60 18 42 240 18 30+12 60 18 36 60 1
16、5 58 60 15 56C116 40 18 296 40 12 +6 116 40 15 116 37 37 116 37 28D185 17 30 5 17 36 -6 185 17 33 185 14 55 185 14 47A 0 02 30 180 02 36 -6 0 02 332A 90 01 00 270 01 06 -6 （90 01 09）90 01 03 0 00 00B150 17 06 330 17 00+6 150 17 03 60 15 54C206 38 30 26 38 24+6 206 38 27 116 37 18D275 15 48 95 15 48
17、0 275 15 48 185 14 39A90 01 12 270 01 18 -6 90 01 15方向法观测水平角记录计算表格 2022-8-5372-5 竖直角观测 竖直角观测原理 竖盘构造特点 竖直角计算公式 竖盘指标差2022-8-538垂直角观测原理垂直角观测原理竖直角观测原理竖直角观测原理天顶天顶铅垂线水平线ACAZCZACB090 180270竖直角竖直角在同一铅垂面内，瞄准目标的倾斜视 线与水平视线的夹角。=090，仰角为正，俯角为负。2022-8-539垂直角的主垂直角的主要用途要用途竖直角的主要用途竖直角的主要用途D=Scos将斜距化为平距将斜距化为平距 已知斜距S、竖
18、直角，计算平距D：lihhDhABtan三角高程测量三角高程测量 已知平距D、竖直角，计算A、B高差h：2022-8-5401801802702700 09090盘左盘左竖直度盘与读数指标构造特点构造特点 竖盘随望远镜一起转动。竖盘与读数指标相互脱离。竖盘气泡居中，指标铅垂。视线水平、指标铅垂时，竖盘读数为常数：盘左时一般 L0=90，盘右时一般 R0=270。自动归零装置自动归零装置一、竖盘装置一、竖盘装置27027090900 0180180盘右盘右2022-8-541二、竖直角的观测与计算二、竖直角的观测与计算根据度盘刻度形式，确定竖直角计算公式，保证仰角为保证仰角为 正、俯角为负。正、
19、俯角为负。盘左盘右竖盘读数与竖直角计算L=90-LR=R-2702022-8-542x竖盘指标差竖盘指标差竖盘水准管气泡居中时（或经过自动归零装置补偿后），读数指标线与铅垂线的夹角三、竖盘指标差三、竖盘指标差盘左盘右观测竖直角取平均，可消除指标差的影响。指标差计算公式：指标差计算公式：）或右左(21)360(21xRLx2022-8-543试完成竖直角的计算（视线水平时，盘左竖盘读数为90；望远镜上仰时，竖盘读数增大）目 标竖盘位置指 标 差一 测 回 角 值M左98 41 18右261 18 48N左86 16 18右273 44 00竖 盘 读 数半测回角值2/)360(;2/)180(2
20、70;90RLxRLRL右左2022-8-544第六节 全站仪角度测量 全站仪概述 全站仪的组成 全站仪轴系自动补偿装置 南方NTS362R全站仪角度测量2022-8-545一、全站仪概述 全站型电子速测仪，简称全站仪（Total-station），是集测角、测距功能为一体，并能自动显示、记录、存储及处理观测数据的数字化测量仪器。全站仪不仅能一次按键测出斜距、水平角、竖直角等基本观测值，还能通过内置的观测数据处理程序，得出待定点三维坐标等观测值函数值。观测成果可以储存并传入计算机处理，测量操作简单，避免了人工读数、记录可能出现的差错，可靠性高、作业效率高而劳动强度低。2022-8-546二、全
21、站仪的组成 全站仪同样有基座、照准部、度盘与读数装置等主要部件。按功能划分为电源、测角系统、测距系统、计算机微处理器及应用软件、输入输出设备等功能相对独立的部分。2022-8-5472022-8-548 （一）电 源 全站仪电源分为机载电池和外接电池两种。近年出厂的全站仪均配备锂电池，锂电池具有容量大、无记忆、充电时间短的优势，性能远超过镍氢电池，可以满足长时间外业测量的需要，所以一般不需要配备外接电池。2022-8-549（二）测角系统 全站仪作为先进的光电一体化仪器，角度的读取是自动完成的。实现度盘读数记录的自动化方法，是随着仪器的转动，光电扫描装置在特殊的光电度盘上获取电信号，再根据电信
22、号转换成角度值。按获取电信号的方法分类，光电度盘一般分为两大类：一类称为绝对编码度盘测角系统，另一类称为增量光栅测角系统。2022-8-5501、绝对编码度盘系统 绝对编码度盘系统在度盘中设计透光与不透光两种状态，分别表示二进制的“0”和“1”。通过光电扫描在度盘的每一个位置直接读出度、分、秒角度值。2022-8-551绝对式编码度盘读数原理5.2216/360 假设在玻璃圆盘上刻划出若干个同心圆环带，称为码道。每一个环带表示一位二进制编码，内环带表示高位数，外环带表示低位数。再将全圆划分为若干扇区，则每个环带被划分为间距相等的小格。为了保证每个扇区编码的唯一性，扇区数与码道数需满足一定的关系
23、。如码道数为4，由内到外可以读到一个4位二进制的数，可以直接测到 。2022-8-552 例如，要设计度盘分划值为20，则度盘需要分为（）个扇区，而由 可知码道数应为16个。与传统经纬仪一样，由于度盘的直径有限，度盘上不可能做出过细的划分，所以实际上也是以适当的码道和扇区对度盘进行刻划，然后借助于测微装置达到细分角值的目的。360 60 60)/2064 8001664 80022022-8-5532、增量光栅测角系统 均匀地刻有许多一定间隔细线的直尺或圆盘称为光栅尺或光栅盘。刻在直尺上用于直线测量的为直线光栅；刻在圆盘上的等角距的光栅称为径向光栅。2022-8-554增量光栅测角系统原理 设
24、光栅的栅线（不透光区）宽度为a，缝隙宽度为b，栅距dab，通常ab，它们都对应着一角度值。栅线为不透光区，缝隙为透光区，在光栅度盘的上下对应位置上装上光源、指示光栅和计数器等，随着照准部转动，计数器可以累计所扫描的栅距数，从而求得所转动的角度。光栅度盘上没有绝对度数，读数装置只是通过累计移动光栅的条数，故称为增量式光栅度盘。2022-8-555 虽然光栅的栅距很小，但由于度盘直径有限，所以其分划值仍然较大。如 80 mm直径的度盘上刻12 500条线，密度达到了每毫米50线，但其栅距分划值为104。显然这样的分划值对于精密测角来说是太大了，为提高测角精度，必须提高光栅固有的分辨率。2022-8
25、-556莫尔条纹技术 实际工作中是设法将栅距放大，莫尔条纹技术是常采用的放大技术。栅距与径向光栅相同的指示光栅与径向光栅重叠起来，当两光栅刻线成一微小倾角时，便形成了一串透光菱形图案，这称为莫尔条纹的亮条纹。2022-8-557 亮条纹位于两条暗条纹之间，其宽度W被称为纹距，宽度近似为 Wd/式中，W为莫尔条纹纹距；d为光栅的栅距；为两条光栅线之间的交角（单位是弧度）。图 3-3 2022-8-558 莫尔条纹距比栅距放大了1/倍。例如设为20，则W大约是的172倍。当径向光栅静止，指示光栅沿垂直于自身栅线方向移动一个栅距d时，莫尔条纹则沿两个光栅交角的平分线方向移动一个纹距W，因此d和W对应
26、着同样的分划值。2022-8-559 设从O点测量A方向到B方向的夹角，在由A方向旋转望远镜照准B方向的过程中，测定出条纹移动整条数为n，条纹分划值，不足一个条纹的距离为 ，则角度可以表示为：AOBn2022-8-560（三）测距系统 全站仪的测距系统实际上是集合在内的光电测距仪，其测距方法是直接或间接测量电磁波信号在待测点间往返一次的传播时间，然后按公式 求得待测距离d。12dct2022-8-561（四）计算机微处理器及应用软件 现代全站仪均内置计算机微处理器，具有与微机类似的操作系统，完成接收输入指令、测量数据、计算处理等工作。由于全站仪内置电脑功能越来越强大，显示屏和操作键盘越来越像掌
27、上电脑，所以有人称这样的全站仪为电脑全站仪。2022-8-562（五）输入输出设备 输入输出设备包括操作键盘、显示屏和数据接口。2022-8-563三、全站仪轴系自动补偿装置 全站仪采用了自动补偿装置，利用倾斜补偿器和内置的计算程序，实现对轴系不完善测角误差的自动改正，这也是全站仪相对传统经纬仪的重要技术优势。2022-8-564 1.仪器误差：仪器误差：仪器校正的残余误差 盘左盘右观测取平均能消除：度盘偏心误差、视准轴误差（CCHH）横轴误差（HHVV）；竖盘指标差的影响。不能消除竖轴误差（LLVV）的影响，注意仔细整平。2.仪器安置误差：仪器安置误差：对中误差，整平误差 对中误差：边长较短
28、时采用光学对中。整平误差：水准器气泡偏离中心应小于1格。观测目标垂直角较大时，应特别注意。影响测角精度的因素误差来源与处理方法2022-8-565误差来源与处理方法误差来源与处理方法3.3.标杆倾斜误差标杆倾斜误差 竖直标杆，观测时尽量瞄准目标底部4.4.观测误差：观测误差：瞄准误差，估读数误差5.5.外界因素：外界因素：温度引起仪器轴线变化，热辐射引起 视线跳动，土壤松软使仪器安置不稳定 选择有利观测时间，设法避开不利条件；尽量缩短一测回的观测时间，采取观测方法减弱与时间成正比的误差。2022-8-566思考题（思考题（1）名词解释：水平角、视准轴、视差、对中、盘左名词解释：水平角、视准轴、
29、视差、对中、盘左 测回法、方向观测法、测回、半测回归零差、两测回法、方向观测法、测回、半测回归零差、两倍照准误差、竖直角倍照准误差、竖直角 经纬仪有哪四条主要轴线，在测水平角时它们应经纬仪有哪四条主要轴线，在测水平角时它们应满足什么条件？满足什么条件？按照功能划分，全站仪主要包括哪几个相对独立按照功能划分，全站仪主要包括哪几个相对独立的部分？的部分？怎样减弱各种测角误差的影响？怎样减弱各种测角误差的影响？2022-8-567思考题（思考题（2）通过对盘左盘右所测的角度取平均值通过对盘左盘右所测的角度取平均值的做法能消除哪些仪器误差？的做法能消除哪些仪器误差？2022-8-568作业(1)测测站
30、站目目标标度盘读数度盘读数半测回角值半测回角值一测回角值一测回角值各测回平均角值各测回平均角值备备 注注盘盘 左左盘盘 右右 o oA A 0 00 24 0 00 24180 00 54180 00 54 B B58 48 5458 48 54238 49 18238 49 18 A A90 00 1290 00 12270 00 36270 00 36 B B148 48 48148 48 48328 49 18328 49 18 2022-8-569作业（2）测测回回数数测测站站照准照准点点盘左读数盘左读数 盘右读数盘右读数 方向平方向平均值均值一测回归零一测回归零方向值方向值 各测回归
31、零各测回归零方向平均值方向平均值 角值角值 1 1O OA A00 00 2200 00 22180 00 18180 00 18 B B60 11 1660 11 16240 11 09240 11 09 C C131 49 38131 49 38311 49 21311 49 21 D D167 34 38167 34 38347 34 06347 34 06 A A00 00 2700 00 27180 00 13180 00 13 2 2O OA A90 02 3090 02 30270 02 26270 02 26 B B150 13 26150 13 26330 13 18330 13 18 C C221 51 42221 51 4241 51 2641 51 26 D D257 36 30257 36 3077 36 2177 36 21 A A90 02 3690 02 36270 02 15270 02 15 2022-8-570作业（3）测测站站目目标标竖盘位竖盘位置置竖盘读数竖盘读数 半测回角值半测回角值 指标差指标差 一测回角值一测回角值 备备 注注0 0M M左左98 41 1898 41 18 右右261 18 48261 18 48 N N左左86 16 1886 16 18 右右273 44 00273 44 00
